Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các thuật toán chuyển tiếp đa chặng sử dụng bề mặt phản xạ thông minh

Chia sẻ: Cảnh Phương Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:58

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề án "Nghiên cứu các thuật toán chuyển tiếp đa chặng sử dụng bề mặt phản xạ thông minh" nhằm mục tiêu nghiên cứu mô hình chuyển tiếp đa chặng; nghiên cứu mô hình chuyển tiếp sử dụng bề mặt IRS; đánh giá hiệu năng xác suất dừng của mô hình bằng các biểu thức toán học; thông qua các kết quả đạt được, đề án đưa ra các giải pháp thiết kế và tối ưu hiệu năng mạng. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu các thuật toán chuyển tiếp đa chặng sử dụng bề mặt phản xạ thông minh

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- LÊ TẤN PHONG NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG SỬ DỤNG BỀ MẶT PHẢN XẠ THÔNG MINH ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- LÊ TẤN PHONG NGHIÊN CỨU CÁC THUẬT TOÁN CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG SỬ DỤNG BỀ MẶT PHẢN XẠ THÔNG MINH Chuyên ngành: Hệ thống thông tin Mã số: 8.48.01.04 ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN TRUNG DUY THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan rằng đề án tốt nghiệp thạc sĩ:“ Nghiên cứu các thuật toán chuyển tiếp đa chặng sử dụng bề mặt phản xạ thông minh“ là công trình nghiên cứu của chính tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong đề án tốt nghiệp là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. HCM, ngày 17 tháng 08 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Lê Tấn Phong
ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy PGS.TS. Trần Trung Duy, người Thầy đã hết lòng hỗ trợ, định hướng và tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện Đề án. Thầy là người truyền đạt cho em nhiều kinh nghiệm và kiến thức quý giá, giúp em thêm tự tin trên con đường nghiên cứu, học tập của mình. Em cũng xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc, Phòng đào tạo sau đại học và quý Thầy Cô đã quan tâm, hết lòng hỗ trợ, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường và trong thời gian hoàn thành Đề án tốt nghiệp. Nhân dịp này, em cũng xin cám ơn Quỹ Nafosted đã hỗ trợ trong suốt thời gian em thực hiện Đề án, thông qua Đề tài “Nâng cao độ tin cậy truyền tin và bảo mật thông tin cho các mạng vô tuyến quảng bá sử dụng mã Fountain“ với mã số 102.04- 2021.57. Trong quyển đề án tốt nghiệp này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô và quý bạn đọc để đề án này được hoàn thiện hơn. Tp. HCM, ngày 17 tháng 08 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Lê Tấn Phong
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ............................................ v DANH SÁCH BẢNG ..............................................................................................vii DANH SÁCH HÌNH VẼ ....................................................................................... viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 Lý do chọn đề tài .............................................................................................. 1 Mục đích nghiên cứu ........................................................................................ 1 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................. 2 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM TỔNG QUAN ............................................................ 1 1.1. Hệ thống thông tin vô tuyến .................................................................... 1 1.1.1. Lịch sử phát triển ................................................................................. 1 1.1.2. Mô hình truyền thông vô tuyến cơ bản ................................................ 2 1.2. Kênh truyền vô tuyến............................................................................... 3 1.2.1. Mô hình truyền tín hiệu........................................................................ 5 1.2.2. Hiệu năng mạng vô tuyến .................................................................... 6 1.2.3. Mô phỏng Monte Carlo ........................................................................ 7 1.3. Tổng quan về mạng chuyển tiếp ............................................................. 8 1.4. Bề mặt phản xạ thông minh .................................................................. 14 1.5. Kết luận Chương 1 ................................................................................. 18 Khảo sát các nghiên cứu liên quan ............................................................... 18 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG ................................................................. 19 2.1. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................. 19 2.2. Mô hình kênh truyền ............................................................................. 20 2.3. Các thuật toán chuyển tiếp đa chặng ................................................... 21
