Phân tích hiệu năng mạng khuếch đại chuyển tiếp đa chặng đa đường với sự tác động đồng thời của nhiễu đồng kênh và phần cứng không hoàn hảo
Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bì nh
PHÂ N TÍ CH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG ĐA
ĐƯỜNG VỚI SỰ TÁC ĐỘNG ĐỒNG THỜI
CỦA NHIỄU ĐỒNG KÊNH VÀ PHẦN CỨNG
KHÔ NG HOÀN HẢO
Phạm Minh Quang*, Nguyễn Thanh Bì nh*
*Học Viện Cô ng Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Cơ Sở Tại Thành Phố Hồ Chí Minh
1Tóm tắt: Bài báo này nghiên cứu hiệu năng của
mạng chuyển tiếp đa chặng đa đường (Multi-hop Multi-
path) sử dụng kỹ thuật khuyếch đại và chuyển tiếp (AF:
Amplify-and-Forward) dưới sự ảnh hưởng của giao thoa
đồng kênh (CCI: Co-Channel Interference) và phần cứng
không hoàn hảo (HI: Hardware Imperfection). Bài báo
nghiên cứu hiệu năng của ba phương pháp chọn đường
(path selection) được đặt tên là RAND, SHORT và
BEST. Trong phương pháp RAND, một đường ngẫu
nhiên sẽ được chọn để truyền dữ liệu từ nguồn đến đích.
Trong phương pháp SHORT, đường ngắn nhất (có số
chặng thấp nhất) sẽ được chọn. Trong phương pháp
BEST, đường tốt nhất sẽ là đường có dung lượng kênh
toàn trình tức thời lớn nhất trong tất cả các đường sẵn có
giữa nguồn và đích. Để đánh giá hiệu năng của ba
phương pháp này, chúng tôi đầu tiên đưa ra biểu thức
tính tỷ số tín hiệu trên giao thoa và nhiễu toàn trình (e2e
SINR: end-to-end Signal-to Interference- plus-Noise
Ratio). Sau đó, xác suất dừng toàn trình (e2e OP: end-to-
end outage probability) trên kênh truyền fading Rayleigh
của 03 phương pháp RAND, SHORT và BEST sẽ được
đánh giá bằng các biểu thức dạng đóng cận dưới (lower-
bound closed-form expressions). Cuối cùng, mô phỏng
Monte Carlo sẽ được thực hiện để kiểm chứng công thức
đưa ra, để so sánh hiệu năng giữa các phương pháp, cũng
như để thấy được sự ảnh hưởng của các tham số hệ thống
lên hiệu năng mạng.
ra, trong mạng cảm biến vô tuyến (WSN: Wireless Sensor
Networks), mạng Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of
Things), mạng adhoc không dây, v.v., các thiết bị có sự
hạn chế lớn về công suất phát, năng lượng, định tuyến gói
tin, khả năng lưu trữ và xử lý dữ liệu. Do đó, các nút
mạng chuyển tiếp trong hệ thống mạng truyền thông vô
tuyến này phải tự lập kế hoạch và định tuyến cho quá trình
truyền và nhận dữ liệu. Với mạng chuyển tiếp đa chặng,
nút chuyển tiếp thường sử hai kỹ thuật chuyển tiếp cơ bản
dựa vào phương pháp xử lý tín hiệu. Kỹ thuật đầu tiên là
kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF [3]-[4], các nút
chuyển tiếp sau khi nhận dữ liệu sẽ khuếch đại tín hiệu
nhận được trước đó, rồi gửi tín hiệu khuếch đại đến nút
tiếp theo. Kỹ thuật còn lại là kỹ thuật giải mã và chuyển
tiếp (DF: Decode-and-Forward) [5]-[8]: các nút chuyển
tiếp nhận được dữ liệu từ nút chuyển tiếp trước đó sẽ giải
mã, sau đó tiến hành mã hóa lại và gửi dữ liệu đến nút
nhận tiếp theo cho đến đích cuối cùng. Ta có thể thấy rằng
kỹ thuật chuyển tiếp DF phức tạp hơn AF, nhưng kỹ thuật
DF đạt được hiệu năng tốt hơn, do không tích lũy nhiễu
tại nút chuyển tiếp như AF. Để nâng cao hiệu năng cho
các mạng chuyển tiếp hai chặng (two-hop hay dual-hop
relaying networks), các kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp
đơn trình (PRS: Partial Relay Selection) và toàn trình
(FRS: Full Relay Selection) được đề xuất (xem các tài liệu
[4]-[8]). Trong kỹ thuật PRS, nút chuyển tiếp tốt nhất
được chọn theo thông tin trạng thái kênh truyền tức thời
(CSI: Channel State Information) giữa nguồn và các nút
chuyển tiếp [4] hoặc giữa đích và các nút chuyển tiếp [5].
Trong kỹ thuật FRS, nút chuyển tiếp tốt nhất được chọn
dựa vào CSI tức thời của cả hai chặng [6]-[8]. Kỹ thuật
FRS phức tạp hơn kỹ thuật PRS, nhưng FRS đạt được
hiệu năng toàn trình tốt hơn PRS.
Từ khóa: Chuyển tiếp đa chặng đa đường, khuếch
đại và chuyển tiếp, giao thoa đồng kênh, phần cứng
không hoàn hảo, xác suất dừng.
Khác với các công trình [2]-[8], các tài liệu [9]-[12]
nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng (Multi-hop
relaying network). Các tác giả của [9] và [10] lần lượt
đánh giá hiệu năng toàn trình của mạng chuyển tiếp đa
chặng với các nút chuyển tiếp AF và DF. Để cải thiện
hiệu năng cho mạng chuyển tiếp đa chặng trên các kênh
truyền fading, các tác giả trong các công trình [11]-[12] đã
đề xuất các mô hình cộng tác đa chặng (cooperative multi-
hop). Khác với mô hình chuyển tiếp dữ liệu thông thường
[9]-[10], các nút chuyển tiếp trong mô hình cộng tác đa
chặng sẽ nhận dữ liệu từ các nút phía trước đó, kết hợp
chúng lại hoặc xử lý một cách thích hợp, để nâng cao khả
năng giải mã dữ liệu tại các nút chuyển tiếp. Mặc dù, các
I. MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng thông tin vô tuyến mang lại vô số
ứng dụng tiện ích cho người dùng. Đồng thời với sự phát
triển đó là yêu cầu chất lượng dịch vụ ngày càng cao và
vùng phủ sóng rộng hơn. Kỹ thuật chuyển tiếp là một kỹ
thuật hiệu quả được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng,
nâng cao chất lượng trong việc truyền dữ liệu và độ tạo ổn
định cho các mạng truyền thông vô tuyến [1]-[8]. Ngoài
Tác giả liên hệ: Phạm Minh Quang
Email: phamminhquang@ptithcm.edu.vn
Đến tòa soạn: 9/2020, chỉnh sửa:10/2020 , chấp nhận đăng: 10/2020
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
85
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG …….
giao thức đề xuất trong [11]-[12] đạt được hiệu năng cao
hơn hẳn các giao thức thông thường, tuy nhiên, các giao
thức này rất khó triển khai trong thực tế vì cần sự đồng bộ
giữa tất cả các nút trên một tuyến. Tài liệu [13] đề xuất
một giải pháp đơn giản hơn, đó là sử dụng các nút cộng
tác ở ngoài tại mỗi chặng. Tuy nhiên, nhược điểm của
giao thức này đó là thời gian trễ sẽ rất lớn, do sự cộng tác
tại mỗi chặng sẽ tốn nhiều hơn 01 khe thời gian. Trong
các công trình [14]-[16], các tác giả đề xuất mô hình
chuyển tiếp đa chặng đa đường, trong đó, đường tốt nhất
sẽ được chọn để gửi dữ liệu đến đích. Tương tự như [11]-
[13], các giao thức được đề xuất trong [14]-[16] cũng đạt
được độ lợi phân tập và hiệu năng toàn trình cao hơn, khi
so sánh với các giải pháp truyền thống.
phân tích.
