Đánh giá ảnh hưởng của thông tin kênh truyền thông đầy đủ lên các mô hình thông tin hợp tác

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VIỆT NGHĨA

ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA THÔNG TIN KÊNH
TRUYỀN KHÔNG ĐẦY ĐỦ LÊN CÁC MƠ HÌNH THƠNG
TIN HỢP TÁC
Chun ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60.52.70

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :TS. HUỲNH TƯỜNG NGUYÊN – TS. HỒ
VĂN KHUƠNG
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. HÀ HOÀNG KHA
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 11 tháng 07 năm 2013.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS Phạm Hồng Liên.
2. TS. Đặng Thành Tín.
3. TS. Võ Quế Sơn.
4. TS. Hà Hồng Kha.
5. TS. Hồ Văn Khương.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH
KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA
VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Việt Nghĩa ......................................... MSHV: 11140034 ..........
Ngày, tháng, năm sinh: 04/11/1987 ........................................... Nơi sinh: Khánh Hòa ......
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử ............................................... Mã số : 60 52 70 ..........
I. TÊN ĐỀ TÀI: Đánh giá ảnh hưởng của thông tin kênh truyền khơng đầy đủ lên
các mơ hình thơng tin hợp tác..........................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đánh giá ảnh hưởng của thông tin kênh truyền
không đầy đủ lên các mơ hình thơng tin hợp tác thơng qua tỷ lệ lỗi bit. Từ kết quả

phân tích, đưa ra các khuyến cáo và giải pháp cải thiện. ..............................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02/07/2012..................................................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/06/2013 ..................................................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Hồ Văn Khương .........................................................
TS. Huỳnh Tường Nguyên ...............................................

Tp. HCM, ngày 25 tháng 06 năm 2013.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Trước hết, Tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành và sâu sắt nhất đến Thầy Hồ
Văn Khương và Thầy Huỳnh Tường Nguyên, các Thầy đã hết lòng tận tình chỉ
bảo và dẫn dắt tơi trên con đường nghiên cứu khoa học của mình.
Xin cảm ơn Quý Thầy Cô khoa Điện-Điện tử Trường Đại học Bách Khoa
Tp.HCM những người đã truyền đạt cho tôi những kiến thức cùng với những
kinh nghiệm vô cùng quý báu.
Tôi xin cảm ơn các bạn cùng khóa, các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ và tạo
điều kiện cho tôi rất nhiều trong việc học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn cha mẹ và gia đình tơi, những người đã ln động

viên, tận tình chăm sóc và dạy bảo để tơi được như ngày hơm nay!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 06 năm 2013
Nguyễn Việt Nghĩa


ABSTRACT
Cooperative Communication is a technique which could be employed to mitigate
the effects of channel fading by exploiting diversity gain achieved via cooperation
between nodes and relays. Practical operation conditions show that channel state
information (CSI) is imperfect, and so the impact of imperfect CSI on the system
performance should be considered. In this thesis, we will perform analysis decode
and forward relay networks under imperfect channel information, derive the closedform bit error rate (BER) expression. The resulting BER depends on the quality of
channel estimators, position, power and number of relay, path loss exponent.
Moreover, this thesis provides a closed-form BER, so that give recommend and
solution to increase performance of networks. Analytical results are confirmed by
comparison with simulated ones.


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Truyền thơng hợp tác là một kỹ thuật được sử dụng nhằm thu dược độ lợi phân tập
thơng qua q trình truyền tin hợp tác giữa nút nguồn và các nút relay .Các điều
kiện thực tế cho thấy thông tin kênh truyền là không đầy đủ và vì vậy, ảnh hưởng
của kênh truyền lên chất lượng hệ thống mạng cần phải được xem xét. Luận văn
này thực hiện phân tích hiệu quả mạng relay hợp tác với thông tin kênh truyền
không đầy đủ, xác định công thức tính tỷ lệ lỗi bit (BER). Kết quả, tỷ lệ lỗi bit phụ
thuộc vào chất lượng ước lượng kênh truyền, cơng suất, số lượng và vị trí relay, hệ
số suy hao trong không gian. Cuối cùng, luận văn đã đưa ra được cơng thức tính
BER cho mơi trường hợp tác với thông tin kênh truyền không đầy đủ, đồng thời đưa
ra các khuyến cáo và giải pháp nhằm cải thiện hiệu suất của hệ thống. Kết quả phân

tích đã được kiểm tra với kết quả mô phỏng theo lý thuyết.


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu
trong luận văn là trung thực.
TPHCM, ngày 25 tháng 06 năm 2013
Học viên thực hiện

Nguyễn Việt Nghĩa


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .........................................................................................1
1.1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .....................................................................................1

1.2.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.........................................................................2

1.3.

