Đánh giá hiệu quả của các mô hình thông tin chuyển tiếp hai chiều

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN VĂN BỐNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC MƠ HÌNH THƠNG
TIN CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
CHUN NGHÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ CHUYÊN NGHÀNH: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ
GVHD: TS. HỒ VĂN KHƢƠNG

TP.HCM – 6/2013

i


CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hƣớng dẫn khoa học:

TS. HỒ VĂN KHƢƠNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: Gs. Phan Hồng Liên

Cán bộ chấm nhận xét 2: Võ Quế Sơn

Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM

ngày tháng 07 năm 2013.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1.
2.
3.
4.
5.

………………………………………………..
………………………………………………..
………………………………………………..
………………………………………………..
………………………………………………..

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trƣởng Khoa quản lý chuyên
nghành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên nghành


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên:

Nguyễn Văn Bống

MSHV:

Ngày, tháng, năm sinh:

16/01/1988

Nơi sinh: Thái Bình

Chuyên ngành:

Kỹ thuật điện tử

Mã số :

11140002

605270

I. TÊN ĐỀ TÀI:
ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC MƠ HÌNH THƠNG TIN CHUYỂN TIẾP HAI
CHIỀU
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Khảo sát các mơ hình thơng tin chuyển tiếp hai chiều : Four Phase, Three Phase,
và Two Phase với hai loại relay là AF relay và DF relay, trong đó, mơ hình DF sử

dụng Network coding.

-

Khảo sát và xác lập biểu thức xác định throughput của các mơ hình theo thơng số
SNR, sử dụng điều chế BPSK.

-

Mơ phỏng kết quả và đánh giá các mơ hình, đƣa ra những khuyến nghị.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21/01/2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/6/2013
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN:

TS. HỒ VĂN KHƢƠNG

Tp. HCM, ngày 25 tháng 6 năm 2013
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƢỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, em xin gửi lời biết ơn chân thành nhất đến TS.Hồ Văn Khương là người
đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành luận văn này. Thầy đã tận tình hướng đi đúng đắn
trong nghiên cứu khoa học, rèn luyện cho em cách làm việc khoa học và tư duy khoa học,
đồng thời, luôn theo dõi và định hướng em trong q trình hồn thành đề tài. Những điều

này đã giúp em hoàn thành tốt và kịp tiến độ luận văn này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy cơ khoa Điện-Điện tử, những người đã tận tình chỉ
bảo, cung cấp cho chúng em những kiến thức kỹ thuật nền tảng và chuyển sâu, là cơ sở
quan trọng để em hoàn thành luận văn này và vững bước chuyên môn trong con đường
sự nghiệp.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đã thường xuyên động viên, giúp
đỡ cả về vật chất và tinh thần, giúp em hoàn thành thật tốt luận văn này.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến công ty Cổ phần Công nghệ và Truyền thông
Việt Nam, nơi em đang công tác, đã tạo điều kiện rất nhiều cho em về thời gian, giúp em
có thể hồn thành tốt khóa học cũng như luận văn này.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 6 năm 2013
Nguyễn Văn Bống


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Thơng tin vơ tuyến hai chiều gần đây đã và đang nhận đƣợc nhiều sự quan tâm trong
lĩnh vực thơng tin vơ tuyến vì sự hiệu quả của nó. Trong mơ hình thơng tin, relay đƣợc sử
dụng nhƣ một giải pháp hiệu quả trong việc mở rộng vùng hoạt động của hệ thống, trong
đó, half-duplex relay đƣợc lựa chọn vì nó khá đơn giản. Tuy nhiên, half-duplex relay lại
sử dụng quá nhiều timeslot để truyền thông tin theo hai chiều, vì vậy, throughput của nó
thƣờng thấp hơn nhiều so với full-duplex relay. Đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu các
mơ hình thơng tin hai chiều để loại bỏ hạn chế này của half-duplex relay. Luận văn này
tập trung phân tích các mơ hình thơng tin hai chiều thơng qua giá trị throughput và sau đó
sẽ đƣa ra các khuyến nghị với các mơ hình thơng tin chuyển tiếp hai chiều sử dụng halfduplex relay. Trƣớc tiên, chúng ta khảo sát các mơ hình thơng tin hai chiều với hai node
đầu cuối truyền thông tin qua một relay trên kênh truyền Rayleigh, các node đều sử dụng
1 anten và khơng có link trực tiếp giữa các node. Sau đó, chúng ta xây dựng biểu thức
throughput cho các mơ hình. Cuối cùng, thực hiện mơ phỏng và phân tích kết quả để thấy
đƣợc hiệu quả của các mơ hình với các mức tín hiệu trên nhiễu khác nhau. Relay đƣợc sử
dụng trong luận văn này là AF (Amplify-and-Forward) và DF (Decode-and-Forward)

relay.

i


ABSTRACT
Two-way wireless communication has regained significant attention recently over
wireless communication because of its efficiency. In such a communication model, relays
are used as a solution to expand communication range, and half-duplex relays are usually
employed because of its simple implementation. However, half-duplex relays spend a lot
of time to transfer two-way information, and so, their throughput is lower than that of
full-duplex relays. Various works on two-way models to avoid this issue have been
investigated. This thesis focuses on analyzing two-way models based on the throughput
metrics and comes up with some recommendation for two-way communications using
half-duplex relays. First, we consider two-way system models with two terminal nodes
communicating via a relay on Rayleigh channels; each node is equipped with one antenna
and no direct link between two terminals. And then, we build up expressions for
throughput of these models. Last, simulation results and analysis provide an insight into
the effect of different models with respect to different level signal to noise ratios. We use
AF (Amplify-and-Forward) and DF (Decode-and-Forward) relay for models.

ii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các kết quả, số liệu nêu trong
luận văn là trung thực. Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm với những lời cam đoan nói
trên.

