TỔNG QUAN HỆ THỐNG MIMO VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN
Sơ lược về lịch sử phát triển trong thông tin di động
Mạng thông tin di động mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với mạng có dây, như tính lưu động và khả năng hoạt động ở những khu vực có địa hình phức tạp Do đó, nghiên cứu và cải tiến mạng di động diễn ra liên tục, từ 2G đến 2.5G, 3G, 4G, cùng với các mô hình mạng WIFI và WIMAX Mỗi thế hệ mạng đều giới thiệu các giải pháp mới như FDMA, TDMA, CDMA, OFDM, MIMO, với mục tiêu nâng cao tốc độ dữ liệu, cải thiện chất lượng tín hiệu và mở rộng băng thông dịch vụ.
Di động thế hệ thứ nhất, phát triển vào cuối thập niên 70, sử dụng công nghệ FDMA (Frequency Division Multiplex Access) Thế hệ này có dung lượng thấp, số lượng dịch vụ hạn chế, chất lượng kém và chủ yếu chỉ cung cấp dịch vụ thoại Một số hệ thống tiêu biểu của thế hệ này bao gồm
- AMPS (Advance Mobie Phone Service): Dịch vụ điện thoại di động tiên tiến
- TACS (Total Access Communication System): Hệ thống thông tin truy nhập toàn bộ
- NMT 450 (Nordic Mobile Telephone 450): Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 450 Mhz
- NMT 900: Hệ thống điện thoại di động Bắc Âu băng tần 900 Mhz
- NTT (Nipon Telegrap and Telephone): Do Nhật Bản nghiên cứu và sử dụng
Thông tin di động thế hệ 2 sử dụng công nghệ kỹ thuật số với các phương thức truy cập đa dạng như TDMA (Phân chia theo thời gian) và CDMA (Phân chia theo mã) Hai yếu tố quan trọng trong các hệ thống này là tốc độ bít thông tin của người sử dụng và khả năng di động Một số hệ thống di động thế hệ hai tiêu biểu bao gồm
- GSM (Global System For Mobile Communicaton): hệ thống thông tin di động toàn cầu
- IS-95 (Interim Standard 95): Tiêu chuẩn thông tin di động CDMA của Mĩ do Qualcomm đề xuất
PDC (Personal Digital Cell) là hệ thống di động băng hẹp của Nhật Bản, cho phép tốc độ truyền thông tin từ 8-13 Kbps Phát triển mạnh mẽ vào những năm 1990, nhưng sự gia tăng số lượng thuê bao di động và nhu cầu về dịch vụ mới như truyền hình số liệu, roaming, cùng với yêu cầu về chất lượng cuộc gọi đã thúc đẩy các nhà thiết kế phát triển các hệ thống thông tin di động mới.
Trong bối cảnh phát triển công nghệ, ITU đã giới thiệu đề án IMT-2000 nhằm tiêu chuẩn hóa thông tin di động thế hệ thứ ba Mục tiêu của IMT-2000 là nâng cao tốc độ truy cập, mở rộng đa dạng dịch vụ và đảm bảo tính tương thích với các hệ thống thông tin di động hiện có, từ đó thúc đẩy sự phát triển liên tục của lĩnh vực thông tin di động.
Vào đầu thập kỷ 2000, ITU đã chấp nhận và triển khai hai hệ thống WCDMA và CDMA-2000, cả hai đều sử dụng công nghệ CDMA Sự ra đời của các hệ thống này đã tạo điều kiện cho việc thiết lập tiêu chuẩn toàn cầu cho giao diện vô tuyến trong hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3.
WCDMA là bước tiến tiếp theo trong các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai, sử dụng công nghệ TDM A như GSM, PDC và IS-136 Đồng thời, CDMA-2000 đại diện cho sự phát triển tiếp theo của hệ thống di động thế hệ thứ hai dựa trên công nghệ CDMA IS-95.
Hệ thống mạng 2.5G đóng vai trò là cầu nối giữa công nghệ 2G và 3G, mang đến những cải tiến đáng kể dựa trên nền tảng của hệ thống 2G Công nghệ này không chỉ nâng cao tốc độ truyền tải dữ liệu mà còn cải thiện khả năng kết nối, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
3 dựa trên hình thức chuyển mạch gói nhờ đó có ưu điểm là tiết kiệm không gian truyền dẫn và tăng tốc độ truyền dẫn
Nâng cấp từ 2G lên 2.5G diễn ra nhanh chóng và dễ dàng hơn so với việc chuyển trực tiếp lên 3G, tạo ra một sự chuyển tiếp mượt mà mà không gây ra sự thay đổi đột ngột.
GPRS là hệ thống nâng cấp từ GSM, sử dụng phương thức chuyển mạch gói, cho phép người dùng nhận thông tin dưới dạng gói dữ liệu Điều này dẫn đến việc tính cước dựa trên dung lượng dữ liệu gửi và nhận, khác với GSM, nơi cước được tính theo thời gian đàm thoại GPRS cũng là nền tảng quan trọng cho sự phát triển của công nghệ 3G.
EDGE, hay còn gọi là E-GPRS, là một sản phẩm tiên tiến của GPRS, sử dụng chuyển mạch gói với tốc độ nhanh gấp 3 lần so với GPRS Nhờ đó, EDGE cung cấp các dịch vụ truyền số liệu với tốc độ cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người dùng.
Thông tin di động thế hệ thứ ba cung cấp dịch vụ truyền thông cá nhân đa phương tiện Hệ thống này đáp ứng một số yêu cầu chung nhằm nâng cao chất lượng và hiệu suất của các dịch vụ di động.
- Mạng phải là băng rộng và có khả năng truyền thông đa phương tiên Tức là mạng phải đảm bảo được tốc độ bít của người sử dụng 2Mbps
Mạng cần đảm bảo khả năng cung cấp băng thông linh hoạt để đáp ứng yêu cầu của các dịch vụ với tốc độ bit khác nhau Bên cạnh đó, cần chú ý đến việc thiết lập đường truyền vô tuyến không đối xứng, với tốc độ bit cao ở chiều tải xuống và tốc độ bit thấp ở chiều tải lên.
Mạng cần đảm bảo thời gian truyền dẫn theo yêu cầu, tức là phải hỗ trợ các kết nối chuyển mạch cho thoại, dịch vụ video và khả năng số hóa các dịch vụ dữ liệu.
- Chất lượng dịch vụ phải không thua kém chất lượng mạng dịch vụ mạng cố định nhất là đối với thoại
- Mạng phải có khả năng sử dụng toàn cầu, nghĩa là bao gồm cả thông tin vệ tinh
Để đáp ứng các yêu cầu trong lĩnh vực thông tin di động, cần áp dụng những kỹ thuật nhằm giải quyết các vấn đề như hạn chế dung lượng hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu, chất lượng dịch vụ và tuổi thọ pin của thiết bị di động.
- Cho phép truyền tải các dữ liệu, âm thanh và hình ảnh với chất lượng cao
- Yêu cầu về tốc độ là từ 100 Mbps đến 1 Gbps
- Có thể roaming từ mạng di động này sang mạng di động khác và từ các công nghệ không dây khác nhau
- Mạng lõi hoàn toàn ứng dụng trên nền IP, khác với các thế hệ trước là sử dụng phương thức chuyển mạch gói
Một số công nghệ ứng dụng cho 4G:
- OFDM: ghép kênh phân chia tần số trực giao
- Công nghệ MIMO: công nghệ sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu
Những tồn tại khó khăn về kỹ thuật trong lĩnh vực thông tin di động
Dung lượng của các hệ thống thông tin di động thế hệ 1 và 2 bị hạn chế do sử dụng các kỹ thuật đa truy cập như FDMA, TDMA và CDMA, trong đó người dùng được xác định qua việc cấp phát tần số, khe thời gian hoặc mã trải phổ Với việc phổ tần dành cho thông tin di động có giới hạn, CDMA đã tăng dung lượng hệ thống nhưng cũng dẫn đến nhiễu đồng kênh và xuyên kênh do mật độ người dùng cao trong một cell, làm giảm hiệu quả dung lượng hệ thống.
Chất lượng dịch vụ của người dùng giảm do fading và nhiễu đồng kênh, nhiễu xuyên kênh khi di chuyển Hệ thống thông tin di động thế hệ ba cung cấp đa dạng dịch vụ, từ thoại và số liệu tốc độ thấp đến dịch vụ số liệu tốc độ cao và video.
Tốc độ tối đa của dịch vụ truyền thanh có thể đạt 2MHz, nhưng mức tốc độ này chỉ khả dụng trong các ô pico trong nhà Đối với các ô macro, dịch vụ sẽ đảm bảo tốc độ 14.4 Kbps cho người dùng di động thông thường.