- Bài báo đề xuất ba phương pháp chọn đường được
đặt tên là RAND, SHORT và BEST. Trong phương
pháp RAND, một đường ngẫu nhiên sẽ được chọn để
truyền dữ liệu đến đích. Phương pháp SHORT chọn
đường ngắn nhất, trong khi phương pháp BEST sẽ
chọn đường có dung lượng kênh toàn trình lớn nhất.
- Để đánh giá hiệu năng hệ thống, các biểu thức chính
xác tính tỷ số tín hiệu trên giao thoa và nhiễu toàn
trình (e2e SINR) sẽ được xây dựng. Sau đó, chúng
tôi tiến hành phân tích xác suất dừng toàn trình (e2e
OP) trên kênh truyền fading Rayleigh bằng các biểu
thức dạng đóng cận dưới.
- Các mô phỏng Monte Carlo sẽ được thực hiện để
kiểm chứng công thức đưa ra, cũng như để so sánh
hiệu năng giữa các phương pháp đề xuất.
Công trình này nghiên cứu mô hình chuyển tiếp đa
chặng đa đường sử dụng các nút chuyển tiếp AF dưới sự
tác động chung của giao thoa đồng kênh CCI và phần
cứng không hoàn hảo HI. Điểm khác biệt chính giữa bài
báo này và các công bố liên quan khác sẽ được trình bày
cụ thể như. Trong công bố [17], nhóm tác giả khảo sát sự
ảnh hưởng của HI lên hiệu năng mạng chuyển tiếp đa
chặng. Tuy nhiên, các tác giả trong [17] không xét sự tác
động của CCI lên hiệu năng của hệ thống. Mặc dù công
bố [18] khảo sát sự tác động chung của CCI và HI, tuy
nhiên chỉ mô hình đơn đường giữa nguồn và đích được
xem xét trong công bố này. Các công trình [14]-[16]
nghiên cứu hiệu năng các mô hình chuyển tiếp đa chặng
đa đường trên kênh fading Rayleigh. Tuy nhiên các nhóm
tác giả này đã không khảo sát sự tác động của HI [14]-
[15] và CCI [14]-[16] lên các thông số hiệu năng hệ
thống. Tài liệu [19] đề xuất mô hình chọn đường tốt nhất
để giảm xác suất dừng toàn trình của hệ thống dưới sự tác
động chung của CCI và HI. Theo sự hiểu biết tốt nhất của
chúng tôi, hầu hết các công trình nghiên cứu về sự tác
động của CCI và/hoặc HI (như [14]-[19]) đều chỉ liên
quan đến giao thức chuyển tiếp DF. Đây là động lực để
chúng tôi nghiên cứu mô hình chuyển tiếp sử dụng AF.
Thật vậy, bài báo này được phát triển từ công trình [20]
của nhóm nghiên cứu, trong đó kỹ thuật chuyển tiếp đa
chặng AF được sử dụng để truyền dữ liệu từ nguồn đến
đích với sự ảnh hưởng chung của fading kênh truyền, CCI
và HI. Tuy nhiên, công trình [20] chỉ xét mạng đơn đường
và giả sử chỉ có 01 nguồn giao thoa tác động lên các thiết
bị thu. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu mô hình
đa đường và đề xuất các phương pháp chọn đường khác
nhau dưới sự ảnh hưởng của CCI đến từ nhiều nguồn giao
thoa. Do đó, mô hình hệ thống của bài báo này là một
trường hợp tổng quát của mô hình được nghiên cứu trong
[20].
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau: trong
phần II, mô hình hệ thống khảo sát sẽ được trình bày.
Trong phần III, chúng tôi đánh giá hiệu năng của mô hình
trên kênh fading Rayleigh bằng các biểu thức toán học
dạng đóng cận dưới. Phần IV cung cấp các kết quả mô
phỏng và phân tích lý thuyết. Cuối cùng, các kết luận và
hướng phát triển của bài báo được đưa ra trong phần V.
II. MÔ HÌ NH KHẢO SÁ T
Hình 1 mô tả mô hình hệ thống được nghiên cứu trong
bài báo. Trong mô hình này, nguồn
N
S muốn gửi dữ liệu
đến đích D . Giả sử rằng, tồn tại K đường giữa nguồn và
N
đích, và nguồn phải chọn một trong các đường này để
truyền dữ liệu của mình đến đích, do sự truyền trực tiếp
không thể thực hiện được bởi khoảng cách xa giữa chúng.
Việc thiết lập các đường giữa nguồn và đích có thể được
thực hiện tại lớp mạng (network layer). Tuy nhiên, để
thuận tiện và đơn giản cho việc mô tả và đánh giá hoạt
động của các phương pháp chọn đường, ta có thể giả sử
các đường này đã được thiết lập trước đó (tương tự các
công trình [14]-[16]). Giả sử rằng có Tk nút chuyển tiếp
trên đường thứ k, với k =1,2,...,K, Tk 1. Để thuận tiện
cho việc mô tả hệ thống, các nút chuyển tiếp trên đường
Nk,t ,
t =1,2,...,T .
Cũng trong
k
thứ k được đặt tên là
với
Hình 1, giả sử rằng tồn tại M nguồn giao thoa gây ra nhiễu
lên các thiết bị thu trong mạng. Các nguồn giao thoa được
ký hiệu là I1, I2 ,..., IM . Trong trường hợp M = 0, hệ
thống sẽ không chịu tác động của CCI. Tất cả các thiết bị
chỉ có 01 ăng-ten và hoạt động ở chế độ bán song công.
Do đó, sự truyền dữ liệu trên đường thứ k sẽ phải thực
T +1
hiện trong
khe thời gian trực giao, sử dụng phương
k
pháp đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA).