TPHCM, ngày 25 tháng 6 năm 2013

Học viên thực hiện
Ký tên

Nguyễn Văn Bống

iii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................................i
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................................................i
ABSTRACT ................................................................................................................................................. ii
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................................................... iii
MỤC LỤC....................................................................................................................................................iv
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ..................................................................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU .................................................................................................ix
Chƣơng 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ................................................................................................................. 1
Lý do chọn đề tài ................................................................................................................................... 1

I.
II.

Khảo sát các cơng trình nghiên cứu .................................................................................................. 1

III.

Mục tiêu đề tài và hƣớng nghiên cứu ................................................................................................ 2

1.

Mục tiêu đề tài ................................................................................................................................... 2

2.

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..................................................................................................... 2

3.

Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................................................................... 3

IV.

Kết quả .............................................................................................................................................. 4
Bố cục luận văn ..................................................................................................................................... 4

V.

Chƣơng 2: CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN ..................................................................................................... 6
I.

Hệ thống thông tin wireless ................................................................................................................... 6
1.

2.
II.

Giới thiệu về hệ thống thông tin wireless .......................................................................................... 6
1.1.

Các hệ thống Cellular Telephone .............................................................................................. 6

1.2.

Cordless Phone .......................................................................................................................... 8

1.3.

Wireless LAN............................................................................................................................ 9

1.4.

Wide Area Wireless Data Services ......................................................................................... 10

1.5.

Satellite Network ..................................................................................................................... 10

1.6.

Bluetooth Network .................................................................................................................. 11

Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả của các hệ thống thông tin wireless ....................................... 11
Kênh truyền và giới hạn kênh truyền .............................................................................................. 13

1.

2.

Lý thuyết kênh truyền và các yếu tố ảnh hƣởng trong thông tin vô tuyến ...................................... 13
1.1.

Lý thuyết kênh truyền ............................................................................................................. 13

1.2.

Các yếu tố ảnh hƣởng trong thông tin vô tuyến ...................................................................... 15

Giới hạn dung lƣợng kênh truyền.................................................................................................... 16

iv


3.
III.

Kênh truyền Rayleigh...................................................................................................................... 17
Điều chế số ...................................................................................................................................... 18

1.

Điều chế ASK ................................................................................................................................. 18

2.

Điều chế FSK .................................................................................................................................. 21

3.

Điều chế PSK .................................................................................................................................. 22

IV.

3.1.

Điều chế BPSK........................................................................................................................ 23

3.2.

Điều chế DPSK ....................................................................................................................... 25

3.3.

Điều chế QPSK ....................................................................................................................... 26

Truyền thơng hợp tác ...................................................................................................................... 27

1.

Relay và vai trị của relay trong hệ thống thông tin ........................................................................ 28

2.

AF relay ........................................................................................................................................... 30

3.

DF relay ........................................................................................................................................... 32

Chƣơng 3: CÁC MƠ HÌNH THƠNG TIN CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU ................................................. 34
Mơ hình và ứng dụng thực tế .............................................................................................................. 34

I.
II.

Mơ hình Four-phase ........................................................................................................................ 36
1.

2.

III.
1.

2.

IV.
1.

2.

AF Four-phase ................................................................................................................................. 37
1.1.

Mơ hình ................................................................................................................................... 37

1.2.

Tính tốn throughput ............................................................................................................... 39

DF Four-phase ................................................................................................................................. 40
2.1.

Mơ hình ................................................................................................................................... 40

2.2.

Tính tốn throughput ............................................................................................................... 41

Mơ hình Three-phase ...................................................................................................................... 42
AF Three-phase ............................................................................................................................... 42
1.1.

Mơ hình ................................................................................................................................... 42

1.2.

Tính tốn throughput ............................................................................................................... 44

DF Three-phase ............................................................................................................................... 46
2.1.

Mơ hình ................................................................................................................................... 46

2.2.

Tính tốn throughput ............................................................................................................... 48

Mơ hình Two-phase ........................................................................................................................ 50
AF Two-phase ................................................................................................................................. 51
1.1.

Mơ hình ................................................................................................................................... 51

1.2.

Tính tốn throughput ............................................................................................................... 52

DF Two-phase ................................................................................................................................. 53
v


2.1.

Mơ hình ................................................................................................................................... 53

2.2.

Tính tốn throughput ............................................................................................................... 54

Ƣu khuyết điểm của các mơ hình ........................................................................................................ 56

V.

Chƣơng 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA CÁC MƠ HÌNH THƠNG QUA THROUGHPUT ................. 58
I.

Thơng số mô phỏng ............................................................................................................................. 58

II.

So sánh giữa loại Relay khác nhau .................................................................................................. 59

1.

2.

3.

AF Four-phase so với DF Four-phase ............................................................................................. 59
1.1.

Four phase với nhiễu trên các link bằng nhau ......................................................................... 59

1.2.

Four phase với nhiễu trên các link khác nhau ......................................................................... 60

1.3.