KẾT QUẢ VÀ ĐÓNG GÓP CỦA LUẬN VĂN ......................................................3

1.4.

BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN ...............................................................................3

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÔ TUYẾN ............................................4
2.1.

MÔI TRƯỜNG KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ......................................................4

2.1.1. Các cơ chế lan truyền của tín hiệu .......................................................... 4
2.1.2. Các hiện tượng xảy ra đối với tín hiệu .................................................... 4
2.2.

KÊNH TRUYỀN VÔ TUYẾN ............................................................................6

2.2.1. Hiện tượng fading ................................................................................... 6
2.2.2. Fading phẳng ........................................................................................... 7
2.2.3. Fading chọn lọc tần số ............................................................................ 7
2.2.4. Kênh truyền fading biến đổi nhanh ......................................................... 8
2.2.5. Kênh truyền fading biến đổi chậm .......................................................... 8
2.3.

KÊNH TRUYỀN RAYLEIGH, KÊNH TRUYỀN RICEAN VÀ KÊNH TRUYỀN

NAKAGAMI-M ..........................................................................................................8
2.3.1. Phân bố Rayleigh .................................................................................... 9
2.3.2. Phân bố Ricean ........................................................................................ 9
2.3.3. Phân bố Nakagami-m ............................................................................ 10
2.4.

ĐIỀU CHẾ VÀ GIẢI ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU SỐ...................................................12

2.4.1. Điều chế tín hiệu số ............................................................................... 12
2.4.2. Giải điều chế ......................................................................................... 18

CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC .....................20
3.1.

GIỚI THIỆU .................................................................................................20

3.2.

TĨM TẮT LỊCH SỬ CỦA TRUYỀN THƠNG HỢP TÁC ......................................21


3.3.

CÁC PHA TRUYỀN CỦA TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ......................................22

3.4.

ỨNG DỤNG CỦA TRUYỀN THƠNG HỢP TÁC.................................................25

3.4.1. Vơ tuyến nhận thức ............................................................................... 25
3.4.2. Mạng Ad-Hoc không dây ...................................................................... 27
3.4.3. Mạng cảm biến khơng dây .................................................................... 28
3.5.

MƠ HÌNH VÀ PHÂN LOẠI RELAY .................................................................29

3.6.

GIAO THỨC TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC ........................................................30

3.6.1. Khuếch đại và chuyển tiếp .................................................................... 30

3.6.2. Giải mã và chuyển tiếp.......................................................................... 31
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG MẠNG RELAY GIẢI MÃ VÀ
CHUYỂN TIẾP TRONG MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN KHÔNG
ĐẦY ĐỦ ...................................................................................................................33
4.1.

MÔ HÌNH GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP N HOP TRONG KÊNH TRUYỀN ĐẦY ĐỦ ...
...................................................................................................................33

4.1.1. Mơ hình hệ thống .................................................................................. 33
4.1.2. Phân tích hiệu suất ................................................................................ 34
4.2.

UỚC LƯỢNG KÊNH TRUYỀN .......................................................................37

4.2.1. Phương pháp ước lượng MMSE ........................................................... 37
4.2.2. Phương pháp ước lượng LMMSE ......................................................... 37
4.3.

MƠ HÌNH GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP N HOP VỚI THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN

KHÔNG ĐẦY ĐỦ ......................................................................................................38

4.3.1. Kênh truyền có thơng tin khơng đầy đủ dùng ước lượng LMMSE ...... 38
4.3.2. Phân tích tỷ lệ lỗi bit BER mạng giải mã và chuyển tiếp một cặp thu
phát (t – r) với thông tin kênh truyền không đầy đủ ......................................... 39
4.3.3. Phân tích tỷ lệ lỗi bit BER mạng giải mã và chuyển tiếp N-1 Relay với
thông tin kênh truyền khơng đầy đủ.................................................................. 45
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG.....................................................................47
5.1.

MƠ HÌNH HỆ THỐNG TỔNG QT ...............................................................47


5.2.

MƠ PHỎNG BER VỚI MƠ HÌNH HỢP TÁC MỘT RELAY VỚI THƠNG TIN KÊNH

TRUYỀN KHƠNG ĐẦY ĐỦ ........................................................................................48

5.2.1. Mơ hình ................................................................................................. 48
5.2.2. Mô phỏng BER với điều chế M-QAM ................................................. 48
5.2.3. Mô phỏng BER thông tin kênh truyền đầy đủ và thơng tin kênh truyền
khơng đầy đủ ..................................................................................................... 50
5.3.

