Lời cam đoan

i

Lời cam đoan
Em xin cam đoan nội dung của đồ án này không phải là bản sao chép của bất cứ đồ
án hoặc công trình đã có từ trước. Nếu vi phạm em xin chịu mọi hình thức kỷ luật của
Khoa.
Sinh viên thực hiện
Phân chia công việc trong nhóm

ii

Phân chia công việc trong nhóm

Nhóm đồ án: 1/ ……………………….
2/ ……………………….

Sinh Viên
Chương Chương 1
-Tổng quan về truyền thông
hợp tác (khác với sinh viên

Lời cam đoan i
Phân chia công việc trong nhóm ii
Mục lục iii
Các từ viết tắt vi
Lời nói đầu viii
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 1
1.1 Giới thiệu chương 1
1.2 Tổng quan về truyền thông hợp tác (Cooperative Communication) 1
1.2.1 Nhu cầu phát triển của truyền thông vô tuyến 1
1.2.2 Kỹ thuật MIMO – Multi Input Multi Output 2
1.2.3 Truyền thông hợp tác – Cooperative Communication 3
1.3 Mô hình kênh chuyển tiếp và các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp 5
1.3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp và ứng dụng trong truyền thông hợp tác 5
1.3.2 Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp 8
1.3.2.1 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward: DF) 8
1.3.2.2 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward: AF) 10
1.3.2.3 Các kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi 12
1.3.2.4 Hợp tác mã hóa (Coded Cooperative: CC) 14
1.4 Ưu nhược điểm của truyền thông hợp tác 16
1.4.1 Ưu điểm 16
1.4.2 Nhược điểm 17
1.5 Kết luận chương 18
Chương 2 TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT PHÂN TẬP KẾT HỢP 19
2.1 Giới thiệu chương 19
2.2 Kỹ thuật phân tập kết hợp 19
2.3 Phân loại các kỹ thuật phân tập kết hợp 20
Mục lục

iv


v

3.5.1 Hiệu năng của hệ thống Selection relaying network-SR (mạng lựa chon chuyển
tiếp) 37
3.5.2 Mô hình hệ thống 37
3.5.3 Đánh giá hiệu năng 40
3.5.3.1 Kỹ thuật DSSC cho hệ thống SR 42
3.5.3.2 Kỹ thuật truyền gia tăng cho hệ thông SR 47
3.6 Kết luận chương 49
Chương 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG 50
4.1 Giới thiệu chương 50
4.2 Kỹ thuật DSSC ứng dụng cho hệ thống lựa chọn chuyển tiếp 50
4.3 Kết luận chương 57
Kết luận và hướng phát triển đề tài 58
Tài liệu tham khảo 59
Phụ lục A: Ý nghĩa ký hiệu 61
Phụ lục B: Một số code mô phỏng chủ yếu được sử dụng trong đồ án. 63
Các từ viết tắt

vi

Các từ viết tắt

AF Amplify-and-Forword: Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp
BEP Bit Error Probability: Xác suất lỗi bit
BER Bit Error Rate: Tỉ số lỗi bit
CC Coded Cooperative: Kỹ thuật hợp tác mã hóa
cdf Comulative Distribution Function: Hàm phân phối tích lũy
CSI Channel State Informaition: Thông tin trạng thái kênh truyền
DF Decode-and-Forword: Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp

Lời nói đầu

Truyền thông liên lạc là một nhu cầu thiết yếu của bất kì một xã hội phát triển nào.
Trong đó truyền thông vô tuyến đóng một vai trò rất quan trọng. Trong suốt 20 năm
gần đây, truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc và được dự đoán
sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa. Với sự triển khai các dịch vụ như truyền thông di
động, ứng dụng truyền hình di động…, chúng ta đang chứng kiến nhu cầu ngày càng
tăng về tộc độ dữ liệu trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3 (3G) và điều này tạo
nên xu hướng tiến lên các thế hệ tiếp theo. Công nghệ “truyền thông hợp tác” trong
những năm gần đây đã được những nhà nghiên cứu quan tâm và đã có những phương
án triển khai cho công nghệ mới mẻ này trong tương lai gần. Cùng với các công nghệ
mới như “vô tuyến thông minh”, truyền thông hợp tác sẽ là những cơ sở tốt để các nhà
sản xuất lựa chọn phương thức truyền thông cho công nghệ 5G trong tương lai.
Đồ án này sẽ đưa ra cái nhìn sơ lược về hệ thống truyền thông hợp tác, kỹ thuật
phân tập kết hợp và phần trọng tâm sẽ là đi sâu vào tìm hiểu kỹ thuật kết hợp “chuyển
tiếp và giữ” ứng dụng rong hệ thống truyền thông hợp tác.
Nội dung đồ án gồm có 4 chương:
 Chương 1: Tổng quan về hệ thống truyền thông hợp tác
 Chương 2: Tổng quan kỹ thuật phân tập kết hợp
 Chương 3: Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và giữ trong truyền thông hợp tác
 Chương 4: Mô phỏng và đánh giá hệ thống
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC

1.1 Giới thiệu chương
Chương đầu tiên của đồ án này sẽ đưa ra cái nhìn tổng quát về các khái niệm
“truyền thông hợp tác”, “nút chuyển tiếp relay”, “kênh chuyển tiếp”, cũng như các giao

gian có thể đạt được cả độ lợi phân tập và ghép kênh. Ứng dụng tiêu biểu chính là kỹ
thuật MIMO.
1.2.2 Kỹ thuật MIMO – Multi Input Multi Output
MIMO được xây dựng dựa trên chuẩn 802.11g và 802.11n của Viện kỹ thuật Điện
và Điện tử (Institute of Electrical and Electronic Engineers - IEEE), thường được sử
dụng kết hợp với kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal
Frequency Division multiplexing - OFDM). Các nhà cung cấp dịch vụ truyền thông
hiện đã và đang tiêu chuẩn hóa MIMO để đưa vào sử dụng trong các chuẩn của mạng
3G như HSDPA (High Speed Downlink Packet Access).
Với hệ thống MIMO, nhiều anten được sử dụng tại hai đầu thu phát của đường
truyền vô tuyến, có thể nâng cao đáng kể tốc độ dữ liệu và độ tin cậy của mạng vô
tuyến. Việc sử dụng nhiều anten thu ở phía phát và thu cho phép tín hiệu truyền có thể
đi theo các đường truyền độc lập nhau. Do đó, nhiều bản sao của cùng một tín hiệu sẽ
cùng đến phía thu. Các phiên bản này sẽ được kết hợp để xác định tín hiệu nguyên thủy
đã truyền đi và góp phần chống lại ảnh hưởng của fading. Khác với phân tập thời gian
hay tần số, hiệu suất sử dụng băng thông không bị ảnh hưởng, năng lượng được chia sẻ
trên các anten truyền. Dung lượng hệ thống được cải thiện bằng độ lợi ghép kênh
không gian.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 3 Hình 1.1: Hệ thống MIMO
Mặt dù MIMO có những lợi ích to lớn như trên, những sẽ là rất khó khăn khi triển
khai kỹ thuật này trên các thiết bị di động cầm tay. Do kích thước giới hạn của những
thiết bị này (chúng ta biết răng để đạt được phân tập không gian giữa các anten phải có
một khoản cách tối thiểu nhất định để đảm bảo tính độc lập giữa các kênh truyền.
khoảng cách này càng lớn nếu sử dụng tần số nhỏ và trong môi trường chịu ảnh hưởng
nghiêm trọng của tán sắc). Ngoài ra còn các vấn đề về chi phí và sự phức tạp về phần

Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 5

1.3 Mô hình kênh chuyển tiếp và các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp
1.3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp và ứng dụng trong truyền thông hợp tác