So sánh throughput của hai mơ hình Four-phase .................................................................... 60

AF Three-phase so với DF Three-phase ......................................................................................... 61
2.1.

Three phase với tỉ số tín hiệu trên nhiễu trên các link bằng nhau ........................................... 61

2.2.

Three phase với tỉ số tín hiệu trên nhiễu trên các link khác nhau ........................................... 62

2.3.

So sánh throughput của hai mơ hình AF và DF Three phase .................................................. 62

AF Two-phase so với DF Two-phase ............................................................................................. 63
3.1.

Two phase với tỉ số tín hiệu trên nhiễu trên các link bằng nhau ............................................. 63

3.2.

Two phase với tỉ số tín hiệu trên nhiễu trên các link khác nhau ............................................. 64

3.3.

So sánh throughput của hai mơ hình AF và DF Two phase .................................................... 65

4.

Các mơ hình AF relay ..................................................................................................................... 66

5.

Các mơ hình DF relay ..................................................................................................................... 67

III.

So sánh giữa các mơ hình tối ƣu ..................................................................................................... 69

1.

So sánh 3 mơ hình tối ƣu khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu trên các link bằng nhau............................... 69

2.

So sánh 3 mơ hình khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu trên các link khác nhau ......................................... 70

3.

Đánh giá hiệu quả............................................................................................................................ 70

IV.

Ảnh hƣởng của sự thay đổi khoảng cách giữa các node đến relay.................................................. 71

Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ................................................................................ 74
1.

Kết luận ........................................................................................................................................... 74

2.

Hƣớng phát triển ............................................................................................................................. 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................................... 76
PHỤ LỤC .................................................................................................................................................... 77

vi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
AF

Amplify and Forward

AWGN:

Additive white Gaussian noise

ANC

Analog network coding

ASK

Amplitude Shift Keying

BFSK

Binary Frequency Shift Keying

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BTS:

Base transceiver station

BU:

Base Unit

CDMA:

Code Division Multiple Access

CH:

Cordless Handset

DBPSK

Difference Binary Phase Shift Keying

DF

Decode and Forward

DPSK

Difference Phase Shift Keying

DQPSK

Difference Quadrature Phase Shift Keying

FDMA:

Frequency Division Multiple Access

FSK

Frequency Shift Keying

vii


i.i.d.

Independent and identically distributed

LAN:

Local Area Network

MIMO

Multiple-input and multiple-output

MS:

Mobile station

MSC:

Mobile station controller

PBX:

Private branch exchange

PHS:

Personal Handyphone System

PSK

Phase Shift Keying

PSTN:

Public switched telephone network

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

TDBC:

Time Division Broadcast

TDMA:

Time division multiple access

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU
Danh mục hình vẽ
Hình2.1:

Cellular systems

Hinh 2.2:

Kênh truyền trong hệ thống thơng tin

Hình 2.3:

Truyền sóng vơ tuyến

Hình 2.4:

Suy hao phạm vi rộng

Hình 2.5:

Hệ thống thơng tin

Hình 2.6:

Mơ hình kênh truyền fading

Hình 2.7:

(a) Tín hiệu nhị phân và (b) tín hiệu BASK

Hình 2.8:

Điều chế 4-ASK: (a) chuỗi nhị phân, (b) tín hiệu 4-ary, (c) tín hiệu 4-ASK

Hình 2.9:

Tín hiệu BFSK

Hình 2.10:

Tín hiệu BPSK trong miền thời gian

Hình 2.11:

Các hàm mật độ xác suất có điều kiện của hai tín hiệu

Hình 2.12:

Dạng sóng điều chế DBPSK và DQPSK

Hình 2.13:

Mơ hình truyền thơng hợp tác

Hình 2.14:

Relay phân tập trong mạng thơng tin hợp tác

Hình 2.15:

Relay chuyển tiếp thơng tin trong mạng thơng tin hợp tác

Hình 2.16:

Mơ hình hệ thống thơng tin sử dụng AF relay

Hình 2.17:

Mơ hình hệ thống thơng tin sử dụng DF relay

Hình 3.1:

Mơ hình four-phase

Hình 3.2:

Sơ đồ khối hoạt động của mơ hình AF Four-phase

Hình 3.3:

Sơ đồ khối hoạt động của mơ hình DF Four-phase
ix


Hình 3.4:

Mơ hình AF three-phase

Hình 3.5:

Sơ đồ khối hoạt động của mơ hình AF Three-phase

Hình 3.6:

Sơ đồ khối hoạt động của mơ hình DF Three-phase

Hình 3.7:

Giản đồ Markov mơ tả DF protocol

Hình 3.8:

Mơ hình Two-phase

Hình 3.9:

Sơ đồ khối hoạt động của mơ hình AF Two-phase

Hình 3.10:

Sơ đồ khối hoạt động của mơ hình DF Two-phase

Hình 4.1:

Throughput của mơ hình AF và DF Four phase khi SNR trên hai link bằng nhau

Hình 4.2:

Throuhput của mơ hình AF và DF Four phase khi SNR1=2SNR2

Hình 4.3:

Throughput của mơ hình AF và DF three phase khi SNR1=SNR2

Hình 4.4:

Throughput của mơ hình AF và DF three phase khi SNR1=2SNR2

Hình 4.5:

Throughput của mơ hình AF và DF two phase khi SNR1=SNR2

Hình 4.6:

Throughput của mơ hình AF và DF two phase khi SNR1=2SNR2

Hình 4.7:

Throughput của các mơ hình AF relay với SNR1=SNR2

Hình 4.8:

Throughput của các mơ hình DF relay

Hình 4.9:

Throughput 3 mơ hình tối ƣu khi SNR1=SNR2

Hình 4.10:

Throughput 3 mơ hình tối ƣu khi SNR1=2SNR2

Hình 4.11:

Throughput của các mơ hình AF relay khi relay thay đổi vị trí

Hình 4.12:

Mơ hình throughput của các mơ hình DF relay khi relay thay đổi vị trí

Hình 4.13:

Throughput của DF four phase, DF three phase và AF two phase khi relay thay đổi vị trí

Danh mục bảng biểu
Bảng 2.1: Góc pha của QPSK

x


Chương 1 – Giới thiệu đề tài

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

Chƣơng 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
I.

Lý do chọn đề tài
Trong kỷ nguyên công nghệ số hiện nay, kỹ thuật truyền thơng đóng một vai trị hết sức

quan trọng, nó ảnh hƣởng trực tiếp đến mọi mặt của đời sống, xã hội, và kinh tế. Mạng
thông tin chiếm một phần không nhỏ trong tất cả các thành phần kinh tế, kỹ thuật. Trên
thực tế, mạng thông tin đƣợc chia thành nhiều loại, nhƣng thuộc một trong hai dạng truyền

thông phổ biến là mạng hữu tuyến- wire line và mạng vô tuyến-wireless. Trong đó, mạng
vơ tuyến đang ngày càng chiếm ƣu thế vƣợt trội do tính di động của mình.
Trong các mơ hình thơng tin wireless hiện nay, có hai hình thức truyền thông tin: một
chiều – one way và hai chiều – two way. Các mơ hình thơng tin một chiều chủ yếu đƣợc
ứng dụng trong các mơ hình truyền thơng broadcast hoặc multicast. Các mơ hình thơng tin
hai chiều đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn. Các mơ hình thơng tin hai chiều địi hỏi khả năng
truyền thơng tin qua lại giữa hai đầu cuối, do đó, mơ hình cũng phức tạp hơn. Và để mở
rộng khoảng cách truyền, các hệ thống ngày nay sử dụng các relay trung gian, half-duplex
relay đƣợc lựa chọn khá phổ biến nhờ tính đơn giản của nó. Đã có nhiều cơng trình nghiên
cứu về các mơ hình thơng tin hai chiều sử dụng half-duplex relay dựa trên các tiêu chí
khác nhau nhƣ throughput, outage performance, error probilities, ...., trong đó throughput
của các mơ hình đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của các
mơ hình. Nhằm đánh giá hiệu quả của các mơ hình thơng tin chuyển tiếp hai chiều, luận
văn thực hiện khảo sát, phân tích và đánh giá hiệu quả của các mơ hình dựa trên thơng số
throughput.
II.

Khảo sát các cơng trình nghiên cứu
Đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu các mơ hình thơng tin hai chiều, sử dụng cả half-

duplex và full-duplex relay. Mơ hình thông tin hai chiều đầu tiên đƣợc nghiên cứu bởi
Shannon [11], tuy nhiên, trong mơ hình này, shannon chủ yếu tập trung vào nghiên cứu về
HVTH: Nguyễn Văn Bống

1


Chương 1 – Giới thiệu đề tài

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

kênh truyền hai chiều trực tiếp giữa hai terminal. Sau này, các mơ hình sử dụng relay
trung gian đƣợc nghiên cứu phổ biến hơn. Zhihang Yi và cộng sự thực hiện nghiên cứu
khảo các mơ hình thơng tin hai chiều dựa trên Analog network coding (ANC) và time
division broadcasting (TDBC), xây dựng các đƣờng lower bound của outage probilities
theo sự thay đổi SNR, từ đó, phân tích sự phân tập của các mơ hình. Đồng thời, phân tích
sự tối ƣu hóa cơng suất cho các mơ hình sử dụng ANC protocol [7]. Hoặc đề xuất mơ hình
AF relay trên mơ hình multi-hop và nghiên cứu sự tác động của lỗi kênh truyền và tải bất
đối xứng của mơ hình [5]. Trong nghiên cứu [2], tác giả đề xuất hai phƣơng pháp sử dụng
relay chuyển tiếp hai chiều, đó là sử dụng 1 AF hoặc DF relay để chuyển tiếp thông tin
giữa hai hoặc nhiều terminal, và mơ hình sử dụng 2 half-duplex relay luân phiên chuyển
tiếp dữ liệu từ một source đến một đích nhằm tăng hiệu quả thơng tin.
III. Mục tiêu đề tài và hƣớng nghiên cứu
1. Mục tiêu đề tài
Đề tài tìm hiểu về 3 loại mơ hình thông tin chuyển tiếp hai chiều phổ biến hiện nay là
four-phase, three-phase, và two-phase sử dụng hai loại relay là Amplify-and-Forward
(AF) relay và Decode-and-Forward (DF) relay, nhằm đánh giá các ƣu, khuyết điểm và
phạm vi áp dụng của từng mô hình, so sánh giữa các mơ hình để tìm ra mơ hình tối ƣu
nhất về mặt throughput. Đề tài nghiên cứu, thiết lập các cơng thức tính throughput của các
mơ hình trong những điều kiện nhất định, so sánh throughput của các mơ hình trong
những điều kiện khác nhau về SNR, sự thay đổi vịt trí của relay. Bên cạnh đó, xác định
ảnh hƣởng của kênh truyền trên các mơ hình.
2. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài tập trung vào tìm hiểu các mơ hình thơng tin hai chiều, trong đó có sự phối hợp
chuyển tiếp thơng tin của relay. Hệ thống bao gồm:
 2 node đầu cuối phát thông tin, sử dụng 1 anten, 1 relay ở giữa sử dụng 1 anten để
chuyển tiếp thông tin.
HVTH: Nguyễn Văn Bống