Môi trường vô tuyến trong thông tin di động
Trong bất kỳ hệ thống thông tin nào, tín hiệu nhận được thường khác biệt so với tín hiệu truyền do sự suy giảm trong quá trình truyền Những suy yếu này gây ra những biến đổi ngẫu nhiên trong các tín hiệu ban đầu, dẫn đến sự giảm sút chất lượng tín hiệu Điều này có ảnh hưởng đáng kể đến việc truyền tải thông điệp.
Sự suy giảm tín hiệu xảy ra khi biên độ và năng lượng của tín hiệu giảm do hấp thụ hoặc tán xạ của các photon trong quá trình truyền từ nguồn đến đích Hiện tượng này tăng lên theo khoảng cách truyền dẫn trên mọi phương tiện, và mức độ suy giảm khác nhau tùy thuộc vào tần số, với sự suy giảm lớn hơn ở tần số cao.
Sự suy giảm ảnh hưởng đến khả năng tiếp nhận thông điệp giữa máy phát và máy thu, đòi hỏi máy phát phải gửi tín hiệu đủ mạnh để người nhận có thể phát hiện và hiểu rõ thông điệp Đối với khoảng cách dài, việc sử dụng một chuyển tiếp có thể giúp lặp lại hoặc khuếch đại tín hiệu, từ đó bù đắp cho sự suy giảm và đảm bảo thông tin được truyền tải chính xác.
1.3.2 Suy hao không gian tự do Đối với bất kỳ loại truyền thông không dây nào tín hiệu phân tán theo khoảng cách do sự lây lan của tín hiệu trên không gian Suy hao không gian tự do là sự mất mát trong cường độ tín hiệu, là kết quả của một đường truyền dẫn line-of- sigh thông qua không gian tự do Suy hao không gian tự do tỷ lệ thuận với bình phương của khoảng cách giữa truyền và nhận
𝜆 ) với d là khoảng cách truyền dẫn, 𝜆 là bước sóng
1.3.3 Fading Đối với các kênh truyền thông không dây thực tế nhất, fading là yếu tố quan trọng nhất để xem xét mô tả các kênh và dự đoán hiệu suất hệ thống Phần này giải quyết nguyên nhân fading, loại fading và các loại kênh fading
Fading là hiện tượng biến đổi công suất tín hiệu nhận được theo thời gian, do sự thay đổi trong quá trình truyền tải hoặc đường dẫn Trong môi trường di động, fading trở thành một thách thức kỹ thuật lớn mà các kỹ sư hệ thống thông tin liên lạc phải đối mặt.
Trong hệ thống di động không dây, tín hiệu di chuyển từ máy phát đến máy thu qua nhiều con đường khác nhau, được gọi là truyền lan đa đường Hiện tượng này dẫn đến sự suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu (fading) khác nhau theo thời gian và tần số Khi tín hiệu truyền qua kênh vô tuyến, nó lan tỏa trong không gian và va chạm với các vật cản như xe cộ và nhà cửa, gây ra nhiều hiện tượng phức tạp.
- Sự phản xạ: xảy ra khi một tín hiệu lan truyền gặp một bề mặt mượt mà có bước sóng lớn hơn bước sóng của tín hiệu
- Nhiễu xạ: xảy ra khi tín hiệu va chạm với các vật có kích thước lớn hơn nhiều chiều dài bước sóng
Tán xạ là hiện tượng xảy ra khi tín hiệu va chạm với các bề mặt không phẳng, trong đó các vật này có kích thước tương đương với chiều dài bước sóng của tín hiệu.
Khi tín hiệu va chạm vào vật cản, nó sẽ tạo ra nhiều bản sao khác nhau, trong đó một số bản sao sẽ đến được máy thu Do phản xạ, tán xạ và nhiễu xạ trên các vật thể khác nhau, thời gian mà các bản sao này đến máy thu sẽ không giống nhau, dẫn đến độ trễ pha khác nhau giữa các thành phần Hơn nữa, các bản sao này cũng sẽ bị suy hao khác nhau, gây ra sự khác biệt về biên độ giữa các thành phần tín hiệu.
Tín hiệu tại máy thu được hình thành từ tổng hợp tất cả các bản sao, và biên độ pha của các bản sao này quyết định liệu tín hiệu thu được sẽ được tăng cường khi các bản sao đồng pha hay bị triệt tiêu khi chúng ngược pha.
Fading chậm, hay còn gọi là hiện tượng bóng râm (Shadowing), làm giảm biên độ tín hiệu do ảnh hưởng của các vật cản như tòa nhà cao tầng và ngọn núi Hiện tượng này xảy ra ở khoảng cách lớn và có tốc độ biến đổi chậm.
Fading nhanh xảy ra do sự chuyển động tương đối giữa máy thu và máy phát, dẫn đến tần số thu được bị dịch chuyển so với tần số phát.
Fading chọn lọc xảy ra khi băng tần của tín hiệu lớn hơn băng thông của kênh truyền, dẫn đến các hệ thống có tốc độ vừa và lớn, với độ rộng băng tín hiệu lớn hơn độ rộng kênh, chịu tác động mạnh từ fading chọn lọc tần số Trong hiện tượng này, băng thông kết hợp của kênh nhỏ hơn băng thông của tín hiệu, khiến một số thành phần quang phổ của tín hiệu nằm ngoài băng thông kết hợp và không bị ảnh hưởng bởi các kênh truyền.
Fading phẳng, hay fading không chọn lọc, thường xảy ra ở các hệ thống có dung lượng nhỏ và vừa Do băng thông tín hiệu hạn chế, fading từ truyền dẫn đa đường được coi là fading không chọn lọc tần số Trong trường hợp fading phẳng, băng thông kết hợp của kênh lớn hơn băng thông của tín hiệu, dẫn đến việc tất cả các thành phần quang phổ của tín hiệu đều bị ảnh hưởng tương tự bởi các kênh.
Khi thiết kế hệ thống thông tin, các kỹ sư cần xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến sự lan truyền tín hiệu, đặc biệt là fading đa đường và tiếng ồn trong kênh di động Dưới đây là một số kênh fading điển hình mà các kỹ sư nên chú ý.
- Kênh AWGN- tạp âm cộng trắng chuẩn
Tổng quan về hệ thống MIMO
Kỹ thuật MIMO trong truyền thông là phương pháp sử dụng nhiều anten phát và thu để truyền tải dữ liệu hiệu quả MIMO, viết tắt của "Multiple Input Multiple Output," cho phép hệ thống sử dụng đa anten để cải thiện tốc độ và độ tin cậy của kết nối.
9 dụng kỹ thuật phân tập, mã hóa nhằm tăng dung lượng kênh truyền, cải thiện hiệu suất phổ mà không phải tăng công suất phát hay tăng băng thông
Tuy nhiên chi phí cho thiết bị cao hơn nhiều (do sử dụng nhiều anten phát và thu), cùng với giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn
Hình 1.1 Tổng quan hệ thống MIMO
Vào năm 1984, Jack Winters tại phòng thí nghiệm Bell đã xin cấp bằng sáng chế cho việc sử dụng đa anten trong hệ thống vô tuyến Đến năm 1985, đồng nghiệp của ông, Jack Salz, đã công bố nghiên cứu về MIMO dựa trên những phát hiện của Winters Từ năm 1986 đến 1995, nhiều bài báo về MIMO được xuất bản liên tục Năm 1996, Greg Raleigh và VK Jones tại đại học Stanford đã phát hiện ra hiện tượng phản xạ đa đường, tạo ra các kênh truyền ảo trong hệ thống MIMO, và chỉ ra rằng hiện tượng này giúp tăng dung lượng kênh truyền Cũng trong năm 1996, G.J Foschini từ phòng thí nghiệm Bell đã giới thiệu kiến trúc D-BLAS cho truyền dẫn vô tuyến trong môi trường fading sử dụng đa anten Năm 1998, P.W Wolniansky và đồng nghiệp đã phát triển kỹ thuật V-BLAST, đạt hiệu suất băng thông 20-40 bps/Hz, trong khi Siavash M Alamouti giới thiệu sơ đồ phân tập phát đơn giản với 2 anten phát và 1 anten thu, có thể mở rộng ra M anten thu để cung cấp độ lợi phân tập 2M Năm 2003, Airgo đã ra mắt chip MIMO đầu tiên, và năm 2004, IEEE tiếp tục phát triển công nghệ này.
Nhóm TGn đã được thành lập để nghiên cứu chuẩn 802.11n, sử dụng hệ thống MIMO kết hợp với kỹ thuật OFDM Vào năm 2006, TGn đã công bố bản nháp đầu tiên của 802.11n để thảo luận về các sửa lỗi và cải tiến cần thiết.