Hình 1.3: Mô hình kênh chuyển tiếp ba đầu cuối.
Được giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1971 bởi Van der Meulen, kênh chuyển tiếp
(relay channel) và các đầu cuối của nó là những cơ sở của việc nghiên cứu về truyền
thông hợp tác. Kênh chuyển tiếp cổ điển là một kênh truyền thông với ba đầu cuối. Đặc
điểm dễ nhận ra của kênh chuyển tiếp là sự xuất hiện của thành phần đầu cuối gọi là
nút chuyển tiếp (node relay). Với vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền đi các tín hiệu mang
thông tin để cải thiện hiệu năng của hệ thống. Đối với mô hình kênh chuyển tiếp cổ
điển, nút chuyển tiếp chỉ đơn thuần có nhiệm vụ duy nhất là trợ giúp cho đường truyền
trực tiếp giữa nút nguồn và nút đích. Tuy nhiên, khái niệm nút chuyển tiếp trong truyền
thông hợp tác đã được mở rộng hơn:
► Đó có thể là những đầu cuối cố định, không có thông tin của riêng nó để truyền
đi (hay còn gọi là chuyển tiếp hợp tác).
► Hoặc có thể 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).
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 6

Trong hai loại hình nút chuyển tiếp trên, chuyển tiếp hợp tác có ý nghĩa thực tiễn

tiên. Ở khe thời gian truyền thứ hai, R sẽ chuyển tín hiệu nhân được đến cả S1 và S2.
Chuyển tiếp song hướng giúp giải quyết vần đề suy giảm hiệu suất sử dụng phổ khi sử
dụng nút chuyển tiếp.
Ta xét ví dụ đơn giản về trường hợp sử dụng nút chuyển tiếp là một đầu cuối cố
định: nêu hai đầu cuối (là nút nguồn và nút đích) muốn liên lạc với nhau nhưng đường
truyền giữa chúng có chất lượng thấp thì đầu cuối thứ ba sẽ được xem như là một nút
chuyển tiếp để hỗ trợ cho đường truyền trực tiếp (direct communication) giữa hai đầu
cuối kia. Nút nguồn sẽ truyền quảng bá (broadcasd) bản tin tới cho tất cả các nút đích
và nút chuyển tiếp. Còn nút chuyển tiếp sẽ xử lý theo một phương thức nhất định và
chuyển tiếp thông tin nhận được (đã qua xử lý) từ nút nguồn tới nút đích qua đường
truyền chuyển tiếp (Relaying Transmission).
Thực tế là các nút chuyển tiếp không thể thu và phát cùng lúc do sự không thể tránh
khỏi của hiệu ứng coupling giữa mạch phát và mạch thu. Điều này dẫn đến giới hạn
half-duplex, và đây chính là nguyên nhân chính mà sự truyền dẫn từ nút nguồn qua nút
chuyển tiếp đến nút đích trong truyền thông hợp tác được chia thành hai pha thời gian
truyền. Nghĩa là chúng chỉ có thể hoạt động ở chế độ bán song công, chủ yếu thực hiện
qua hai giai đoạn truyền:
► Ở giai đoạn thứ nhất, mỗi nút gửi thông tin về nút đích và đồng thời thông tin
này cũng được những người dùng khác tiếp nhận. Đây là nhờ tính chất quảng bá của
kênh vô tuyến.
► Ở giai đoạn thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận
được từ các nút khác tới nút đích.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 8

Mỗi nút có thể giải mã thông tin nhận được và chuyển tiếp đi, đây là kỹ thuật giải
mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward, viết tắt là DF). Hoặc đơn giản là khuếch đại
và truyền đi, đây là kỹ thuật khuếch đại-và-chuyển tiếp (Amplify and Forward, viết tắt
là AF). Và như vậy, truyền thông hợp tác chịu một sự suy giảm trong hiệu suất sử dụng

 Tín hiệu thu 

ở nút chuyển tiếp: 

=



ℎ
,
 + 
,
.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 9

► Ở pha thời gian truyền thứ hai, nút chuyển tiếp thưc hiện giải mã bản tin nhận
được từ nút nguồn. Sau đó tái giải mã và chuyển tiếp về phía nút đích. Tín hiệu thu 