2

Chương 1 – Giới thiệu đề tài

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

 Relay sử dụng kỹ thuật AF và DF
 Tín hiệu đƣợc điều chế BPSK nhằm mục đích nghiên cứu
 Kênh truyền giữa các thiết bị khảo sát là mô hình kênh truyền Rayleigh
 Khơng có link trực tiếp giữa 2 node đầu cuối, tất cả q trình thơng tin đều phải qua
relay.
 Khảo sát ở 3 mơ hình:
o Four-phase
o Three-phase
o Two-phase
3. Phƣơng pháp nghiên cứu
Đề tài đƣợc thực hiện bao gồm 2 nội dung chính : nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng hệ
thống. Việc mô phỏng nhằm xác thực, đánh giá lại kết quả lý thuyết, đồng thời, kết quả lý
thuyết làm cơ sở cho mô phỏng.
3.1. Nghiên cứu lý thuyết
Giai đoạn nghiên cứu lý thuyết đƣợc chia thành các giai đoạn sau:
 Bƣớc 1 : Trƣớc tiên xác định các đặc điểm của kênh truyền Rayleigh và lý
thuyết giới hạn Shanon, từ đó xác định đƣợc các điều kiện kênh truyền, và giới
hạn dung lƣợng của kênh truyền và các yếu tố ảnh hƣởng đến dung lƣợng của
kênh truyền.
 Bƣớc 2 : Tìm hiểu các kỹ thuật điều chế, giải điều chế.
 Bƣớc 3 : Tìm hiểu các mơ hình relay AF và DF, trong đó, chú trọng vào mơ hình
DF, xác định đƣợc đặc điểm riêng biệt của từng mơ hình, ƣu và nhƣợc điểm hiện
tại của từng mơ hình.
 Bƣớc 4 : Phân tích chi tiết các mơ hình nghiên cứu, từ đó tính đƣợc dung lƣợng

của các mơ hình này.
HVTH: Nguyễn Văn Bống

3


Chương 1 – Giới thiệu đề tài

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

 Bƣớc 5 : Trên cơ sở cơng thức tính dung lƣợng đƣờng truyền của từng mơ hình,
xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến dung lƣợng, thay đổi các thơng số để có cái
nhìn đầy đủ hơn về hiệu quả của từng mơ hình.
3.2. Mơ phỏng các hệ thống
Giai đoạn mô phỏng đƣợc thực hiện bằng công cụ mô phỏng Matlab, nội dung đề tài
hƣớng đến là tập trung vào xác định dung lƣợng kênh truyền hai chiều của các mơ hình,
trong q trình mơ phỏng, thực hiện thay đổi một vài thông số : khoảng cách giữa các đầu
cuối và giữa đầu cuối với relay, thay đổi lƣợng thông tin truyền, thay đổi tỉ số SNR
(Signal to Noise Ratio) để đánh giá đƣợc sự thay đổi của dung lƣợng đƣờng truyền trong
các mơ hình.
IV. Kết quả
Đề tài đã cho thấy, với mỗi mơ hình, đều có những ƣu nhƣợc điểm nhất định, và với
mơi trƣờng có tỉ lệ SNR khác nhau, mỗi mơ hình cũng cho những hiệu quả khác nhau,
trong đó, với mơi trƣờng có SNR thấp, mơ hình DF Three-phase tỏ ra hiệu quả hơn cả về
mặt throughput, nhƣng mơ hình AF Two-phase lại đạt đƣợc hiệu quả tốt hơn trong trƣờng
hợp SNR cao (ít lỗi), đồng thời, throughput cao nhất có thể đạt đƣợc của mơ hình AF
Two-phase là cao nhất. Mơ hình Four-phase truyền thống khá đơn giản, đảm bảo đƣợc
hiệu quả khi SNR q nhỏ, nhƣng throughput lại khơng cao. Từ đó cho thấy, với từng điều
kiện môi trƣờng cụ thể chúng ta có thể sử dụng một trong 3 mơ hình trên cho phù hợp
nhằm đem lại hiệu quả cao nhất.

V. Bố cục luận văn
Luận văn đƣợc tổ chức thành thành 5 chƣơng nhƣ sau:
 Chƣơng 1: Giới thiệu về đề tài thực hiện, lý do và phạm vi nghiên cứu, phƣơng
pháp nghiên cứu của đề tài.