iv 2.3.1 Chuyển tiếp không sử dụng IRS ......................................................... 21 2.3.2 Chuyển tiếp sử dụng IRS theo từng chặng ......................................... 22 2.3.3 Chuyển tiếp nhảy chặng sử dụng IRS ................................................. 25 2.4. Kết luận Chương 2 ................................................................................. 29 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG ................................................. 30 3.1. OP của thuật toán Non-IRS .................................................................. 30 3.2. OP của thuật toán IRS-1........................................................................ 30 3.3. OP của thuật toán IRS-2........................................................................ 33 3.4. Kết luận Chương 3 ................................................................................. 35 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .......................... 36 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................. 41 5.1. Kết luận ................................................................................................... 41 5.1.1 Về mặt lý thuyết .................................................................................. 41 5.1.2 Về mặt thực tiễn .................................................................................. 41 5.2. Hướng phát triển đề tài ......................................................................... 43 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 44
v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu trắng Gaussian BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BS Base Station Trạm gốc Cumulative Distribution Hàm phân phối tích lũy CDF Function Code Division Multiple Access Phân chia đa người dùng theo CDMA mã CTS Clear to Send Sẵn sàng gửi D Destination Đích đến DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp EC Ergodic Capacity Dung lượng kênh trung bình Global System for Mobile Hệ thống di động toàn cầu GSM Communications LOS Line of Sight Đường truyền nhìn thấy Long-Term Evolution Công nghệ mạng di động tiên LTE tiến MIMO Multiple Input Multiple Output Đa đường vào đa đường ra MU Mobile User Người dùng di động Non-Orthogonal Multiple Truy cập đa điểm không chồng NOMA Access chéo Internet of Things Mạng lưới vạn vật kết nối IoTs Internet IRS Intelligent Reflect Surface Bề mặt phản xạ thông minh OP Outage Probability Xác suất dừng
vi PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PLS Physical Layer Security Bảo mật lớp vật lý Radio Frequency Energy Thu thập năng lượng từ tần số RF-EH Harvesting sóng vô tuyến Reconfigurable Intelligent Bề mặt thông minh tự cấu hình RIS Surfaces RTS Request to Send Yêu cầu gửi S Source Nguồn phát SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu và nhiễu US User Người dùng V2V Vehicle to Vehicle Xe tới xe
vii DANH SÁCH BẢNG Bảng 4.1: Tóm tắt các thông số hệ thống. .................................................................37
viii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình truyền thông vô tuyến cơ bản .......................................................2 Hình 1.2: Fading đa đường .........................................................................................3 Hình 1.3: Kênh truyền fading Rayleigh ......................................................................4 Hình 1.4: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh ..............................................5 Hình 1.5: Ứng dụng chuyển tiếp trong mạng thông tin di động .................................9 Hình 1.6: Ứng dụng chuyển tiếp trong mạng cảm biến vô tuyến .............................10 Hình 1.7: Mô hình chuyển tiếp cơ bản ......................................................................10 Hình 1.8: Giải mã và chuyển tiếp (DF) .....................................................................11 Hình 1.9: Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) ...............................................................12 Hình 1.10: Chuyển tiếp đa chặng ..............................................................................13 Hình 1.11: Ứng dụng của bề mặt phản xạ thông minh .............................................15 Hình 1.12: Mô hình chuyển tiếp sử dụng RIS ..........................................................16 Hình 2.1: Mô hình nghiên cứu ..................................................................................19 Hình 2.2: Chuyển tiếp đa chặng không dùng IRS (Non-IRS) ..................................21 Hình 2.3: Sử dụng IRS ở chặng thứ k trong thuật toán IRS-1 ..................................23 Hình 2.4: Sử dụng IRS để nhảy chặng trong thuật toán IRS-2 .................................25 Hình 2.5: Chuyển tiếp trong thuật toán IRS-2 với số chặng chẵn (K=4) ..................27 Hình 2.6: Chuyển tiếp trong thuật toán IRS-2 với số chặng lẻ (K=5) ......................27 Hình 4.1: OP vẽ theo  (dB) với K = 4 , ( xT , yT ) = ( 0.5,0.75) ................................37 Hình 4.2: OP vẽ theo  (dB) với K = 5 , xT = 0.5, L = 3 ........................................38 Hình 4.3: OP vẽ theo K với  = 5 (dB), ( xT , yT ) = ( 0.5,0.7 ) , L = 3 .......................39 Hình 4.4: OP vẽ theo L với  = 5 (dB), K = 3 .......................................................40
