Đánh giá hiệu năng mạng chuyển tiếp đa chặng trong truyền thông gói tin ngắn
Huỳnh Văn Hóa, Ngô Hoàng Tú, Võ Nguyễn Quốc Bảo
________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN
TIẾP ĐA CHẶNG TRONG TRUYỀN THÔ NG
GÓ I TIN NGẮN
Huỳnh Văn Hóa*, Ngô Hoàng Tú+ Võ Nguyễn Quốc Bảo*
,
* Học Viện Cô ng Nghệ Bưu Chính Viễn Thô ng
+ Khoa Cô ng nghệ thô ng tin, Trường Đại học Giao Thô ng Vận Tải thành phố Hồ Chí Minh
1Tóm tắt: Trong bài báo này, chúng tôi phân tích tỉ lệ
lỗi khối của mạng truyền thông gói tin ngắn nhằm mở rộng
vùng phủ sóng và giảm tỉ lệ lỗi khối dưới tác động của
kênh truyền fading Rayleigh. Trong mô hình đề xuất, nút
đích sẽ nhận được dữ liệu thông qua các nút chuyển tiếp.
Tỉ lệ lỗi khối ở kênh truyền này được chứng minh dưới cả
hai dạng là chính xác và xấp xỉ bằng biểu thức dạng tường
minh (closed-form expression). Cuối cùng, chúng tôi thực
hiện mô phỏng Monte-Carlo để kiểm chứng lại các kết quả
đã phân tích được.
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 cầu 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 thông chuyển tiếp tăng cường được khảo
sát lần lượt trong [9] và [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 vùng 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
là; việc mở rộng vùng phủ sóng sẽ giúp kết nối các thiết bị
giao tiếp lẫn 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.
Từ khóa- fading Rayleigh, giải mã và chuyển tiếp, tỉ lệ
lỗi khối, truyền thông gói tin ngắn.
I.
GIỚI THIỆU
Trong những năm gần đây, thế giới chúng ta đang 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 dụng 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 trong
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
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 giả đã đề xuất mô
Tác giả liên hệ: Võ Nguyễn Quốc Bảo
Email: [email protected]du.vn
Đến tòa soạn:10/2020, chỉnh sửa: 11/2020, chấp nhận đăng: 12/2020.
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
43
ĐÁ NH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG TRONG TRUYỀN THÔ NG SỬ DỤNG GÓ I TIN NGẮN
hình mạng truyền thông gói tin ngắn kết hợp với kỹ thuật
chuyển tiếp theo phương thức đa truy nhập không trực giao
(NOMA). Trong 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 thấy sự ảnh hưởng đầy đủ các
thông số của nút chuyển tiếp, khi mà số nút chuyển tiếp lớn
hơn hai.
P
Rk−1 nk
,
với
là công suất phát của
là nhiễu Gauss
với giá trị
k−1
trắng cộng AWGN tại nút chuyển tiếp thứ
k
trung bình bằng 0 và phương sai bằng k2 , và là thông
E x 2 =1
x
tin của nút nguồn có năng lượng chuẩn hóa
,
E .
với
là toán tử kỳ vọng thống kê. Để công suất nhiễu
trắng ở các máy thu là như nhau, chúng tôi giả sử k2 = 2
.
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
Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành thiết kế và
phân tích một hệ thống mạng với số nút chuyển tiếp lớn
hơn hai trong truyền thông gói tin ngắn, hoạt động 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 biểu thức tính tỉ lệ lỗi khối
dạng đóng trên kênh truyền fading Rayleigh.
Rk
tín hiệu trên nhiễu (SNR) nhận được tại
(được ký hiệu
là k ) sẽ tuân theo phân bố mũ với giá trị trung bình được
biểu diễn như sau
P k
k−1
k =
,
(2)
2
Phần tiếp theo của bài báo được 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 và 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.
k
với
là độ lợi kênh trung bình tương ứng của đường
Rk−1 → Rk
truyền
.
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
k
F
=1−exp −
( )
k
.
