đặt vấn đề của đề tài, tìm hiểu tình hình nghiên cứu của một số tác giả, mục tiêu thực hiện và đƣa ra các nhiệm vụ cũng nhƣ giới hạn của đề tài. Đồng thời phần này cũng đƣa ra phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài. Chƣơng 2: Trình bày cơ sở lý thuyết của đề tài. Chƣơng này đƣa ra cơ sở lý thuyết của mạng vô tuyến hợp tác, phân tích ƣu khuyết điểm, chỉ ra các giao thức và kỹ thuật chuyển tiếp.
Trong đó quan trọng nhất là phần cơ sở lý thuyết về mô hình hệ thống và các giao thức thu thập năng lƣợng để phục vụ cho phần xây dựng mô hình toán học cho chƣơng sau. Chƣơng 3: Xây dựng mô hình và các biểu thức đánh giá hiệu năng bảo mật và các thông số ảnh hƣởng đến hoạt động của hệ thống có nút chuyển tiếp thu thập năng lƣợng sử dụng các hình thức phân chia công suất PS và chuyển đổi thời gian TS giúp cho nút chuyển tiếp có thể vừa thu thập năng lƣợng vừa xử lý chuyển tiếp thông tin. Xây dựng mô hình và biểu thức đánh giá hiệu năng cho hệ thống có nút chuyển tiếp không thu năng lƣợng. Chƣơng 4: Thực hiện mô phỏng và các kết quả thu đƣợc về bảo mật cũng nhƣ yếu tố hiệu quả của mạng vô tuyến chuyển tiếp.
và nhận xét về ảnh hƣởng của các thông số hệ thống khác nhau trong việc thực hiện bảo mật của thông tin liên lạc tiếp sức hỗ trợ và có đƣợc những kết luận thiết kế khác nhau. So sánh hiệu năng giữa mạng có nút chuyển tiếp thu và không thu năng lƣợng. Chƣơng 5: Trình bày kết quả và đề xuất hƣớng phát triển. Trang 6 Luận văn Chƣơng 2 CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC 2.1 Mạng truyền thông truyền thống Mạng truyền thông truyền thống đƣợc sử dụng khá phổ biến hiện nay, đƣợc mô tả nhƣ trong hình 2.
Mạng này sử dụng kết nối điểm điểm, tín hiệu đƣợc truyền thẳng tử nguồn phát đến thiết bị nhận hay còn gọi là truyền thông tầm thẳng (LoS).1: Mô hình mạng truyền thông truyền thống Mô hình mạng truyền thống có nhƣợc điểm đó là tín hiệu chỉ có thể truyền trực tiếp từ nguồn phát tới thiết bị nhận theo đƣờng thẳng, trong khi môi trƣờng xung quanh chúng ta có địa hình phức tạp, đồi núi, nhà cao tầng gây ra tín hiệu thu tại nơi nhận bị sai lệch. Vì thế, ngƣời ta đã nghiên cứu một số kỹ thuật nhƣ mạng Trang 7 Luận văn Chƣơng 2 macro diversity, micro diversity… đƣợc ứng dụng để cải thiện chất lƣợng truyền thông. Gần đây kỹ thuật MIMO với những ƣu điểm vƣợt trội đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong các mạng truyền thông. Tuy nhiên việc triển khai các mạng truyền thông nêu trên khá phức tạp và tốn chi phí.
Cùng với những nghiên cứu để cải thiện nhƣợc điểm trên, có một kỹ thuật cũng đang đƣợc nghiên cứu rộng rãi và có tính ứng dụng cao đó là mạng truyền thông hợp tác. Mạng truyền thông hợp tác sử dụng các thiết bị riêng lẻ để tạo ra một mô hình phân tập ảo. Trong đó các thiết bị tạo thành một mạng hợp tác để thu tín hiệu và truyền thông qua lại giúp cải thiện đáng kể chất lƣợng nhƣng ít tốn kém hơn. Gần đây, một kỹ thuật mới cũng mạng lại sự cải thiện chất lƣợng hệ thống đáng kể nhƣng ít tốn kém hơn là mạng truyền thông chuyển tiếp.