Tiếp đến, những đóng góp chính của bài báo sẽ được
liệt kê như sau:
- Mô hình hệ thống trong bài báo có thể được áp dụng
và triển khai cho các mạng thông tin vô tuyến như
mạng cảm biến vô tuyến (wireless sensor networks),
mạng vô tuyến ad-hoc, v.v. Trong các mạng này,
thiết bị vô tuyến thường có năng lượng, khả năng lưu
trữ và xử lý hạn chế. Do đó, việc truyền dữ liệu
thông qua chuyển tiếp trên các chặng ngắn sẽ phù
hợp, và là kỹ thuật thường xuyên được nghiên cứu
áp dụng trong các công bố trước đây.
- Bài báo đề xuất mô hình chuyển tiếp đa chặng đa
đường sử dụng kỹ thuật AF. Hơn nữa, sự tác động
của các yếu tố môi trường trong thực tế như fading
kênh truyền, CCI và HI cũng được nghiên cứu và
Hì nh 1. Mô hình hệ thống khảo sát.
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
86
Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bì nh
A. Sự truyền dữ liệu trên đường thứ k
Giả sử rằng nguồn S chọn đường thứ k để truyền dữ
liệu đến đích. Trong khe thời gian thứ nhất, nguồn NS gửi
yN
Sau khi nhận
hiệu này và chuyển tiếp tín hiệu khuếch đại đến nút Nk,2
Tương tự như công thức (5) trong tài liệu [20], tín hiệu
từ nguồn, nút k,1 sẽ khuếch đại tín
N
k ,1
N
.
nhận được tại k,2 sẽ được viết như sau:
N
dữ liệu đến nút chuyển tiếp Nk,1. Nút
tín hiệu nhận được, và gửi đến nút
N
k,1 sẽ khuếch đại
N
k,2 trong khe thời
y
= h
G y +
(
)
Nk,2
Nk,1,Nk,2
k,1 Nk,1
Nk,1,Nk,2
gian thứ hai. Tiến trình này tiếp tục được thực hiện cho
(3)
M
N
đến khi nút chuyển tiếp
khuếch đại tín hiệu nhận
k,Tk
+
QgI
xI + N ,
k,2
m ,Nk,2
m
N
được từ nút
−1 , và gửi tín hiệu này đến đích D trong
N
k,Tk
m=1
h
trong đó,
là hệ số kênh fading Rayleigh giữa Nk,1
khe thời gian cuối cùng.
Nk ,1 ,Nk ,2
Nk,2
,
g
Im
N
và
là hệ số kênh fading Rayleigh giữa
và
và nút
Xét tín hiệu nhận được tại k,1 trong khe thời gian thứ
Im ,Nk ,2
nhất; dưới sự tác động chung của CCI và HI, ta thể viết:
Nk,2
,
Nk,1
là nhiễu gây ra do HI tại nút phát
Nk ,1,Nk ,2
Nk,2
,
thu
là nhiễu Gauss trắng cộng tính tại
y
= P h
x +
Nk ,2
(
)
Nk,1
NS NS ,Nk,1
S
NS ,Nk,1
(1)
là
M
Nk,2
,
G
k,1 là hệ số khuếch đại mà nút k,1 sử dụng. Tương
N
+
Q gI
xI + N ,
Im
m ,Nk,1
m
k,1
tự công thức (4) của tài liệu [20], hệ số khuếch đại
k,1 được tính như sau:
m=1
G
PN
QI
m
trong đó,
là công suất phát của nguồn NS ,
S
P
Gk2,1 =
.
công suất phát của nguồn giao thoa Im ,
x
S là dữ liệu nguồn
(4)
M
Pk,1 1+2
+
Qm,k,1 +02
x
h
NS ,
kênh fading Rayleigh giữa NS và
N , N
là dữ liệu của nguồn giao thoa Im ,
là hệ số
Im
NS ,Nk ,1
(
)
m=1
N , gI
là hệ số
k,1
m ,Nk ,1
Hơn thế nữa, phương sai của
trong công thức
Nk ,1 ,Nk ,2
kênh fading Rayleigh giữa
ra do HI tại nút phát NS và nút thu
Nk,1
I
m và
là nhiễu gây
S ,Nk ,1
k,1
(3) có thể được tính (tương tự như [20] và [22]):
N , N
là nhiễu
k,1
k ,1
2
Var
=2G2 E | y
|
Nk,1
Nk,1,Nk,2
k,1
Gauss trắng cộng tính tại
.
M
=2Gk2,1 Pk,1 1+2
+
Qm,k,1 +02
(5)
Để đơn giản cho việc trình bày các công thức, ta có
thể giả sử công suất phát của tất cả các nút bao gồm
nguồn NS và tất cả các nút chuyển tiếp đều bằng nhau và
(
)
m=1
=2P,
bằng P: P = P = P k,t . Cũng vậy, ta có thể giả sử
(
)
E .
là toán tử kỳ vọng toán học.
NS
Nk,t
với
tại
rằng công suất phát của các nguồn giao thoa là giống
nhau: Q = Q m . Tương tự như công trình [6], [19],
Kết hợp các công thức (3), (4) và (5), ta đạt được SINR
(
)
Im
Nk,2
như sau:
[21]-[22],
là một biến ngẫu nhiên có phân phối
NS ,Nk ,1
Gauss, có giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là 2
2 là hằng số mô tả mức khiếm khuyết phần cứng tổng
cộng tại thiết bị phát và thiết bị thu. Ta cũng có thể giả sử
.
k,1k,2
k,1 +k,2 +1
(6)
N
=
,
k,2
được đưa ra trong công thức (2), và k,2 được
với
k,1
N
rằng các nút
có cùng cấu trúc phần cứng, và do đó
k,t
tính tương tự
như bên dưới:
k,1
mức khiếm khuyết phần cứng trên tất cả các liên kết
Nk,t − Nk,t+1
đều bằng
2 . Đối với nhiễu Gauss trắng cộng
k,2
k,2
=
,
(7)
M
tính, ta cũng giả sử rằng phương sai của nhiễu này tại tất
2k,2 +
m,k,2 +1
2
cả các thiết bị thu đều như nhau và bằng
.
0
m=1
ở đây, k,2 =| hN
|2, m,k,2 =| gI
|2 .
Từ công thức (1), ta có thể xây dựng biểu thức tính
k,1,Nk,2
m ,Nk,2
Nk,1
SINR tức thời đạt được tại nút
như sau:
N
Tương tự, nút k,2 sẽ khuếch đại tín hiệu nhận được
2
P | hN ,N
|
yN
và gửi đến nút tiếp theo. Sử dụng phương pháp quy
0
k,1
k ,2
k,1
=
=
M
nạp toán học, ta có thể đưa ra công thức tính SINR tại
2P | hN ,N |2 +Q | g
|2 +02
Im ,Nk ,1
0
k ,1
đích
N
D như sau:
m=1
(2)
k,1
Tk +1
.
M
)
k,t
2k,1 +
m,k,1 +1
t=1
N
=
.
(8)
D ,k
Tk +1
Tk +1
m=1
2
1+
−
(
k,t
k,t
k,1 =| hN
= P /02
|
Trong
công
thức
(2),
S ,Nk ,1
t=1
t=1
2
|
và m,k,1 =| gI
= Q /02
là các độ lợi kênh,
và
Trong công thức (8),
được xác định như sau:
m ,Nk,1
k,t
là tỷ số giữa các công suất phát và nhiễu cộng.