(3)
II. MÔ HÌ NH HỆ THỐNG
1
k
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đề xuất mô hình mạng
chuyển tiếp đa chặng trong truyền thông gói tin ngắn để
f = exp −
( )
k
k
m
Theo như trong [26], mỗi giá trị của
nên lớn hơn 100,
vì 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
RK
R
1
h2
hK+1
h
1
R0
RK+1
R2
Hꢀnh 1. Mô hì nh mạng chuyển tiếp đa chặng trong truyền
thô ng gó i tin ngắn
R0
Rk+1
truyền bit thông tin đến
hiệu tiếp theo. Khi
qua chặng trong suốt một chu kỳ truyền. Ta có tỉ lệ
mã hóa của mỗi chặng là
K +1
Các thành phần chính của hệ thống gồm một nút nguồn
R
R
K +1
, một nút đích
và các nút chuyển tiếp, lần lượt
(
)
(
)
0
K +1
(
)
r =
.
(4)
R , R2 ,..., RK
được ký hiệu là
tiếp sẽ sử dụng kỹ thuật DF để giải mã và chuyển tiếp tín
hk
1
m
Công thức số (4) biểu diễn tốc độ mã hóa của mỗi chặng
K +1
hiệu vừa nhận được đến nút chuyển tiếp kế tiếp. Gọi
Rk−1
là
trong
chặng sẽ bằng số bit thông tin chia cho thời
(
)
Rk
.
hệ số kênh truyền giữa
và
gian truyền của mỗi chặng.
Hoạt động truyền tín hiệu của hệ thống thông qua các
III. ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
m
khe thời gian với tổng chiều dài gói tin là , và gói tin
này sẽ được chia thành các khối tin (blocklength) có chiều
A. Tỉ lệ lỗi khối dạng chính xác
m
R0
R
dài bằng nhau
và được truyền từ
đến K+1 , với
Trong truyền thông gói tin ngắn, khi chiều dài khối tin
K +1
BLER
đủ lớn, tỉ lệ lỗi khối
trung bình được xấp xỉ như
(
)
là số chặng trong mạng. Ta có tín hiệu nhận được tại
K
trong [27, Eq. (59)] và [28, Eq. (4)] theo từng chặng là
2 là
Rk
k =1, K +1
C −r
(
)
k
,
(1)
yk = P h x+nk
BLERk E
Q
,
(5)
k−1
k
k
V / m
(
)
k
2 Giá trị k =1,K +1 sẽ được sử dụng xuyên suốt bài báo này.
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
44
Huỳnh Văn Hóa, Ngô Hoàng Tú, Võ Nguyễn Quốc Bảo
___________________________________________________________________________________________________________________________________________
H
k
BLERk m 1−exp −
d
L
(9)
H
k
L
k
= m − + exp −
−exp −
.
k
H
L
BLERe2e =BLER + 1−BLER BLER +...+ 1−BLER ... 1−BLER
BLER
K
(
)
(
1 ) (
)
1
1
2
K−1
k
K+1
(10)
=BLER +
BLER
1−BLER
(
m−1
.
)
1
k
k=2
m=2
Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp có lựa chọn (SDF) là
BLERk
với
từ
là tỉ lệ lỗi khối của một chu kỳ truyền tín hiệu
một kỹ thuật được áp dụng tại nút chuyển tiếp với cơ chế
là nếu nút chuyển tiếp không giải mã đúng được dữ liệu
nhận được thì sẽ không tiếp tục chuyển tiếp dữ liệu đến
nút tiếp theo [29].
Rk−1
Rk
đến
và được định nghĩa là
.
xfX x dx
X =
( )
( )
−
Giả sử các nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật SDF nên
tỉ lệ lỗi khối toàn trình được tính theo công thức (10)
(Chứng minh: Xem phụ lục A).
Viết lại biểu thức (5) ở dạng tường minh, ta có tỉ lệ lỗi
k
khối trung bình tại chặng thứ
được tính như sau
C −r
(
)
k
B. Tỉ lệ lỗi khối dạng xấp xỉ
BLER Q
f d,
(6)
( )
k
k
V / m
(
)
0
Tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày dạng xấp xỉ của tỉ lệ
lỗi khối để có đánh giá khách quan hơn về hiệu năng của
hệ thống ở mức công suất nguồn phát cao. Dạng xấp xỉ
này được xem như là một đường giới hạn trên (upper
bound) cho các giá trị của tỉ lệ lỗi khối khi càng tăng mức
công suất nguồn phát tiến ra vô cùng. Điều này có nghĩa
là tỉ lệ lỗi khối toàn trình của hệ thống luôn đạt giá trị
nhỏ hơn hoặc bằng giá trị đường giới hạn trên này cho
dù có tăng công suất phát lớn thế nào đi chăng nữa. Mặt
khác, đây cũng là điều mà chúng ta mong muốn vì tỉ lệ
lỗi khối càng nhỏ thì hiệu năng hệ thống càng được cải
thiện.
k
fX
x
là hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên
với
( )
.