1 MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến (wireless communication networks) ngày càng phát triển và đem lại nhiều lợi ích thiết thực cho con người trong hầu hết các lĩnh vực trong đời sống. Các công nghệ mới nổi trong mạng truyền thông vô tuyến như mạng đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multiple Input Multiple Output)/Massive MIMO, đa truy nhập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access), bảo mật lớp vật lý PLS (Physical Layer Security), thu thập năng lượng sóng vô tuyến RF- EH (Radio Frequency Energy Harvesting), chuyển tiếp bán song công (Half Duplex)/song công (Full Duplex), chuyển tiếp sử dụng bề mặt phản xạ cấu hình lại RIS (Reconfigurable Intelligent Surface) hay bề mặt phản xạ thông minh IRS (Intelligent Reflecting Surface) đã được đề xuất nhằm nâng cao tốc độ truyền, giảm tỷ lệ lỗi, đạt được độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh, đạt được hiệu quả bảo mật, và hiệu quả năng lượng. Mạng chuyển tiếp sử dụng bề mặt phản xạ thông minh IRS đang là chủ đề nghiên cứu mới, thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Khác với phương pháp chuyển tiếp thông thường, sử dụng các nút mạng làm thiết bị chuyển tiếp, chuyển tiếp sử dụng IRS sẽ lắp đặt những bề mặt phản xạ có khả năng cấu hình các thông số nhằm phản xạ một cách thông minh các tia tới từ một nguồn, nhằm đạt được chất lượng tín hiệu tốt nhận được tại nút đích. Đề án nghiên cứu chủ đề chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying) với sự hỗ trợ của bề mặt phản xạ thông minh IRS. Đề án sẽ đề xuất các thuật toán chuyển tiếp kết hợp giữa chuyển tiếp thông thường và sự giúp đỡ của bề mặt IRS. Các thuật toán đề xuất trong Đề án nhằm nâng cao độ tin cậy của việc truyền dữ liệu và giảm số lần truyền dữ liệu giữa nguồn và đích. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề án bao gồm: - Nghiên cứu mô hình chuyển tiếp đa chặng
2 - Nghiên cứu mô hình chuyển tiếp sử dụng bề mặt IRS - Đề xuất các thuật toán chuyển tiếp kết hợp giữa chuyển tiếp thông thường và sử dụng IRS - Đánh giá hiệu năng xác suất dừng của mô hình bằng các biểu thức toán học - Thực hiện mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các biểu thức toán học đưa ra - Thông qua các kết quả đạt được, đề án đưa ra các giải pháp thiết kế và tối ưu hiệu năng mạng. Phương pháp nghiên cứu - Học viên sẽ khảo sát các công trình liên quan đến đề án, đặc biệt các công trình về mạng chuyển tiếp đa chặng và bề mặt phản xạ thông minh - Sau khi thực hiện khảo sát, Học viên đề xuất mô hình chuyển tiếp đa chặng sử dụng IRS - Tiếp theo, Học viên đề xuất các thuật toán chuyển tiếp với sự hỗ trợ của IRS nhằm nâng cao hiệu năng OP, đồng thời có thể giảm số lần truyền dữ liệu - Học viên sử dụng các công cụ toán học để đánh giá hiệu năng OP của các mô hình trên kênh fading Rayleigh. - Học viên sử dụng phương pháp Monte Carlo để kiểm chứng tính chính xác của các biểu thức xác suất dừng đã đưa ra - Học viên chọn các kết quả mô tả đặc trưng hiệu năng của hệ thống, đồng thời đưa ra các giải pháp thiết kế và tối ưu hiệu năng hệ thống.
1 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM TỔNG QUAN 1.1. Hệ thống thông tin vô tuyến 1.1.1. Lịch sử phát triển Hệ thống thông tin vô tuyến (Radio communication system) là một phần quan trọng của công nghệ vô tuyến và đã trải qua một lịch sử phát triển dài. Dưới đây là một số sự kiện quan trọng trong lịch sử hệ thống thông tin vô tuyến: Năm 1895: Guglielmo Marconi phát triển công nghệ truyền thông không dây đầu tiên và thực hiện truyền tín hiệu vô tuyến qua khoảng cách 1,5 dặm giữa hai tháp phát sóng tại Anh. Năm 1901: Marconi thành công trong việc truyền thông không dây trên khoảng cách lên đến 2.000 dặm giữa Anh và Newfoundland, Canada. Năm 1920: Radio Corporation of America (RCA) được thành lập và bắt đầu phát triển các công nghệ truyền thông không dây phục vụ cho các ứng dụng quân sự và dân sự. Năm 1945: Các hệ thống truyền thông không dây đã được phát triển phục vụ cho các hoạt động quân sự trong Thế chiến II, đặc biệt là trong việc giao tiếp giữa các chiến hạm và các tàu vận tải. Năm 1960: Hệ thống thông tin vô tuyến bắt đầu được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân sự như viễn thông, vệ tinh và các ứng dụng di động đầu tiên. Năm 1971: Hệ thống mạng sử dụng công nghệ vô tuyến gói được tạo ra và được đặt tên là ALOHANET tại trường đại học Hawaii. Hệ thống này cho phép các máy tính tại các cơ sở trên các đảo kết nối với máy trung tâm tại Oahu thông qua truyền thông vô tuyến. Năm 1980: Các tiêu chuẩn truyền thông không dây như Bluetooth và Wi-Fi được phát triển và trở nên phổ biến. Năm 1990: Các loại hình mạng di động tiên tiến hơn như GSM, CDMA, và 3G được phát triển và trở nên phổ biến.