1.4.2 Các kỹ thuật phân tập
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, kỹ thuật phân tập được áp dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của Fading đa đường và nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông Kỹ thuật này dựa trên việc thu nhận nhiều bản sao của tín hiệu phát, với các sóng mang mang thông tin giống nhau nhưng có sự tương quan Fading thống kê rất thấp Ý tưởng chính là nếu các mẫu tín hiệu độc lập bị ảnh hưởng bởi Fading một cách khác nhau, sẽ có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều và những tín hiệu bị ảnh hưởng ít hơn, từ đó giảm thiểu khả năng đồng thời chịu ảnh hưởng nặng nề từ Fading Việc kết hợp các mẫu này một cách hợp lý sẽ giúp giảm thiểu tác động của Fading và tăng cường độ tin cậy của tín hiệu Các phương pháp phân tập được sử dụng để đạt chất lượng mong muốn được phân loại thành phân tập thời gian, tần số và không gian.
Phân tập có thể đạt được qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm phân tập thời gian thông qua mã hóa và xem kênh, phân tập tần số cho các kênh chọn lọc tần số, và phân tập không gian bằng cách sử dụng nhiều anten phát hoặc thu cách xa nhau Trong thực tế, kỹ thuật phân tập có thể được áp dụng trong các miền không gian, phân cực anten, miền tần số và miền thời gian.
Phân tập không gian, hay còn gọi là phân tập anten, là một phương pháp phổ biến trong lĩnh vực thông tin vô tuyến Phương pháp này sử dụng nhiều anten tại máy phát, máy thu hoặc cả hai để tạo ra các nhanh phân tập không gian khác nhau Để đảm bảo hiệu quả, khoảng cách tối thiểu giữa các anten cần đạt một nửa bước sóng Khi áp dụng nhiều anten ở máy phát, chúng ta có hệ thống phân tập không gian phát, trong khi việc sử dụng nhiều anten ở máy thu sẽ tạo ra hệ thống phân tập không gian thu.
Hệ thống đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO) sử dụng nhiều anten cả phía phát và phía thu, tạo ra một tập hợp kênh truyền với nhiều đầu vào và đầu ra Phương pháp này mang lại nhiều ưu điểm như không làm giảm hiệu suất băng tần, tiết kiệm phổ tần số, dễ sử dụng và không có giới hạn lý thuyết về số lượng nhánh phân tập Hai ví dụ điển hình của phân tập không gian là phân tập phân cực và phân tập góc Trong phân tập phân cực, tín hiệu phân cực đứng và ngang được truyền và nhận bởi các anten phân cực, giúp đảm bảo rằng hai tín hiệu không tương quan mà không cần đặt anten xa nhau Trong khi đó, phân tập góc thường được áp dụng cho truyền dẫn sóng mạng tần số cao trên 10 GHz, nơi tín hiệu phát bị tán xạ mạnh trong không gian, cho phép thu nhận các tín hiệu độc lập từ nhiều hướng khác nhau bằng các anten định hướng.
Phân tập không gian được chia thành hai loại chính: phân tập thu và phân tập phát, tùy thuộc vào việc sử dụng nhiều anten ở phía thu hay phía phát Trong phân tập thu, nhiều anten ở phía thu thu nhận các bản sao độc lập của tín hiệu phát, giúp tăng cường SNR tổng thể và giảm thiểu hiện tượng fading đa đường Ngược lại, phân tập phát sử dụng nhiều anten ở phía phát, nơi các bản tin được xử lý và sau đó phát ra từ các anten khác nhau.
Việc sử dụng một tập hợp tần số để truyền tín hiệu tạo ra phân tập tần số, với khoảng cách giữa các tần số cần đủ lớn, khoảng vài trăm lần băng tần đồng bộ, nhằm đảm bảo rằng fading ở các tần số không tương quan Đối với thông tin di động, băng tần đồng bộ khoảng 500 kHz, do đó khoảng cách tối thiểu giữa các nhánh phân tập tần số phải đạt ít nhất 1-2 MHz.
Trong thông tin di động hiện đại, việc phân tập tần số có thể được thực hiện thông qua các kỹ thuật điều chế đa sóng mang Các phương pháp này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu và nâng cao chất lượng tín hiệu.
Phương pháp phân tập tần số có nhược điểm là tiêu tốn phổ tần số Hơn nữa, do các nhánh phân tập sử dụng tần số khác nhau, mỗi nhánh cần phải trang bị một máy thu phát cao tần riêng biệt.
Do tính chất ngẫu nhiên của fading, biên độ tín hiệu bị ảnh hưởng sẽ không tương quan tại các thời điểm lấy mẫu cách xa nhau Việc truyền tín hiệu ở những thời điểm này tương đương với việc truyền trên nhiều đường độc lập, dẫn đến sự phân tập về thời gian Để đảm bảo thu được tín hiệu fading không tương quan, khoảng thời gian tối thiểu cần thiết tại máy thu là thời gian đồng bộ của kênh truyền.
1.4.3 Ưu và khuyết điểm của kỹ thuật MIMO Ưu điểm:
- Tăng độ lợi mảng, làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng cách truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát
- Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống
-Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian
- Tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông Khuyết điểm:
- Tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu
- Kích thước của thiết bị di động tăng lên
- Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần
- Nhiễu liền kênh: do nhiều người sử dụng cùng hệ thống MIMO.
Tổng kết chương
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về hệ thống thông tin di động, bao gồm quá trình phát triển và các hệ thống tiêu biểu qua từng giai đoạn Hiện nay, hệ thống MIMO đã được triển khai, mang lại nhiều lợi ích nhưng cũng không tránh khỏi một số khuyết điểm.
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA TRUYỀN DẪN TRONG
MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC MIMO
Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật tiên tiến cho phép điện thoại di động chia sẻ anten, từ đó tạo ra một hệ thống đa anten ảo Chương này sẽ đi sâu vào việc khám phá kỹ thuật này một cách chi tiết hơn.
Tổng quan
Lý thuyết thông tin truyền thông đa đường trở lại mô hình kênh chuyển tiếp
Mô hình kênh chuyển tiếp bao gồm nguồn, đích và node chuyển tiếp, được sử dụng để truyền thông tin từ nguồn đến đích
Truyền thông hợp tác dựa trên tính chất phát sóng của truyền thông không dây, cho phép tín hiệu được truyền giữa nguồn và đích có thể được nghe tại các nút lân cận Mục tiêu chính của truyền thông hợp tác là xử lý và phát lại thông tin để tạo ra sự đa dạng không gian, từ đó nâng cao cả thông lượng và độ tin cậy Khác với mô hình node chuyển tiếp, truyền thông hợp tác cho phép nguồn hoạt động như một nguồn thông tin và đồng thời là node chuyển tiếp, trong khi đích xử lý tín hiệu từ cả nguồn và node chuyển tiếp Những phát triển gần đây trong lĩnh vực này tập trung vào sự đa dạng trong kênh fading, không chỉ đơn thuần là hiệu suất, nhấn mạnh sự khác biệt giữa hai khái niệm này.
Truyền thông hợp tác
Theo lý thuyết thông tin, đích có khả năng nhận tín hiệu từ cả nguồn và node chuyển tiếp, nhưng nhiều hệ thống đa đường cho phép đích chỉ xử lý tín hiệu từ node chuyển tiếp Thực tế cho thấy, nguồn thường nằm xa hơn so với node chuyển tiếp, dẫn đến tín hiệu từ nguồn yếu hơn nhiều Khi có hiện tượng fading, kế hoạch này cần xem xét thêm số lượng suy hao, đặc biệt trong bối cảnh đa dạng, so với việc đích xử lý đồng thời cả hai tín hiệu.
Chuyển tiếp đa đường không chỉ giúp khắc phục suy hao đường truyền mà còn mang lại sự đa dạng trong kết nối Công nghệ này có thể tạo ra các mảng anten ảo, và việc sử dụng nhiều hệ thống anten được gọi là hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO).
Công nghệ đa anten MIMO đã trở thành tâm điểm chú ý trong lĩnh vực truyền thông không dây nhờ vào hiệu suất vượt trội mà nó mang lại MIMO giúp tăng đáng kể thông lượng dữ liệu và mở rộng liên kết mà không cần tăng băng thông hoặc công suất phát, bằng cách cải thiện tỷ lệ bit và giảm hiện tượng fading Công nghệ này cung cấp hiệu quả quang phổ cao hơn, cho phép truyền tải nhiều bit trên mỗi giây trên mỗi Hz băng thông Để đạt được sự đa dạng cần thiết, máy phát thường cần sử dụng nhiều anten, nhưng nhiều thiết bị không dây bị giới hạn về kích thước, chi phí hoặc phần cứng, dẫn đến việc không thể trang bị nhiều anten Gần đây, kỹ thuật truyền thông hợp tác đã được đề xuất, cho phép một anten duy nhất trong môi trường đa người dùng chia sẻ ăng-ten và tạo ra một máy phát nhiều anten ảo Phương pháp này giới thiệu một hình thức đa dạng không gian mới, gọi là đa dạng hợp tác, nhằm giảm thiểu tác động của fading thông qua việc truyền tín hiệu độc lập.
