Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học Sinh Viên
Đề Tài:Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến - Cooperation
Communication in Wireless Network
Nội dung:
Phần I.Lịch sử ra đời và phát triển của truyền thông hợp tác
Phần II.Các khái niệm cơ bản về truyền thông hợp tác
Phần III.Các giao thức hợp tác cố định trong truyền thông hợp tác
Phần IV.Các giao thức hợp tác lựa chọn trong truyền thông hợp tác
Phần V. Những ứng dụng của truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến
PhầnVI. Ưu,Nhược điểm của truyền thông hợp tác
Phần VII. Các hướng nghiên cứu về truyền thông hợp tác trong tương lai
Phần VIII.Tìm hiểu về mạng Ad-hoc và Mạng cảm biến
Phần IX.Những ứng dụng thực tế của truyền thông hợp tác trong giao thông thông
minh
Phần X.Tài liệu tham khảo
Nội dung chi tiết
Phần I.Tổng Quan Về Truyền Thông Hợp Tác
I.1 giới thiệu
Ngày nay do bùng nổ của khoa học kĩ thuật mà rất nhiều lĩnh khoa học kĩ
thuật,kinh tế,y học,…có nhiều bước nhảy vọt,và lĩnh vực viễn thông cũng không
nằm ngoài sự phát triển đó.Nhu cầu về trao đổi thông tin của con người ngày càng
tăng lên và đa dạng hóa theo nhiều cách khác nhau.Để đáp ứng nhu cầu đó thì có
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
rất nhiều giải pháp và công nghệ được đưa ra và phát triển nhằm tăng dung lượng
hệ thống ,nâng cao chất lượng của tín hiệu giảm hạn chế tác động bởi nhiễu mà
không gây tốn tài nguyên tần số,thời gian đây là vấn đề nhức nhối. Một trong
những công nghệ được xây dựng đó là truyền thông hợp tác trong thông tin vô
tuyến.Ý tưởng về Truyền Thông Hợp Tác được đưa ra vào năm 1971, qua nhiều
+Giao thức DF ( decode and forward)-Giao thức giải mã và chuyển tiếp:node
chuyển tiếp giải mã tín hiệu thu được sau đó lại mã hóa và phát đi tới node đích
+Giao thức EF (estimate and forward )-Giao thức ước lượng và chuyển tiếp;sau khi
nhận được tín hiệu từ nguồn,node chuyển tiếp ước lượng tin tức sau đó phát
chuyển tiếp tới node đích.
Do chuyển tiếp cố định có ưu điểm là dễ dàng được thực hiện,nhưng có nhược
điểm là hiệu quả sử dụng băng thông thấp.Đó là do một nửa nguồn tài nguyên kênh
(băng thông) được phân bổ cho kênh chuyển tiếp,làm giảm tốc độ tổng cộng.Điều
này là rõ rệt khi kênh truyền dẫn từ nguồn tới đích không tồi,khi đó đầu thu có thể
thu được chính xác các gói với tỉ lệ cao,nên cách kênh truyền dẫn trở nên lãng
phí.Các sơ đồ chuyển lựa chọn và chuyển tiếp gia tăng,sẽ khắc phục được nhược
điểm của hệ thống chuyển tiếp cố định
+Chuyển tiếp lựa chọn:nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) thu được ở node
chuyển tiếp lớn hơn một ngưỡng xác định,node chuyển tiếp sẽ thực hiện giải mã và
phát chuyển tiếp tín hiệu thu được.Còn nếu tỉ số đó nhỏ hơn một ngưỡng nào đó thì
node chuyển tiếp sẽ rỗi và sẽ không có tác vụ gì trong hệ thống
+Chuyển tiếp gia tăng;khi node nguồn xác định biết node đích không giải mã tín
hiệu chính xác thì node nguồn sẽ phát lặp lại thông tin hoặc là node chuyển tiếp sẽ
phát chuyển tiếp thông tin.Trường hợp này yêu cầu một kênh phản hồi từ node
đích tới node nguồn và node đích
Phần I.2 Các thuật ngữ ngữ liên quan tới truyền thông hợp tác
- Ý nghĩa Tên đề tài:Để hiểu rõ ý nghĩa của đề tài chúng ta đi tìm hiểu một só khái
niệm bên lề liên quan tới đề tài
+Truyền thông là sự kiện truyền đưa thông tin,tin tức từ điểm phát tin tới những
điểm nhận tin.Truyền thông có thể là truyền theo cách thức điểm-điểm(poit- to
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
-poit) như truyền dữ liệu,thoại… hoặc theo truyền theo hình thức điểm-đa điểm ví
dụ như truyền hình quảng bá (vô tuyến truyền hình,truyền hình vệ tinh….)
