Chương 1: Giới thiệu. Trong chương này, đồ án đã đề cập tới tình hình chung mạng truyền thông hợp tác vô tuyến, tính phổ biến và xu hướng mới của mô hình mạng trong tương lai. Lý do chính để chọn đề tài, các đối tượng sẽ được phân tích và nghiên cứu trong đồ án và phương pháp nghiên cứu của đồ án. 2 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 2: Thu thập năng lượng và mạng truyền thông hợp tác vô tuyến.
Trong chương này đồ án đã giới thiệu về mô hình mạng truyền thông hợp tác, ưu điểm và nhược điểm của hệ thống mạng, thu thập năng lượng, mô hình kênh chuyển tiếp, giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp. Trong chương này, đồ án cũng đã chủ yếu tập trung vào cơ sở lý thuyết các vấn đề liên quan đến thu thập năng lượng và mạng truyền thông hợp tác vô tuyến. Chương 3: Phương pháp phân bố công suất trong thu thập năng lượng mạng truyền thông hợp tác vô tuyến. Trong chương này đồ án đã đưa ra hai phương pháp phân bố công suất trong mô hình mạng để nghiên cứu và phân tích dựa trên các công thức cuối cùng dành cho việc mô phỏng, công thức dẫn giải để chứng minh và đánh giá so sánh đối chiếu kết quả.
Chương 4: Kết quả thực hiện. Trong chương này đồ án đã thiết lập hệ thống mô phỏng (với từng phương pháp cụ thể). Ứng với mỗi phương pháp phân bố công suất đồ án đã đưa ra kết quả mô phỏng (bằng số và hình ảnh) của từng trường hợp xấu nhất, trung bình, tốt nhất để so sánh giữa mô phỏng và lý thuyết hay giữa hai phương pháp phân bố công suất với nhau. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển.
Trong chương này đồ án tổng kết, khẳng định lại kết quả cuối cùng đã thực hiện được đối với các phương pháp phân bố được nghiên cứu, phân tích và mô phỏng ở Chương 3 và Chương 4. Và những hướng phát triển song song đi cùng với sự mở rộng của đề tài. 3 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 2: THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÔ TUYẾN 2.1 Tổng quan truyền thông hợp tác 2.1 Vấn đề của truyền thông vô tuyến Truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc và được dự đoán sẽ còn tiếp tục 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 3 (3G) và thế hệ thứ 4 (4G LTE) đã được triển khai tại nhiều nước trên thế giới. Ngoài ra việc nghiên cứu phát triển và thử nghiệm triển khai 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 [7]. Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật giúp tăng tốc độ truyền dẫn dữ liệu như các kỹ thuật điều chế, mã hóa, các kỹ thuật phân tập, các hệ thống MIMO… thì một trong những thách thức lớn nhất của các nhà nghiên cứu là sự cạn kiệt về tài nguyên tần số. Tài nguyên tần số là có hạn và được quy hoạch sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau: thoại, phát thanh, truyền hình, quân sự, thông tin vệ tinh, truyền dữ liệu… Ngoài ra, việc truyền thông trong môi trường vô tuyến phải đối mặt với những hạn chế cơ bản do sự suy yếu tín hiệu gây ra bởi kênh truyền vô tuyến. Khi tín hiệu đi từ nguồn đến đích, việc truyền sóng điện từ phải chịu ảnh hưởng của các yếu tố như phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ.
Thêm vào đó, truyền đa đường gây nên những sự tăng giảm nhanh chóng của biên độ, pha, làm trễ và thường dẫn đến hiện tượng fading. Những yếu tố trên có thể bù đắp bằng nhiều cách như tăng công suất nguồn phát, mở rộng băng thông hay sử dụng các loại mã hóa sửa sai ECC (Error Control Coding) [7]. Tuy nhiên, công suất và băng thông là những tài nguyên vô tuyến có giới hạn và ngày càng trở nên khan hiếm trong khi việc sử dụng các loại mã hóa sửa sai sẽ làm hạn chế tốc độ truyền dẫn. Do vậy việc có được một luồng truyền dữ liệu tốc độ cao và đáng tin cậy qua những kênh truyền vô tuyến nhạy với lỗi là một thách thức lớn đối với việc thiết kế các hệ thống vô tuyến.
Dùng các phương pháp kỹ thuật nhằm đạt được tốc độ truyền cao hơn, độ tin cậy truyền dẫn tốt hơn, đó là hai nhu cầu trong sự phát triển của thuyền 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 4 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MIMO là một trong những phương pháp đạt được cả độ lợi phân tập (diversity again) 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 thông tin di động, do giới hạn về kích thước thiết bị, năng lượng tích trữ và khả năng di động, việc triển khai các kỹ thuật MIMO khó có thể đạt được hiệu quả như mong muốn.