Hệ thống hợp tác có thể được hình dung như một mảng anten ảo, trong đó mỗi anten đại diện cho một đối tác có khả năng nghe, xử lý và truyền tín hiệu để hợp tác Điều này mang lại những quan sát bổ sung về tín hiệu tại đích, giúp cải thiện khả năng truyền thông trong môi trường fading Hệ thống này được xây dựng dựa trên hai ý tưởng chính: thứ nhất, sử dụng node chuyển tiếp đa đường để tạo ra sự đa dạng không gian; thứ hai, hình thành một mảng anten ảo với mỗi node chuyển tiếp không chỉ gửi thông tin riêng mà còn thực hiện các hoạt động chuyển tiếp cho các đối tác khác.
Truyền thông hợp tác là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ MIMO, tập trung vào việc tối ưu hóa các kênh truyền thông thông qua đa dạng không gian, nâng cao năng suất và tiết kiệm năng lượng Hệ thống truyền thông hợp tác đơn giản được minh họa trong Hình 2.1.
Hợp tác đa người dùng trong mạng không dây
CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA TRUYỀN DẪN TRONG
MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC MIMO
Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật hiện đại cho phép điện thoại di động chia sẻ anten của mình, tạo thành một hệ thống đa anten ảo Chương này sẽ đi sâu vào chi tiết về kỹ thuật mới này.
Lý thuyết thông tin truyền thông đa đường trở lại mô hình kênh chuyển tiếp
Mô hình kênh chuyển tiếp bao gồm nguồn, đích và node chuyển tiếp, được sử dụng để truyền thông tin từ nguồn đến đích
Truyền thông hợp tác dựa trên tính chất phát sóng của truyền thông không dây, cho phép các tín hiệu được truyền giữa nguồn và đích có thể được nghe tại các nút lân cận Mục tiêu của truyền thông hợp tác là xử lý và phát lại thông tin nhằm tạo ra sự đa dạng không gian, từ đó nâng cao thông lượng và độ tin cậy Khác với mô hình node chuyển tiếp, truyền thông hợp tác tập trung vào việc nguồn hệ thống không chỉ là nguồn thông tin mà còn hoạt động như một node chuyển tiếp, trong khi đích xử lý cả tín hiệu từ nguồn lẫn node chuyển tiếp Những phát triển gần đây trong lĩnh vực này đã nhấn mạnh sự khác biệt giữa hai khái niệm, với sự chú trọng vào sự đa dạng trong kênh fading hơn là hiệu suất.
Theo lý thuyết thông tin, đích có khả năng nhận tín hiệu từ cả nguồn và node chuyển tiếp Trong các hệ thống đa đường, đích thường xử lý tín hiệu chuyển tiếp, điều này được thể hiện khi nguồn thường ở xa hơn so với node chuyển tiếp, dẫn đến tín hiệu từ nguồn yếu hơn Khi có hiện tượng fading, kế hoạch cần xem xét thêm số lượng suy hao, đặc biệt là trong bối cảnh đa dạng, so với việc đích xử lý đồng thời cả hai tín hiệu.
Chuyển tiếp đa đường không chỉ giúp vượt qua suy hao đường truyền mà còn cung cấp sự đa dạng trong kết nối Công nghệ này cho phép tạo ra các mảng anten ảo, phục vụ cho các hệ thống nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO), nâng cao hiệu suất truyền dẫn.
Công nghệ đa anten (MIMO) đã trở thành tâm điểm trong lĩnh vực truyền thông không dây nhờ vào khả năng cải thiện hiệu suất MIMO mang lại lợi ích lớn bằng cách tăng thông lượng dữ liệu và mở rộng liên kết mà không cần thêm băng thông hay công suất phát Điều này đạt được thông qua việc tăng tỷ lệ bit và giảm hiện tượng fading, từ đó nâng cao hiệu quả quang phổ với nhiều bit trên mỗi giây trên Hz băng thông MIMO cũng cung cấp độ tin cậy cao hơn cho liên kết nhờ vào sự đa dạng, giúp giảm thiểu fading Tuy nhiên, do hạn chế về kích thước, chi phí hoặc phần cứng, nhiều thiết bị không dây không thể tích hợp nhiều anten Gần đây, kỹ thuật truyền thông hợp tác đã được đề xuất, cho phép một anten duy nhất khai thác lợi ích của MIMO Kỹ thuật này cho phép các thiết bị di động trong môi trường đa người dùng chia sẻ ăng-ten và tạo ra một máy phát ảo nhiều anten, mang lại đa dạng không gian mới để chống lại fading thông qua việc truyền tín hiệu độc lập.
Hệ thống hợp tác có thể được hình dung như một mảng anten ảo, với mỗi anten đại diện cho một đối tác có khả năng nghe và truyền tải tín hiệu để hợp tác Điều này mang lại những quan sát bổ sung về tín hiệu tại đích, trong khi nhiều tín hiệu thường bị loại bỏ trong không gian Hệ thống này dựa trên hai ý tưởng chính: i) Sử dụng node chuyển tiếp đa đường để tạo ra sự đa dạng không gian trong môi trường fading, và ii) Hình thành một mảng anten ảo, trong đó mỗi node chuyển tiếp không chỉ có thông tin riêng để gửi mà còn thực hiện các hoạt động chuyển tiếp cho các đối tác khác.
Truyền thông hợp tác là một khái niệm quan trọng trong lĩnh vực viễn thông, được xem như một anten ảo giúp thu thập các cải tiến liên quan đến các kênh MIMO, bao gồm đa dạng không gian, tăng năng suất và tiết kiệm công suất Hệ thống truyền thông hợp tác đơn giản được minh họa trong Hình 2.1.
2.3 Kế hoạch hợp tác tín hiệu
Các kế hoạch hợp tác tín hiệu quan trọng nhất là: phát hiện và chuyển tiếp, khuếch đại và chuyển tiếp và hợp tác để mã hóa
Hình 2.1 Truyền dẫn hợp tác giữa hai người sử dụng
2.3.1 Phát hiện và chuyển tiếp
Trong phương pháp này, người dùng cố gắng phát hiện các bit từ đối tác và truyền lại chúng, tạo ra một đường truyền dẫn đa dạng Cách đơn giản nhất để thực hiện là thông qua ghép nối, trong đó hai người dùng được kết nối với các đối tác để hợp tác với nhau Ngoài ra, các cấu trúc liên kết không phụ thuộc vào ghép nối cũng có thể được áp dụng Kế hoạch truyền tín hiệu này mang lại lợi thế về tính đơn giản và khả năng thích ứng.
2.3.2 Khuếch đại và chuyển tiếp
Trong phương pháp này, các đối tác mở rộng tín hiệu nhận được để đáp ứng hạn chế công suất và truyền lại nhằm hợp tác Mỗi người sử dụng sẽ nhận một phiên bản nhiễu của tín hiệu và sau đó khuếch đại tín hiệu đó.
Mặc dù tiếng ồn được khuếch đại do sự hợp tác, việc xử lý tín hiệu có thể hiệu quả hơn khi kết hợp hai phiên bản độc lập nhận được của tín hiệu.
2.3.3 Hợp tác để mã hóa
Trong hợp tác mã hóa, dữ liệu của người dùng được mã hóa và chia thành hai phân đoạn, tương tự như thời gian truyền dữ liệu Mỗi người dùng gửi mã của mình qua các đường truyền độc lập với fading Ý tưởng chính là mỗi người dùng nỗ lực gia tăng khả năng truyền tải dự phòng để hỗ trợ đối tác hợp tác; nếu không, họ sẽ quay lại chế độ không hợp tác Để đảm bảo hiệu quả của hợp tác mã hóa, tất cả các quy trình này được quản lý tự động thông qua thiết kế mã hóa.
Các kỹ thuật mã hóa kênh đa dạng có thể áp dụng cho hợp tác mã hóa, trong đó mã có thể bị ngăn chặn hoặc chập, hoặc kết hợp cả hai Hơn nữa, chuyển tiếp hợp tác có thể lựa chọn giữa hoạt động hợp tác hoặc không hợp tác dựa trên tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) đo được giữa các bên.
Hình 2.2 Hệ thống truyền thông hợp tác đơn giản
2.4 Hợp tác đa người sử dụng trong mạng truyền thông không dây
Biến đổi giao thức ALOHA cổ điển giúp người dùng tận dụng lợi ích từ sự đa dạng của người dùng và giảm thiểu tổn thất do hiểu biết kênh phân bố Bài viết này sẽ mô tả sự tăng trưởng của thông lượng trong giao thức này.
Hệ thống trước dưới việc hạn chế công suất trung bình ngắn hạn và dài hạn cho thấy một tỷ lệ cố định có thể tiệm cận tối ưu, giúp đạt được tỷ lệ tăng trưởng tương tự như trong hệ thống tập trung Tuy nhiên, một phần thông lượng bị mất do cạnh tranh là 1/e Trong một hệ thống với các điểm đến ngẫu nhiên và tập sử dụng vô hạn, biến thể của giao thức ALOHA cho phép người sử dụng ước lượng giá trị tồn đọng từ tổng tỷ lệ xuất hiện.