MƠ PHỎNG BER VỚI VỊ TRÍ RELAY THAY ĐỔI TRONG MƠI TRƯỜNG THÔNG

TIN KÊNH TRUYỀN KHÔNG ĐẦY ĐỦ ........................................................................51

5.4.

MÔ PHỎNG BER THEO THEO HỆ SỐ SUY HAO TRONG KHÔNG GIAN TRONG

MÔI TRƯỜNG THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN KHÔNG ĐẦY ĐỦ ......................................53

5.5.

MÔ PHỎNG BER THEO SỐ LƯỢNG RELAY THAY ĐỔI TRONG MÔI TRƯỜNG

THÔNG TIN KÊNH TRUYỀN KHƠNG ĐẦY ĐỦ ............................................................54

5.5.1. Mơ phỏng BER theo số lượng relay thay đổi với tổng công suất bằng
nhau dùng điều chế 2-QAM trong môi trường thông tinh kênh truyền không
đầy đủ ............................................................................................................... 55
5.5.2. Mô phỏng BER theo số lượng Relay cố định bằng 9 với tổng công suất
bằng nhau dùng điều chế M-QAM trong môi trường thông tin kênh truyền
không đầy đủ ..................................................................................................... 56
5.5.3. Mô phỏng BER theo số lượng relay cố định bằng 9, với công suất phát
của Relay thay đổi theo tỉ lệ 4, 3, 2, 1, 1/2 , 1/3, 1/4, 1/5 so với công suất phát
của Relay ........................................................................................................... 56
5.5.4. Mô phỏng BER theo số lượng pilot symbol ......................................... 58
5.6.

Kết luận ................................................................................................. 61

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..........................................63
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................64
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .......................................................................................66


MỤC LỤC HÌNH VẼ
Hình 2.1: Hiện tượng doppler .....................................................................................5
Hình 2.2: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean ...................................10
Hình 2.3: Hàm mật đồ phân bố Nakagami-m ...........................................................11
Hình 2.4: Sơ đồ mạch truyền tín hiệu rời rạc ............................................................13
Hình 2.5: Điều chế M-PSK .......................................................................................15
Hình 2.6: Giản đồ sao điều chế M-QAM ..................................................................17
Hình 2.7: Giản đồ tín hiệu QAM ..............................................................................17
Hình 2.8: Nhận dạng quyết định cứng ......................................................................18

Hình 3.1: Mơ hình đơn giản của kênh Relay ............................................................21
Hình 3.2: Mạng truyền thơng hợp tác cở bản 2 người dùng .....................................23
Hình 3.3: Mơ tả hệ thống truyền thơng hợp tác gồm nhiều Relay ............................24
Hình 3.4: Mô tả hệ thống truyền thông hợp tác gồm nhiều Relay và node nguồn ...24
Hình 3.5: Mạng vơ tuyến nhận thức..........................................................................25
Hình 3.6: Sơ dồ hoạt động của mạng vơ tuyến nhận thức ........................................27
Hình 3.7: Mạng Ad-Hoc khơng dây..........................................................................28
Hình 3.8: Mạng cảm biến khơng dây ........................................................................29
Hình 3.9: Mơ hình relay đa hop ................................................................................29
Hình 3.10: Mơ hình relay hợp tác .............................................................................30
Hình 3.11: Khuếch đại và chuyển tiếp ......................................................................30
Hình 3.12: Giải mã và chuyển tiếp............................................................................32
Hình 4.1: Mơ hình K-1 relay với thơng tin kênh truyền đầy đủ ...............................33
Hình 4.2: Mơ hình một cặp thu phát (t – r) trong môi trường thông tin kênh truyền
không đầy đủ .............................................................................................................40


Hình 4.3: Mơ hình hệ thống giải mã và chuyển tiếp N-1 Relay với thông tin kênh
truyền không đầy đủ ..................................................................................................45
Hình 5.1: Mơ hình mạng relay vơ tuyến giải mã và chuyển tiếp với thông tin kênh
truyền không đầy đủ ..................................................................................................47
Hình 5.2: Mơ hình hợp tác một Relay với thơng tin kênh truyền khơng đầy đủ ......48
Hình 5.3: BER của hệ thống một relay ứng với điều chế M-QAM trong mơi trường
thơng tin kênh truyền khơng đầy đủ..........................................................................49
Hình 5.4: BER một node relay ứng với điều chế 4-QAM thông tin kênh truyền đầy
đủ và khơng đầy đủ ...................................................................................................50
Hình 5.5: Mơ hình một relay với vị trí relay thay đổi với thơng tin kênh truyền
khơng đầy đủ .............................................................................................................51
Hình 5.6: BER với mơ hình một Relay và vị trí Relay thay đổi trong mơi trường
thơng tin kênh truyền khơng đầy đủ..........................................................................52

