CHƯƠNG 1: MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU Xét một mạng khi mà điểm thu và phát không thể trao đổi hay kết nối trực tiếp với nhau do khoảng cách giữa chúng xa nhau hoặc do các fading của kênh truyền. Lúc đó chúng có thể trao đổi tín hiệu với nhau qua trung gian bởi một hoặc nhiều điểm chuyển tiếp và do đó sẽ tạo ra một mạng chuyển tiếp. Việc chuyển tiếp làm tăng khoảng cách truyền tín hiệu và đồng thời tiết kiệm được công suất phát và vì vậy làm tăng thời gian sử dụng pin của thiết bị thu phát và giảm nhiễu. Mạng chuyển tiếp sử dụng một số cơ chế chuyển tiếp nào đó đối với các tín hiệu (mà nút chuyển tiếp nhận được) trước khi truyền lại tín hiệu đó.
Một trong những cơ chế đó là cơ chế Decode-and-Forward - giải mã và chuyển tiếp (DF). Với cơ chế DF thì nút chuyển tiếp sẽ giải mã các tín hiệu nhận được trước khi truyền lại cho các điểm khác. Bộ thu phải biết đặc điểm của kênh chuyển tiếp để có thể thu tốt. Phương pháp này điều chỉnh các điều kiện kênh truyền, và nếu các tín hiệu truyền không giải mã đúng thì việc kết hợp tín hiệu cần thu tại các điểm thu sẽ trở nên khó khăn.
Cơ chế thứ hai được sử dụng trong mạng chuyển tiếp là cơ chế AF, ở đó mỗi nút chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu nhận được trước khi truyền đến điểm thu. Bởi vì cách hoạt động đơn giản của nó nên phương pháp này cũng được sử dụng phổ biến trong các hệ thống thông tin kết hợp. Sự chuyển tiếp có thể thực hiện theo một hướng, ở đó một hoặc nhiều điểm phát tín hiệu thông qua một điểm chuyển tiếp hoặc nhiều điểm chuyển tiếp trước khi tín hiệu đến điểm thu. Kiểu hoạt động này thường xảy ra ở 2 khe thời gian.
Ở khe thời gian đầu tiên, một nút hay điểm mạng gửi tín hiệu của nó đến nút chuyển tiếp. Tại nút chuyển tiếp tín hiệu sẽ được xử lý và truyền cho nút - điểm mạng kia ở khe thời gian thứ hai. Khi hai nút trao đổi thông tin qua lại thông qua một hoặc nhiều điểm chuyển tiếp thì mạng trở thành một mạng chuyển tiếp 2 chiều mà ta sẽ xét ở sau. Mạng chuyển tiếp hai chiều [2] Truyền thông hai chiều được giới thiệu đầu tiên cho trường hợp truyền thông điểm - điểm.
Việc sử dụng các nút chuyển tiếp cho truyền thông hai chiều được gọi là chuyển tiếp hai chiều, mà trong đó hai điểm hay nút trao đổi thông tin thông qua một hoặc nhiều điểm chuyển tiếp. Chuyển tiếp hai chiều sẽ đạt hiệu suất băng thông tốt hơn khi so sánh với mạng chuyển tiếp một chiều.1: Mạng chuyển tiếp 2 chiều Truyền thông hai chiều được giới thiệu đầu tiên cho trường hợp truyền thông điểm - điểm. Việc sử dụng các nút chuyển tiếp cho truyền thông hai chiều được gọi là chuyển tiếp hai chiều, mà trong đó hai điểm hay nút trao đổi thông tin thông qua một hoặc nhiều điểm chuyển tiếp. Chuyển tiếp hai chiều sẽ đạt hiệu suất băng thông tốt hơn khi so sánh với mạng chuyển tiếp một chiều.
Các kỹ thuật truyền thống sử dụng bốn khe thời gian để hoàn tất quá trình trao đổi thông tin của hai điểm mạng như ở hình 1. Mỗi nút mạng truyền dữ liệu cho nút chuyển tiếp sử dụng một khe thời gian. Nút chuyển tiếp sau đó gửi thông tin xử lý cho hai nút mạng cũng sử dụng hai khe thời gian. Do đó quá trình trao đổi thông tin cần đến bốn khe thời gian và không tiết kiệm băng thông.