Trong các kênh fading được sử dụng rộng rãi, sự đa dạng người dùng thể hiện qua chất lượng kênh khác nhau tại các thời điểm khác nhau Hiện tượng này cho phép người dùng lên kế hoạch phát sóng trong những khoảng thời gian có điều kiện kênh thuận lợi, từ đó làm tăng tổng thông lượng của hệ thống Nghiên cứu của Knopp và Humblet đã chỉ ra rằng dung lượng tối đa của kênh đa truy nhập Gaussian đạt được bởi người dùng có kênh tốt nhất tại bất kỳ thời điểm nào Kết quả này cũng tương tự cho kênh quảng bá Gaussian song song Sự đa dạng người dùng là nền tảng cho nhiều nghiên cứu gần đây trong kế hoạch không dây “cơ hội” hoặc “kênh nhận biết”, cũng như các hệ thống hiện đại như cấu trúc tốc độ dữ liệu cao của Qualcomm HDR.
Giao thức truy cập ngẫu nhiên ALOHA
Giao thức truy nhập ngẫu nhiên ALOHA, được phát triển vào năm 1970 bởi giáo sư Norm Abramson, là giao thức đầu tiên được áp dụng cho các mạng máy tính ALOHA đã được thiết kế để tạo ra một mạng thông tin vô tuyến giữa các khu vực khác nhau.
Đại học Hawaii có 21 lĩnh vực khác nhau trên các đảo khác nhau Giao thức ALOHA, thuộc lớp 2 của mô hình OSI, được sử dụng cho mạng LAN với chức năng quảng bá Cơ chế hoạt động của ALOHA được xem là đơn giản nhất trong các phương thức đa truy cập; khi một gói tin mới đến một nút, nó sẽ được truyền ngay lập tức Nếu xảy ra xung đột do hai nút phát đồng thời trong cùng một khoảng thời gian, được gọi là khoảng thời gian tổn thương, các gói tin sẽ được truyền lại sau một thời gian chờ ngẫu nhiên.
Hình 2.3 Hoạt động của giao thức ALOHA
Giả sử lưu lượng đến từ một số lượng hữu hạn người dùng và tuân theo quá trình Poisson với tốc độ đến trung bình gói/s, mỗi gói tin được truyền trong thời gian cố định T giây Một truyền dẫn tại thời điểm t thành công khi không có truyền dẫn khác xảy ra trong khoảng thời gian tổn thương (t-T, t+T) Tốc độ tải yêu cầu trong thời gian gửi một gói tin được ký hiệu là G-attempts per packet time (bit/s), bao gồm các gói tin cần truyền dẫn lại và những gói tin mới đến trong khoảng thời gian này Thông lượng kênh S-throughput per frame time (Kbit/s) được tính theo công thức cụ thể.
Hình 2.4 Hoạt động của giao thức ALOHA phân khe
Giao thức ALOHA phân khe (slotted ALOHA) là một biến thể của giao thức ALOHA, sử dụng cơ chế truyền đồng bộ trong các khe thời gian tương tự như phương thức đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Trong ALOHA phân khe, các nút chỉ có thể truyền gói tại thời điểm bắt đầu của một khe thời gian, giúp giảm khoảng thời gian tổn thương xuống còn T thay vì 2T như trong giao thức ALOHA Nhờ đó, hiệu năng đỉnh của ALOHA phân khe tăng gấp đôi Thông lượng S được xác định qua số gói tin truyền dẫn thành công trong khoảng thời gian truyền dẫn một gói tin.
Với giao thức truy nhập kênh ALOHA, thông lượng tối đa có thể đạt được là S = 1/2e ≈ 0.184 tại G = 0.5, cho thấy khoảng 81.6% tổng băng thông đã bị lãng phí do xung đột gói Ngược lại, giao thức ALOHA phân khe cải thiện hiệu suất bằng cách rời rạc hóa khe thời gian, từ đó tăng thông lượng cực đại.
Giao thức ALOHA phân khe cho thông lượng cực đại cao gấp 2 lần so với giao thức ALOHA truyền thống, với công thức S = 1/e = 1/0.37 và G = 1, cho phép một trạm chỉ gửi dữ liệu ở đầu khe thời gian, từ đó giảm thiểu xung đột (hình 2.4) Tuy nhiên, để đạt được hiệu suất này, giao thức yêu cầu đồng bộ thời gian.
Hình 2.5 Thông lượng chuẩn hóa của ALOHA và ALOHA phân khe
KẾ HOẠCH CẤP PHÁT NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
Tổng quan
Trong mạng không dây, các hệ thống đa người dùng có thể được khai thác hiệu quả thông qua danh sách người dùng trong điều kiện kênh thuận lợi Chuyển tiếp hợp tác mang lại nhiều hình thức khác nhau nhờ sự tách biệt không gian của người sử dụng Chương này trình bày ứng dụng song song hai nguồn khác nhau trong phương thức không tập trung, giúp cải thiện đáng kể thông lượng mạng không dây Để đạt được điều này, một tập hợp các giao thức gọi là CAAC được nghiên cứu nhằm hạn chế công suất ngắn hạn và dài hạn trên thông lượng tổng cộng Đặc biệt, việc hạn chế công suất dài hạn đánh giá tác động của ba kế hoạch cấp phát năng lượng: công suất không đổi, tốc độ ổn định và tốc độ thay đổi tối ưu Trong mỗi trường hợp, việc tìm nguồn tối ưu và chiến lược truyền dẫn chuyển tiếp cho thấy sự cải thiện đáng kể về công suất hệ thống tổng cộng Hơn nữa, kế hoạch công suất không đổi được xác định là một phương pháp tối ưu, dễ dàng thực hiện trong việc phân bố mạng không dây.
Xây dựng vấn đề và mô hình
Trong mạng không dây, việc tối ưu hóa kênh truyền là cần thiết do tính không ổn định của liên kết truyền thông Kỹ thuật lập trình xuyên lớp có thể cải thiện hiệu suất mạng bằng cách tận dụng đa dạng người dùng Hơn nữa, việc giả định nhiều người dùng với nhiều anten trong mạng rộng là không thực tế, do đó, hợp tác giữa các node thông minh là giải pháp khả thi Chương này trình bày thiết kế kế hoạch hợp tác phi tập trung, khai thác hiệu quả hệ thống đa dạng người dùng và cung cấp các kết quả tính toán cũng như mô phỏng.
Trước đây, nhiều công việc liên quan đến kế hoạch hợp tác chủ yếu tập trung vào giao thức lớp vật lý để khai thác sự đa dạng không gian và tăng cường thông lượng điểm điểm Gần đây, kế hoạch hợp tác đã được áp dụng nhằm giảm thiểu sự mất mát thông lượng trong các chương trình truy cập ngẫu nhiên.
Các tác giả đã đề xuất một chương trình hợp tác nhằm giảm thiểu việc mất thông lượng vốn có trong ALOHA Nghiên cứu tiếp theo trong mục [7] tập trung vào việc thiết kế MAC-PHY chung với mục tiêu giảm thiểu sự can thiệp trong các mạng hợp tác không dây.
Chương này nghiên cứu một tập thông số lớn hơn để so sánh với các kết quả trước đó, xem xét lớp thiết kế MAC-PHY chung và tác động của hệ thống đa dạng người dùng cùng chuyển tiếp hợp tác Đánh giá lợi ích của tập đường lên trong mạng không dây với giả định kênh Fading Rayleigh và mô hình va chạm tại đích cũng như tại mỗi nút chuyển tiếp trung gian Nghiên cứu này lần đầu tiên xem xét sự phối hợp giữa hệ thống đa người dùng và hợp tác chuyển tiếp trong môi trường không dây Đóng góp chính bao gồm việc nhận diện nguồn truyền tải tối ưu và chiến lược hợp tác trong CAAC thông qua cơ cấu đánh giá hiệu suất Đồng thời, nghiên cứu các vấn đề phân bổ năng lượng cho CAAC, bao gồm công suất không đổi và tốc độ ổn định, cũng như tác động của hạn chế công suất ngắn hạn lên thông lượng Cuối cùng, chứng minh rằng thông lượng của CAAC với công suất phát không đổi là một cách tiếp cận tối ưu, tỷ lệ với 𝑅(𝑁𝑙𝑜𝑔𝑁), trong đó R là hàm tỷ lệ và N là số lượng node.
Xem xét một mạng truy nhập không dây đa hợp tác với N node, M={1,2,…,N}, giao tiếp với N điểm đến giống như điểm truy cập không dây hoặc dữ liệu xuống Mỗi node không chỉ gửi thông điệp của mình mà còn có thể hợp tác để chuyển tiếp thông điệp cho node khác đến đích Quá trình truyền thông điệp diễn ra qua hai giai đoạn: giai đoạn A và giai đoạn B Trong giai đoạn A, các node phát đi thông điệp khi biên độ kênh ở đích vượt qua ngưỡng yêu cầu, với một thông số tối ưu hóa được xác định Ngưỡng này cần đủ cao để giảm xác suất va chạm.
