BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯƠNG NGỌC PHÚ

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG
ĐA CHẶNG TRONG THÔNG TIN VÔ TUYẾN
BĂNG RỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Đà Nẵng - Năm 2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
Tác giả luận văn Trương Ngọc Phú
ii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. Tính cấp thiết của đề tài 1
2. Mục tiêu nghiên cứu 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4. Phương pháp nghiên cứu 2
5. Bố cục đề tài 2

2.6.1 Phương pháp bắt cặp tập trung 33
2.6.2 Phương pháp bắt cặp phân phối 34
2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 35
CHƯƠNG 3 KỸ THUẬT ĐA CHẶNG TRONG MẠNG BĂNG RỘNG 36
3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 36
3.2 KHÁI NIỆM MẠNG ĐƠN CHẶNG VÀ ĐA CHẶNG 36
3.3 ƯU NHƯỢC ĐIỂM CỦA MẠNG ĐA CHẶNG 38
3.3.1 Ưu điểm của mạng đa chặng 38
3.3.2 Nhược điểm của mạng đa chặng 41
3.4 KIẾN TRÚC MẠNG TẾ BÀO ĐA CHẶNG 42
3.4.1 Mạng đa chặng với nút chuyển tiếp cố định 42
3.4.2 Mạng đa chặng với nút chuyển tiếp di động 45
3.4.3 Mạng đa chặng với nút chuyển tiếp lai 48
3.5 VẤN ĐỀ TIÊU THỤ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG ĐA CHẶNG 49
3.5.1 Công suất phát trong hệ thống đơn chặng 50
3.5.2 Công suất phát trong hệ thống đa chặng 51
3.6 KẾT LUẬN CHƯƠNG 52
CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG ĐA CHẶNG VỚI
NÚT CHUYỂN TIẾP CỐ ĐỊNH 53
4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG 53
iv
4.2 HỆ THỐNG HAI CHẶNG 53
4.2.1 Mô hình và SNR hệ thống không hợp tác 54
4.2.2 Mô hình hệ thống hai chặng hợp tác 56
4.2.3 Xác suất lỗi bít trung bình 57
4.2.4 Xác suất rớt mạng 63
4.3 HỆ THỐNG ĐA CHẶNG 65
4.3.1 Mô hình kênh và SNR hệ thống 65
4.3.2 Xác suất rớt mạng 66
4.3.3 Xác suất lỗi bit trung bình 68

Hàm phân phối tích lũy
CDMA Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã
CFO Carrier frequency offset Độ lệch tần số sóng mang
cMCN Clustered Multihop Cellular
Networks
Mạng đa chặng tế bào phân
nhóm
CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh
DF Decode and Forward Giãi mã hóa và chuyển tiếp
DFT Discrete Fourier Transform Biến đổi Fourier rời rạc
DIP Dedicated Information Port Cổng thông tin dành riêng
DMF Demodulation and Forward Điều chế và chuyển tiếp
DSSS Direct-Sequence Spread
Spectrum
Trải phổ trực tiếp
FDM Frequency Division
Multiplexing
Ghép kênh phân chia theo tần số

FDMA Frequency Division Multiple
Access
Đa truy cập phân chia theo tần
số
FFT Fast Fourier Transform Biến đổi Fourier nhanh
GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp
GSM Global System for Mobile
Communications
Hệ thống thông tin di động toàn
cầu
GTCF Generalized Transformed

trực giao
MADF Mobile-Assisted Data
Forwarding
Chuyển tiếp dữ liệu hổ trợ di
động
MC Multi Carrier Đa sóng mang
MGF Moment Generating Function Hàm sinh mô men
MH Multihop Network Mạng đa chặng
MIMO Multiple Input Multiple Output Nhiều ngõ vào,nhiều ngõ ra
MANET Mobile Ad Hoc Network Mạng Ad-hoc di động
MCN Multihop Cellular Network Mạng tế bào đa chặng
MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ số cực đại
MS Mobile Station Trạm di động
PAPR Peak-to-Average Power Ratio Tỉ lệ công suất đỉnh trên trung
bình
PARCel
S
Pervasive Ad Hoc Relaying For
Cellular Systems
Chuyển tiếp Adhoc lan tràn cho
các hệ thống tế bào
PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất
PSK Phase-Shift Keying Điều chế số theo pha
QAM Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ cầu phương
vii
QPSK Quadrature Phase-Shift Keying Khóa dịch pha cầu phương
RFID Radio Frequency Identification Nhận dạng bằng sóng vô tuyến
RN Relay Node Nút chuyển tiếp

