HomeBáo khoa họcĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG TRONG TRUYỀN THÔNGGÓI...

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG TRONG TRUYỀN THÔNGGÓI TIN NGẮ

Published on

spot_img

trên 7

Hu
nh Văn Hóa, Ngô Hoàng Tú, Võ Nguy
n
Qu
c B
o
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________________
________________________
ĐÁNH GIÁ HI
U NĂNG M
NG CHUY
N
TI
P ĐA CH
NG
TRONG TRUY
N THÔNG
GÓI TIN NG
N
Hu
nh Văn Hóa
*
,
Ngô Hoàng Tú
+
,
Võ Nguy
n Qu
c B
o
*
*
H
c Vi
n Công Ngh
Bưu Chính Vi
n Thông
+
Khoa Công ngh
thông tin, T
ng Đ
i h
c Giao Thông V
n T
i thành ph
H
Chí Minh
1
Tóm t
t
:
Tron
g bài báo này,
chúng tôi
phân tích t
l
l
i kh
i c
a
m
ng truy
n thông gói tin ng
n nh
m
m
r
ng
vùng ph
sóng và gi
m t
l
l
i kh
i dư
i tác đ
ng c
a
kênh truy
n fading Rayleigh
. Trong mô hình đ
xu
t, nút
đích s
nh
n đư
c d
li
u thông qua
các nút chu
y
n ti
ế
p.
T
l
l
i kh
i
kênh truy
n này
đư
c
ch
ng minh dư
i c
hai d
ng là chính xác và x
p x
b
ng bi
u th
c d
ng tư
ng
minh (close
d
form expression). Cu
i cùng, chúng tôi th
c
hi
n mô ph
ng Monte
Carlo đ
ki
m ch
ng l
i các k
ế
t qu
đã phân tích đư
c.
Từ khóa
fading Rayleigh, gi
i mã và chuy
n ti
ế
p,
t
l
l
i
kh
i
, truy
n thông gói tin ng
n
.
I.
GI
I
THI
U
Trong những năm gần đây
, thế giới chúng ta đan
g hướng
đến nền công nghiệp
tiên tiến nhằm phục vụ nhu cầu ngày
càng tăng cao của con người trong hầu hết các lĩnh vực
nhằm mục đích chính là cải thiện tính linh hoạt trong quy
trình sản xuất và tạo ra nhiều sản phẩm hơn, tiết kiệm tài
nguyên và tăng tính tiện dụng hơn bằng cách sử d
ụng kết
nối các cảm biến và dữ liệu với quy mô lớn, chẳng hạn như
nhà máy thông minh, nông nghiệp thông minh
hay
y tế
thông minh, … nói chung cũng như trong lĩnh vực thông
tin di động nói riêng nhằm
tập trung
và tăng cường
khả
năng giao tiếp, kết nối giữa
con người và máy móc, và giữa
máy móc với máy móc lẫn nhau
sử dụng cảm biến
[1]
.
Để
đáp ứng được những tiêu chí trên, các nhà khoa học trong
nước cũng như trên thế giới
đã và đang tích cực nghiên
cứu phát triển các kỹ thuật mới, chẳng hạn như kỹ thuật đa
truy nhập không trực giao NOMA
[2]
, kỹ thuật truyền dẫn
song công
[3]
và kỹ thuật MIMO
[4]
. Với sự phát triển của
các kỹ thuật mới này sẽ hứa
hẹn tạo ra thế hệ mạng di động
mới, đó là mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) với khả năng
truyền tín hiệu
có tốc độ nhanh hơn
và có băng thông lớn
hơn.
Với những tiềm năng to lớn từ các kỹ thuật mới mang lại
hứa hẹn sẽ tháo gỡ được những hạn chế còn tồn đọng t
rong
mạng di động hiện tại. Thứ nhất là hỗ trợ truyền thông tin
với dung lượng lớn hơn giúp tiết kiệm được thời gian
truyền nhận dữ liệu giữa các thiết bị
.
Bên cạnh đó
, chính
là khả năng truyền thông tin với thời gian thực khi mà các
thiết bị và con người
giao tiếp với nhau qua khoảng cách
xa, với độ chính xác lên đến mức micro giây và cho phép
Tác gi
liên h
: Võ Nguy
n Qu
c B
o
Email:
Đến tòa soạn:10/2020, chỉnh sửa: 11/2020, chấp nhận đăng: 12/2020
.
các thiết bị đồng bộ hóa thời gian. Để kết nối
các thiết bị
theo thời gian thực, đồng nghĩa với việc các thiết bị cần
phải truyền các gói tin đáp ứng được các yêu cầ
u chất
lượng với sự ràng buộc về độ trễ phải cực thấp và độ tin
cậy cao. Chính vì vậy, truyền thông gói tin ngắn (short
packet)
[5, 6]
hiện đang là ứng viên hàng đầu để đáp ứng
được các yêu cầu như trên và cũng đã và đang nhận được
nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu
khoa học trên
thế giới
.
Hơn nữa
,
truyền thông
chuyển tiếp đang được xem là giải
pháp hiệu quả để cải thiện vùng phủ sóng nhằm nâng cao
hiệu năng của hệ thống
[7]
. Cụ thể, trong
[8]
, các tác giả
đã đề xuất mạng chuyển tiếp từng phần, truyền thông đa
chặng và truyền th
ông chuyển tiếp tăng cường được khảo
sát lần lượt trong
[9]
[10]
. Hơn nữa, truyền thông
chuyển tiếp cũng đã kết hợp hiệu quả với các kỹ thuật
khác, chẳng hạn như kỹ thuật đa truy nhập không trực giao
[2]
, kỹ thuật thu thập năng lượng
[11, 12]
, vô tuyến nhận
thức
[13]
và bảo mật lớp vật lý
[14]
. Rõ ràng, truyền
thông
chuyển tiếp là một kỹ thuật đầy tiềm năng với việc sử dụng
các nút trung gian để chuyển tiếp dữ liệu từ thiết bị phát