Hình 5.7 BER theo theo hệ số suy hao trong không gian α .....................................53
Hình 5.8: Sơ đồ mạng vơ tuyến hợp tác với N node relay ........................................54
Hình 5.9: BER theo số lượng relay thay đổi với tổng công suất bằng nhau trong mơi
trường thơng tin kênh truyền khơng đầy đủ ..............................................................55
Hình 5.10: BER theo số lượng relay cố định với tổng công suất bằng nhau, dùng
điều chế M-QAM trong môi trường thông tin kênh truyền khơng đầy đủ ...............56
Hình 5.11: BER theo số lượng relaycố định bằng 9 với công suất phát Relay thay
đổi, dùng điều chế 2-QAM trong môi trường thông tin kênh truyền khơng đầy đủ .57
Hình 5.12: BER ứng với số lượng pilot, với số Relay bằng 9, dùng kiểu điều chế MQAM trong môi trường thông tin kênh truyền khơng đầy đủ ...................................58
Hình 5.13: BER ứng với 5 mơ hình hệ thống cùng băng thơng và tổng cơng suất
phát trong môi trường thông tin kênh truyền không đầy đủ .....................................60


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AF

Amplify and Forward

AM

Amplitude Modulation

AWGN

Additive White Gaussian Noise

BER

Bit Error Rate

BPSK

Binary Phase Shift Keying

BS

Base Station

CDF

Cumulative Distribution Function

CSI

Channel State Information

DF

Decode and Forward

FM

Frequency Modulation

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

LAN

Local Area Network

LOS

Line Of Sight

LMMSE

Linear Minimum Mean Square Error

MAC

Media Access Control

MAN

Metropolitan Area Network

MMSE

Minimum Mean Square Error

MSE

Mean Square Error

OSI

Open Systems Interconnection

PAM

Pulse Amplitude Modulation

PDF

Probability Density Function

PSK

Phase Shift Keying

Pr

Probability


QAM

Quadrature Amplitute Modulation

QoS

Quality of Service

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RF

Radio Frequency


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, với mục đích nâng cao dung lượng và hiệu suất trong môi trường truyền
thông không dây [16] [17] , người ta đã tiến hành nhiều nghiên cứu về MIMO. Tuy
nhiên, do sự hạn chế về kích thước, chi phí và giới hạn về triển khai phần cứng, các
thiết bị khơng dây có thể khơng có nhiều khả năng để triển khai nhiều anten trên
một thiết bị di động [14]. Do đó, kỹ thuật “phân tập dựa trên hợp tác” ra đời như là
một sự thay thế hệ thống MIMO.
Người ta đã chứng minh được rằng kỹ thuật “phân tập dựa trên hợp tác” có khả
năng nâng cao hiệu quả về phổ và năng lượng trong mạng truyền thơng khơng dây.
Ý tưởng chính của “phân tập dựa trên hợp tác” là trong một môi trường khơng dây,
tín hiệu truyền từ một nguồn (S) sẽ đi qua các node trung gian được gọi là “node
relay”. Tín hiệu từ nguồn (S) và các cộng sự của nó hợp tác với nhau tạo thành
“chuỗi anten ảo”, mặc dù các node này chỉ có một anten. Mạng phân tập dựa trên
hợp tác có bậc phân tập bằng với số đường có được giữa nguồn và đích.
Những năm gần đây, đã có nhiều nỗ lực nghiên cứu để phân tích hiệu suất của các
mơ hình truyền thơng hợp tác . Nhưng hầu hết các nghiên cứu đó đều cho rằng
thông tin kênh truyền được biết ở đầu thu. Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh
truyền cần phải được ước lượng và hầu hết các giải thuật ước lượng kênh truyền đều
tạo ra sai số, dẫn đến thông tin kênh truyền khơng đầy đủ ở phía thu. Do đó, việc
đánh giá hiệu quả mạng relay giải mã và chuyển với thông tin kênh truyền không
đầy đủ rất cần thiết

Xuất phát từ thực tiễn đó, luận văn thực hiện việc nghiên cứu một hệ thống hợp tác
với nhiều relay và dùng giao thức “giải mã và chuyển tiếp” .