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
87
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG …….
2
Tuy nhiên, việc triển khai phương pháp BEST sẽ phức
tạp nhất, bởi phương pháp này yêu cầu tất cả các nút phải
ước lượng chính xác hệ số kênh truyền của kênh dữ liệu
và cả kênh giao thoa. Hơn thế nữa, các nút phải gửi các
thông tin kênh truyền về nút nguồn để nút này chọn được
đường tốt nhất. Điều này có thể tiêu tốn nhiều thời gian và
năng lượng của các nút trong mạng.
P | hN
|
k ,t−1,Nk ,t
k,t
=
=
M
2P | hN
|2 +Q | g
|2 +02
k ,t−1,Nk ,t
Im ,Nk ,t
m=1
(9)
k,t
,
M
2k,t +
m,k,t +1
m=1
III. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
A. Mô hình kênh truyền
h
ở đây,
là hệ số kênh fading Rayleigh giữa Nk,t−1
Nk ,t−1 ,Nk ,t
g
và Nk,t ,
và Nk,t ,
là hệ số kênh fading Rayleigh giữa Im
Im ,Nk ,t
2
|
2
và
là các độ
|
m ,Nk,t
k,t =| hN
m,k,t =| gI
Giả sử rằng tất cả các kênh truyền giữa các nút là kênh
fading Rayleigh. Ta cũng giả sử rằng các kênh truyền là
kênh fading chậm (slow fading), do đó các hệ số kênh
truyền được giả sử là không thay đổi trong suốt mỗi chu
trình truyền dữ liệu giữa nguồn và đích. Bởi vì biên độ
của các kênh truyền có phân phối Rayleigh, các độ lợi
kênh k,t và m,k,t đều có phân phối mũ (exponential
k,t−1,Nk,t
lợi kênh tương ứng. Ta cũng chú ý rằng Nk,0 NS và
Nk,T ND
.
k +1
Tiếp đến, dung lượng kênh toàn trình tức thời đạt được
trên đường thứ k được viết ra như sau:
1
distribution). Thật vậy, hàm phân phối tích luỹ (CDF:
Ck =
log 1+
.
(10)
(
)
2
ND ,k
Cummulative Distribution Function) của k,t và
lần
Tk +1
m,k,t
lượt được viết như sau:
1/ T +1
Trong công thức (10), hệ số
xuất hiện do sự
(
)
k
truyền dữ liệu được thực hiện trên Tk +1 khe thời gian
trực giao.
F
x =1−exp − x ,
( )
(
)
k,t
k,t
(13)
F
x =1−exp − x ,
( )
m,k,t
m,k,t
B. Các phương pháp chọn đường
trong đó, các tham số đặc trưng k,t và m,k,t sẽ được
Như đã đề cập ở trên, 03 phương pháp chọn đường sẽ
được nghiên cứu và so sánh. Trong phương pháp RAND,
nguồn sẽ chọn ngẫu nhiên một đường để truyền dữ liệu
đến đích. Việc thực hiện phương pháp RAND là đơn giản,
khi giữa nguồn và đích chỉ cần tồn tại ít nhất 01 đường.
Hơn thế nữa, giao thức RAND có thể đạt được cân bằng
tải cho các nút chuyển tiếp khi các đường có thể lần lượt
được sử dụng để truyền dữ liệu (tránh việc một đường nào
đó luôn được chọn).
biểu diễn như trong [3]-[5]:
=1/ E = d
,
k,t
k,t
Nk,t−1,Nk,t
(14)
Nk,t
m,k,t =1/ E
= d
,
m,k,t
Im ,Nk,t
với dN
là khoảng cách giữa hai nút Nk,t−1 và
,
k,t−1,Nk,t
là khoảng cách giữa hai nút
Im và
N
k,t , và là
dI
m ,Nk,t
hệ số suy hao đường truyền.
Đối với phương pháp SHORT, nguồn sẽ chọn đường
ngắn nhất trong các đường sẵn có để truyền dữ liệu. Thật
vậy, đường ngắn nhất sẽ có thời gian trễ ngắn nhất nên có
thể nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần cho hệ thống. Về
mặt toán học, ta có thể viết phương pháp SHORT như
sau:
Từ công thức (13), ta đạt được các hàm PDF tương
ứng như sau:
f x = exp − x ,
( )
(
)
k,t
k,t
k,t
(15)
(16)
f
x = exp − x .
( )
m,k,t
m,k,t
m,k,t
a = arg min 1+T .
(11)
(
)
k
k=1,2,...,K
B. Xác suất dừng (OP) của đường thứ k
Xác suất dừng của đường thứ được viết như sau:
Công thức (11) có nghĩa rằng nguồn sẽ chọn đường
thứ a để truyền dữ liệu, với điều kiện khi số chặng 1+Ta
đạt giá trị nhỏ nhất.
k
OP = Pr C C
,
(
)
k
k
th
với
C
th là một ngưỡng dừng.
Trong thực tế, nếu có nhiều hơn 01 đường có số chặng
ngắn nhất, ví dụ: có 03 đường giữa nguồn và đích, trong
đó số chặng của đường thứ nhất và đường thứ ba là 04, và
số chặng của đường thứ hai là 05. Trong trường hợp này,
Thay các công thức (8) và (10) vào trong (16), ta có:
OP = Pr
k
(
)
k
ND ,k
nguồn S trong phương pháp SHORT sẽ ngẫu nhiên chọn
N
Tk +1
đường thứ nhất hoặc đường thứ ba để gửi dữ liệu đến
đích. Do đó, nếu tất cả các đường giữa nguồn và đích đều
có số chặng bằng nhau, thì hai phương pháp SHORT và
RAND sẽ giống nhau.
k,t
(17)
t=1
= Pr
.
T +1
k
Tk +1
k
1+
−
(
)
k,t
k,t
t=1
t=1
Tiếp đến, ta xét phương pháp BEST, trong đó, đường
tốt nhất phải là đường có dung lượng kênh tức thời toàn
trình lớn nhất. Thật vậy, đường được chọn trong phương
pháp BEST sẽ là:
với
= 2^ 1+T C −1.
(18)
(
)
(
)
k
k
th
Bởi vì ta không thể đạt được một biểu thức dạng tường
minh cho xác suất trong công thức (17), do đó bài báo chỉ
b = arg max C .
(12)
(
)
k
k=1,2,...,K
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
88
Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bì nh
đưa ra công thức tính xấp xỉ. Thật vậy, tỷ số SINR toàn
1
N
=
=
D ,k
Tk +1
trình
sẽ được chặn trên như trong [20] và [23]:
ND ,k
1+1/ −1
(
)
k,t
t=1
N min
.
(19)
(
)
D ,k
k,t
(27)
t=1,2,...,Tk +1
1
M
.
