CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. GIỚI THIỆU CHUNG Trong những năm gần đây, nhu cầu của người sử dụng về tốc độ dữ liệu ngày càng tăng, điều này đã thức đẩy sự nghiên cứu ra nhiều công nghệ ngày càng tiên tiến để đáp ứng nhu cầu trên đồng thời phát triển hơn. Các công nghệ vô tuyến băng rộng với các tiêu chuẩn mới như MIMO, LTE/LTE- Advanced với các yêu điểm vượt trội về tốc độ truyền tải dữ liệu [1]. Trong các tham khảo [2]-[4], các mô hình chọn lựa nút chuyển tiếp thứ cấp tốt nhất trong vô tuyến nhận thức dạng nền.
Trong tham khảo [4]-[6], các mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền đã được đề xuất và đánh giá khi liên kết giữa nguồn thứ cấp và đích thứ cấp xuất hiện. Tuy nhiên các mô hình trong [4]-[6] chỉ xét sự truyền dữ liệu thông qua hai chặng. Một trong những công nghệ mới hiện nay đã được triển khai ở một số nơi trên thế giới giúp nâng cao chất lượng dịch vụ, thông lượng, phạm vi phủ sóng rộng lớn là sử dụng kỹ thuật truyền thông đa chặng với các nút chuyển tiếp. Truyền thông đa chặng là một phương pháp hiệu quả để thiết lập kết nối giữa các nút mạng khi mà truyền thông theo đường trực tiếp là không khả thi hoặc do hiệu suất của công suất mạng không tối ưu [2].
Trong truyền thông đa chặng, dữ liệu truyền từ nguồn tới đích tương ứng sẽ được hỗ trợ bởi một số lượng nhất định các nút trung gian. So với việc truyền thông một chặng, truyền thông đa chặng được hưởng từ độ lợi kênh truyền. Trong hệ thống truyền thông đa chặng, các tín hiệu từ nút nguồn sẽ được truyền đến nút đích thông qua một số nút trung gian hay còn gọi là nút chuyển tiếp (relay) [3]. Truyền thông đa chặng là sự kết hợp của các liên kết ngắn để có thể phủ sóng trong một khu vực lớn với việc sử dụng các thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa trạm gốc BS(Base Station) và người dùng UE (User Equiment)[4].
Tín hiệu vô tuyến có thể đi trên đường trực tiếp hoặc trên nhiều đường để đến đích. 1 Luan van Trong truyền thông đa chặng: Với số nút chuyển tiếp thực hiện truyền dữ liệu là từ 2 trở lên, sự truyền dẫn từ nút nguồn qua nút các nút chuyển tiếp đến nút đích trong truyền thông hợp tác. Trong mạng truyền thông đa chặng này, các nút trung gian có kích thước nhỏ gọn, giá thành thấp, độ phức tạp không cao và tiêu thụ ít năng lượng. Kỹ thuật truyền đa chặng có thể chia đường truyền ra thành nhiều chặng nhỏ hay thành nhiều vùng phủ sóng hơn điều này giúp mở rộng vùng phủ sóng của mạng, tăng thông lượng của hệ thống nhằm đáp ứng nhu cầu về dung lượng, chất lượng dịch vụ của người dùng [6].
Và đó cũng là lý do để ra đời đề tài “Nghiên cứu và đánh giá thông lượng và xác suất lỗi bit trong mạng truyền thông cộng tác đa chặng”. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU Nghiên cứu và đánh giá thông lượng và xác suất lỗi bit trong mạng truyền thông cộng tác đa chặng. CÁCH TIẾP CẬN, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU, PHẠM VI NGHIÊN CỨU Cách tiếp cận Lý thuyết đến mô phỏng Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết Mô phỏng Đối tượng nghiên cứu: Lý thuyết về mạng truyền thông hợp tác, truyền thông đa chặng, truyền song công, phầm mềm MatLab. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Nghiên cứu các hệ thống truyền dẫn trong thông tin vô tuyến với mạng truyền thông ba chặng.
Nghiên cứu đánh giá hiệu năng hệ thống đa chặng để làm cơ sở cho việc quy hoạch, tối ưu mạng. Xây dựng chương trình mô phỏng Phân tích công thức toán học và mô phỏng xác suất chọn sai các nút chuyển tiếp trọng mạng truyền thông đa chặng. Phân tích xác suất lỗi bit trong mạng truyền thông đa chặng. Mô phỏng và đánh giá một số kết quả đạt được.
3 Luan van CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 2.1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 2.1 Giới thiệu Trong những năm gần đây truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc và được dự đoán sẽ còn phát triển hơn nữa. Sự ra đời và phát triển của các dịch vụ thoại, internet di động, các dịch vụ giá trị gia tăng, truyền dữ liệu băng thông rộng, truyền hình di động làm cho nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu ngày càng tăng, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động tế bào. Các hệ thống thông tin di động tế bào đã phát triển lên thế hệ thứ ba (3G) và thế hệ thứ tư (4G LTE) đã được triển khai nhiều nước trên thế giới [2]. Ngoài ra việc nghiên cứu phát triển và thử nghiệm triển trai các công nghệ mới không ngừng diễn ra.
Các thử nghiệm kỹ thuật cho công nghệ di động 5G đã được tiến hành và đạt được những thành tựu lớn. Các tập đoàn công nghệ hàng đầu đã trình diễn và thử nghiệm mạng di động 5G đạt tới tốc độ 7. Dự kiến tới năm 2020 mạng 5G sẽ được triển khai trên thực tế. Dùng các giải pháp kỹ thuật nhằm đạt được tốc độ truyền cao hơn, độ tin cậy truyền dẫn cao hơn, đó là hai nhu cầu chính trong sự phát triển của truyền thông vô tuyến.