đến thiết bị thu với các mục đích chính như sau:
Một là
;
làm giảm sự ảnh hưởng của hiệu ứng bóng mờ trong thông
tin vô tuyến
[15]
gây cản trở trên đường truyền, ví dụ như
các tòa nhà cao tầng, cây cối, … giúp cho việc kết nối dữ
liệu hoặc trao đổi thông tin giữa các thiết bị với nhau luôn
được liên tục
theo thời gian
. Hai là
;
mở rộng vù
ng phủ
sóng để truyền dữ liệu tới được những thiết bị có khoảng
cách kết nối xa hơn để đảm bảo sự kết nối liên tục giữa các
thiết bị lẫn nhau khi có sự thay đổi khoảng cách truyền. Ba
;
việc mở rộng vùng phủ sóng sẽ giúp kết nối các thiết bị
giao tiếp lẫ
n nhau được nhiều hơn. Có hai kỹ thuật chuyển
tiếp được sử dụng trong các nghiên cứu gần đây, đó là kỹ
thuật khuếch đại chuyển tiếp
(AF)
[16
18]
và giải mã và
chuyển tiếp (DF)
[19
21]
.
Ngoài ra, trong mạng bảo mật ở
lớp vật lý như trong bài báo của tác giả Nguyen Thi Yen
Linh và các đồng tác giả
[22]
cũng đã nghiên cứu và cho
thấy được hiệu năng của mạng chuyển tiếp đa chặng trong
mạng vô tuyến.
Với những tính năng và lợi ích to lớn như trên sẽ hứa hẹn
việc kết hợp kỹ thuật chuyển tiếp với công nghệ truyền
thông gói tin ngắn sẽ nâng cao hiệu năng của mạng hơn
nữa.
Cụ thể, trong
bài báo
[23]
, các tác gi
đã đ
xu
t mô
Đ
ÁNH GIÁ HI
U NĂNG M
NG CHUY
N TI
P ĐA CH
NG TRONG TRUY
N THÔNG S
D
NG GÓI TIN NG
N
hình m
ng
truy
n thông gói tin ng
n k
ế
t h
p v
i k
thu
t
chuy
n ti
ế
p theo phươn
g th
c đa truy nh
p không tr
c giao
(NOMA)
. T
rong bài báo
[24]
, Yifan Gu và các cộng sự đã
nghiên cứu mô hình mạng truyền thông gói tin ngắn
sử
dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (AF)
. Các nghiên cứu
này đều chứng minh được hiệu năng vượt trội của mạng
chuyển tiếp trong truyền thông gói tin ngắn.
Theo chúng
tôi
được biết
, cho đến thời điểm hiện tại
vẫn chưa có công
trình nghiên cứu nào cho t
hấy sự ảnh hưởng đầy đủ các
thông số của nút chuyển tiếp, khi mà số nút chuyển tiếp lớn
hơn hai.
T
rong nghiên cứu này, chúng tôi
tiến hành
thiết kế
phân tích
một hệ thống mạng với
số
nút chuyển tiếp
lớn
hơn hai
trong truyền thông gói tin ngắn, hoạt độ
ng dựa trên
việc chuyển tiếp dữ liệu từ
nguồn đến đích thông qua các
nút
chuyển tiếp.
Để đánh giá chất lượng của hệ thống,
chúng tôi
đưa ra và
phân tích
b
iểu thức
tính tỉ lệ lỗi khối
dạng đóng
trên kênh truyền fading Rayleigh.
Phần tiếp theo của bài báo đ
ược trình bày như sau. Phần
II sẽ trình bày mô hình của hệ thống cũng như cách thức
truyền dữ liệu từ nút nguồn đến nút đích thông qua các nút
chuyển tiếp. Phần III sẽ trình bày phương pháp phân tích
theo mô hình đề xuất để đánh giá chất lượng của hệ thống
với thông số
tỉ lệ lỗi
khối
với cả hai dạng
chính xác
xấp
xỉ
. Phần IV là các kết quả tính toán sẽ được kiểm chứng lại
bằng phần mềm Matlab. Cuối cùng là phần kết luận của bài
báo.
II.
HÌNH
H
TH
NG
Trong nghiên c
u này, chúng tôi đ
xu
t mô hình
m
ng
chuy
n ti
ế
p đa ch
ng trong truy
n thông gói tin ng
n đ
truy
n thông tin t
nút ngu
n đ
ế
n nút đích như
H
nh
1
.
0
R
1
R
2
R
1
K
R
+
K
R
1
K
h
+
1
h
2
h
H
nh
1
.
Mô hình m
ng chuy
n ti
ế
p đa ch
ng trong truy
n
thông gói tin ng
n
Các thành phần chính của hệ thống gồm một nút nguồn
(
)
0
R
, một nút đích
(
)
1
K
R
+
các
nút ch
uyển
tiếp
, lần lượt
được ký hiệu là
12
,
,…,
K
R R
R
như
H
nh
1
.
Tại nút chuyển
tiếp sẽ sử dụng kỹ thuật DF để giải mã và chuyển tiếp tín
hiệu vừa nhận được đến nút chuyển tiếp kế tiếp.
Gọi
k
h
hệ số kênh truyền giữa
1
k
R
k
R
.
Hoạt động truyền tín
hiệu của hệ thống thông qua các
khe thời gian với
tổng
chiều dài gói tin là
m
, và gói tin
này sẽ được chia thành các khối tin (blocklength) có chiều
dài bằng nhau
1
m
K
+
và được truyền từ
0
R
đến
1
K
R
+
, với
K
là số chặng trong mạng
. Ta có tín hiệu nhận được tại
k
R
(
)
1,
1
kK
=+
2
1
P
k
k
k
k
y
h x n
=+
,
(
1
)
2
Giá trị
1,
1
kK
=+
sẽ được sử dụng
xuyên
suốt bài báo này.
v
ới
1
P
k
là công suất phát của
1
k
R
,
k
n
là nhiễu
Gauss
trắng cộng
AWGN tại nút chuyển tiếp thứ
k
với giá trị
trung bình bằng
0
và phương sai bằng
2
k
, và
x
là thông
tin của nút nguồn
có năng lượng chuẩn hóa
2
1
Ex
=
,
với
.
E
là toán tử kỳ vọng
thống kê
.
Để
công suất nhiễu
trắng ở các máy thu là như nhau,
chúng tôi giả sử
22
k