+Hợp tác là sự kiện một vài thiết bị,cá nhân,tổ chức,doanh nghiệp hay rộng hơn là
cậy của việc truyền tin mà không phải gia tăng công suất phát hay băng thông.
Các phương pháp phân tập thường gặp là phân tập tần số, phân tập thời gian, phân
tập không gian (phân tập anten). Trong đó, kỹ thuật phân tập anten hiện đang rất
được quan tâm và ứng dụng vào hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác hiệu quả
thành phần không gian trong nâng cao chất lượng và dung lượng hệ thống, giảm
ảnh hưởng của fading, đồng thời tránh được hao phí băng thông tần số – một yếu
tố rất được quan tâm trong hoàn cảnh tài nguyên tần số ngày càng khan hiếm.
Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng
một tín hiệu truyền. Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau
nhưng ít có sự tương quan về fading. Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp hợp lý
của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ chịu ảnh hưởng fading ít nghiêm trọng hơn
so với từng phiên bản riêng lẻ. Các phương pháp kết hợp thường gặp: Bộ tổ hợp
theo kiểu quét và lựa chọn (Scanning and Selection Combiners: SC) quét và lựa
chọn nhánh có tỷ số CNR tốt nhất; bộ tổ hợp với cùng độ lợi (Equal-Gain
Combiners: EGC); Bộ tổ hợp với tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combiners: MRC):
tổ hợp tất cả các nhánh, với hệ số ak tỷ lệ thuận với trị hiệu dụng của tín hiệu và tỷ
lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại nhánh thứ k
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình a: kĩ thuật SC; b: kĩ thuật EGC; c: kĩ thuật MRC
-Fading
-Entropy
Phần II.Các giao thức hợp tác cố định
Phần II.1 Giao thức khuếch đại và phát chuyển tiếp cố định
a.Mô hình hệ thống:
Hình a.1 mô hình giao thức AF
b.Cơ sở lý thuyết
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Với là hệ số kênh truyền từ node chuyển tiếp tới node đích,và là tạp âm
Gauss trắng cộng tính với trung bình không và phương sai .
Xét tổng quát thì tín hiệu nhận được tại node đích từ node chuyển tiếp có dạng sau:
(5)
Trong đó ;
(6)
Và phương sai (7)
Tín hiệu nhận được tại node đích là tín hiệu tổng của node nguồn và node chuyển
tiếp,có nhiều phương pháp để tổng hợp tín hiệu tại node đích như :Kĩ thuật
Nhưng cho tới nay kĩ thuật tối ưu nhất để tổng hợp tín hiệu tại node đích thì là kĩ
thuật tổ hợp với tỉ số tối đa MRC (Maximal Ratio Combiners).Như đã nói ở
trên.Đây là kĩ thuật tổ hợp tất cả các thành phần với hệ số ,tỉ lệ thuận với giá trị
hiệu dụng của tín hiệu và tỉ lệ nghịch với bình phương trung bình của nhiễu tại
nhánh thứ k.Kĩ thuật MRC cho phép cải thiện xác suất lỗi tốt nhất.