X
C −r
(
)
k
Q
Bởi vì biểu thức
rất phức tạp nên sẽ
V / m
(
)
k
rất khó để tìm ra biểu thức dạng tường minh (closed-form
expression) cho công thức (6). Áp dụng [26, Eq. (4)],
chúng tôi triển khai hàm xấp xỉ đối với hàm
Q .
( )
, cụ thể
C −r
(
)
k
Sử dụng vô cùng bé tương đương của hàm
Q
là
, với
(
)
1−exp −x
khi
, kết quả tiệm cận của
x →0
(
)
V / m
(
)
k
BLERk
được tính như sau
1,
k L
− m − , L k H , (7)
H
L
1
Z
(
=
BLERk,tc m
d
)
(
)
k
k
2
k
(11)
0,
k H
2
2
H − L
m
=
.
k
2
1
1
=
H = +
với
,
= 2r −1
,
và
2 22r−1
2 m
Dễ thấy rằng giá trị của tỉ lệ lỗi khối từng chặng
1
BLERk
thì rất nhỏ khi công suất nguồn phát càng lớn.
L = −
.
2 m
BLERk,tc
Khi đó, ta có
1−BLERk,tc 1
, điều này đồng nghĩa là
. Tỉ lệ lỗi khối toàn trình dạng xấp xỉ có
BLERk
Thay (7) vào (6),
được tính như sau
thể được viết lại như công thức (12).
H
f
d = m
( )
F
k
d.
( )
BLER = Z
(
)
(8)
k
k
k
0
L
BLERk
Thay (3) vào (8), ta tính được
như công thức (9).
của mỗi chặng
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
45
ĐÁ NH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG TRONG TRUYỀN THÔ NG SỬ DỤNG GÓ I TIN NGẮN
BLERe2e,tc = BLER1,tc + 1−BLER BLER +...+ 1−BLER ... 1−BLER
BLER
K,tc
(
)
(
1,tc ) (
)
1,tc
2,tc
K−1,tc
K+1
(12)
BLER
.
k,tc
k=1
được các giá trị của tỉ lệ lỗi khối toàn trình càng
IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
BLER
Trong phần này, chúng tôi sử dụng phương pháp mô
phỏng Monte-Carlo trên phần mềm Matlab cũng như trong
sách mô phỏng [30] cho mô hình đề xuất để kiểm chứng
lại các kết quả lý thuyết đã được trình bày ở phần trước.
giảm khi công suất phát tăng. Cụ thể, khi ta tăng công suất
phát lần lượt là 10, 15 và 20 dBm, giá trị của tỉ lệ lỗi khối
10−1,
−2
toàn trình
tương ứng là vào khoảng
2.510
BLER
và 0.110−2. Điều này có nghĩa là khi ta càng tăng công
suất phát của nguồn phát thì hiệu năng hệ thống sẽ càng
được cải thiện như mong đợi. Đặc biệt, quan sát riêng lẻ
trên cùng một giá trị công suất phát thì tỉ lệ lỗi khối đạt giá
Để đơn giản và không mất tính tổng quát, chúng tôi xem
xét mô hình tuyến tính đơn giản là nút nguồn, nút đích và
các nút chuyển tiếp được đặt trên cùng một đường thẳng.
2
Xem xét kênh chuẩn hóa với công suất nhiễu là
= 0
trị nhỏ nhất khi
trong tất cả các trường hợp khảo sát
K =1
dBm. Một vài thông số để thực hiện mô phỏng như sau: số
bit thông tin là = 256 và chiều dài khối
P
của S . Điều này có thể kết luận rằng đối với mô hình đề
.
m= 256
xuất này thì sử dụng một nút chuyển tiếp để truyền dữ liệu
Tương tự như các thông số trong [15], độ lợi kênh trung
là hiệu quả nhất. Do đó, chúng tôi sẽ sử dụng giá trị
cho các khảo sát tiếp theo.