Trang 1

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

Mục đích nghiên cứu
Luận văn này sẽ phân tích hiệu quả mạng relay giải mã và chuyển tiếp với
thông tin kênh truyền không đầy đủ, nhằm làm rõ ưu điểm và khuyết điểm của sự
kết hợp kỹ thuật relay. Phân tích ảnh hưởng của các thông số mạng đối với chất
lượng mạng. Đưa ra các khuyến cáo về giới hạn chất lượng của mạng relay giải mã
và chuyển tiếp. Từ kết quả phân tích, đề xuất các giải pháp lựa chọn các thơng số hệ
thống cho phù hợp nhằm cải thiện chất lượng mạng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu chính là mạng truyền thơng hợp tác.
- Phương pháp xử lý tín hiệu tại relay: giải mã và chuyển tiếp (DF).
- Mơ hình kênh truyền dùng để đánh giá: kênh truyền Rayleigh với thông tin
kênh truyền không đầy đủ.
- Phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thơng số mạng đối với chất lượng
mạng. Đề xuất các giải pháp nhằm cải thiện chất lượng.
- Kỹ thuật Relay: giải mã và chuyển tiếp (DF) với mơ hình multihop.
1.2. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu, bài báo kỹ thuật liên quan đến mạng vô tuyến hợp tác, kỹ
thuật relay, kênh truyền vô tuyến, các thước đo đánh giá hiệu quả hệ thống.
- Nghiên cứu các mơ hình thơng tin kênh truyền không đầy đủ và phương pháp

ước lượng kênh truyền.
- Phân tích và mơ phỏng mạng relay với thông tin kênh truyền không đầy đủ để
đánh giá chất lượng mạng theo nhiều thông số khác nhau.
- Nhận xét các kết quả nhằm đưa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất
lượng hệ thống mạng.
- Kết quả phân tích sẽ được kiểm chứng với kết quả mơ phỏng lý thuyết.

Trang 2

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

1.3. Kết quả và đóng góp của luận văn
 Kết quả luận văn:
- Luận văn đã phân tích và đánh giá mạng relay giải mã và chuyển tiếp với
thông tin kênh truyền không đầy đủ. Đưa ra được biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit
(BER) của mạng.
- Dựa vào kết quả phân tích, luận văn đã đưa ra được kết quả mô phỏng, phân
tích và đánh giá ảnh hưởng của các thơng số đến chất lượng mạng. Kết quả, tỷ
lệ lỗi bit BER phụ thuộc rất lớn vào các thông số của mạng như: cơng suất
relay, mơ hình và phương pháp ước lượng kênh truyền, vị trí và số lượng
relay, số lượng pilot symbol, hệ số suy hao trong không gian. Từ kết quả phân
tích, luận văn đã đưa ra các khuyến nghị và giải pháp cải thiện chất lượng hệ
thống mạng.
1.4. Bố cục của luận văn
Bố cục luận văn gồm có sáu chương:
 Chương 1: Giới thiệu

 Chương 2: Lý thuyết thông tin vô tuyến.


Chương 3: Tổng quan mạng truyền thông hợp tác.

 Chương 4: Phân tích chất lượng mạng relay giải mã và chuyển tiếp. Chương
này phân tích và xây dựng biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit BER của mạng.
 Chương 5: Kết quả mơ phỏng. Chương này trình bày các kết quả mô phỏng
và đánh giá hiệu quả của mạng relay. Đưa ra các khuyến nghị và giải pháp
nhằm cải thiện chất lượng mạng.
 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển.

Trang 3

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT THÔNG TIN VÔ TUYẾN
Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà tín
hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Khơng giống như kênh truyền hữu
tuyến là ổn định và có thể dự đốn được, kênh truyền vơ tuyến là hồn tồn ngẫu
nhiên và khơng dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua kênh
truyền vơ tuyến, bị cản trở bởi các toà nhà, núi non, cây cối …, bị phản xạ, tán xạ,
nhiễu xạ…, các hiện tượng này được gọi chung là fading. Và kết quả là ở máy thu,
ta thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát. Điều này ảnh hưởng
đến chất lượng của hệ thống thơng tin vơ tuyến. Vì vậy để hạn chế ảnh hưởng của
kênh truyền vô tuyến và thiết kế hệ thống với các thông số tối ưu, ta phải hiểu được

các đặc tính của kênh truyền vơ tuyến và mơ hình hóa kênh truyền hợp lý. Luận văn
sẽ đi vào tìm hiểu các cơ chế ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu và các hiện
tượng ảnh hưởng đến chất lượng của kênh truyền.
2.1. Môi trường kênh truyền vô tuyến
2.1.1. Các cơ chế lan truyền của tín hiệu
Có ba cơ chế chính ảnh hưởng đến sự lan truyền của tín hiệu trong hệ thống di
động:
 Phản xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt bằng phẳng với kích
thước rất lớn so với bước sóng tín hiệu RF.
 Nhiễu xạ xảy ra khi đường truyền sóng giữa phía phát và thu bị cản trở bởi
một nhóm vật cản có mật độ cao và kích thước lớn so với bước sóng.
 Tán xạ xảy ra khi sóng điện từ va chạm vào một mặt phẳng lớn, gồ ghề làm
cho năng lượng bị trải ra (tán xạ ) hoặc là phản xạ ra tất cả các hướng.
2.1.2. Các hiện tượng xảy ra đối với tín hiệu