Để có thể đạt được hai yếu tố trên khi các yếu tố như công suất truyền hay độ rộng băng thông đều bị giới hạn cần phải áp dụng các biện pháp kỹ thuật khác nhau. Các kỹ thuật MIMO là một trong những giải pháp giúp đạt được cả độ lợi phân tập (diversity gain) và độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) nhằm tăng tốc độ truyền dẫn và độ tin cậy của kênh truyền. Tuy nhiên đối với các hệ thống truyền thông di động, do giới hạn về kích thước thiết bị, năng lượng tích trữ và khả năng di động nên việc triển khai kỹ thuật MIMO khó có thể đạt được hiệu quả như mong muốn. Một trong những giải pháp có tính khả thi khác nhằm giải quyết vấn đề này là triển khai các hệ thống truyền thông hợp tác (cooperative communnication) [3].2 Truyền thông hợp tác Trong thực tế các thiết bị di động thường có kích thước nhỏ, chỉ có một hoặc một vài ăng-ten đặt gần nhau và vì thế không thể riêng rẽ tạo thành phân tập không gian.
Tuy vậy, nếu một thiết bị di dộng có thể nhận dữ liệu từ các thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của chính bản thân nó thì có thể tạo ra nhiều đường truyền khác nhau từ nút nguồn tới nút đích. Mặc khác, kênh truyền fading đối với các thiết bị di động khác nhau là độc lập với nhau, nên việc đạt được phân tập không gian là hoàn toàn khả thi. Việc truyền đi nhiều tín hiệu trên nhiều kênh khác nhau dựa vào các nút trong mạng sẽ tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng của fading, nâng cao chất lượng kênh truyền [3]. Truyền thông hợp tác dựa trên ý tưởng các nút trung gian trong mạng tạo ra phân tập không gian bằng một phương thức mới hay còn gọi là hệ thống các ăng- ten phân tập không gian “ảo” (hay hệ thống MIMO ảo).
Có nghĩa là các thiết bị di động chỉ có một ăng-ten, nhưng chúng có thể “chia sẻ” ăng-ten của mình với các ăng-ten khác để tạo thành hệ thống ăng-ten phân tập không gian. Khi đó, dữ liệu của mỗi người dùng (user) được truyền không chỉ bởi chính thiết bị của người đó mà còn được truyền bởi những thiết bị di động khác. Vì vậy tại phía thu tín hiệu nhận được có độ tin cậy cao hơn so với việc nhận diện tín hiệu từ một dường truyền duy nhất. Nếu so với việc triển khai các kỹ thuật MIMO truyền thống thì truyền thông hợp tác không cần phải quan tâm đến vấn đề tích hợp nhiều ăng-ten vào các thiết bị di động, giúp giảm chi phí, kích thước thiết bị và sự phức tạp về công nghệ và phần cứng.
Nhờ vậy, các ứng dụng của truyền thông hợp tác vào các mạng vô tuyến như mạng thông tin di động là cực kỳ hứa hẹn [3]. 5 Luan van Hình 2.1: Sự khác biệt giữa truyền thông trực tiếp và truyền thông hợp tác, mở rộng phạm vi truyền của chuyển tiếp hợp tác 2.3 Mô hình kênh chuyển tiếp và giao thức 2.1 Mô hình kênh chuyển tiếp Mô hình kênh chuyển tiếp được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1971 bởi Van der Meulen [12]. Truyền thông hợp tác hoạt động dựa trên các kênh chuyển tiếp (relay channel) và các đầu cuối của nó. Kênh chuyển tiếp cơ bản là một kênh truyền thông với ba đầu cuối: nút nguồn, nút chuyển tiếp trung gian và nút đích.
Nút chuyển tiếp trong mô hình kênh cổ điển có vai trò tiếp nhận, xử lí và truyền đi các tín hiệu mang thông tin để nâng cao hiệu năng của hệ thống. Trong truyền thông hợp tác, nút chuyển tiếp có vai trò mở rộng hơn, nút chuyển tiếp có thể là: Là thiết bị đầu cuối cố định, không có thông tin của riêng nó để truyền đi (chuyển tiếp hợp tác). Là những đầu cuối vừa có chức năng phát thông tin của chính nó, vừa có chức năng như một đầu cuối “hợp tác” để truyền thông tin của các đầu cuối “đối tác” của nó hay còn gọi là hợp tác người dùng (User cooperation). Mỗi mô hình chuyển tiếp có ưu điểm riêng.
Trong mô hình chuyển tiếp hợp tác, do nút chuyển tiếp là cố định nên kênh truyền giữa nó và nút đích là tương đối 6 Luan van ổn định. Mặc khác, khi thực hiện chức năng chuyển tiếp thì nút chuyển tiếp phải có các bước xử lý các dữ liệu nhận được từ các nút khác vì thế sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn. Và đây là một lợi thế của nút chuyển tiếp cố định so với nút chuyển tiếp là một thiết bị di động. Trong mô hình hợp tác người dùng, hệ thống sẽ trở nên phức tạp, phát sinh một số vấn đề cần phải giải quyết như: tính bất thường về số lượng, vị trí của các nút trong hệ thống [11].
Dựa vào số chặng (hop) giữa nút nguồn và nút đích ta có thể phân loại kỹ thuật chuyển tiếp hợp tác làm hai loại: chuyển tiếp hai chặng (two-hop relaying) và chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying): Chuyển tiếp hai chặng: chỉ có một nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người dùng về nút đích. Chuyển tiếp đa chặng: số nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người dùng về nút đích là từ hai trở lên.