Giả định rằng trong khoảng thời gian m, node i truyền thông điệp x i (m) trong bộ đệm, với m thuộc [vL, (v+1)L], trong đó L là chiều dài của một khe thời gian và v là số lượng khe Node j nhận thông điệp từ node i mà không xảy ra va chạm trong giai đoạn A.
Trong đó : y j (m): thông điệp nhận được tại node j𝜖 M- {i}
√𝐻𝑖𝑗(𝑚):độ lợi kênh giữa các node thứ i và điện áp trễ j (hoặc đích là d)
Tạp âm cộng trắng chuẩn tại node j, ký hiệu là 𝑧 𝑗 (𝑚), có công suất Z j (hoặc Z d) Trong giai đoạn B, các node chưa gửi dữ liệu ở giai đoạn trước và các node đã giải mã thành công thông điệp từ người gửi ở giai đoạn A sẽ được xem là điện áp trễ.
Tôi nghiên cứu việc giải mã và chuyển tiếp hệ thống sử dụng điện áp trễ để truyền dữ liệu đến đích Hệ thống đảm bảo chỉ những node giải mã thành công thông điệp mới được phép chuyển tiếp Độ lợi kênh giữa độ trễ thứ j và đích được thể hiện qua G jd (m), và quyết định chuyển tiếp dựa vào giá trị này Ngưỡng quyết định tối ưu cho biên độ kênh là một yếu tố quan trọng trong mục tiêu thiết kế.
* Mô hình trạng thái kênh
Trong một quá trình có hiện tượng Fading, độ lợi kênh được xem là không thay đổi trong khoảng m𝜖[ vL, (v+1)L] Giả thiết rằng một cặp độ lợi kênh (Hi1j1, H i2j2) hoặc (G j1d, G j2d) được coi là các biến ngẫu nhiên độc lập.
Mục tiêu của nghiên cứu này là phân tích và giả thiết rằng độ lợi kênh có thể thay đổi ngẫu nhiên, đảm bảo mỗi node có cùng điểm phân phối Để thực hiện điều này, kênh fading độc lập được giả định trên các khe khác nhau Hàm mật độ xác suất của độ lợi kênh H ij (m) với m thuộc khoảng [vL, (v+1)L] được thể hiện qua f Hij (h).
Xét trường hợp kênh đối xứng có Fading Rayleigh, và sử dụng f H (h) cặp nguồn - đích, f H’ (h’) cho cặp nguồn – trễ, và fG(g) cho cặp trễ - đích
Mỗi node trong mạng đều truy cập vào CSI riêng của mình, bắt đầu từ khe thứ v, với độ lợi kênh Hid được xác định bởi node i và độ lợi G jd phụ thuộc vào điện áp trễ j trong giai đoạn chuyển tiếp Trong môi trường không phân tập, một node không thể truy cập đến CSI của node khác, và node i không thể truy cập đến trạng thái kênh H ij Do đó, trong một mạng lưới rộng lớn, việc giả định rằng tất cả các node đều có quyền truy cập vào trạng thái kênh chuyển tiếp đến các điểm khác là không hợp lý.
* Sự hạn chế công suất
Kí hiệu P 1i (H id ) đại diện cho công suất phát đi của node i trong giai đoạn A, trong khi P 2j (G jd ) là công suất phát đi của node j trong giai đoạn B Mỗi node phải tuân thủ các hạn chế công suất ngắn hạn và dài hạn, bao gồm việc ngân sách năng lượng trong mạng bị giới hạn và những quy định nhằm giảm thiểu va chạm do phần cứng hoặc các quy tắc khác.
Giả thiết áp dụng mô hình va chạm tương tự cho gói tiếp nhận như đã nêu trong mục [5] Trong mỗi khối phát, node j (đích hoặc điện áp trễ) chỉ có thể giải mã thông tin truyền đi khi không xảy ra va chạm tại node j, được ký hiệu là ℕℂ(j) Hơn nữa, việc sử dụng phương pháp tương tự như trong mục [6] sẽ được áp dụng.
Điện áp trễ j nhận được từ node i sẽ được giải mã thành công nếu lượng thông tin truyền giữa i và j vượt quá tỷ lệ yêu cầu, tức là (i,j) > Rth Trong đó, 𝕀 là lượng thông tin truyền và Rth là thông lượng yêu cầu cho việc giải mã Tỷ lệ tối đa R(𝛾 i) mà node i có thể truyền được định nghĩa bởi γ 𝑖 = 𝑃(𝐻 𝑖𝑑 )𝐻 𝑖𝑑.
𝑍 𝑑 , và chuẩn hóa Z d tiến tới 1 Giả thiết R(𝛾 i ) đang gia tăng và lõm Nó cũng được giả thiết R(𝛾 i ) không có sự đàn hồi tiệm cận [5], có nghĩa là lim 𝑠𝑢𝑝
Dung lượng Shannon được xác định bởi công thức R(γ) = log(1 + γi), với γi là tỷ số tín hiệu trên nhiễu Kết quả này không giới hạn tốc độ truyền của mẫu Shannon và sẽ được áp dụng trong các tính toán và mô phỏng.
Cơ hội hợp tác
Đánh giá kế hoạch phân bổ năng lượng cần được thực hiện khác nhau cho từng trường hợp Chúng ta sẽ tiến hành phân tích thông lượng, xác định các thông số tối ưu hóa và xem xét phạm vi mở rộng cho N.
Với sự hạn chế năng lượng dài hạn
Năng lượng không đổi (CAAC-CP) đề cập đến việc các nút truyền dữ liệu với năng lượng hạn chế cho mỗi gói tin, trong đó thông tin trạng thái kênh chỉ được sử dụng để quyết định việc truyền tải.
Tốc độ ổn định (CAAC-FR) đảm bảo thông lượng ổn định nhờ việc các node sử dụng kênh đảo ngược để phân bố năng lượng hiệu quả.
Tốc độ thay đổi tối ưu (CAAC-OVR) liên quan đến việc phân bố năng lượng hiệu quả giữa các node ứng dụng trên trạng thái kênh, tương tự như vấn đề water-filling cổ điển.
Với sự hạn chế ngắn hạn: các node truyền với năng lượng phân bố tối đa
Kế hoạch này giả định rằng mỗi nguồn phát năng lượng không đổi P t1, và các rơle có khả năng giải mã thành công thông điệp với xác suất P t2 Kết quả của việc hạn chế năng lượng trung bình trong dài hạn được thể hiện qua các thông số này.
Do đó, thông lượng dự kiến có thể được biểu diễn như sau:
Trong đó: Φ là năng lượng nhận tại AP trong giai đoạn B Hơn nữa xác suất giải mã rơle có thể được tính bởi:
Tiếp theo là đánh giá giá trị tối ưu cho Pr s và Pr rel thỏa mãn vấn đề tối đa trong (3.4)
𝑁 là thông lượng tối đa trong giai đoạn A
Thông lượng truyền trực tiếp tối đa được xác định bởi công thức 𝑃𝑟 𝑠 = 𝜂(𝑁) 𝑁, trong đó lim 𝑁⟶∞ 𝜂(𝑁) = 1 Kết quả này xuất phát từ bổ đề 4 của mục [10] Khi xem xét 𝑃𝑟 𝑠 (1 − 𝑃𝑟 𝑠 ) 𝑁−1, giá trị này đạt cực đại tại 𝑃𝑟 𝑠 = 1.
𝑁 So sánh với việc phân tích Aloha truyền thống, ở 𝜂(𝑁) nắm bắt được những tác động của kênh Fading
Chú ý rằng, Khi N⟶∞ , thì phải có Pr s ⟶0, hay một sự va chạm sẽ xảy ra
𝑃𝑟 𝑠𝐻 𝑖𝑗 > 𝛾) ⟶ 1 và 𝑃𝑟 𝑑𝑒𝑐 ⟶ 𝑁𝑃𝑟 𝑠 (1 − 𝑃𝑟 𝑠 ) 𝑁−1 từ (4.6) Do đó, khi
𝑃𝑟 𝑠 = 𝑁 1 , Pr dec đạt giá trị tối đa là 1
𝑒 Đây cũng thông lượng tối đa trong giai đoạn B Để K là số rơle giải mã thành công, hàm khối lượng xác suất
𝑝 𝐾 (𝑘) = (𝑁 − 1𝑘 ) 𝑃𝑟 𝑑𝑒𝑐 𝑘 (1 − 𝑃𝑟 𝑑𝑒𝑐 ) 𝑁−1−𝑘 Thông lượng giai đoạn hợp tác là
Hàm xác suất RCCP (𝛷|K rơle giải mã thông điệp) được định nghĩa như sau: R(∑ Ki=1 I[Gsi d > grel]Pt2 Gsi d), trong đó si, 1 ≤ i ≤ K là một node trong bộ rơle giải mã K và I[Gsi d > grel] là chỉ số chức năng Ở đây, trạng thái kênh đích - trễ của rơle si vượt quá ngưỡng grel L là số node đáp ứng điều kiện này trong K rơle giải mã thành công Hàm xác suất có điều kiện được biểu diễn bằng pL|K(l|k) = (k.