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu trung bình
SD

SNR tức thời giữa nguồn và đích
RD

SNR tức thời giữa nút chuyển tiếp và đích
SR

SNR tức thời giữa nguồn và nút chuyển tiếp
)(

E
Toán tử trung bình thống kê
s
E
Công suất phát tín hiệu
)(xf
X
Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên X
i
h
Biên độ fading của chặng thứ i
SD
h
Biên độ fading giữa nút nguồn với nút đích
SR
h
Biên độ fading giữa nút nguồn với nút chuyển tiếp
RD

Độ lợi của nút chuyển tiếp thứ i
N
o
Mật độ phổ công suất của nhiễu AWGN

ix
DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu bảng Tên bảng Trang
1.1 Các công nghệ vô tuyến băng rộng cố định 8
1.2 So sánh các công nghệ vô tuyến băng rộng 13


chuyển tiếp
41
Hình 3.6 Kiến trúc mạng iCAR 43
Hình 3.7 Kiến trúc mạng VCN 44
Hình 3.8 Kiến trúc mạng mắt lưới MESH 45
Hình 3.9 Kiến trúc mạng UCAN 46
Hình 3.10 Kiến trúc mạng cMCN 47
Hình 3.11 Kiến trúc mạng chặng với nút chuyển tiếp lai 48
Hình 3.12 Mô hình truyền thông đơn chặng và hai chặng 50
Hình 3.13 Suy giảm theo hàm mủ của công suất phát với số chặng 52
Hình 4.1 Hệ thống truyền thông vô tuyến hai chặng với RS 54
Hình 4.2 Sơ đồ khối hệ thống hai chặng 55
Hình 4.3 Mô hình hệ thống hai chặng phân tập hợp tác 57
Hình 4.4 Sơ đồ khối hệ thống n chặng 65
Hình 5.1 Thuật toán mô phỏng BER hệ thống hai chặng hợp tác 72
Hình 5.2 Thuật toán mô phỏng xác suất rớt cho hệ thống hai 73
Hình 5.3 Sơ đồ mô phỏng đánh giá BER cho hệ thống N chặng 74
Hình 5.4 BER cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút AF 76
Hình 5.5 Xác suất rớt cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút AF 76
Hình 5.6 Xác suất rớt cho hệ thống hai chặng hợp tác với nút DF 77
Hình 5.7 Xác suất rớt cho hệ thống hợp tác với nút AF và DF 77
Hình 5.8 BER cho hệ thống hai chặng trên kênh Rayleigh fading 78
Hình 5.9 BER cho hệ thống đa chặng trên kênh Rayleigh fading 79
Hình 5.10 BER cho hệ thống đa chặng trên kênh Rayleigh fading 79
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những thập niên trở lại đây, với phát triển mạnh của các dịch vụ
số liệu, các nhu cầu truyền thông đa phương tiện với tốc độ cao, đã thúc đẩy
việc nghiên cứu ra nhiều công nghệ mới với băng thông rộng hơn để đáp ứng

+ Ứng dụng Matlab để mô phỏng.
4. Phương pháp nghiên cứu
+ Thu thập tài liệu, chọn lọc và phân tích các thông tin liên quan đến nội
dung nghiên cứu của đề tài.
+ Nguyên cứu lý thuyết về kỹ thuật chuyển tiếp.
+ Xây dựng mô hình hệ thống hai chặng và đa chặng, đánh giá các tham
số của hệ thống.
+ Sử dụng Matlab để mô phỏng đánh giá các thông số mạng đa chặng.
5. Bố cục đề tài
Theo mục tiêu và đối tượng nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, nội
dung của đề tài sẽ bao gồm các phần sau:
Chương 1 Giới thiệu hệ thống thông tin vô tuyến băng rộng
Giới thiệu tổng quan về hệ thông thống tin di động, hệ thống
thông tin vô tuyến băng rộng cố định và băng rộng di động.
Tìm hiểu đặc tính kỹ thuật, ưu nhược điểm của kỹ thuật
OFDM - kỹ thuật được sử dụng rộng rãi trong thông tin vô
tuyến băng rộng.
3
Chương 2 Kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng đa chặng
Giới thiệu về khái niệm kỹ thuật chuyển tiếp, các loại nút
chuyển tiếp, các phương pháp chuyển tiếp tín hiệu, các cơ chế
bắt cặp chọn nút chuyển tiếp.
Chương 3 Kỹ thuật đa chặng trong mạng băng rộng
Giới thiệu khái quát về kỹ thuật mạng đa chặng, phân tích ưu
nhược điểm của mạng đa chặng. Trình bày và phân loại một
số kiến trúc của mạng tế bào đa chặng dựa trên đặt tính của
nút chuyển tiếp. Phân tích vấn đề tiêu thụ công suất phát
trong hệ thống đa chặng.
Chương 4 Phân tích hiệu năng hệ thống đa chặng với nút chuyển
tiếp cố định