K =1
bình được tính theo mô hình suy hao trong không gian tự
do là k = dk− , với
là hệ số suy hao của kênh truyền
(giá trị điển hình của là từ 2 đến 6). Trong nghiên cứu
này, chúng tôi sử dụng = 3 . Chúng tôi giả sử rằng
R0
RK+1
được chuẩn hóa với
khoảng cách giữa nút
và
dk
, xem xét kênh truyền đối xứng với
là khoảng
D =1
1
cách bằng nhau giữa các nút và
. Ngoài ra,
dk =
K +1
chúng tôi cũng xem xét mô hình với giả sử phân bổ công
P
S
\suất đều cho từng nút chuyển tiếp, nghĩa là
.
P =
k
K +1
P
Tổng công suất truyền của nguồn phát năng lượng
S
0dBm 30dBm
được khảo sát từ
đến
.
Hì nh 3. Ảnh hưởng của chiều dài khối tin, với
K =1
là một
Tiếp theo, chúng tôi khảo sát tỉ lệ lỗi khối
BLER
m
hàm theo độ dài khối
m
tối ưu cho mô hình hệ thống.
m
Cụ thể, giá trị của
càng tăng thì ở tất cả các
BLER
trường hợp giảm. Hơn nữa, chúng ta cũng thấy rằng tỉ lệ
m
lỗi khối toàn chặng sẽ bằng không nếu
tiến tới vô cùng
hay lim BLERe2e m = 0 (Chứng minh: Xem phụ lục B).
( )
Điều này có nghĩa là chúng ta chỉ có thể kết luận
lớn càng tốt mà không có một giá trị cụ thể nào, miễn là
như đã đề cập thì hiệu năng hệ thống sẽ càng
m→+
m
càng
m100
được cải thiện. Tuy nhiên, cũng phải cân nhắc rằng mục
tiêu của truyền thông gói ngắn đó là độ dài khối càng ngắn
thì độ trễ truyền sẽ được giảm. Do đó, cân nhắc trong cả
Hꢀnh 2. Ảnh hưởng của số nút chuyển tiếp lên hiệu năng
hệ thống
m
hai tình huống ưu nhược điểm của việc tăng hoặc giảm
m
chúng ta sẽ ràng buộc được giá trị
cụ thể nhằm mục tiêu
Đầu tiên, chúng tôi sẽ khảo sát sự ảnh hưởng của số nút
số lượng nút chuyển tiếp tối ưu cho mô hình. Mục tiêu là
càng ít số lượng nút chuyển tiếp càng tốt mà hiệu năng hệ
thống vẫn được cải thiện vì như vậy chúng ta sẽ tiết kiệm
được chi phí triển khai và thậm chí là giảm thiểu được tổng
độ trễ truyền khi truyền qua các nút chuyển tiếp.
đảm bảo chất lượng của một dịch vụ cụ thể. Ví dụ, giả sử
mức tỷ lệ lỗi khối có thể chấp nhận được của một dịch vụ
mà chúng ta muốn cung cấp là 210−2 chẳng hạn, thì giá
m
trị của
ứng với từng trường hợp công suất phát 10, 15
và 20 dBm là khoảng 1000, 400 và 250. Mặt khác, khi
công suất phát của các nút nguồn và các nút chuyển tiếp
tăng thì hiệu năng của hệ thống cũng được cải thiện đáng
kể. Quan trọng hơn hết vẫn là các kết quả lý thuyết của
chúng tôi hoàn toàn trùng khớp với các kết quả mô phỏng
thuyết (Analysis) hoàn toàn trùng khớp với các kết quả
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
46
Huỳnh Văn Hóa, Ngô Hoàng Tú, Võ Nguyễn Quốc Bảo
___________________________________________________________________________________________________________________________________________
và một lần nữa xác thực tính chính xác từ các kết quả tính
độ trễ truyền sẽ được giảm. Do đó, cân nhắc trong cả hai
m
toán trong các phần trước.
tình huống ưu nhược điểm của việc tăng hoặc giảm
m
chúng ta sẽ ràng buộc được giá trị
cụ thể nhằm mục tiêu
P
đảm bảo chất lượng của một dịch vụ cụ thể. Và đối với
S
, mặc dù tăng công suất phát làm cho hiệu năng hệ thống
được cải thiện nhưng chúng ta cũng không nên lạm dụng
tăng công suất phát quá lớn sẽ có thể ảnh hưởng can nhiễu
lớn lên các người dùng khác của hệ thống. Đặc biệt, chúng
tôi cũng chỉ ra được giá trị
mạng hai chặng (dual-hop) là tối ưu trong trường hợp mô
hay nói cách khác là
K =1
hình đề xuất này.