Vì vậy, xác suất dừng toàn trình của đường thứ k sẽ
được chặn dưới như sau:
Tk +1
m,k,t
k,t k,t
1
1+2 +
+
−1
t=1
m=1
(20)
OP Pr min
.
(
)
Nhìn vào công thức (27), ta thấy rằng hiệu năng của
mạng khuếch đại chuyển tiếp đa chặng sẽ giảm khi mức
k
k,t
k
t=1,2,...,T +1
k
Kết hợp các công thức (9) và (20), ta có thể viết:
khiếm khuyết phần cứng (
2 ) tăng. Hơn thế nữa, nhiễu
T +1
k
phần cứng còn tích lũy theo từng chặng, và do đó tỷ số
SINR của đường thứ k sẽ không thể vượt qua giới hạn trên
sau:
Pr min
=1−
1−Pr k
(
)
(
)
k,t
k
k,t
(
)
t=1,2,...,Tk +1
t=1
1
1
N T +1
=
.
(28)
D ,k
1+2 T +1 −1
(21)
k
k
T +1
(
)
1+2 −1
k
(
)
k,t
=1−
1−Pr
k
.
M
t=1
2k,t +
m,k,t +1
t=1
Từ công thức (28), ta dễ dàng suy ra rằng, sự truyền
dữ liệu trên đường thứ k sẽ luôn bị dừng
m=1
OP =1
, nếu
(
)
k
Jk,t
như:
Xét xác suất Jk,t trong công thức (21), sử dụng các
1
hàm CDF và PDF đạt được trong (13) và (15), ta có:
k ,
(29)
1+2 T +1 −1
k
M
Jk,t = Pr 1−2 +
.
(22)
(
)
k
k
k,t
k
m,k,t
Do đó, ta có thể định nghĩa mức suy giảm phần cứng
tới hạn khi truyền chuyển tiếp dữ liệu trên một tuyến có
Tk +1 chặng như sau:
m=1
Quan sát từ công thức (22), ta thấy rằng xác suất sẽ
luôn bằng 1 nếu 1−2 k 0. Trong trường hợp
1−2 k 0,
1
ta viết tiếp (22) dưới dạng sau:
T +1 −1.
k
1+ k
m2ax,k
=
(30)
là
M
k
Jk,t = Pr k,t k,t,1 +
k,t,2
m,k,t
2
Cụ thể hơn, mức suy giảm phần cứng tới hạn
m=1
max,k
M
M
mức suy hao phần cứng mà nếu vượt qua giá trị này, sự
truyền dữ liệu trên đường thứ k sẽ luôn luôn bị dừng. Cho
nên, để tất cả các đường đều có thể được sử dụng để
truyền dữ liệu thì mức suy hao phần cứng cần phải thoả
mãn công thức sau:
(23)
(24)
F
k,t,1 +
x
f
x
(
)
k,t,2
k,t
m
m,k ,t m
+
+...
,
m=1
m=1
= 0 0
M
dx
m
m=1
2 min 2
.
với
(31)
(
)
max,k
k=1,2,...,K
k
1−2
k
1−2
k,t,1
=
,k,t,2
=
.
Cũng từ công thức (29), ta xét một bài toán khác như
sau: với mức suy giảm phần cứng cố định cho trước là
để quá trình truyền và nhận dữ liệu giữa nguồn và
đích luôn diễn ra, từ công thức (18) và (29), số chặng giữa
nguồn và đích phải thoả mãn điều kiện sau:
k
k
2 0,
Thay hàm CDF
F
.
( )
trong (13) và các hàm PDF
k,t
f
.
trong (15) vào trong công thức (23), sau một số
( )
m,k,t
phép tính tích phân, ta đạt được kết quả sau:
1
k
M
1+2 T +1 −1
k
m,k,t
(
)
(25)
Jk,t =1−exp −
.
(
)
m=1 m,k,t +k,tk,t,2
k,t k,t,1
(32)
Tk +1
1+Tk
C
)
th
1+2
−1 2(
−1 1.
(
)
Kết hợp các công thức (20), (21) và (25), ta đạt được
một biểu thức dạng đóng cận dưới cho xác suất dừng toàn
trình của đường thứ k như sau:
D. Xác suất dừng (OP) của các phương pháp chọn
đường
Tk +1
M
m,k,t
Trong mục này, xác suất dừng của các phương pháp
nghiên cứu sẽ được phân tích. Đầu tiên, ta giả sử rằng
điều kiện trong công thức (31) thỏa mãn, và do đó, tất cả
các đường đều có thể được chọn để gửi dữ liệu.
OP 1−
exp −
.
(26)
(
)
k
k,t k,t,1
+k,t
t=1
m=1
k,t,2
m,k,t
C. Phân tích sự ảnh hưởng của HI
Để thấy rõ sự tác động của HI, từ các công thức (8) và
Xét phương pháp RAND; bởi vì xác suất mà các
đường được chọn là bằng nhau và bằng 1/ K, nên xác suất
dừng của phương pháp RAND bằng trung bình cộng xác
(9), ta viết lại
dưới dạng sau:
ND ,k
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
89
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG …….
suất dừng của tất cả các đường giữa nguồn và đích. Cụ
100
thể,
K
1
OP
=
OP .
k
(33)
K
RAND
10-1
10-2
10-3
10-4
k=1
Kết hợp (26) và (33), ta đạt được công thức dạng đóng
cận dưới của OP như sau:
RAND
OP
RAND
Tk +1
K
M
m,k,t
(34)
1
RAND-Sim (M=0)
SHORT-Sim (M=0)
RAND-Sim (M=1)
SHORT-Sim (M=1)
RAND-Theory
1−
exp −
.
(
)
K
k,t k,t,1
m=1 m,k,t +k,t
k=1 t=1
k,t,2
Đối với phương pháp SHORT, xác suất dừng toàn
trình của phương này được viết như sau:
SHORT-Theory
-5
0
5
10
15
20
25
OP
= OP
SHORT
a
(dB)
Ta +1
M
m,a,t
(35)
(36)
1−
exp −
.
(
)
Hình 2. Xác suất dừng toàn trình vẽ theo
(dB) với
a,t a,t,1
+a,t
t=1
m=1
a,t,2
m,a,t
2 = 0 và
T 1,2,2 ,
=15 dB, K = 3,
Cth = 0.25.
k
Đối với phương pháp BEST, đầu tiên, ta có:
OP
= Pr C C
(
)
BEST
b
th
Hình 2 vẽ xác suất dừng toàn trình của phương pháp
RAND và SHORT theo (dB). Trong Hình 2, số đường
K
(
= Pr max C C
=
Pr C C
(
)
(
)
k
th
k
th
)
(
k=1,2,...,K
K = 3
giữa nguồn và đích là 3
, và số nút chuyển tiếp
)
k=1
K
của 03 đường này là 1, 2 và 2, ( T =1, ,
T2 = 2 T = 2 ).