Phạm vi mở rộng của biểu thức thông lượng được đưa ra trong bổ đề sau
Bổ đề 3.3.2 : Nếu N⟶∞, 𝔼[𝑅(∑ 𝑙 𝑖=1 𝑃(𝐺 𝑠 𝑖 𝑑 )𝐺 𝑠 𝑖 𝑑 )|𝐿 = 𝑙] gần đúng
Dẫn chứng: Dẫn chứng được đưa ra trong phụ lục B.1 [2]
Bổ đề 3.3.3 : Nếu N⟶∞, xác suất chuyển tiếp tối ưu là 𝑃𝑟 𝑟𝑒𝑙 ∗ = 𝛽 𝑁 với hằng số 𝛽
Dẫn chứng: Dẫn chứng được đưa ra trong phụ lục B.2 [2]
Bổ đề 3.3.4 :Nếu N⟶∞, 𝑃𝑟 𝑠 = 𝑁 1 , là thông lượng tối đa trong giai đoạn B cho bất kỳ Pr rel
Dẫn chứng: Dẫn chứng được đưa ra trong phụ lục B.3 [2]
Kết hợp bổ đề 3.3.1 và 3.3.4, ta có kết luận giá trị tối ưu cho xác suất truyền
Chúng ta có thể xác định số rơle giải mã thành công K cho nguồn i
Bổ đề 3.3.5 : Nếu N⟶∞, và Pr s ⟶ 1
Dẫn chứng: K là 1 nhị thức với các tham số N và Pr dec
Với 𝛿 nhỏ tùy ý, giới hạn Chernoff [12] được sử dụng để đưa ra giới hạn của K:
Từ dẫn chứng cho bổ đề 3.3.1, ta dễ dàng thấy rằng, khi N⟶∞, và Pr s ⟶ 1
Pr dec ⟶ 1 𝑒 Do đó, lim N⟶∞ 𝑃𝑟 (𝐾 < (1 − 𝛿) 𝑁 𝑒 ) ≤ lim N⟶∞ 𝑒 −
Tương tự ta có giới hạn dưới của K là lim N⟶∞ 𝑃𝑟 (𝐾 > (1 + 𝛿) 𝑁
Chọn 𝛿 = 𝑁 −𝜖 với 𝜖 nhỏ tùy ý và giới hạn xác suất là: lim N⟶∞ 𝑃𝑟 (𝐾 ≠ 𝑁 𝑒 ≤ 2𝑒 − 2𝑒 𝑁 𝑁 −2𝜖 ) ⟶ 0
𝑃𝑟 𝑑𝑒𝑐 𝑃𝑟 𝑟𝑒𝑙 𝑙𝑔 𝑟𝑒𝑙 ) cho k bất kỳ tăng tối đa là R(NlogN) Khi 𝑃𝑟 (𝐾 ≠ 𝑁
𝑒) giảm theo cấp số nhân của N: lim N⟶∞ 𝔼 𝛷 [𝑅 𝐶 𝐶𝑃 (𝛷)] = ∑ ( 𝑁 𝑒
Chúng ta sẽ tính toán hành vi mở rộng cho thông lượng 𝜇(𝑃𝑟 𝑠 ∗ , 𝑃𝑟 𝑟𝑒𝑙 ∗ , 𝑁) Trong trường hợp đặc biệt của bổ đề 3.3.2 với l = 1, nó có thể được biểu diễn dưới dạng: lim N⟶∞ ∫ 𝑅 ( 𝑃𝑟 𝑃 1.
Do đó trong giới hạn của N, thông lượng tổng cộng được viết là:
Thay (3.10) và xác suất truyền tối ưu và chuyển tiếp vào (3.12) ta có: lim N⟶∞ 𝔼[𝜇(𝑃𝑟 𝑠 ∗ , 𝑃𝑟 𝑟𝑒𝑙 ∗ , 𝑁)] 1 2 lim N⟶∞ [ 1
Trong đó ta đã có 𝑔 𝑟𝑒𝑙 = 𝐹̅ 𝐺 −1 (𝑃𝑟 𝑟𝑒𝑙 ) = log 𝑁
Theo lập luận trong bổ đề 3.3.3, phạm vi mở rộng của giới hạn tỷ lệ R không phụ thuộc vào 𝛽, dẫn đến 𝛽 = 𝑙 và giới hạn tỷ lệ ra của tổng Kết luận từ đây là Định lý 3.3.1: 𝔼[𝜇(𝑃𝑟 𝑠 ∗ , 𝑃𝑟 𝑟𝑒𝑙 ∗ , 𝑁)] tỷ lệ với 1.
Đối với các ứng dụng yêu cầu tốc độ dữ liệu ổn định, các node có thể tận dụng thông tin trạng thái kênh để điều chỉnh năng lượng, nhằm duy trì tốc độ không đổi Mặc dù hành vi mở rộng của thông lượng đã được thảo luận trong việc truyền trực tiếp, câu hỏi đặt ra là liệu việc hợp tác có thể tăng cường thông lượng so với truyền trực tiếp hay không Chúng ta sẽ đánh giá thông lượng mạng dưới phương pháp CAAC-FR và thể hiện vai trò của hợp tác trong bối cảnh suy giảm hiệu suất thông lượng.
Trong giai đoạn A của truyền trực tiếp, một node gửi thông tin đến đích và điều chỉnh năng lượng để duy trì tỷ lệ bit không đổi R(P r ) dựa trên năng lượng yêu cầu tại đích P r Điều này cho phép thiết lập hạn chế công suất dài hạn một cách hiệu quả.
ℎ Chuyển đổi điều này theo yêu cầu
Thông qua việc tính toán tích phân ∫ ℎ𝑠 ∞ 1 ℎ 𝑓 𝐻 (ℎ)𝑑ℎ và với giới hạn trên của thông lượng giai đoạn A, chúng ta có thể đánh giá thông lượng mạng trong bối cảnh này, đồng thời xác định khả năng hợp tác khi hiệu suất bị suy giảm.
Thông lượng tổng cộng cho 2 giai đoạn là:
Trong đó: 𝔼 𝛷 [𝑅 𝐶 𝐶𝑃 (𝛷)] đại diện cho truyền thông hợp tác trong trường hợp tốc độ cố định Trong giai đoạn A năng lượng truyền bị giới hạn trên, 𝑃 𝑡1 = 𝐻 𝑃 𝑟
𝐻 𝑖𝑑 ∫ ℎ𝑠 ∞ ℎ 1 𝑓 𝐻 (ℎ)𝑑ℎ Do đó, xác suất giải mã lỗi tại node j khi chỉ có node i truyền với năng lượng tối đa
𝐻 𝑖𝑑 ∫ ℎ𝑠 ∞ ℎ 1 𝑓 𝐻 (ℎ)𝑑ℎ𝐻 𝑖𝑗 > 𝛾) (3.14) Xét trong điều kiện đặc biệt có Fading Rayleigh, ta có biểu thức cho xác suất giải mã Trong trường hợp này ta có:
𝛾 ∫ ℎ𝑠 ∞ 𝑓𝐻(ℎ) ℎ 𝑑ℎ Thông lượng hạn chế trực tiếp trong trường hợp này là 𝑁𝑃𝑟 𝑠 (1 −
Khi số lượng nút 𝑁 tiến gần đến vô cực, xác suất truyền tối đa 𝑃𝑟 𝑠 ∗ đạt giá trị 𝑁 1, gần bằng 1 𝑒 𝑅(𝑃 𝑟 ) Giá trị này không chỉ tối ưu hóa xác suất truyền mà còn giúp giảm thiểu xác suất va chạm tại các node chuyển tiếp Điều này cho phép chúng ta xem xét và mở rộng hành vi của thông lượng khi 𝑁 tiến tới vô cực.