2 Năm 2000: Các ứng dụng di động như điện thoại thông minh và máy tính bảng được phát triển, đòi hỏi các hệ thống truyền thông không dây phát triển để đáp ứng nhu cầu. Năm 2010: Các tiêu chuẩn truyền thông không dây tiên tiến hơn như LTE và 5G được phát triển và triển khai trên toàn cầu để cung cấp băng thông rộng hơn và tốc độ truyền thông nhanh hơn. 1.1.2. Mô hình truyền thông vô tuyến cơ bản Hình 2.1: Mô hình truyền thông vô tuyến cơ bản Hình 1.1 trình bày mô hình truyền thông vô tuyến cơ bản gồm 03 thành phần, trong đó thông tin được truyền tải từ nguồn tin (Source) tới đích (Destination) thông qua một kênh truyền vô tuyến (Channel). Các tín hiệu đầu vào (Video, âm thanh, hình ảnh, văn bản…) sẽ được tiền xử lý trước khi truyền đi tại các bước mã hóa và điều chế tín hiệu. Tín hiệu nhận được sau khi truyền sẽ thực hiện các bước ngược lại để giải mã và thu về dữ liệu gốc ban đầu. So với kênh truyền hữu tuyến, kênh truyền vô tuyến có một số đặc điểm nổi bật và cũng là ưu điểm chính như sau: Tính linh động và sự tiện lợi: Người dùng có thể kết nối với bất kỳ nơi nào trong vùng phủ sóng của kênh truyền, cả khi đang di chuyển, tín hiệu vẫn có thể được duy trì đảm bảo mà không cần phải sử dụng dây cáp, có thể truyền được ở nhiều môi trường, khu vực địa hình phức tạp…Thiết bị hỗ trợ thu phát ngày càng được phát triển, đa dạng và được sử dụng rộng rãi.
3 Dễ triển khai và mở rộng: So với mạng hữu tuyến, việc mở rộng mạng lưới vô tuyến dễ, nhanh và thuận lợi hơn so. Đồng thời, chi phí để triển khai mở rộng và lắp đặt thiết bị cũng tương đối thấp hơn. Tuy nhiên, mạng hữu tuyến ngày nay vẫn còn đang được duy trì và cải tiến là do mạng vô tuyến cũng có nhiều nhược điểm: Độ ổn định: Do mạng vô tuyến truyền trong không gian tự do nên chịu nhiều ảnh hưởng bởi yếu tố địa hình cũng như sự thay đổi của môi trường. Nhiễu là tác nhân chính gây ra suy giảm tín hiệu cũng như độ tin cậy của dữ liệu và chất lượng mạng. Dung lượng kênh truyền: Băng thông và tốc độ của mạng vô tuyến vẫn thấp hơn so với mạng hữu tuyến. An toàn bảo mật: do tính chất truyền tin trong môi trường mở, nên có nhiều nguy cơ mất an toàn thông tin hơn. Vì những đặc trưng trên, hiện nay các mô hình mạng vẫn là có sự kết hợp và cải tiến từ mạng hữu tuyến và vô tuyến. 1.2. Kênh truyền vô tuyến Hình 2.2: Fading đa đường Thiết bị phát vô tuyến sẽ điều chế dữ liệu số thành tín hiệu analog để gửi đi trên kênh vô tuyến. Do bản chất là sóng điện từ, tín hiệu bị suy hao (path-loss), bị phản xạ (Reflection), nhiễu xạ (Diffraction) hoặc tán xạ (Scatering) khi gặp vật cản. Như được mô tả trong Hình 1.2, thiết bị phát là một trạm gốc (BS: Base Station) muốn gửi
4 tín hiệu chứa dữ liệu đến thiết bị thu là một thiết bị điện thoại di động (MU: Mobile User). Tín hiệu đi theo nhiều đường khác nhau từ BS đến MU. Đầu tiên là đường nhìn thẳng giữa BS và MU hay còn gọi là LOS (Line of Sight), tiếp đến là các đường phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Bởi vì các tín hiệu có đường đi khác nhau nên thời gian chúng đến MU cũng khác nhau. Sự cộng dồn các tín hiệu này tại MU làm cho biên độ của tín hiệu nhận được tại MU thay đổi theo thời gian. Hiện tượng này còn gọi là fading kênh truyền. Hình 2.3: Kênh