Phương thức thứ hai trong chuyển tiếp hai chiều sử dụng ba khe thời gian, như hình 1. Cả hai nút mạng đều truyền thông tin của nó cho nút chuyển tiếp tại khe thời gian thứ nhất và khe thời gian thứ hai. Trong khe thời gian thứ ba nút chuyển tiếp sử dụng thuật toán mã mạng (chẳng hạn như thuật toán XOR) để kết hợp tín hiệu của 2 khe thời gian đầu mà nó nhận được và truyền quảng bá cho cả hai nút mạng. Tại mỗi nút mạng sử dụng thuật toán giải mã tín hiệu (ví dụ XOR) để tách ra tín hiệu của nút mạng kia truyền cho nó.
Nói một cách khác thì trong z 10 trường hợp này nút chuyển tiếp thực hiện công việc giải điều chế và giải mã lại hai tín hiệu truyền của hai nút mạng và sau đó mã hóa và điều chế lại tín hiệu trước khi truyền lại cho hai nút mạng ở khe thời gian thứ ba. Phương thức thứ ba sử dụng hai khe thời gian như ở hình 1. Trường hợp này cả hai nút mạng đều cùng truyền tín hiệu đến nút chuyển tiếp trong khe thời gian thứ nhất. Nút chuyển tiếp sau đó truyền tín hiệu đã được xử lý đến hai nút mạng trong khe thời gian thứ hai.
Sử dụng hai khe thời gian trong trao đổi dữ liệu làm tăng hiệu suất sử dụng băng thông hơn nhiều. Bản chất của truyền thông chuyển tiếp hai chiều là, để giải mã dữ liệu từ các nút mạng khác, mỗi nút mạng loại bỏ tín hiệu của chính nó trong tín hiệu mà nó nhận được từ nút chuyển tiếp. Mô hình hệ thống [10] Hình 1.1 biễu diễn mô hình kênh chuyển tiếp hai chiều với các biến của kênh như sau: Wi ∈ {1, ., 2nRi }: các bản tin của nút mạng i Xi = [Xi1 , ., Xin ]T : các từ mã của nút mạng i YR = [YR1 , ., YRn ]T : kênh lối ra của nút chuyển tiếp XR = [XR1 , ., XRn ]T : các từ mã của nút chuyển tiếp Yi = [Yi1 , ., Yin ]T : các kênh ra tại nút mạng i Ŵi ∈ {1, ., 2nRi }: các bản tin ước lượng được tại nút mạng i với i = 1, 2 và Ri là tốc độ thông tin của nút mạng i, i=1,2. Nút mạng i truyền ký hiệu của nó Xik đến nút chuyển tiếp qua kênh đường lên không nhớ xác định bởi p(yR |x1 , x2 ).1: Mô hình kênh truyền chuyển tiếp hai chiều Từ mã Xik là một hàm giữa bản tin Wi và các kênh ra quá khứ Yik−1 = Yi1 , ., Yik−1 , tức là Xik = fik (Wi , Yik−1 ).
Tại cùng một thời điểm, nút chuyển tiếp truyền ký tự XRk đến nút mạng 1 và 2 qua kênh đường xuống không nhớ xác định bởi p(x1 , x2 |yR ). Vì nút chuyển tiếp không có bản tin của nó, nên XRk là hàm của các ngõ ra kênh trong quá khứ YRk−1 = YR1 , ., YRk−1 , tức là XRk = fRk (YRk−1 ). z 11 Tại nút mạng 1, bản tin ước lượng Ŵ2 có dạng Ŵ2 = g1 (W1 , Y1 ). Việc giải mã ở nút mạng 2 xảy ra tương tự.
Ta thấy rằng, trong một mạng chuyển tiếp hai chiều, hai nút mạng trao đổi thông tin cho nhau trên một kênh truyền qua trung gian một hoặc nhiều nút chuyển tiếp. Điều này xảy ra trên thực tế như ở các trường hợp 2 nút đặt xa nhau về khoảng cách và công suất hạn chế nên không thể trao đổi trực tiếp thông tin với nhau. Một ví dụ cụ thể là các máy trạm di động hoặc trong môi trường trao đổi thông tin qua đường truyền vệ tinh. Mạng chuyển tiếp hai chiều được chia làm 2 loại là loại DF và loại AF.