Hệ quả 3.3 Nếu 𝑁 ⟶ ∞, ta có 𝑃𝑟 𝑑𝑒𝑐 ⟶ 1
Dẫn chứng: Tìm lim 𝑁⟶∞ 𝐴 Với h >h s , ta có thể viết 𝑓 𝐻 (ℎ)
ℎ 𝑠 Trong phụ lục I của [5] nó được chứng minh rằng khi 𝑁 ⟶∞ và hs tăng,
𝑠 Do đó, ta có lim 𝑁⟶∞ 𝐴 = 𝑃̅ 1
35 suất truyền tối ưu, khi ℎ 𝑠 = 𝐹̅ 𝐻 −1 (𝑃𝑟 𝑠 ) = ℎ 0 log ( 𝑃𝑟 1
𝑠) , cho trường hợp có Fading Rayleigh, ta rút ra được 𝑁 ⟶ ∞, 𝐴 ⟶ ∞ Do đó, xác suất giải mã trong giới hạn
Do đó, xác suất giải mã Prdec tỷ lệ với 1
𝑁 Tương tự CAAC-CP, số lượng node chuyển tiếp giải mã thành công K, theo phân bổ Binomial với
Do đó, để thiết lập sự phân bố tỷ lệ cố định, pmf của K tăng nhanh chóng
Thực tế, giá trị mong chờ của K là 1
Trung bình, chỉ có ít hơn 1 node chuyển tiếp giải mã thành công, cho thấy rằng số lượng node trên mạng không tỷ lệ thuận với số node chuyển tiếp giải mã thành công Chỉ một số thuật ngữ đầu tiên của Pr(K = c) ảnh hưởng đến thông lượng trong giai đoạn hợp tác.
Chúng ta sẽ đánh giá thông lượng giai đoạn hợp tác 𝔼 𝛷 [𝑅 𝐶 𝐹𝑅 (𝛷)] khi c node chuyển tiếp đã giải mã thành công thông điệp trong giai đoạn A Số lượng node chuyển tiếp thông điệp được mô hình hóa như một biến ngẫu nhiên nhị thức Q, với phân bố cụ thể.
𝑞) 𝑃𝑟 𝑟𝑒𝑙 𝑞 (1 − 𝑃𝑟 𝑟𝑒𝑙 ) 𝑐−𝑞 Để q node chuyển tiếp gửi thông điệp tới đích thì năng lượng của tín hiệu nhận được là
Kết quả tính toán và mô phỏng
Bài viết này trình bày sự so sánh giữa các thiết lập công suất khác nhau trong kế hoạch hợp tác không tập trung, đồng thời so sánh kết quả với CAA không hợp tác.
Xem xét một mạng 100 node với công suất hạn chế 𝑃̅ 1 = 1 trong giai đoạn phát và 𝑃̅ 2 = 0.1 trong giai đoạn hợp tác Ngưỡng giải mã được thiết lập là 𝛾 = 1, trong khi các node chịu ảnh hưởng của Fading Rayleigh trong mỗi khe thời gian.
Hình 3.2 minh họa thông lượng thực hiện của xác suất nguồn phát khác nhau Pr s với các thiết lập công suất khác nhau của CAAC, trong khi xác suất chuyển tiếp được cố định ở giá trị tối ưu Như đã nêu ở mục 3.3, phạm vi mở rộng của CP và OVR là tương đương, và kết quả tích phân tương tự được sử dụng trong hình 3.2a Hình 3.2b trình bày kết quả mô phỏng, cho thấy các kết quả này gần gũi với biểu thức giải tích, với sự khác biệt nhỏ giữa kết quả mô phỏng và phân tích do phép gần đúng trong việc chứng minh bổ đề 3.3.2 và 3.3.3.
Khi số lượng node 𝑁 tiến tới vô cùng, các kết quả cung cấp giới hạn dưới cho thông lượng mạng với số lượng node hạn chế Thông lượng thực tế của OVR cao hơn so với CP do sự giới hạn về số lượng node trong mô phỏng Trong trường hợp này, ngưỡng phát tương ứng với bậc của 𝑙𝑜𝑔𝑁 nhỏ Các kết quả cho thấy rằng các node với trạng thái kênh yếu hơn vẫn có khả năng truyền Việc phân bố công suất tối ưu một phần có thể mang lại lợi ích cho các node có điều kiện kênh kém, từ đó cải thiện thông lượng tổng thể so với CP.
Hình 3.2 Thông lượng mạng với xác suất nguồn phát cho 100 node a, tính toán, b, mô phỏng [2]
Hình 3.3 giải thích mối quan hệ giữa thông lượng và xác suất chuyển tiếp, với xác suất nguồn phát cố định ở giá trị tối ưu Xác suất chuyển tiếp tối ưu được thể hiện qua bổ đề 3.3.3, tuy nhiên, khi giá trị tối ưu gia tăng, thông lượng không giảm đột ngột do sự hợp tác giữa các node Sự gia tăng xác suất chuyển tiếp cho phép nhiều node tham gia vào vai trò chuyển tiếp Mặc dù có tác động từ hệ thống đa người dùng do sự chọn lựa giảm ngưỡng tối ưu, nhưng hình 3.3b cho thấy sự gia tăng thông lượng trong kế hoạch OVR so với CP qua kết quả mô phỏng.
Hình 3.3 Thông lượng mạng với xác suất chuyển tiếp cho 100 node a, tính toán b, mô phỏng [2]
Nghiên cứu tác động của việc thay đổi độ dài tương đối của thông lượng mạng trong giai đoạn A và B cho thấy sự hợp tác hiệu quả hơn ở các mạng có nhiều node Đối với mạng ít node, cần phân bổ nhiều thời gian hơn cho giai đoạn A để đảm bảo đủ node chuyển tiếp có thể giải mã thông điệp thành công Ngược lại, mạng nhiều node chỉ cần phân bổ một phần nhỏ thời gian cho giai đoạn A, dẫn đến nhiều node chuyển tiếp giải mã thành công và tận dụng được lợi ích hợp tác cao hơn trong giai đoạn B.
Hình 3.4 Ảnh hưởng của việc thay đổi thời gian cho giai đoạn A tới thời gian truyền tổng cộng trên thông lượng mạng [2]
Kế hoạch CAAC-CP và CAAC-OVR cho thấy sự vượt trội so với CAA nhờ vào việc tái sử dụng lợi ích không gian từ hợp tác, như thể hiện trong hình 3.5a với thông lượng theo số lượng node Tuy nhiên, kết quả của CAAC-FR cho thấy sự suy giảm hiệu suất do thiếu hợp tác, điều này đã được giải thích trong mục 3.3.2 liên quan đến xác suất giải mã trong trường hợp giảm 1.
𝑁𝑒 Do đó, thông lượng giai đoạn hợp tác là ít hơn thông lượng của CAA, vì thế thông lượng lượng tổng cộng thấp hơn CAA
Hình 3.5 a, Thông lượng với số lượng node b, Xác suất chuyển tiếp và nguồn phát với số lượng node [2]
Hình 3.5a cho thấy rằng việc tăng số lượng các node ở mức độ cao trong hợp tác sẽ dẫn đến việc gia tăng thông lượng mạng Sự gia tăng này được minh họa qua công thức (3.13) và dự đoán rằng thông lượng tỷ lệ thuận với số lượng node.
𝑒) 𝑅(𝑁 log 𝑁) với n lớn Hơn nữa, trong [10] cũng đã cho thấy rằng thông lượng của CAA tỷ lệ với 1 2 𝑅(𝑁 log 𝑁) Hình 3.5a xác nhận độ lợi hiệu suất tiệm cận 1+𝑒
Hai phương pháp CAAC và CAA có sự khác biệt rõ rệt Hình 3.5b minh họa phạm vi mở rộng của xác suất truyền tối ưu và xác suất chuyển tiếp tối ưu, cho thấy nguồn phát tối ưu và xác suất liên quan.
45 chuyển tiếp giảm với tỷ lệ 1
Số lượng node tăng lên, như đã trình bày trong mục 3.3, giúp đạt được độ lợi thông lượng đáng kể thông qua hợp tác trong trường hợp hạn chế công suất ngắn hạn, như thể hiện trong hình 3.6 Theo bổ đề 3.3.7, việc áp dụng hợp tác trong trường hợp này tỷ lệ với R(N), trái ngược với việc chỉ dựa vào hiệu ứng hệ thống đa dạng người dùng, mà cho tỷ lệ R(log(N)) Độ lợi thông lượng đáng kể này là kết quả của việc sử dụng hợp tác khác.
Tổng kết chương
Chương này phân tích việc phân cấp chuyển tiếp hợp tác và kế hoạch đa người dùng trong mạng không dây, áp dụng CAA với kế hoạch hợp tác Nghiên cứu đề xuất một khung thực hiện phân tích đánh giá, xem xét tác động của fading Rayleigh và mô hình tiếp nhận dựa trên va chạm Đồng thời, nghiên cứu cũng tập trung vào việc hạn chế công suất ngắn hạn và dài hạn của CP.
Kết quả mô phỏng và tính toán cho thấy CAAC cải thiện thông lượng so với CAA không có sự hợp tác hoặc chuyển tiếp hợp tác mà không xem xét kế hoạch đa người dùng Hơn nữa, CAAC với phân bố công suất không đổi được chứng minh là tiệm cận tối ưu, cho thấy rằng việc đạt được thông lượng tăng lên đáng kể không đòi hỏi sự phức tạp cao.
Hình 3.6 So sánh thông lượng mạng cho hệ thống đa người dùng ngắn hạn với hệ thống đa người dùng ngắn hạn có hợp tác [2]