Hiện tượng đa đường: là kết quả của sự phản xạ, tán xạ, khúc xạ của sóng điện

từ khi gặp phải các vật cản trên đường truyền. Năng lượng tín hiệu sẽ bị phân tán

Trang 4

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

theo nhiều hướng. Do đó tín hiệu đến máy thu là tập hợp của các sóng đến từ nhiều
hướng khác nhau, suy hao khác nhau với biên độ và pha khác nhau. Sự xếp chồng

các tín hiệu này ở máy thu tạo ra một tín hiệu phức tạp với biên độ và pha thay đổi
rất nhiều so với tín hiệu ban đầu.


Hiện tượng doppler: gây ra do sự thay đổi vị trí tương đối của các vật thể trên

đường truyền, làm cho đặc tính của kênh truyền thay đổi theo thời gian. Hiện tượng
này tác động lên tín hiệu trên những phạm vi nhỏ, trong khoảng thời gian ngắn. Do
đó đây cịn được gọi là fading phạm vi nhỏ hoặc fading nhanh.

Hình 2.1: Hiện tượng doppler


Hiện tượng che khuất: xảy ra khi đường truyền giữa máy phát và máy thu bị che

khuất bởi các vật thể với mật độ dày và các vật thể này có kích thước lớn so với
bước sóng. Khác với hiện tượng Doppler, hiện tượng che khuất tác động lên tín hiệu
trên phạm vi lớn, trong khoảng thời gian dài nên còn được gọi fading phạm vi lớn
hoặc fading chậm.


Hiện tượng suy hao đường truyền: hiện tượng này giống như suy hao đường

truyền trong không gian tự do. Tuy nhiên, trong mơi trường truyền sóng di động
thường khơng tồn tại đường truyền thẳng (LOS), do đó cơng suất tín hiệu sẽ bị suy
hao nhiều hơn so với trong không gian tự do. Cơng suất tại phía thu trong khơng
gian tự do là :
Pr  d  

2

PG
t t Gr 

 4 

Trang 5

2

d 2L

(2.1)

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

trong đó: Pt: là cơng suất phía phát (W), Pr(d) là cơng suất thu được.
Gt: là độ lợi anten phát và Gr là độ lợi anten thu.
d: là khoảng cách truyền (m).
L: là hệ số suy hao (L ≥1).
𝝀: là khoảng cách bước sóng (m).
2.2. Kênh truyền vơ tuyến
Trong thơng tin vơ tuyến, kênh truyền vô tuyến là một yếu tố luôn được xét
đến. Bản chất thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian và không gian của kênh truyền gây
ra những ảnh hưởng to lớn đến hoạt động của hệ thống. Để hạn chế ảnh hưởng kênh
truyền và thiết kế thành công hệ thống thông tin với các thông số tối ưu, ta phải nắm
bắt được các đặc tính của kênh truyền vơ tuyến cũng như mơ hình hố kênh truyền

hợp lý. Chúng ta sẽ cần có cái nhìn tổng quan về đặc tính kênh truyền đồng thời
phân loại kênh truyền vơ tuyến theo đặc tính của chúng. Người ta xem xét các ảnh
hưởng lên tín hiệu dựa trên mơ hình fading diện rộng (large scale fading) và mơ
hình fading diện hẹp (small scale fading).
2.2.1. Hiện tượng fading
Do bị tác động bởi các vật thể trên đường truyền, tín hiệu trong mơi trường di
động vừa bị suy hao vừa bị tán xạ năng lượng theo nhiều hướng. Hiện tượng này
gọi là hiện tượng fading. Có hai loại fading: fading phạm vi lớn và fading phạm vi
nhỏ.


Fading phạm vi lớn: là hiện tượng công suất của tín hiệu bị suy giảm khi di

chuyển trên một phạm vi lớn (gấp 10 – 30 lần bước sóng). Ngun nhân là do
những ảnh hưởng của địa hình, những vật cản trên đường truyền sóng (đồi núi, nhà
cửa…). Cường độ tín hiệu là biến ngẫu nhiên có phân bố Gaussian quanh giá trị
trung bình. Fading phạm vi lớn làm cho tín hiệu thay đổi với tốc độ chậm nên còn
gọi là hiện tượng fading chậm.