HVTH: Nguyễn Văn Bống

4


Chương 1 – Giới thiệu đề tài

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

 Chƣơng 2: Đƣa ra những lý thuyết cơ bản liên quan đến đề tài nghiên cứu: hệ
thống thông tin wireless, khái niệm kênh truyền, điều chế số, và truyền thơng
hợp tác.
 Chƣơng 3: Đƣa ra các mơ hình cụ thể, chi tiết các mơ hình, đồng thời, phân tích
tìm ra cơng thức tính throughput của các mơ hình nghiên cứu
 Chƣơng 4: Thực hiện mô phỏng, so sánh kết quả về throughput của các mơ hình
dựa trên các thơng số mô phỏng nhất định. Đƣa ra nhận xét về các mơ hình
 Chƣơng 5: Tổng kết lại, đánh giá hiệu quả của mơ hình thơng tin hai chiều, đƣa
ra các khuyến nghị cho các mơ hình trong thực tế.

HVTH: Nguyễn Văn Bống

5


Chương 2 - Các lý thuyết cơ bản

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

Chƣơng 2: CÁC LÝ THUYẾT CƠ BẢN
I. Hệ thống thông tin wireless
1. Giới thiệu về hệ thống thông tin wireless
Hệ thống thông tin hiện nay đƣợc chia thành hai loại cơ bản: hữu tuyến và vô tuyến, các
hệ thống thông tin vô tuyến đƣợc gọi chung là các hệ thống wireless, trong đó, việc truyền
thơng tin đƣợc thực hiện bằng các sóng điện từ, thơng qua mơi trƣờng khơng khí, khơng
sử dụng các dây truyền dẫn. Do đó, đặc điểm của hệ thống wireless cũng khác biệt so với
các hệ thống truyền dẫn sử dụng cáp kết nối. Các hệ thống vô tuyến đƣợc ra đời sau,
nhƣng hiện nay đã và đang chiếm vị trí hết sức quan trọng trong các hệ thống thông tin
hiện đại, và dần thay thế cho các hệ thống hữu tuyến ở một số lĩnh vực nhờ ƣu thế về tính
di động của nó.
Hệ thống thông tin wireless đƣợc ứng dụng rộng rãi trong việc truyền dữ liệu và truy
cập Internet của các thiết bị di động nhƣ laptop , PDA, Tablet,…, đƣợc sử dụng để truyền
tiếng nói, hình ảnh, dữ liệu. Đƣợc ứng dụng trong thông tin vệ tinh, radio, vô tuyến, … và
gần đây là các smart house, ….
Ngày nay, có rất nhiều hệ thống wireless đang đƣợc sử dụng trong thực tế, trong đó,
đƣợc phân chia thành các nhóm sau:
1.1. Các hệ thống Cellular Telephone
Còn đƣợc gọi với cái tên phổ biến là các hệ thống điện thoại di động, hiện đang đƣợc sử
dụng rất rộng rãi trên thế giới. Các hệ thống này đƣợc sử dụng để truyền voice và data
giữa các thiết bị trong một khu vực, giữa các khu vực trong một quốc gia hoặc giữa các
quốc gia trên thế giới.

HVTH: Nguyễn Văn Bống

6

Chương 2 - Các lý thuyết cơ bản

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

Hình2.1: Cellular systems
Hệ thống này đƣợc phân chia vùng phủ sóng thành dạng tế bào, trong mỗi tế bào, các
Base transceiver station (BTS) thực hiện chức năng kết nối các Mobile Station (MS) đến
mạng, vùng phủ sóng của mỗi BTS đƣợc giới hạn công suất trong vùng tế bào của mình.
Mạng tế bào này kết nối với mạng điện thoại PSTN thơng qua các trung tâm chuyển mạch,
nhờ đó, các MS có thể kết nối đến các điện thoại cố định.
Việc đảm bảo kết nối liên tục trong trƣờng hợp MS di chuyển trong một tế bào hoặc
chuyển vùng qua một tế bào khác là đặc trƣng quan trọng của hệ thống này. Trong đó, các
MSC đảm bảo việc di chuyển giữa các tế bào của MS không bị gián đoạn cuộc gọi. Việc
tránh bị chồng lấn phổ giữa các tế bào cũng là vấn đề quan tâm của hệ thống này.
Hiện nay có khá nhiều cơng nghệ truy nhập đƣợc áp dụng cho hệ thống điện thoại tế
bào, bao gồm: phân chia truy cập theo thời gian (TDMA), phân chia truy cập theo tần số
(FDMA) và phân chia truy cập theo mã (CDMA).
Thế hệ Cellular system đầu tiên (1G) sử dụng FDMA với điều chế FM cho các kênh
thoại 30 KHz. Hệ thống này đƣợc phân bổ băng tần 50 MHz, trong đó, 25 MHz đƣợc sử
dụng cho đƣờng uplink và 25 MHz đƣợc sử dụng cho đƣờng downlink.
Do sự không tƣơng đồng giữa các hệ thống 1G, hệ thống mạng tế bào thế hệ thứ 2 (2G)
nhanh chóng ra đời ở Châu Âu, sử dụng kết hợp TDMA và điều chế FSK cho các kênh
HVTH: Nguyễn Văn Bống