ĐỘNG
Trong hơn hai thập kỷ qua, sự phát triển của mạng thông tin di động và
Internet đã làm thay đổi lối sống của con người từ cách họ liên lạc với nhau
đến cách họ làm việc, vui chơi và giải trí. Mạng thông tin di động thế hệ đầu
tiên 1G ra đời vào thập niên 80. Đây là thế hệ mạng thông tin di động dùng tín
hiệu tương tự (analog). Tuy thế hệ 1G chứa đựng nhiều khuyết điểm kỹ thuật,
song nó đã đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong lịch sử truyền thông.
Đặc trưng của hệ thống là: dung lượng thấp, kĩ thuật chuyển mạch tương tự,
xác suất rớt cuộc gọi cao, khả năng chuyển giao cuộc gọi giữa các tế bào
không tin cậy, chất lượng âm thanh thấp, không có chế độ bảo mật và chủ yếu
là dành cho thoại. Một số chuẩn trong hệ thống này là: AMPS, SMR,
NMT(900)
5
Sự bùng nổ của mạng thông tin di động trên khắp thế giới với sự ra đời
của thế hệ 2G, ra đời từ đầu những năm 90. Mạng 2G có thể phân ra hai loại:
mạng 2G dựa trên nền TDMA và mạng 2G dựa trên nền CDMA. Đánh dấu
điểm mốc bắt đầu của mạng 2G là sự ra đời của mạng D-AMPS (hay IS-136)
dùng TDMA phổ biến ở Mỹ. Tiếp theo là mạng CdmaOne (hay IS-95) dùng
CDMA phổ biến ở châu Mỹ và một phần của châu Á, rồi mạng GSM dùng
TDMA, ra đời đầu tiên ở Châu Âu và hiện được triển khai rộng khắp thế giới.
Sự thành công của mạng 2G là do các dịch vụ và tiện ích mà nó mạng lại cho
người dùng, với các đặc điểm: kỹ thuật chuyển mạch số; dung lượng lớn; siêu
bảo mật; nhiều dịch vụ kèm theo như truyền dữ liệu, fax, sms…Tất cả đều
theo chuẩn kỹ thuật số, bao gồm: GSM, iDEN, D-AMPS, IS 95…

Hình 1.1 Quá trình phát triển mạng thông tin di động
Thế hệ 2,5G là bước chuyển giao lên công nghệ 3G. Có đặc điểm: dữ
liệu chuyển mạch tốc độ cao (HSCSD), dịch vụ vô tuyến gói chung (GPRS);
chuyển mạng, các dịch vụ định vị, tương tác với các hệ thống thông tin di
động vệ tinh và hỗ trợ định tuyến tối ưu…

GSM
(TDMA)

GPRS EDGE
UMTS

(WCDMA)

HSPA

IS
-
136

(TDMA)

IS
-
95A

(TDMA)

IS-95B
1xRTT
(CDMA2000)

EV
-
DO


trước là: truy cập internet, truyền video.
Mạng 3.5G là hệ thống mạng di động truyền tải tốc độ cao HSDPA, phát
triển từ 3G và hiện đang được 166 nhà mạng tại 75 nước đưa vào cung cấp
cho người dùng. Nó đuợc kết hợp từ 2 công nghệ kết nối vô tuyến hiện đại
HSPA và HSUPA, cho phép tốc độ truyền dẫn lên đến 7.2Mbp/s.

Hình 1.2 Mô hình mạng 4G
Với nhu cầu của việc truyền dữ liệu hình ảnh và video với dung lượng
lớn, hiện nay công nghệ di động thế hệ thứ 4 đang được đầu tư phát triển.
Công nghệ 4G cho phép truyền và nhận với băng thông rộng tốc độ cao. Cho
7
phép truyền dữ liệu với tốc độ 100MB/s trong khi đang di chuyển và có tốc
độ 1GB/s khi người sử dụng cố định. Trong số những công nghệ tiên phong
trong lĩnh vực 4G, phải kể đến LTE, UMB và WiMax. Cả 3 đều sử dụng công
nghệ anten mới, qua đó cải thiện tốc độ và khoảng cách truyền dẫn dữ liệu.
Như vậy, tương lai mạng 4G sẽ là một sự hội tụ của nhiều công nghệ
mạng hiện có và đang phát triển như 2G, 3G, WiMAX, Wi-Fi, IEEE 802.20,
IEEE 802.22, pre-4G, RFID, UWB, satellite…để cung cấp một kết nối vô
tuyến đúng nghĩa rộng khắp, mọi lúc, mọi nơi, không kể mạng thuộc nhà cung
cấp nào, không kể người dùng đang dùng thiết bị di động gì. Người dùng
trong tương lai sẽ thực sự sống trong một môi trường “tự do”, có thể kết nối
mạng bất cứ nơi đâu với tốc độ cao, giá thành thấp, dịch vụ chất lượng cao và
mang tính đặc thù cho từng cá nhân.
1.3 MẠNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN BĂNG RỘNG
Mạng thông tin vô tuyến băng rộng có thể được phân ra thành 2 loại là
mạng vô tuyến băng rộng cố định (Wi-Fi , Wimax) và mạng vô tuyến băng
rộng di động (3G, 4G).