Trang 6

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương



Fading phạm vi nhỏ: gây ra những biến đổi biên độ và pha của tín hiệu khi có

sự thay đổi vị trí tương đối trong phạm vi nhỏ (nửa bước sóng) giữa máy phát và
máy thu. Sự thay đổi của môi trường truyền sóng là nguyên nhân gây ra hiện tượng
fading phạm vi nhỏ, và sự thay đổi này diễn ra liên tục trong những khoảng thời
gian ngắn nên còn gọi là fading nhanh. Trong trường hợp này, cường độ tín hiệu là
biến ngẫu nhiên có phân bố Rayleigh (khi khơng có đường truyền thẳng giữa máy
phát và máy thu) hoặc phân bố Rician (khi có đường truyền LOS giữa máy phát và
máy thu). Khi máy di động di chuyển trên một phạm vi lớn (hoặc trong khoảng thời
gian dài) thì tín hiệu sẽ bị tác động đồng thời bởi cả hai loại fading phạm vi lớn và
fading phạm vi nhỏ.
2.2.2. Fading phẳng
Phổ tín hiệu có băng thơng nhỏ hơn băng thơng kết hợp kênh truyền và chu kỳ
symbol lớn hơn trải trễ của kênh truyền. Các đặc tính của phổ tín hiệu truyền đi
được bảo toàn, mọi thành phần tần số khi truyền qua kênh sẽ chịu sự suy giảm và
dịch tần gần như nhau nhưng cường độ tín hiệu thu lại thay đổi theo thời gian do
ảnh hưởng hiện tượng đa đường. Theo thời gian, tín hiệu thay đổi nhưng phổ tín
hiệu khơng đổi. Kênh truyền fading phẳng được xem như kênh truyền thay đổi biên
độ và còn được gọi là kênh truyền băng hẹp.
2.2.3. Fading chọn lọc tần số
Phổ tín hiệu có băng thơng lớn hơn băng thơng kết hợp kênh truyền và chu kỳ
symbol nhỏ hơn trải trễ của kênh truyền. Kênh truyền chọn lọc tần số là kênh truyền
có đáp ứng tần số khác nhau trên một dải tần số, tức đáp ứng tần số không bằng
phẳng trong tồn bộ dải tần đó, do đó tín hiệu tại các tần số khác nhau khi qua kênh
truyền sẽ có sự suy hao và xoay pha khác nhau. Một kênh truyền có bị xem là chọn
lọc tần số hay khơng cịn tùy thuộc vào băng thơng của tín hiệu truyền đi. Nếu trong
tồn khoảng băng thơng của tín hiệu đáp ứng tần số là bằng phẳng, ta nói kênh
truyền khơng chọn lọc tần số (frequency nonselective fading channel) hay kênh
truyền phẳng (flat fading channel), ngược lại nếu đáp ứng tần số của kênh truyền

Trang 7

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

không phẳng, không giống nhau trong băng thơng tín hiệu, ta nói kênh truyền là
kênh truyền chọn lọc tần số (frequency selective fading channel). Mọi kênh truyền
vơ tuyến đều khơng thể có đáp ứng bằng phẳng trong cả dải tần vô tuyến, tuy nhiên
kênh truyền có thể xem là phẳng trong một khoảng nhỏ tần số nào đó. Kênh truyền
chọn lọc tần số còn gọi là kênh truyền rộng
2.2.4. Kênh truyền fading biến đổi nhanh
Đáp ứng xung của kênh truyền thay đổi nhanh hơn chu kỳ symbol phát (thời
gian kết hợp nhỏ hơn chu kỳ symbol), điều này gây ra sự phân tán tần số do hiện
tượng doppler và méo tín hiệu. Fading nhanh thường có tác động xấu đến các tham
số tín hiệu, rõ nhất là dạng sóng tín hiệu, nó gây méo phổ, pha…và ảnh hưởng
nghiêm trọng đến chất lượng hệ thống. Trong thực tế fading nhanh chỉ xảy ra với
đường truyền tốc độ dữ liệu thấp.
2.2.5. Kênh truyền fading biến đổi chậm
Sự thay đổi đáp ứng của kênh truyền chậm hơn tốc độ của tín hiệu trên dải nền
phát. Khi đó kênh truyền được xem là tĩnh, trải Doppler của kênh truyền nhỏ hơn
băng thơng tín hiệu. Các biến động trong kênh xảy ra trong thời gian dài. Nguyên
nhân có thể từ các chướng ngại vật lớn, các hiện tượng thời tiết xấu… kết quả là
cơng suất thu trung bình có thể giảm đáng kể (có thể mất tín hiệu).
2.3.

Kênh truyền Rayleigh, kênh truyền Ricean và kênh truyền Nakagami-m
Đáp ứng kênh truyền là một quá trình phụ thuộc vào cả thời gian và biên độ.