7


Chương 2 - Các lý thuyết cơ bản

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

thoại. Trong khi đó, ở Mỹ, các hệ thống 2G vẫn sử dụng kỹ thuật phân chia theo tần số,
trong đó, có hai chuẩn đƣợc sử dụng với dải tần 900 MHz, chuẩn IS-54 sử dụng kết hợp
TDMA và FDMA, sử dụng điều chế FSK, chuẩn IS-95 sử dụng kỹ thuật CDMA với điều
chế BPSK.
Hệ thống điện thoại tế bào thế hệ thứ 3 (3G) ra đời, sử dụng kỹ thuật truy cập CDMA,
cung cấp các tốc độ thông tin khác nhau phụ thuộc vào vị trí và tốc độ di chuyển từ 384
Kbps cho ngƣời đi bộ, đến 144 Kbps cho các phƣơng tiện giao thông, và 2 Mbps cho các
mơ hình sử dụng trong nhà. Các hệ thống 3G trên thực tế khơng tƣơng thích với các hệ
thống 2G, vì vậy, việc đầu tƣ các hệ thống này địi hỏi phải thay đổi tồn bộ nền tảng cấu
trúc hệ thống.
1.2. Cordless Phone
Cordless Phone là khái niệm dùng để chỉ các điện thoại vô tuyến, bao gồm một thiết bị
di động đƣợc gọi là Cordless Handset (CH) kết nối vô tuyến với một thiết bị cố định gắn
liền với nó, đƣợc gọi là Base Unit (BU), các BU này đƣợc đặt cố định và kết nối với mạng
PSTN thông thƣờng, đồng thời, kết nối đến các CH. Khoảng cách giữa 2 thiết bị này bị
giới hạn khá ngắn.
Có 2 loại hệ thống Cordless Phone phổ biến:
 DECT: hệ thống này ban đầu đƣợc thiết kế ở Châu Âu để phục vụ cho các văn
phịng. Mục đích của nó là để cung cấp khả năng di động cho các thiết bị hoạt động
trong một tòa nhà với một tổng đài PBX. Trong hệ thống này, các Base Unit đƣợc
gắn khắp trong tòa nhà, và mỗi Base Station đƣợc gắn với PBX thông qua một
controller. Các Cordless Handset kết nối đến BS gần nhất và các cuộc gọi đƣợc
hand-off khi ngƣời dùng di chuyển giữa các BS. DECT cũng có thể ringing Cordless
Handset thơng qua BS gần nó nhất.

HVTH: Nguyễn Văn Bống

8

Chương 2 - Các lý thuyết cơ bản

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

 Personal Handyphone System (PHS): hệt thống này đƣợc phát triển ở Nhật Bản, nó
tƣơng đồng khá nhiều với hệ thống điện thoại tế bào, trong đó, nó hỗ trợ thiết bị hoạt
động khoảng cách rộng, hand-off và routing giữa các BTS. Tuy nhiên, hạn chế của
PHS là nó không hỗ trợ việc hand-off ở tốc độ của các phƣơng tiện giao thơng. Nó
hỗ trợ tốc độ truyền dẫn lên tới 1Mbps, tuy nhiên, nó cũng khơng đƣợc phổ biến
rộng rãi do sự lớn mạnh của hệ thống mạng điện thoại tế bào.
1.3. Wireless LAN
Wireless LAN là khái niệm dùng để chỉ các hệ thống mạng LAN (Local Area Network)
hoạt động dựa trên mạng vơ tuyến. Nó cung cấp khả năng truyền dữ liệu tốc độ cao trong
một diện tích nhỏ. Các thiết bị wireless kết nối với mạng này là cố định hoặc di chuyển
với một tốc độ hạn chế. Các hệ thống wireless LAN hoạt động ở các băng tần Unlicensed
ISM 900MHz, 2.4GHz, 5.8GHz, và U-NII 5GHz. Các hệ thống Wireless LAN có thể
đƣợc triển khai theo mơ hình sao, trong đó, các thiết bị đầu cuối kết nối với một access
point tại trung tâm, hoặc mô hình peer-to-peer, trong đó, hai thiết bị đầu cuối tự kết nối
trực tiếp với nhau.
Thế hệ wireless LAN đầu tiên mang tính tự phát và sử dụng các giao thức khơng tƣơng
thích với nhau. Hầu hết hoạt động ở phổ 26MHz của băng tần ISM 900MHz sử dụng kỹ
thuật trải phổ trực tiếp. Việc thiếu tính chuẩn hóa dẫn đến chi phí cao, quy mơ nhỏ, và thị
trƣờng hạn chế với các nhà cung cấp.
Thế hệ wireless LAN thứ hai hoạt động ở phổ 80 MHz tại băng tần ISM 2.4 GHz. Để
tránh việc lặp lại hạn chế kém tƣơng thích của thế hệ thứ nhất, một chuẩn wireless LAN
cho dải tần này đƣợc phát triển với tên gọi IEEE 802.11b. Theo đó, tốc độ truyền dẫn xấp
xỉ 1.6 Mbps và khoảng cách xấp xỉ 150m.
Ba chuẩn khác với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn đƣợc phát triển là 802.11a với phổ

300MHz ở băng tần U-NII 5GHz, tốc độ dữ liệu của chuẩn này đạt đƣợc từ 20-70 Mbps,
HVTH: Nguyễn Văn Bống