Việc hiểu các kỹ thuật của mạng chuyển tiếp hai chiều đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu các kỹ thuật như mã mạng để tăng hiệu suất sử dụng nhằm tiếp cận các giới hạn về dung lượng của mạng. z 12 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU KẾT HỢP Cơ chế truyền dữ liệu chuyển tiếp hai chiều trong mạng vô tuyến có được lợi ích về thông lượng truyền thông qua: - Kết hợp hai luồng dữ liệu với nhau sử dụng mã mạng. - Sử dụng thông tin đã biết để bỏ bớt tín hiệu dư và tách tín hiệu mong muốn. Dựa trên nguyên tắc này, tác giả đã đề xuất các cơ chế khác nhằm cải thiện thêm thông lượng trong mạng vô tuyến, ở đó truyền dữ liệu chuyển tiếp hoặc trực tiếp dưới dạng truyền kết hợp sẽ được xem xét.
Kết quả phân tích sẽ cho thấy truyền kiểu kết hợp sẽ cải thiện được thông lượng tương tự các cơ chế truyền chuyển tiếp. Các nghiên cứu gần đây tập trung nhiều các vấn đề như mở rộng độ bao phủ và tăng độ phân tập của mạng vô tuyến. Nhiều kỹ thuật truyền dữ liệu chuyển tiếp được giới thiệu và phổ biến như AF và DF ở chương trước. Các kỹ thuật này được áp dụng trong các kiểu truyền dữ liệu chuyển tiếp một chiều hoặc hai chiều.
Nghiên cứu này giới thiệu một số phương pháp chuyển tiếp hai chiều khác để tăng thông lượng truyền. Các phương pháp này liên quan đến việc hệ thống vô tuyến kết hợp cả việc truyền trực tiếp và chuyển tiếp theo chiều lên và xuống. Nghiên cứu đưa ra hai cơ chế kết hợp truyền trực tiếp và chuyển tiếp để nút Base Station - trạm cơ sở (BS) có thể sử dụng thông tin biết được phục vụ cho việc hủy nhiễu xen. Chúng ta gọi cơ chế này là cơ chế truyền coordinated direct/relay - kết hợp trực tiếp và chuyển tiếp (CDR).
Chương này được trình bày như sau: Phần 2.1 sẽ mô tả mô hình hệ thống và cơ chế truyền.2 phân tích so sánh giữa mô hình 3 khe thời gian và mô hình 2 khe thời gian về hai yếu tố tốc độ tổng (sum-rate) và thông lượng tổng (sum-throughput).3 là tóm tắt các kết quả đạt được về mặt phân tích. Phần mô phỏng được trình bày ở 2. Mô hình hệ thống và cơ chế truyền dữ liệu [1] Cơ chế truyền CDR cơ bản bao gồm một trạm gốc BS, một nút chuyển tiếp (RS) và hai nút đầu cuối U và V, như ở hình 2. Các nút có công suất phát 1 đơn vị và băng thông chuẩn hóa 1 Hz.
Mỗi kênh truyền phức hi , i ∈ {1, 2, 3, 4, 5} có tính đối xứng, được biết tại các đầu thu, có phân bố Rayleigh với E[|hi |2 ] = 1. Ký hiệu xi là một gói hoặc ký tự. Trong mô hình 2.1a, gói tin trạm phát BS muốn gửi đến U là x1 , tuy nhiên tín hiệu nhận được sẽ có dạng y = hx1 + z, z chính là nhiễu. Tương tự V muốn gửi gói tin x2 đến BS.
Trong mô hình 2.1b, U muốn gửi gói tin x3 cho BS và BS muốn gửi gói tin x4 cho V.1: Mô hình mạng. Các ký hiệu chỉ số kênh và khe thời gian của cơ chế truyền 3 khe thời gian (chỉ số phía trên) và cơ chế 2 khe thời gian (chỉ số phía dưới).