Tuỳ theo địa hình kênh truyền mà giữa máy phát và máy thu có thể tồn tại hay
không tồn tại suy hao đường truyền LOS (Line Of Sight). Biên độ của hàm truyền
tại một tần số nhất định tuân theo phân bố Rayleigh và phân bố Ricean. Nếu kênh
truyền không tồn tại LOS, người ta đã chứng minh được đường bao của tín hiệu
truyền qua kênh truyền có phân bố Rayleigh nên kênh truyền được gọi là kênh
truyền fading Rayleigh. Khi đó tín hiệu nhận được ở máy thu là tổng hợp của các
thành phần phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ. Nếu kênh truyền tồn tại LOS thì đây
chính là thành phần chính của tín hiệu tại máy thu, các thành phần không phải

Trang 8

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

truyền thẳng LOS khơng đóng vai trị quan trọng, khơng ảnh hưởng q xấu đến tín
hiệu thu. Khi này đường bao tín hiệu truyền qua kênh truyền có phân bố Ricean
hoặc Nakagami-m nên kênh truyền được gọi là kênh truyền fading Ricean hoặc
Nakagami-m.
2.3.1. Phân bố Rayleigh
Trong kênh truyền vô tuyến, phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mô tả
bản chất thay đổi theo thời gian của đường tín hiệu fading phẳng thu được hoặc
đường bao của một thành phân đa đường riêng lẻ. Đường bao của 2 tín hiệu nhiễu
Gaussain trực giao tuân theo phân bố Rayleigh với mật độ xác suất.
 1
 r2 
exp



2 
 2
 2 
p(r )  


0

0  r  )

(2.2)
(r  0)

Xác suất để đường bao của tín hiệu khơng vượt q một giá trị R được xác định bởi
hàm phân bố tích luỹ CDF (Cumulative Distribution Function)
R
 R2 

P( R)  Pr (r  R)   p(r )dr  1  exp 
2 
2



0

(2.3)

2.3.2. Phân bố Ricean

Trong trường hợp phân bố Ricean, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến
bộ thu với những góc khác nhau sẽ chồng lấn lên tín hiệu LOS. Điều này có ảnh
hưởng tại ngõ ra của bộ tách sóng đường bao như là cộng thêm thành phần DC vào
các thành phần đa đường ngẫu nhiên. Ảnh hưởng của tín hiệu LOS đến bộ thu cùng
với các tín hiệu đa đường (công suất yếu hơn LOS) sẽ là phân bố Ricean rõ rệt hơn.
Hàm mật độ phân bố xác suất của phân bố Ricean

Trang 9

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

 r
 r2  A
 
exp
 2

2 2

p(r )  
0


  Ar 
 I 0  2 
  

( A  0, r  0)
(2.4)

(r  0)

trong đó, A là biên độ của thành phần LOS, I0 là Hàm Bessel sửa đổi loại 1 bậc 0.
Phân bố Ricean thường được mô tả bởi số k, được định nghĩa như là tỷ số giữa cơng
suất tín hiệu xác định (thành phần LOS) và công suất các thành phần đa đường:

A2
k
2 2

(2.5)

 A2 
k (dB)  10 log  2  dB
 2 

(2.6)

Thông số k xác định phân bố Ricean và được gọi là hệ số Ricean

Hình 2.2: Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh và Ricean
Khi A→0 và k→0, thành phần LOS bị suy giảm về biên độ, phân bố Ricean trở
thành phân bố Rayleigh.
2.3.3. Phân bố Nakagami-m
Hàm mật độ phân bố của phân bố Nakagami-m như sau:

Trang 10

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa


CBHD: TS. Huỳnh Tường Nguyên
TS. Hồ Văn Khương

2m m
 m 2
2 m 1
p(r ) 
r
exp
 r 
(m)m
  
trong đó, m được định nghĩa là tỷ số các moment: m 

E 2  R 2 
Var  R 
2

(2.7)

và   E  R 2 

(m) là hàm gamma


(m)   t m1et dt , m  0
0

(m)  (m  1)!, là số nguyên, m > 0

(2.8)

Khác với phân bố Rayleigh, phân bố Nakagami-m có hai thơng số m và Ω. Điều
này làm cho phân bố Nakagami-m có tính linh động và chính xác hơn trong mơ
hình thống kê tín hiệu. Phân bố Nakagami-m có thể được sử dụng để mơ hình các
điều kiện kênh truyền fading nhiều hoặc ít gay gắt hơn phân bố Rayleigh. Phân bố
Rayleigh là một trường hợp đặc biệt của phân bố Nakagami-m (m=1).

Hình 2.3: Hàm mật đồ phân bố Nakagami-m

Trang 11

HVTH: Nguyễn Việt Nghĩa