Trong mạng truyền thông này, tín hiệu đƣợc đƣợc tái truyền lại bởi một nút chuyển tiếp vì thế kênh truyền thông sẽ đƣợc cải thiện hơn dẫn đến chất lƣợng tốt hơn.2 Mạng truyền thông chuyển tiếp Cấu tạo mạng chuyển tiếp gồm nút nguồn, một hay nhiều nút chuyển tiếp và nút đích. Dựa vào số lƣợng nút chuyển tiếp ngƣời ta có thể phân loại mô hình mạng chuyển tiếp thành nhiều dạng khác nhau: hệ thống có một nút chuyển tiếp nhƣ hình 2.2, hệ thống có nhiều nút chuyển tiếp nhƣ hình 2. Trong mạng truyền thông chuyển tiếp, tín hiệu từ nguồn sẽ đƣợc truyền đến đích thông qua các nút chuyển tiếp. Nút chuyển tiếp có nhiệm vụ thu tín hiệu từ nguồn, sau đó xử lý và chuyển tín hiệu đã xử lý đến đích.
Tùy vào nhu cầu sử dụng mà mạng có thể có một nút hay nhiều nút chuyển tiếp, những nút chuyển tiếp sẽ thu tín hiệu từ nguồn trong một khoảng thời gian nhất định nào đó, sau đó nó sẽ thực hiện chuyển đổi thành năng lƣợng điện để cung cấp cho quá trình truyền thông tin sau đó. Điểm khác nhau ở mô hình một nút chuyển tiếp và mô hình đa nút chuyển tiếp là với mô hình một nút chuyển tiếp thì tín hiệu từ nguồn truyền đến một nút chuyển tiếp duy nhất này và cũng chính nút chuyển tiếp này sẽ chuyển thông tin tới đích nhƣ mô tả trong hình 2. Trang 8 Luận văn Chƣơng 2 Hình 2.2: Mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp đơn chặng Trong khi đó mô hình mạng nhiều nút chuyển tiếp thì tín hiệu có thể truyền cùng lúc đến nhiều nút và tại đó nó chọn ra nút nào tối ƣu để đảm nhiệm chức năng chuyển tiếp thông tin tới đích hoặc có thể cùng lúc tất cả các tín hiệu tại các nút chuyển tiếp sẽ truyền tín hiệu tới nút đích, ở đó nút đích sẽ thực hiện phép so sánh để đƣa ra kết luận tốt nhất cho thông tin nhận đƣợc thể hiện nhƣ hình 2. Trang 9 Luận văn Chƣơng 2 Hình 2.3: Mạng truyền thông đa nút chuyển tiếp đơn chặng Tƣơng tự, truyền thông đa nút chuyển tiếp đa chặng cũng thực hiện trên nguyên lý thực hiện truyền tin từ nguồn tới nút chuyển tiếp, ở đó nút chuyển tiếp sẽ thực hiện quá trình chuyển đổi thành năng lƣợng điện để tiêu thụ và chuyển tiếp thông tín tới nút tiếp theo.
Chỉ có điểm khác biệt là thay vì từ nút chuyển tiếp sẽ truyền thông tin tới đích thì nó phải truyền qua một hoặc nhiều nút chuyển tiếp khác để tiết kiệm công suất hoặc vì khoảng cách truyền xa, trƣớc khi truyền thông tin tới nút đích, hình 2.4 sẽ thể hiện rõ quá trình này. Trang 10 Luận văn Chƣơng 2 Hình 2.4: Mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp đa chặng Nhờ vào nguyên lý hoạt động nhƣ trên mà mạng truyền thông chuyển tiếp có một số ƣu nhƣợc điểm nhƣ sau: 2.1 Ƣu điểm [21] Hiệu suất: trong hệ thống lớn, mô hình này có thể giúp năng lƣợng truyền dẫn giảm xuống, dung lƣợng cao hơn và vùng phủ sóng tốt hơn. Cân bằng chất lƣợng: trong mạng truyền thông thông thƣờng, chất lƣợng tại các rìa hay những khu vực bị che khuất, địa hình phúc tạp có thể bị suy giảm. Nhƣng với mô hình truyền thông chuyển tiếp cho phép cân bằng chất lƣợng nhƣ nhau tại mọi nơi trong hệ thống mạng.