1
3
=
OP .
k
Cũng trong mô phỏng này, các thiết bị được giả sử là hoàn
hảo 2 = 0, ngưỡng dừng được cố định bằng 0.25
và =15 dB. Như có thể quan sát trong
Hình 2, xác suất dừng OP của hai phương pháp RAND và
SHORT giảm khi tăng. Đó là vì khi tăng, công suất
k=1
Công thức (36) có nghĩa rằng xác suất dừng của
phương pháp BEST bằng tích xác suất dừng của tất cả các
đường sẵn có giữa nguồn và đích. Sử dụng công thức
(26), ta đạt được công thức (37) như sau:
C = 0.25 ,
(
)
th
phát của các nút tăng nên hiệu năng OP giảm. Kế tiếp,
chúng ta có thể thấy rằng OP của cả hai mô hình trong
OP
BEST
Tk +1
K
M
m,k,t
(37)
M = 0
trường hợp không có CCI
thấp hơn rất nhiều
(
)
1−
exp −
.
(
)
k,t k,t,1
m,k,t +k,t
k=1
t=1
m=1
k,t,2
M =1 .
trong trường hợp có CCI
Hơn nữa, trong Hình
(
)
2, phương pháp RAND đạt được giá trị OP thấp hơn
phương pháp SHORT. Tuy nhiên, độ chêch lệch hiệu
năng là không lớn trong cả hai trường hợp M =0 và
IV. KẾT QUẢ
Trong mục này, các kết quả mô phỏng Monte Carlo sẽ
được thực hiện để kiểm chứng các công thức xác suất
dừng toàn trình của các mô hình RAND, SHORT và
BEST. Môi trường mô phỏng là hệ trục toạ độ Oxy, trong
đó nguồn NS được cố định ở gốc toạ độ (0,0), đích ND
M =1. Quan sát ở các giá trị lớn, ta thấy rằng đường OP
của cả hai mô hình song song với nhau, điều này chứng tỏ
rằng hai phương pháp RAND và SHORT có độ lợi phân
tập bằng nhau. Chúng ta cũng lưu ý rằng các giá trị mô
phỏng (Sim) chính là các giá trị OP chính xác của hai
phương pháp RAND và SHORT, trong khi đó các giá trị
lý thuyết chỉ là các giá trị chặn dưới của hiệu năng xác
suất dừng. Hình 2 cũng cho thấy rằng khi M = 0, giá trị
Nk,t
có vị trí là (1,0), và nút
được đặt ở vị trí
k =1,2,...,K, t =1,2,...,Tk . Với các
t / T +1 ,0 , với
(
)
k
vị trí này, khoảng cách giữa nguồn và đích được cố định
bằng 1, và khoảng cách giữa hai nút kề nhau trên đường
OP mô phỏng sẽ hội tụ về giá trị OP lý thuyết khi đủ
lớn. Tuy nhiên, các giá trị OP mô phỏng và lý thuyết
không hội tụ về nhau khi có sự xuất hiện của nguồn giao
thoa. Hơn nữa, khi M =1, xác suất dừng của cả hai
phương pháp RAND và SHORT đều rất lớn, đặc biệt xác
suất dừng hầu như bằng 1 với các giá trị từ -5 dB đến 5
1/ T +1
thứ k là
. Để tập trung vào sự tác động của CCI
(
)
k
và HI lên xác suất dừng hệ thống, trong tất cả các kết quả
mô phỏng và lý thuyết, ta giả sử rằng các nguồn giao thoa
Im được cố định ở vị trí (0.5,-0.5), hệ số suy hao đường
truyền
cố định bằng 3 và phương sai của nhiễu cộng
bằng 1. Trong các hình vẽ, các kết quả mô phỏng
dB.
2
được ký hiệu là Sim (Simulation) và các kết quả lý thuyết
được ký hiệu là Theory. Số phép thử được sử dụng để
thực hiện mô phỏng Monte Carlo là từ 5*105 đến 5*106.
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
90
Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bì nh
100
thích rằng phương pháp BEST đạt được độ lợi phân tập
cao hơn khi tồn tại nhiều đường hơn giữa nguồn và đích.
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-1
10-2
RAND-Sim
SHORT-Sim
BEST-Sim
RAND-Sim
SHORT-Sim
10-3
RAND-Theory
SHORT-Theory
BEST-Theory
BEST-Sim (K=2)
BEST-Sim (K=3)
RAND-Theory
SHORT-Theory
10-4
BEST-Theory
0
5
10
15
20
25
30
35
40
(dB)
10-5
5
10
15
20
25
30
Hình 3. Xác suất dừng toàn trình vẽ theo (dB) với
(dB)
T 1,3 , 2 = 0.01, M =1
K = 2,
= 20 dB,
Cth = 0.25.
k
Hình 4. Xác suất dừng toàn trình vẽ theo (dB) với
và
2 = 0.01,
T = 2 k ,
=15 dB,
Cth = 0.25.
(
)
M =2 và
k
Hình 3 so sánh hiệu năng OP của cả 03 phương pháp
nghiên cứu khi dB,
= 20
K = 2,
100
T 1,3 , 2 = 0.01,
và Cth = 0.25. Như ta có thể
M =1
k
RAND-Sim
thấy, mô hình BEST đạt được giá trị OP thấp hơn rất
nhiều khi so sánh với 02 mô hình còn lại. Nguyên nhân là
vì mô hình BEST lựa chọn đường dựa vào dung lượng
kênh toàn trình tức thời, trong khi phương pháp RAND và
SHORT không quan tâm đến chất lượng kênh truyền.
Tương tự như Hình 2, Hình 3 cũng cho thấy rằng giá trị
OP của phương pháp RAND và SHORT là khá lớn (lớn
RAND-Theory
SHORT-Sim
SHORT-Theory
BEST-Sim
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
BEST-Theory
M =1 .
hơn 0.01) khi có sự xuất hiện của nguồn nhiễu
(
)
Quan sát từ hình vẽ, ta cũng thấy rằng độ dốc của OP
trong phương pháp chọn đường BEST lớn hơn các
phương pháp còn lại. Đó là vì phương pháp BEST chọn
đường có dung lượng kênh toàn trình lớn nhất trong các
đường sẵn có, và vì vậy, BEST đạt được độ lợi phân tập
cao hơn hai phương pháp RAND và SHORT. Trong Hình
2 và Hình 3, ta cũng thấy rằng việc chọn đường ngắn nhất
không hiệu quả trong môi trường có sự tác động chung
của CCI và HI. Như chúng ta có thể thấy, OP của phương
pháp chọn đường SHORT lớn hơn OP của phương pháp
chọn đường RAND trong cả hai Hình 2 và 3.
1
2
3
4
5
6
7
T
Hì nh 5. Xá c suất dừng toàn trình vẽ theo T với
=15
.
2 = 0.01, M = 0
C = 0.5
dB, K = 2,
và
th
Hình 5 nghiên cứu sự ảnh hưởng của số chặng lên hiệu
năng của các phương pháp nghiên cứu. Trong mô phỏng
này, ta giả sử có 02 tuyến giữa nguồn và đích (K = 2), và
không có sự ảnh hưởng của CCI (M = 0). Hơn nữa, giả sử
rằng tất cả các tuyến đều có số chặng bằng nhau và bằng
Trong Hình 4, OP của 03 phương pháp nghiên cứu
2 = 0.01, M = 2
được vẽ theo (dB) khi =15 dB,
và
Cth = 0.25. Hơn nữa, giả sử rằng tất cả các đường đều có
số nút chuyển tiếp bằng nhau và bằng 2, tức là
T = T k .