Một trong những phương pháp có tính khả thi khác nhằm giải quyết vấn đề này là triển khai các hệ thống truyền thông hợp tác (cooperative communication) [7].1 Mạng truyền thông hợp tác 2.2 Mạng truyền thông hợp tác Trong thực tế các thiết bị di động thường có kích thước nhỏ, chỉ có một hoặc một vài anten đặt gần nhau và vì thế không thể riêng rẽ tạo thành phân tập không gian. Tuy vậy, nếu một thiết bị di động 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 thống kê 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 của kênh truyền [7].
Truyền thông hợp tác dựa trên ý tưởng trên, các nút trong mạng tạo ra phân tập không gian bằng một phương thức mới hay còn gọi là hệ thống anten phân tập không gian “ảo” 5 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP (hay hệ thống MIMO ảo). Có nghĩa là các thiết bị di động chỉ có một anten, nhưng chúng có thể “chia sẻ” anten của mình với các thiết bị khác để tạo thành hệ thống anten 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 [7]. Vì vậy tại phía thu tín hiệu nhận được có độ tin cậy cao hơn so với việc nhận diện tín hiệu từ một đường 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 anten vào các thiết bị di động, giúp giảm chi phí, kích thước thiết bị và sự phức tạp về công nghệ và phần cứng[8]. Nhờ vậy, các ứng dụng của truyền thông hợp tác vào các mạng vô tuyến như mạng thông tin di động là một xu hướng sẽ được hứa hẹn trong tương lai gần.2 Sự khác biệt giữa mô hình truyền thông trực tiếp và truyền thông hợp tác, mở rộng phạm vi truyền của chuyển tiếp hợp tác 6 do an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.3 Ưu, nhược điểm của truyền thông hợp tác 2.1 Ưu điểm Đạt được độ lợi phân tập kết hợp: truyền thông hợp tác khác phân tập không gian và thời gian trong mạng vô tuyến để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Lợi ích của phân tập kết hợp có thể được liệt kê như sau[8]: - Giảm thiểu công suất truyền cần thiết. - Nâng cao dung lượng kênh Shannon.
- Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, nâng cao vùng phủ sóng của mạng. Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS: đối với những hệ thống truyền thống, những người dùng tại rìa vùng phủ sóng của mạng hoặc những người dùng thuộc vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng bóng mờ (shadowing) sẽ phải chịu giới hạn dung lượng. Tuy nhiên, truyền thông hợp tác có thể vượt qua được sự khác biệt về QoS và cung cấp QoS cân bằng cho nhiều người dùng. Tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng: truyền thông cộng tác có thể làm đơn giản hóa việc triển khai một hệ thống khi không có đủ cơ sở hạ tầng cần thiết.
Chẳng hạn như, tại một vùng bị thiên tai, truyền thông hợp tác có thể được sử dụng cho việc liên lạc khi mà hệ thống thông tin di động tế bào hay các hệ thống liên lạc khác không thể hoạt động được nữa. Truyền thông hợp tác có thể là phương pháp giảm thiểu chi phí xây dựng, cung cấp các dịch vụ mạng trong nhiều trường hợp. Ví dụ, trong mạng thông tin di động tế bào, người ta đã chỉ ra rằng chi phí để cung cấp 1 mức QoS cho tất cả người dùng sẽ được giảm thiểu nếu có sử dụng truyền thông hợp tác.2 Nhược điểm Sử dụng mạng truyền thông hợp tác sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến so với truyền trực tiếp. Cụ thể, tài nguyên vô tuyến ở đây là khe thời gian, băng tần, mã trải hay mã không gian thời gian.
Các tài nguyên này cần được chỉ định cho các lưu lượng chuyển tiếp. Nếu không có sơ đồ phân bố năng lượng hợp lý thì đường truyền chuyển tiếp hợp tác sẽ gây ra nhiễu, làm giảm hiệu suất của hệ thống.[8] Một hệ thống truyền thông hợp tác đòi hỏi các yêu cầu cao hơn về điều khiển truy nhập, đồng bộ, lập lịch, các biện pháp bảo mật so với các hệ thống truyền thông truyền thống. Ngoài ra còn phải xem xét đến các vấn đề truyền thông hợp tác có thể gây xuyên nhiễu đến đường truyền trực tiếp.