Đầu ra của kĩ thuật MRC là
(8)
Với a1,a2 là hệ số được xây dựng để tối ưu hóa sự kết hợp tín hiệu nâng cao tỉ số
SNR được tính như sau:
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
và (9)
Giả thiết rằng tín hiệu phát x có năng lượng trung bình bắng 1,SNR tức thời ở đầu
ra MRC là : (10)
Trong đó SNR từ liên kết trực tiếp từ nguồn được xác định
(11)
SNR từ liên kết chuyển tiếp được xác định bởi
(12)
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Để đánh giá chất lượng của giao thức hợp tác, chúng ta tính toán dung lượng
là 2.
Chúng ta đi so sánh về thông số outage và SNR của 2 phương pháp truyền trực tiếp
và phương pháp hợp tác truyền thông.Xét kênh truyền dẫn giữa node nguồn tới
node đích có phương sai là 1,còn từ node nguồn tới node chuyển tiếp và từ node
chuyển tiếp tới đích là 0.5.Phương sai của nhiễu là 1.Sử dùng phần mền mô phỏng
matlab ta có kết quả mô phỏng sau:
Hình a.2 Xác suất outage và tỉ số SNR
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình a.3 Mới quan hệ giữa xác suất outage và tốc độ truyền dẫn
Từ những kết quả mô phỏng trên ta dễ dàng nhận thấy về các vấn đề sau:
-Xét về độ lợi thì đạt được độ lợi phân tập(giống như kết quả nghiên cứu lý
thuyết) khi tỉ số SNR càng cao thì xác suất outage của phương thức kết hợp giảm
nhiều hơn so với truyền trực tiếp.
-Băng thông bị tổn thất 1 nửa điều này được thể hiện khi tốc độ truyền dữ liệu tăng
lên thì xác suất outage sẽ tăng lên đáng kể so với phương pháp truyền trực tiếp.
II.2 giao thức hợp tác giải mã và phát chuyển tiếp
Một chiến lược khác có thể được sử dụng ở node chuyển tiếp là node chuyển tiếp
sẽ giải mã tín hiệu thu được,sau đó lại mã hóa tín hiệu và phát chuyển tiếp tới node
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
đích.Sơ đồ hợp tác kiểu này được gọi là hợp tác giải mã và phát chuyển tiếp cố
định DF(decode and forward).
a.Mô hình hệ thống:
Hình II.2.a1 Mô hình hợp tác giải mã và phát chuyển tiếp
b.Cơ sở lý thuyết
Với x là tín hiệu được phát từ node nguồn thì tín hiệu nhận được tại node
chuyển tiếp,sau khi được giải mã là .Tín hiệu này được phát tới node đích là trong
đó có phương sai đơn vị.
Mặc dù giao thức hợp tác DF có ưu điểm hơn giao thức hợp tác AF trong việc
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình II.2.b1 Quan hệ giữa xác suất outage và tỉ số SNR
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình II.2.b.2 Mối quan hệ giữa outage và tốc độ truyền số liệu
Qua các kết quả mô phỏng trên ta dễ dàng nhận ra đó là phương thức hợp giải mã
và phát chuyển tiếp vừ bị tổn thất về băng thông vừa không đạt được độ lợi phân
tập.
Bên cạnh hai kĩ thuật phổ biến nhất để chuyển tiếp cố định,hai sơ đồ chuyển tiếp
khác cũng đáng chú ý là sơ đồ hợp tác nén và phát chuyển tiếp và sơ đồ hợp tác
được mã hóa.Sau đây chúng ta sẽ nghiên cứu các sơ đồ này.