T:
Vì vậy, giá trị OP của mô hình RAND và
(
)
k
T = 2 k .
Như đã đề cập ở trên, trong trường hợp này,
(
)
k
SHORT sẽ giống nhau như được thể hiện trong hình vẽ
này. Các thông số khác được thiết lập trong Hình 5 là
hiệu năng của hai mô hình RAND và SHORT là tương
đương nhau và Hình 4 đã minh chứng điều này. Cũng
trong Hình 4, ta xét hai trường hợp: số đường (K) giữa
nguồn và đích bằng 2 và bằng 3. Bởi vì hai mô hình
RAND và SHORT không phụ thuộc vào số đường giữa
nguồn và đích nên OP của cả hai mô hình này không thay
đổi khi K thay đổi. Tuy nhiên, giá trị OP của phương pháp
BEST lại giảm đáng kể khi K tăng từ 2 lên 3. Như đã
chứng minh trong công thức (36), OP của phương pháp
BEST sẽ bằng tích OP của các đường, và do đó, khi số
đường tăng thì OP của phương pháp này sẽ giảm. Hơn
nữa, độ dốc của đường OP trong phương pháp BEST với
K = 3 lớn hơn độ dốc với K = 2. Điều này có thể được giải
2 = 0.01. Với các giá trị
Cth = 0.5
=15 dB,
C = 0.5
và
và 2 = 0.01, dựa vào công thức (32), ta có:
th
1.001T+1 −1 2(1+T 0.5 −1 1.
)
(38)
Giải bất đẳng thức (38), ta có T 6. Và đây là lý do
tại sao trong Hình 5, khi T = 7 thì OP của cả 03 mô hình
RAND, SHORT và BEST đều bằng 1. Cũng trong Hình 5,
ta cũng thấy rằng số chặng cũng tác động đáng kể lên hiệu
năng OP toàn trình. Trong hình vẽ này, ta cũng thấy rằng,
tồn tại giá trị của T để xác suất dừng của các mô hình đạt
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
91
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG …….
[8] K. Tourki, K. A. Qaraqe, M. Alouini, “Outage Analysis for
Underlay Cognitive Networks Using Incremental
Regenerative Relaying,” IEEE Transactions on Vehicular
Technology, vol. 62, no. 2, pp. 721-734, Feb. 2013.
giá trị nhỏ nhất. Cụ thể, khi
OP của các phương pháp đạt giá trị nhỏ nhất (quan sát kết
quả mô phỏng). Điều này có thể được giải thích như sau:
(số chặng bằng 3) thì
T = 2
khi
, khoảng cách giữa nguồn và các nút chuyển tiếp
T =1
lớn, và do đó chất lượng của các kênh truyền xấu (về mặt
trung bình), dẫn đến OP lớn. Tuy nhiên, khi quá lớn thì
[9] M. O. Hasna, M.-S. Alouini, “Outage Probability of
Multihop Transmission over Nakagami Fading Channels,”
IEEE Communications Letters, vol. 7, no. 5, pp. 216–218,
May 2003.
T
1/ T +1
dung lượng kênh lại giảm mạnh bởi hệ số
, do
(
)
đó OP của các mô hình cũng lớn. Cuối cùng, ta cũng có
thể quan sát từ Hình 5 rằng, độ lệch giữa kết quả mô
phỏng và lý thuyết là lớn khi số chặng tăng.
[10] C. Conne, I. Kim, “Outage Probability of Multi-hop
Amplify-and-Forward Relay Systems,” IEEE Transactions
on Wireless Communications, vol. 9, no. 3, pp. 1139–
1149, March 2010.
I. KẾT LUẬN
[11] A. E. Khandani, J. Abounadi, E. Modiano and L. Zheng,
“Cooperative Routing in Static Wireless Networks,” IEEE
Transactions on Communications, vol. 55, no. 11, pp.
2185-2192, Nov. 2007.
Bài báo đã nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng toàn
trình cho 03 phương pháp RAND, SHORT và BEST dưới
sự tác động của fading kênh truyền, sự xuất hiện của CCI
và nhiễu gây ra do HI. Với sự xuất hiện của CCI, hiệu
năng của các mô hình RAND và SHORT giảm mạnh. Các
kết quả cũng cho thấy rằng mô hình BEST có thể đạt được
hiệu năng tốt hơn rất nhiều khi so sánh với 02 mô hình
còn lại. Hơn thế nữa, đối với kỹ thuật chuyển tiếp AF,
nhiễu phần cứng sẽ tích luỹ theo mỗi chặng và tác động
tiêu cực đến hiệu năng dừng toàn trình. Để nâng cao hiệu
năng hệ thống, các thiết bị cần được trang bị với phần
cứng tốt hơn (giảm mức suy hao phần cứng), đồng thời số
chặng giữa nguồn và đích cũng cần được thiết kế thích
hợp.
[12] P. T. Tin, et. al., “Secrecy Performance Enhancement for
Underlay Cognitive Radio Networks Employing
Cooperative Multi-hop Transmission With and Without
Presence of Hardware Impairments,” Entropy, vol. 21, no.
2, 217, Feb. 2019.
[13] T. T. Duy, et. al., “Mô hình truyền đa chặng sử dụng
truyền thông cộng tác tăng cường trong vô tuyến nhận thức
dạng nền,” Hội thảo Quốc gia 2014 về điện tử, Truyền
thông và Công nghệ Thông tin (ECIT2014), pp. 238-243,
Nha Trang, Viet Nam, 09/2014.
[14] M. R. Bhatnagar, “Performance Analysis of a Path
Selection Scheme in Multi-Hop Decode-and-Forward
Protocol,” IEEE Communications Letters, vol. 16, no. 12,
pp. 1980-1983, Dec. 2012.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Học Viện Công Nghệ
Bưu Chính Viễn Thông Cơ Sở Tại Thành Phố Hồ Chí
Minh với mã số đề tài 04-HV-2020-RD_VT2.
[15] M. R. Bhatnagar, R. K. Mallik, O. Tirkkonen,
“Performance Evaluation of Best-Path Selection in a
Multihop Decode-And-Forward Cooperative System,”
IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 65, no.
4, pp. 2722–2728, Apr. 2016.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] R. Pabst, et al., “Relay-Based Deployment Concepts for
Wireless and Mobile Broadband Radio,” IEEE
Communications Magazine, vol. 42, no. 9, pp. 80-89, Sept.
2004.
[16] T. D. Hieu, T. T. Duy, and B.-S. Kim, “Performance
Enhancement for Multihop Harvest-to-Transmit WSNs
with Path-Selection Methods in Presence of Eavesdroppers
and Hardware Noises,” IEEE Sensors Journal, vol. 18, no.