truyền fading Rayleigh Như mô tả trong Hình 1.3, công suất nhận được tại một thiết bị thu biến thiên theo thời gian bởi vì biên độ của tín hiệu thay đổi bởi hiện tượng fading kênh truyền. Mặc dù biên độ của tín hiệu lúc tăng lúc giảm, tuy nhiên hiện tượng này có thể gây ra sự mất liên lạc không dự báo trước. Đề án tốt nghiệp này sẽ nghiên cứu về kênh fading Rayleigh. Đặc tính của kênh fading Rayleigh là fading đa đường như đã mô tả ở trên. Một điểm đặc biệt nữa là kênh fading Rayleigh không có đường truyền LOS giữa thiết bị phát và thiết bị thu. Kênh fading Rayleigh là kênh truyền phổ biến trong môi trường có nhiều vật cản nên thiết bị phát và thiết bị thu bị che khuất bởi các vật cản.
5 1.2.1. Mô hình truyền tín hiệu hSD S D Hình 2.4: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh Hình 1.4 miêu tả sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh giữa nguồn S và đích D. Tín hiệu nhận được tại nút đích D là yD = PS hSD x + nD . (1.1) Trong công thức (1.1), x là tín hiệu chứa dữ liệu của nút nguồn S, PS ký hiệu công suất phát của nút nguồn S, hSD là hệ số kênh fading Rayleigh giữa nút nguồn S và nút đích D, nD là nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN: Additive White Gaussian Noise) tại nút đích D. Nhiều AWGN nD được biểu diễn bằng biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là  02 , với hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) là: x2 1 − 1  x2  f nD ( x ) = e 2 N0 = exp  − 2  , (1.2) 2 0 2 0  2 0  2 2 trong đó, exp(.) là ký hiệu của hàm mũ cơ số tự nhiên: exp ( a ) = ea . Đối với hệ số kênh truyền fading hSD , đây cũng là một biến ngẫu nhiên và biên độ | hSD | có phân phối Rayleigh với hàm mật độ xác suất là: x  x2  f|hSD| ( x ) = 2 exp  − 2  , x  0 (1.3)   2  Hơn nữa, biên độ bình phương của hSD , còn được gọi là độ lợi kênh | hSD |2 , sẽ có phân phối mũ và hàm mật độ xác suất của | hSD |2 là (xem tài liệu [1]):
6 1  x  f|h ( x) = exp  − 2  . (1.4) 2  2  2 2 SD | Do đó, hàm phân phối tích lũy (CDF: Cummulative Distribution Function) của | hSD |2 được đưa ra như sau: ( x ) = 1 − exp  − x  F|h  2   2  2 SD | (1.5) = 1 − exp ( − x ) , 1 với  = . 2 2 Trở lại với công thức (1.1), tỷ số SNR (Signal-to-noise ratio) tức thời đạt được tại nút đích D được tính như sau: PS | hSD |2  SD = . (1.6)  02 Tỷ số SNR trong công thức (1.6) được gọi là tỷ số SNR tức thời bởi vì tỷ số này thay đổi theo thời gian. Tiếp đến, dung lượng kênh tức thời trên 01 đơn vị băng thông (BW = 1) được viết như sau:  PS | hSD |2  CSD = log 2 (1 +  SD ) = log 2 1 + . (1.7)   02  1.2.2. Hiệu năng mạng vô tuyến Các hiệu năng mạng vô tuyến có thể kể đến như xác suất dừng (OP: Outage Probability), tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate), dung lượng kênh trung bình (EC: Ergodic Capacity). Trong đề án tốt nghiệp này, Học viên nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng, đó là xác suất mà dung lượng kênh CSD nhỏ hơn một ngưỡng cho trước, ký hiệu C th . Sử dụng công thức (1.7), ta có xác suất dừng của đường truyền từ nguồn S đến đích D như sau:
7 OP = Pr ( CD  Cth )  2Cth − 1  (1.8) = Pr  | hSD |  2 .  PS /  02  Ngược lại, nếu CD  Cth , giả sử nút đích D có thể giải mã thành công tín hiệu nhận được từ nút nguồn S, và xác suất giải mã dữ liệu thành công là: 1-OP. Công thức (1.8) cũng cho thấy xác suất dừng chính là xác suất mà độ lợi kênh giữa nút nguồn S và nút đích D nhỏ hơn một ngưỡng xác định trước. Thay công thức (1.5) vào công thức (1.8), ta có:  2Cth − 1  (   2Cth − 1 ) . OP = F|h |2   = 1 − exp  −    (1.9) SD  PS /  02  PS /  02   1.2.3. Mô phỏng Monte Carlo Mô phỏng Monte Carlo là một phương pháp tính toán và mô phỏng sử dụng các số ngẫu nhiên để xấp xỉ giá trị hoặc đánh giá xác suất của một vấn đề. Phương pháp này dựa trên việc tạo ra các giá trị ngẫu nhiên và áp dụng chúng vào mô hình để xác định kết quả mong đợi. Phương pháp Monte Carlo thường được sử dụng để giải quyết các bài toán có tính ngẫu nhiên và không thể được giải bằng các phương pháp truyền thống. Các bước cơ bản trong quá trình mô phỏng Monte Carlo gồm: - Xác định mô hình: Xác định mô hình toán học hoặc mô tả các quy trình và quy tắc của vấn đề cần giải quyết. - Tạo dữ liệu ngẫu nhiên: Tạo ra một tập hợp các giá trị ngẫu nhiên theo một phân phối xác định. - Thực hiện mô phỏng: Áp dụng dữ liệu ngẫu nhiên vào mô hình để tính toán giá trị hoặc đánh giá kết quả mong đợi. Quá trình này thường được lặp lại nhiều lần để tạo ra một tập hợp lớn các kết quả mô phỏng.
8 - Xác định kết quả: Từ tập hợp các kết quả mô phỏng, chúng ta có thể tính toán giá trị trung bình, phương s , tỷ lệ xác suất, hoặc các ước lượng khác để đưa ra kết luận về vấn đề ban đầu. Phương pháp Monte Carlo thường được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như tài chính, vật lý, kỹ thuật, y học, xử lý ảnh và nhiều ứng dụng khác. Nó cung cấp một cách tiếp cận linh hoạt và hiệu quả để xác định các kết quả không chắc chắn và giải quyết các bài toán phức tạp. Ví dụ để kiểm chứng tính chính xác của biểu thức xác suất dừng được đưa ra trong công thức (1.9), mô phỏng Monte Carlo được áp dụng để mô phỏng kênh truyền fading Rayleigh. Phần mềm MATLAB [2] hỗ trợ hàm tạo ra biến ngẫu nhiên, sử dụng cấu trúc sau: h = 1/sqrt(2* )*(randn(1,1) + j*randn(1,1)); (1.10) Trong công thức (1.10), randn(1,1) là hàm MATLAB tạo ra biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1. 1.3. Tổng quan về mạng chuyển tiếp Chuyển tiếp nhằm mục đích để mở rộng vùng phủ sóng khi một nút nguồn không thể truyền dữ liệu đến một nút đích do khoảng cách xa giữa nguồn và đích. Vì thế nút nguồn cần sự trợ giúp của các nút chuyển tiếp nằm giữa nguồn và đích. Trong một số trường hợp, chuyển tiếp được sử dụng khi kênh truyền giữa nút nguồn và nút đích đang xấu hoặc đang bị che chắn bởi các vật cản. Kỹ thuật chuyển tiếp được ứng dụng rất nhiều trong các mạng thông tin vô tuyến, và được xem là một trong những giải pháp hiệu quả để nâng cao chất lượng dịch vụ. Hình 1.5 là một ứng dụng của chuyển tiếp trong mạng di động tế bào. Trong mạng này, trạm gốc BS (Base Station) đóng vai trò trung tâm trong kết nối để phục vụ những người dùng US (User) xuất hiện trong tế bào. Tuy nhiên, những người dùng nằm ở gần trạm gốc sẽ được phục vụ với chất lượng tốt, trong khi những người dùng ở rìa tế bào sẽ nhận chất lượng phục vụ kém hơn. Để đạt được sự công bằng về chất lượng dịch vụ cho tất cả các người dùng, các nhà nghiên cứu đề xuất triển khai các