ở nút đích:

,
=

ℎ
,
+ 
,

qua nhiều chặng, ảnh hưởng hiệu năng của kỹ thuật chuyển tiếp và độ lợi phân tập.
Để giải quyết vấn đề kể trên, người ta đã xem xét giải pháp là nút chuyển tiếp chỉ
nên trợ giúp hợp tác với nút nguồn nếu nó có khả năng giải mã hoàn hảo tín hiệu mà nó
nhận được từ nút nguồn. Số lượng lỗi có thể được kiểm tra tại nút chuyển tiếp, sử dụng
mã kiểm tra CRC. Giải pháp này được gọi là giao thức DF thích nghi. Nói cách khác,
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 10

tín hiệu được truyền đến nút đích chỉ bằng những nút chuyển tiếp mà đáp ứng được yêu
cầu rằng tỉ số SNR của tín hiệu nó nhận từ nút nguồn phải đạt trên 1 ngưỡng nhất định.
Bởi vì có nhiều nút chuyển tiếp trong mạng, chỉ nên lựa chọn những nút chuyển tiếp
cho hiệu quả truyền tốt nhất.

Hình 1.4: Kỹ thuật DF
1.3.2.2 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward: AF)
Ở mô hình này nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại những gì nó nhận được từ
nút nguồn. Quá trình khuếch đại tương ứng với 1 biến đổi tuyến tính xảy ra tại nút
chuyển tiếp. AF còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo và cơ bản là nó
thực hiện những phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu. Cụ thể về cách thức hoạt
động của kỹ thuật AF như sau:
► Ở pha thời gian truyền thứ nhất, nút đích dựa vào bản chất quảng bá của kênh
truyền vô tuyến để truyền bản tin đến nút nguồn và các nút chuyển tiếp.
 Tín hiệu thu 

ở nút đích: 

=



=

ℎ
,
+ 
,

► Ở nút đích máy thu sẽ tổng hợp các phiên bản của cùng một tín hiệu và cố gắng
xác định lại tín hiệu gốc đã được phát ra bởi nút nguồn.
► Với:
  là bản tin phát,
 

, 

là công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp,
 ℎ
,
, ℎ
,
, ℎ
,
tương ứng là hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích,
nút nguồn và nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp và nút đích.
 
,
, 
,
, 
,


Page 13

Tuy vậy, chế độ lựa chọn phù hợp với mô hình DF hơn. Bởi vì chế độ lựa chọn chỉ
chú ý đến chất lượng kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp. Nhưng đối với mô
hình AF, kênh truyền giữa nút nguồn – nút chuyển tiếp và nút chuyển tiếp – nút đích
đều quan trọng bởi vì nút chuyển tiếp chỉ thực hiện quá trình khuếch đại chứ không
phải giải mã.
► Chế độ chuyển tiếp gia tăng: thông tin phản hồi từ nút đích sẽ cho biết chất
lượng của đường truyền từ nút nguồn đến nút đích. Nếu chất lượng đường truyền
không tốt, nút chuyển tiếp sẽ tham gia vào quá trình truyền để hình thành quá trình
truyền hợp tác. Chìa khóa của quá trình này chính là chất lượng của kênh truyền giữa
nút nguồn và nút đích. Trong khi đó, chế độ lựa chọn chỉ chú ý đến chất lượng kênh
truyền giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp. Nhưng trong mô hình DF, lỗi sẽ bị tích lũy
và sẽ gây ảnh hưởng xấu đến hệ thống nếu kênh truyền giữa nút nguồn và nút chuyển
tiếp không được đảm bảo. Ở những mô hình cố định và ở chế độ lựa chọn, nút chuyển
tiếp lặp lại việc chuyển tiếp bản tin nhận từ nút nguồn, việc này có thể dẫn đến suy
giảm việc sử dụng DOF (Degree Of Freedom), trong khi ở chế độ truyền gia tăng,
truyền thông hợp tác chỉ được sử dụng khi cần thiết, tuy nhiên đòi hỏi phải có kênh
truyền riêng biệt cho quá trình hồi tiếp thông tin từ nút đích. Tương ứng với chế độ
này, ta có:
 AF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IAF),
 DF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IDF).
Tuy vậy, chế độ lựa chọn phù hợp với mô hình AF hơn.
Xét về khía cạnh độ tin cậy và hiệu năng, IAF cho kết quả tốt nhất. Về khía cạnh
phức tạp của thuật toán, AF là đơn giản nhất và có thể đạt được đầy đủ độ lợi phân tập,
SDF cũng có thể làm được như vậy nhưng nó phức tạp hơn so với AF.
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 14