II.3.1 Giao thức hợp tác nén và phát chuyển tiếp
Sự khác nhau chủ yếu giữa sơ đồ hợp tác nén và phát chuyển tiếp và sơ đồ hợp
tác giải mã/khuếch đại và phát chuyển tiếp là ở sơ đồ giải mã/khuếch đại và phát
chuyển tiếp thì node chuyển tiếp phát một bản sao của bản tin thu được,còn ở sơ đồ
nén và phát chuyển tiếp thì node chuyển tiếp phát phiên bản đã được lượng tử hóa
và đã nén bản tin thu được.Do đó,node đích sẽ thực hiện các chức năng thu bằng
cách kết hợp bản tin thu được từ node nguồn và phiên bản lượng tử hóa và đã nén
từ node chuyển tiếp.
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Quá trình lượng tử hóa và nén ở node chuyển tiếp là quá trình mã hóa nguồn,tức
là biểu diễn mỗi bản tin thu được có thể như là một chuối các kí hiệu.Để đơn giản
hóa,các kí hiệu này được giả thiết là các bit nhị phân.Ở node đích,một ước lượng
của bản tin đã lượng tử hóa và đã nén nhận được bằng cách giải mã chuối bit thu
được.Quá trình giải mã này chỉ đơn giản chỉ bao gồm việc ánh xạ các bit đã thu
được thành tập các giá trị ước lượng bản tin phát.Quá trình ánh xạ này gây ra một
lượng méo,lượng méo này có thể được xem như một dạng tạp âm
Chúng ta đã biết tới khái niệm Entropy,Entropy của một biến ngẫu nhiên có thể
được xem xét như là một giá trị của thông tin cung cấp bởi tất cả các kết quả của
phân 0 và 1 là kết của quá trình mã hóa chuyển từ các giá trị +1 và -1 tương
ứng(quá trình ánh xạ).Ngưỡng để nhận được bản tin từ node chuyển tiếp là 0.Ở
node đích,bản tin mã hóa từ node chuyển tiếp sẽ được giải mã sử dụng,tín hiệu
nhận được từ nguồn sẽ như là thông tin bên lề
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Hình II.3.1 Ví dụ về giao thức nén và phát chuyển tiếp
Quá trình giải mã được thực hiện theo các nguyên tắc sau:
-Nếu tín hiệu từ node chuyển tiếp là tích cực thì bit nhị phân 0 được giải mã
+Nếu tín hiệu từ nguồn tới là tích cực,tìn hiệu nhận được sẽ tăng lên là 1.5
+Nếu tín hiệu từ nguồn tới là không tích cực thì tín hiệu nhận được sẽ trở thành là
0.5
-Nếu tín hiệu từ node chuyển tiếp là không tích cực thì bit 1 sẽ được giải mã
+Nếu tín hiệu từ node nguồn là tích cực thì tín hiệu nhận được sẽ trở thành 0.5
+Nếu tín hiệu từ nguồn là không tích cực thì tín hiệu nhận được sẽ trở thành -1.5
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Báo Cáo Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học
Ta có xác suất của tiếp cận thành công như sau:
ở đây:
Qua trên là một vài nét sơ lược về giao thức hợp tác nén và phát chuyển tiếp,để
hiểu rõ hơn có thể tham khảo [1- 2]
II.3.2 Giao thức hợp tác được mã hóa
Sơ đồ hợp tác được mã hóa khác các sơ đồ hợp tác ở trên,trong đó sự hợp tác
được thực hiện ở mức của phân hệ mã hóa kênh.Ở sơ đồ hợp tác mã hóa,node hợp
tác gửi thông tin với độ dư gia tăng,thông tin này sau đó được kết hợp ở máy thu
với từ mã được gửi từ node nguồn,dẫn đến kết quả một từ mã có độ dư lớn hơn
ở sơ đồ hợp tác được mã hóa,một từ mã được phát thành 2 thành phần ,mỗi phần
sử dụng một đường truyền hoặc kênh truyền khác nhau.Các bước chủ yếu trong
chu trình hợp tác được đánh nhãn với nội dung ở các nhận như sau
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
mã yếu hơn mã được sử dụng ở node đích.Mã ở node đích mạnh hơn mã ở node
nguồn nhờ kết hợp N
2
ký hiệu chẵn lẻ thu được từ node hợp tác .Chúng ta cũng chú
ý rằng node nguồn và node hợp tác hoạt động trên kênh trực giao,do đó ở cùng thời
điểm mà node nguồn phát từ mã của mình thì node hợp tác cũng thực hiện phát dữ
liệu của nó.Thậm chí là trong khi node hợp tác giúp node nguồn bằng cách phát N
2
ký hiệu,node nguồn cũng có thể giúp node hợp tác nhờ phát thông tin theo cách
tương tự.