12, pp. 5173–5186, Jun. 2018.
[2] J. N. Laneman, G. W. Wornell, “Distributed Space Time
Coded Protocols for Exploiting Cooperative Diversity in
Wireless Networks,” IEEE Transactions on Information
Theory, vol. 49, no. 10, pp. 2415-2425, Nov. 2003.
[17] P. M. Quang, T. T. Duy, and V. N. Q. Bảo, “Khảo Sát Sự
Ảnh Hưởng Của Phần Cứng Không Hoàn Hảo Lên Mạng
Chuyển Tiếp Đa Chặng Trong Các Môi Trường Fading
Khác Nhau,” Hội Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử,
Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015),
TPHCM, Vietnam, 2015, pp. 471-476, 12/2015.
[3] J. N. Laneman, D. N. C. Tse, G. W. Wornell, “Cooperative
Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and
Outage Behavior,” IEEE Transactions on Information
Theory, vol. 50, no. 12, pp. 3062-3080, Dec. 2004.
[18] T. T. Duy, C. N. Trang, V. N. Q. Bao, T. Hanh, “Joint
impact of hardware impairment and co-channel
interference on multi-hop relaying,” in Proc. of 2015
International Conference on Advanced Technologies for
Communications (ATC), pp. 88-92, 2015.
[4] T. T. Duy and H.Y. Kong, “Performance Analysis of
Incremental Amplify-and-Forward Relaying Protocols
with Nth Best Partial Relay Selection under Interference
Constraint,” Wireless Personal Communications, vol. 71,
no. 4, pp. 2741-2757, Aug. 2013.
[19] P. T. D. Ngoc, T. T. Duy, K. Ho-Van, N. T. Binh,
“Performance Evaluation of Best Path Selection Protocol
in Multi-hop Relaying Networks under Joint Impact of Co-
channel Interference and Hardware Impairments,” Journal
of Science and Technology: Issue on Information and
Communications Technology, vol. 4, pp. 33-38, Aug.
2018.
[5] T. D. Hieu, T. T. Duy, S. G. Choi, “Secrecy Performance
of a Generalized Partial Relay Selection Protocol in
Underlay Cognitive Networks,” International Journal of
Communication Systems, vol. 31, no. 17, pp. 1-17, 2018.
[6] T. T. Duy, et al., “Proactive Relay Selection with Joint
Impact of Hardware Impairment and Co-channel
Interference,” IEEE Transactions on Communications, vol.
63, no. 5, pp. 1594-1606, May 2015.
[20] B. Q. Duc, D. T. Hung, T. T. Duy, N. T. Binh, “Phân Tích
Hiệu Năng Mạng Khuếch Đại Chuyển Tiếp Đa Chặng
Dưới Sự Ảnh Hưởng Chung Của Nhiễu Đồng Kênh Và
Nhiễu Phần Cứng,” Hội thảo Quốc gia lần thứ XXII về
điện tử, Truyền thông và Công nghệ Thông tin (REV-
ECIT 2019), pp. 247-252, Hà Nội, Việt Nam, 12/2019.
[7] K. Tourki, H. Yang, M. Alouini, “Accurate Outage
Analysis
of
Incremental
Decode-and-Forward
Opportunistic Relaying,” IEEE Transactions on Wireless
Communications, vol. 10, no. 4, pp. 1021-1025, Apr. 2011.
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
92
Phạm Minh Quang, Nguyễn Thanh Bì nh
[21] M. Matthaiou, A. Papadogiannis, E. Bjornson, M. Debbah,
Nguyễn Thanh Bình, Nhận bằng
Tiến sĩ vào năm 1995. TS. Nguyễn
Thanh Bình hiện đang công tác tại
Khoa Kỹ thuật điện tử 2 thuộc Học
Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn
Thông cơ sở tại TP. Hồ Chí Minh.
Hướng nghiên cứu hiện tại đang
quan tâm bao gồm: Kỹ thuật phát
thanh, truyền hình, xử lý tín hiệu và
truyền thông.
“Two-way Relaying Under the Presence of Relay
Transceiver
Hardware
Impairments,”
IEEE
Communications Letters, vol. 17, no. 6, pp. 1136–1139,
Jun. 2013.
[22] E. Bjornson, M. Matthaiou, M. Debbah, “A New Look at
Dual-Hop Relaying: Performance Limits With Hardware
Impairments,” IEEE Transactions on Communications,
vol. 61, no. 11, pp. 4512–4525, Nov. 2013.
[23] T. Soithong, V. A. Aalo, G. P. Efthymoglou, C.
Chayawan, “Performance of Multihop Relay Systems with
Co-Channel Interference in Rayleigh Fading Channels,”
IEEE Communications Letters, vol. 15, no. 8, pp. 836 –
838, Aug. 2011.
Email: [email protected]n
PERFORMANCE EVALUATION OF MULTI-HOP
MULTI-PATH AMPLIFY-AND-FORWARD
RELAYING NETWORKS UNDER JOINT IMPACT
OF CO-CHANNEL INTERFERENCE AND
HARDWARE IMPAIRMENTS
Abstract: In this paper, we evaluate performance of
multi-hop multi-path amplify-and-forward (AF) relaying
networks under joint impact of co-channel interference
and hardware impairments. We propose three efficient
path selection methods named RAND, SHORT and
BEST. In the RAND method, a random path is selected
to transmit data from the source to the destination, while
the SHORT one chooses the path having the lowest
number of hops for the data transmission. In the BEST
method, the selected path is the path, which obtains the
highest end-to-end (e2e) channel capacity. For
performance evaluation, we first derive exact expressions
of e2e Signal-to Interference-plus-Noise Ratio (SINR).
Then, lower-bound closed-form expressions of the e2e
outage probability (OP) of the proposed methods over
Rayleigh fading channel are derived. Finally, Monte
Carlo simulations are performed for verifying the derived
formulas, comparing the RAND, SHORT and BEST
performance, and showing effect of the important system
parameters on the e2e OP.
Keywords: multi-hop and multi-path, Amplify-and-
forward,
co-channel
interference,
hardware
impairment, outage probability.
Phạm Minh Quang, Nhận bằng cử
nhân và bằng thạc sĩ tại Trường Đại
Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học
Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh vào năm
2007 và năm 2012. ThS. Quang hiện
đang công tác tại Khoa Viễn thông 2
thuộc Học Viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông cơ sở tại TP. Hồ
Chí Minh. Hướng nghiên cứu hiện tại
đang quan tâm bao gồm: thông tin vô
tuyến, kỹ thuật thu thập năng lượng
vô tuyến, phân tích hiệu năng mạng
vô tuyến
Email:
SOÁ 03 (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
93
9 trang
23920
Free
Bạn đang xem tài liệu "Phân tích hiệu năng mạng khuếch đại chuyển tiếp đa chặng đa đường với sự tác động đồng thời của nhiễu đồng kênh và phần cứng không hoàn hảo", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- phan_tich_hieu_nang_mang_khuech_dai_chuyen_tiep_da_chang_da.pdf