Hình 1.3 Phân loại mạng vô tuyến băng rộng
8


<= 300feet 5Ghz
Wi-Fi 802.11b WLAN <= 11Mbps

<= 300feet 2.4 Ghz
Wi-Fi 802.11g WLAN <= 54Mbps

<= 300feet 2.4 Ghz
WiMax 802.16d WMAN <=75Mbps 4-6 miles Sub 11Ghz
WiMax 802.11e WMAN <=75Mbps 4-6 miles 2.4 Ghz
Kiến trúc Wi-Fi được thể hiện trong hình 2. Nó bao gồm một trạm gốc
kết nối với SERVER để truy cập vào tài nguyên mạng. Trạm gốc là chịu trách
nhiệm gửi và nhận dữ liệu từ các đầu cuối vô tuyến được kết hợp với các trạm
9
gốc. Sự kết nối giữa các đầu cuối và trạm cơ sở là liên kết truyền thông không
dây. Liên kết truyền thông này là chịu trách nhiệm cho việc vận chuyển dữ
liệu giữa các trạm gốc và các máy chủ.

Hình 1.4 Kiến trúc mạng Wi-Fi
Ưu điểm chính của Wi-Fi là đơn giản và dễ triển khai. Hơn nữa, nó sử
dụng phổ vô tuyến không cần cấp giấy phép, Wi-Fi cho phép người dùng điện
thoại di động truy cập mạng trong phạm vi lên đến 300 feet từ trạm cơ sở.
Ngoài ra, chi phí để triển khai giải pháp vô tuyến này là thấp vì không cần
trang bị hệ thống dây điện đắt tiền.
Tuy nhiên, nhược điểm của Wi-Fi là người sử dụng chỉ có thể sử dụng
công nghệ trong phạm vi bán kính 300 feet, do đó hạn chế mức độ di động.
Ngoài ra, thực tế cho thấy rằng công nghệ này hoạt động trong các băng tần
2.4GHz mà không cần cấp giấy phép, làm cho nó dễ bị nhiễu từ các thiết bị
khác như Bluetooth, điện thoại không dây, Về bảo mật, chuẩn mã hóa được
sử dụng WEP - có thể dể dàng bị bẻ khóa.

cầu về tầm nhìn thẳng đến trạm gốc.
11
- WiMax cung cấp một chất lượng dịch vụ (QoS) tốt hơn bằng cách sử
dụng công nghệ ăng ten thông minh sử dụng phổ hiệu quả hơn.
d. Một số hạn chế của WiMax:
- Dải tần WiMAX sử dụng không tương thích tại nhiều quốc gia, làm
hạn chế sự phổ biến công nghệ rông rãi.
- Do công nghệ mới xuất hiện gần đây nên vẫn còn một số lỗ hổng bảo
mật.
- Các thiết bị dành cho WIMAX có yêu cầu công nghệ cao và chưa được
sản xuất đại trà do đó giá thành rất đắt.
- Công nghệ này khởi xướng từ nước Mỹ, nhưng thực sự chưa có thông
tin chính thức nào đề cập đến việc Mỹ sử dụng WiMAX như thế nào, khắc
phục hậu quả sự cố ra sao.
1.3.2 Mạng vô tuyến băng rộng di động
a. Mạng thế hệ thứ 3 (3G)
Mạng thế hệ thứ ba (3G) bắt đầu với tầm nhìn để phát triển một tiêu
chuẩn toàn cầu cho dịch vụ dữ liệu tốc độ cao và dịch vụ thoại chất lượng cao.
Mục tiêu là để tất cả người dùng trên toàn thế giới sử dụng một tiêu chuẩn
duy nhất mà sẽ cho phép chuyển vùng toàn cầu. Điều này là không thể bởi vì
khả năng tương thích với mạng 2G và sự khác biệt tần số giữa các nước là
một rào cản để thực hiện, vì vậy trên thế giới đã không thể đạt được thỏa
thuận về một việc thực hiện một chuẩn 3G duy nhất.
Do đó, trên thế giới tồn tại nhiều công nghệ thuộc thế hệ 3G như sau:
Access Code Division Multiple (CDMA2000), IxEV-DO/DV, WCDMA và
cải tiến của nó gọi là HSDPA và HSUPA HSDPA và HSUPA có thể đạt tốc
độ lên đến 5 Mbps.

12
b. Mạng thế hệ thứ 4 (4G)