Cơ sở hạ tầng: việc triển khai các nút chuyển tiếp cho phép mở rộng phạm vi hay chất lƣợng tín hiệu mà không cần đầu tƣ các trang thiết bị truyền thông mắc tiền. để đạt đƣợc một mức chất lƣợng dịch vụ thì việc xây dụng mộ hệ thống chuyển tiếp đƣợc xem đỡ tốn kém hơn là xây dựng một hệ thống truyền thông đầy đủ và chi phí cho việc bảo trì và vận hành nó cũng thấp hơn. Trang 11 Luận văn Chƣơng 2 2.2 Nhƣợc điểm [21] Việc lập lịch trình phức tạp: vấn đề bảo dƣỡng trong một hệ thống gồm nhiều nút chuyển tiếp và nhiều ngƣời dùng thách thức việc lập lịch trình cho việc chuyển tiếp phức tạp hơn rất nhiều. Không chỉ về lƣu lƣợng của ngƣời dung khác nhau mà còn về lƣu lƣợng chuyển tiếp.
Bất kỳ lợi ích do việc chuyển tiếp lớp vật lý mang lại đều bị lãng phí nếu không xử lý đúng tại lớp mạng và lớp truy cập trung bình. Nhiễu gia tăng: việc sử dụng các nút chuyển tiếp chắc chắn sẽ tạo ra một lƣợng nhiễu thêm vào tại các nút, điều này sẽ làm hiệu suất hệ thống giảm đi. Thời gian truyền: việc chuyển tiếp thƣờng liên quan đến việc nhận và giải mã của toàn bộ dữ liệu gói trƣớc khi nó có thể đƣợc tái truyền lại. Đồng thời, tín hiệu truyền thông qua nút chuyển tiếp sẽ có độ trễ nên càng qua nhiều nút chuyển thì thời gian truyền sẽ càng tăng lên.
Ƣớc tính kênh truyền: Việc sử dụng các nút chuyển tiếp làm tăng hiệu quả số lƣợng của kênh truyền vô tuyến. Điều này đòi hỏi việc ƣớc tính cho nhiều hệ số kênh truyền hơn vì vậy nhiễu kí tự cần phải đƣợc cung cấp nếu nhƣ việc điều chế nhất quán đƣợc sử dụng. Việc lựa chọn đối tác: để quyết định việc chuyển tiếp tối ƣu và đối tác để hợp tác là một công việc khá phức tạp. Chi phí phụ gia tăng: sự vận hành một hệ thống hoàn chỉnh thì yêu cầu về chuyển giao, đồng bộ hóa, bảo mật… điều này dẫn đến một chi phí phụ tăng thêm so với một hệ thống không sử dụng giao thức chuyển tiếp.3 Các giao thức chuyển tiếp trong mạng hợp tác Hai giao thức chuyển tiếp phổ biến thƣờng đƣợc sử dụng trong các hệ thống truyền thông hợp tác gồm khuếch đại và chuyển tiếp (AF), giải mã và chuyển tiếp (DF).
Trang 12 Luận văn Chƣơng 2 2.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) là giao thức truyền tín hiệu đơn giản nhất trong mạng hợp tác. Nút chuyển tiếp sẽ nhận đƣợc tín hiệu từ các đối tác của nó truyền tới với nhiễu trong quá trình truyền, tín hiệu này sẽ đƣợc khuếch đại và chuyển tiếp đến nơi nhận, theo nhƣ hình 2. Mặc dù nhiễu cũng đƣợc khuếch đại với giao thức AF nhƣng nút đích chỉ nhận phiên bản của tín hiệu fading độc lập và nó có thể đƣa ra quyết định tốt hơn về việc phát hiện thông tin. Giả sử, trong phƣơng pháp khuếch đại và chuyển tiếp, nút đích biết đƣợc hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp để thực hiện mã hóa tối ƣu, vì thế việc trao đổi và đánh giá thông tin này phải đƣợc kết hợp vào bất kì việc thực thi nào.5: Sơ đồ hệ thống khuếch đại và chuyển tiếp 2.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF) Hình 2.6 mô tả giao thức giải mã và chuyển tiếp nhằm loại bỏ tình trạng khuếch đại tín hiệu nhiễu.
Tín hiệu sẽ đƣợc giải mã sau đó mã hóa lại trƣớc khi truyền đến đích. Tuy nhiên, tín hiệu giải mã tại chuyển tiếp có thể đúng hoặc không đúng. Nếu tín hiệu giải mã tại chuyển tiếp không chính xác thì việc chuyển tiếp tới đích để giải mã cũng là vô nghĩa.