=
.
Chúng tôi cũng giả sử rằng thông tin trạng thái kênh
truyền (CSI) là
hoàn hảo tại nút nguồn và các nút nhận tín
hiệu
và kênh truyền là kênh fading Rayleigh
.
Do đó, tỉ số
tín hiệu trên nhiễu (SNR) nhận được tại
k
R
(được ký hiệu
k
) sẽ tuân theo phân bố mũ với giá trị trung bình
được
biểu diễn như sau
1
2
P
kk
k
=
,
(
2
)
v
ới
k
là độ lợi kênh
trung bình
tương ứng
của đường
truyền
1
kk
RR
.
Áp dụng
lý thuyết về phân bố mũ trong
[25]
, ta có hàm
phân bố tích lũy
(CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF) của
k
được tính như sau
(
)
(
)
1 exp
1
exp
k
k
k
kk
F
f


= − −

 

=−


.
(
3
)
Theo như trong
[26]
, mỗi giá trị của
m
nên lớn hơn 100
,
v
ì kênh truyền được giả sử hoạt động ở chế độ fading
bán
tĩnh (quasi
static fading)
[27]
,
nghĩa là hệ số kênh truyền
không đổi trong suốt quá trình truyền tín hiệu từ nút nguồn
đến nút đích và có thể sẽ thay đổi trong chu kỳ truyền tín
hiệu
tiếp theo.
Khi
0
R
truyền
bit thông tin đến
1
k
R
+
qua
1
K
+
chặng trong suốt một chu kỳ truyền. Ta có tỉ lệ
mã hóa của mỗi chặng là
(
)
1
K
r
m
+
=
.
(
4
)
Công thức số
(
4
)
biểu diễn tốc độ mã hóa của mỗi chặng
trong
(
)
1
K
+
chặng sẽ bằng số bit thông tin chia cho thời
gian truyền
của mỗi chặng.
III.
ĐÁNH
GIÁ
HI
U
NĂNG
H
TH
NG
A.
T
l
l
i kh
i d
ng chính xác
Trong truyền thông gói tin ngắn, khi chiều dài khối tin
đủ lớn, tỉ lệ lỗi khối
(
)
BLER
trung bình
được xấp xỉ như
trong
[27, Eq. (59)]
[28, Eq. (4)]
theo từng chặng là
(
)
(
)
BLER
E
/
k
k
k
k
Cr
Q
Vm









,
(
5
)

Latest articles

More like this