9


Chương 2 - Các lý thuyết cơ bản

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

đồng thời, hỗ trợ nhiều user truy cập hơn so với 802.11b. Một chuẩn khác đƣợc phát triển
là 802.11g, sử dụng cả 2 băng tần 2.4GHz và 5 GHz, với tốc độ tối đa 54 Mbps. Năm
2009, một chuẩn wireless LAN tốc độ cao khác ra đời là 802.11n, sử dụng phổ 40 MHz, ở
dải tần 2.4GHz và 5GHz. Tốc độ lý thuyết tối đa của chuẩn này đạt đƣợc lên tới 600
Mbps.
1.4. Wide Area Wireless Data Services
Các hệ thống này cung cấp kết nối Internet cho các thiết bị di động ở khoảng cách xa
hơn hẳn so với hệ thống wireless LAN. Trong các hệ thống nay, một BTS đƣợc đặt trên
một vị trí cao để phủ sóng một khu vực địa lý, BTS này kết nối đến mạng Internet thông
qua cáp hoặc các BTS này tự kết nối với nhau thành một mạng Ad-hoc Network.
Các hệ thống Wide Area Wireless ngày nay có thể đạt đƣợc tốc độ truyền dẫn 76 Kbps,
do tốc độ thấp nên các hệ thống này không thực sự thành công do sự cạnh tranh của các hệ
thống tốc độ cao hơn nhƣ 3G.
1.5. Satellite Network
Các hệ thống thông tin vệ tinh địa tĩnh bao gồm Inmarsat và OmniTRACs. Ban đầu, các
hệ thống này đƣợc thiết kế cho việc truyền thông tin thoại ở những khu vực xa xơi. Ví dụ,
giúp các phóng viên truyền tin tức thời về các khu vực xung đột, chiến tranh. Hệ thống
đầu tiên Inmarsat-A đƣợc thiết kế với các hệ thống mặt đất khá to lớn và đắt đỏ. Các thế
hệ Inmarsat sau này sử dụng kỹ thuật số giúp cho kích thƣớc đầu cuối nhỏ hơn, chi phí
cũng thấp hơn, với kích thƣớc chỉ khoảng bằng một chiếc vali. Qualcomm‟s OmniTRACs

cung cấp kết nối thông tin hai chiều và khả năng định vị. Thực tế, việc truyền thoại và dữ
liệu thông qua đƣờng vệ tinh địa tĩnh gặp một số khó khăn nhƣ: tốn một cơng suất khá lớn
để truyền thông tin ngƣợc lên vệ tinh, thời gian delay khi truyền thông tin là khá lớn, điều
này ảnh hƣởng lớn đến chất lƣợng thông tin hai chiều nhƣ voice và data. Tốc độ thông tin
của loại vệ tinh này cũng khá nhỏ khoảng 10 Kbps.

HVTH: Nguyễn Văn Bống

10


Chương 2 - Các lý thuyết cơ bản

GVHD: TS. Hồ Văn Khương

1.6. Bluetooth Network
Bluetooth cho phép truyền dữ liệu ở khoảng cách ngắn với công suất nhỏ giữa hai thiết
bị wireless, khoảng cách hoạt động khoảng 10 m (với công suất phát 1 mW) và có thể tăng
lên 100 m khi công suất phát tăng lên 100 mW. Hoạt động ở băng tần 2.4 GHz. Nó cung
cấp các kênh truyền bất đồng bộ với tốc độ một chiều đạt đƣợc tối đa là 723.2 Kbps và
chiều ngƣợc lại là 57.6 Kbps.
Bluetooth sử dụng frequency-hoping cho trƣờng hợp đa truy cập, với khoảng cách sóng
mang là 1 MHz. Có tới 80 tần số sóng mang khác nhau đƣợc sử dụng, với tổng băng thông
là 80 MHz.
Hiện nay, với sự phát triển của cơng nghệ wifi, cơng nghệ Bluetooth khơng cịn đƣợc sử
dụng phổ biến nữa, tuy nhiên, mặc định, ở hầu hết các thiết bị di động, vẫn hỗ trợ loại hình
kết nối này.
2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả của các hệ thống thông tin wireless
Các hệ thống thơng tin wireless hoạt động dựa trên sóng vơ tuyến, truyền dẫn qua môi
trƣờng không gian, nên chịu ảnh hƣởng tác động rất lớn của nhiều yếu tố. Trong đó có

nhiều yếu tốt khơng xuất hiện hoặc ảnh hƣởng rất ít trong các hệ thống wireline. Một vài
yếu tố ảnh hƣởng không nhỏ đến chất lƣợng của hệ thống wireless nhƣ sau:


Thiết bị đầu cuối: các thiết bị di động là một vấn đề rất lớn của các hệ thống
wireless. Với các BTS, kích thƣớc và năng lƣợng khơng phải là vấn đề quá lớn,
nhƣng với các MS, đây thực sự là vấn đề có ý nghĩa then chốt. Trên thực tế, các
thiết bị di động thực hiện chức năng xử lý rất nhiều loại ứng dụng nhƣ voice, data,
hình ảnh, text, video,… Tất cả các khả năng xử lý này địi hỏi đƣợc tích hợp trên
một mạch xử lý với kích thƣớc rất nhỏ, đủ để có thể đảm bảo tính di động. Do đó,
kích thƣớc và khả năng tích hợp của các mạch xử lý tại đầu cuối sẽ quyết định đến
khả năng phát triển của các hệ thống này.



Bên cạnh đó, năng lƣợng cũng là một vấn đề lớn của các thiết bị di động, việc duy
trì sóng điện từ phát ở khoảng cách xa đến các BTS địi hỏi phải tiêu tốn năng
lƣợng khơng nhỏ, trong khi đó, ngƣời dùng khơng muốn các thiết bị di động phải

HVTH: Nguyễn Văn Bống

11