chuyển tiếp khác:
► Nén và chuyển tiếp (Compress-and-Forward: CF): nút chuyển tiếp sẽ thực hiệu
nén tín hiệu nhận được từ nút nguồn và chuyển tiếp về phía nút đích. Mã Wyner-Ziv
thường được dùng để tối ưu hóa việc quá trình nén (Wyner-Ziv là một dạng mã hóa
nguồn phân tán – distributed source coding).
► Hợp tác mã hóa không gian – thời gian (space-time coded Cooperative: STTC):
điểm khác biệt cơ bản giữa STTC và CC là STTC cho phép các thiết bị đầu cuối đồng
thời truyền dữ liệu trên những kênh đa truy cập của riêng nó và của “đối tác”.Trong khi
đối với kỹ thuật CC, thiết bị đầu cuối chỉ có thể truyền dữ liệu trên kênh truyền của
riêng nó.
► Hợp tác mã hóa mạng (Network-Coded Cooperative: NCC): kết hợp mã hóa
mạng (Network Coding) vào kỹ thuật CC. Mã hóa mạng là công nghê multicast, ý
tưởng cốt lõi của mã hóa mạng là một nút trung gian sẽ không còn thực hiện chức năng
lưu trữ và chuyển tiếp (store-and-forward), mà thực hiện mã hóa và chuyển tiếp thông
tin mà nó nhận được, điều này sẽ làm tăng dung lượng và độ tin cậy cho toàn mạng.
Trước đây, khái niệm này thường được dùng trong mạng hữu tuyến. Nhưng tính chất
quảng bá của kênh truyền vô tuyến rất thích hợp cho việc ứng dụng mã hóa mạng trong
Chương 1: Tổng quan về truyền thông hợp tác

Page 16

mạng vô tuyến, và sự tương tác về thông tin giữa các nút vô tuyến có thể đạt được
thông tin qua mã hóa mạng. Vì vậy, việc kết hợp truyền thông hợp tác với mã hóa
mạng sẽ được cải thiện hiệu quả và hiệu năng của hệ thống truyền thông vô tuyến.
1.4 Ưu nhược điểm của truyền thông hợp tác
1.4.1 Ưu điểm
► Đạt được độ lợi phân tập kết hợp: truyền thông hợp tác khai thác 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:
 Giảm thiểu công suất truyền cần thiết.

► Truyền thông hợp tác thường bao gôm bước tiếp nhận và xử lý gói tin tại nút
chuyển tiếp trước khi nó được truyền đi tiếp. Khi xét tới những dịch vụ nhạy với trễ
như thoại, những dịch vụ truyền thông đa phương tiện phổ biến hiện nay thì trễ tại các
bước xử lý ở nút chuyển tiếp rõ ràng không có lợi.
► Việc lập lịch phức tạp: trong hệ thống truyền thông hợp tác, không chỉ có lưu
lượng từ nút nguồn mà cả lưu lượng từ nút chuyển tiếp cũng cần phải được lập lịch. Vì
thế, việc lập lịch sẽ trở nên phức tạp hơn và sẽ càng phức tạp hơn nếu như có nhiều
người dùng và nhiều nút chuyển tiếp tham gia trong mạng.

Trích đoạn Kỹ thuật truyền gia tăng cho hệ thông SR

---