Hoạt động của giao thức hợp tác được mã hóa giả thiết rằng node hợp tác giải mã
thành công bản tin gửi từ node nguồn(sau khi kiểm tra CRC).Nếu node hợp tác
không thực hiện giải mã thành công.nó không thể tạo ra N
2
ký hiệu chẵn lẻ bổ sung
đối với node nguồn;thay vào đó ,node hợp tác tạo ra và phát N
2
ký hiệu chẵn lẻ từ
chính dữ liệu của nó.Do đó ,từ mã yếu hơn được phát bởi node nguồn phải là từ mã
khả trị có thể được giải mã khi node hợp tác không thể gửi N
2
ký hiệu chẵn lẻ bổ
sung
Bởi vì ở giao thức hợp tác được mã hóa,hoạt động của node nguồn và node hợp
tác là hoàn toàn đối xứng,chúng ta có thể gọi hai node hợp tác là node một và node
hai.Chất lượng của sơ đồ hợp tác được mã hóa được quyết định bởi khả năng xảy
ra của một trong bốn sự kiện có thể sau:
-Cả node một và node hai đều thành công trong việc giải mã mã kênh (mã yếu
hơn).
III.1 Giao thức hợp tác DF lựa chọn
Ở sơ đồ chuyển tiếp DF lựa chọn,nếu tỉ số tín hiệu trên tạp âm(SNR) thu được ở
node chuyển tiếp lớn hớn một ngưỡng xác định,node chuyển tiếp giải mã tín hiệu
thu được và phát chuyển tiếp thông tin đã được giải mã tới node đích.Ngược
lại,nếu kênh giữa node nguồn và node chuyển tiếp chịu fading trầm trọng dẫn đến
tỉ số tín hiệu trên tạp âm nhỏ dưới ngưỡng xác định,thì node chuyển tiếp rỗi.Sơ đồ
chuyển tiếp lựa chọn cải thiện chất lượng hơn so với sơ đồ chuyển tiếp DF cố
định,bởi vì ngưỡng của node chuyển tiếp có thể được xác định để khắc phục nhược
điển của sơ đồ DF cố định mà ở đó node chuyển tiếp phát chuyển tiếp tất cả các
tiến hiệu đã giải mã tới node đích mặc dù một số tín hiệu đã giải mã không được
chính xác.
Nếu SNR có lien kết node nguồn-node chuyển tiếp lớn hơn giá trị ngưỡng,node
chuyển tiếp có khả năng giải mã tín hiệu thu được từ node nguồn một cách chính
xác.Trong trường hợp này SNR ở đầu ra MRC kết hợp với node đích là tổng các
SNR thu được từ node nguồn và node chuyển tiếp.Do đó,thông tin tương hỗ đối
với sơ đồ hợp tác DF lựa chọn là[2,4]:
(26)
Với
Xác suất outage đôi với sơ đồ lựa chọn có thể được tính như sau.Sử dụng luật tổng
xác suất,với điều kiện node chuyển tiếp có phát chuyển tiếp tín hiệu từ node nguồn
hay không,chúng ta có.
Truyền Thông Hợp Tác Trong Thông Tin Vô Tuyến Cooperative Cummunication in Wireless Network
Copyright: Tài liệu đại học ©