LỜI CẢM ƠN
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Học Viện Công Nghệ
Bưu Chính Viễn Thông trong đề tài có mã số 14-HV-
2020-RD_VT2.
Hì nh 4. Ảnh hưởng của giá trị cô ng suất phá t lên hiệu
năng hệ thống với
PHỤ LỤC A
K =1
Cuối cùng, chúng tôi sẽ khảo sát tỉ lệ lỗi khối toàn trình
chúng ta có thể thấy rằng các đường phân tích lý thuyết
dạng chính xác hoàn toàn trùng khớp với các kết quả mô
phỏng. Điều này chứng minh rằng các phân tích lý thuyết
của chúng tôi là chính xác. Hơn nữa, đường xấp xỉ hội tụ
với đường chính xác và đường mô phỏng ở dải công suất
phát cao cũng cho thấy rằng các giá trị của tỉ lệ lỗi khối
luôn nhỏ hơn hoặc bằng các giá trị đường xấp xỉ này. Mặt
Trong phần này chúng tôi sẽ thực hiện chứng minh công
thức (10).
Giả sử trong trường hợp hệ thống truyền dữ liệu 2 chặng
bao gồm 1 nút nguồn, 1 nút chuyển tiếp và 1 nút đích. Khi
hệ thống sử dụng kỹ thuật SDF tại nút chuyển tiếp, tỉ lệ lỗi
khối toàn trình là tổng tỉ lệ lỗi khối của hai trường hợp
được phân tích cụ thể như sau:
i) Nếu nút chuyển tiếp không giải mã đúng được dữ liệu
nhận được từ nút nguồn thì sẽ không tiếp tục chuyển
tiếp dữ liệu đến nút đích, khi đó tỉ lệ lỗi khối của chặng
m
khác, khi so sánh với cùng một giá trị
xác định thì tỉ lệ
lỗi khối của hệ thống càng giảm khi càng tăng công suất
nguồn phát. Từ đó, ta có thể kết luận rằng, với dải công
suất phát càng lớn thì hiệu năng hệ thống càng được cải
thiện và luôn không vượt quá giá trị của đường giới hạn
trên (đường tỉ lệ lỗi khối xấp xỉ) và điều này đúng như
chúng ta mong đợi. Mặc dù tăng công suất phát làm cho
hiệu năng hệ thống được cải thiện nhưng chúng ta cũng
không nên lạm dụng tăng công suất phát quá lớn sẽ có thể
ảnh hưởng can nhiễu lớn lên các người dùng khác của hệ
thống.
BLER =1
hai sẽ bằng 1, hay
trường hợp này là
. Ta có tỉ lệ lỗi khối trong
2
BLER1BLER2 = BLER1
.
ii) Nút chuyển tiếp có thể giải mã đúng tín hiệu nhận được
và tiếp tục truyền dữ liệu đến đích. Ta có tỉ lệ lỗi khối
1− BLER BLER
trong trường hợp này là
.
2
(
)
1
Như vậy, tỉ lệ lỗi khối toàn trình trong trường hợp hệ
thống truyền dữ liệu 2 chặng là
V. KẾT LUẬN
BLERe2e = BLER + 1− BLER BLER .
(A.1)
(
)
1
1
2
Trong bài báo này, chúng tôi đã đề xuất mạng chuyển
tiếp đa chặng trong truyền thông gói tin ngắn sử dụng kỹ
thuật giải mã và chuyển tiếp. Theo kênh truyền fading
Rayleigh, chúng tôi đã đưa ra biểu thức dạng đóng cho tỉ
lệ lỗi khối của mô hình đề xuất. Bên cạnh đó, chúng tôi
cũng đã đưa ra được biểu thức tính tiệm cận của hệ thống
ở dải công suất phát cao. Ngoài ra, chúng tôi cũng xét sự
Tương tự, với trường hợp tổng quát, chúng ta xem xét kỹ
thuật SDF trên chặng. Nếu tại nút chuyển tiếp thứ
K +1
k
không giải mã đúng được dữ liệu nhận được
k =1, K
BLER =1
thì
với n k . Phân tích tương tự chúng ta sẽ
n
có tỉ lệ lỗi khối toàn trình như sau
m
ảnh hưởng của số chặng chuyển tiếp và độ dài khối
lên
BLERe2e =BLER + 1−BLER BLER +...
(
)
1
1
2
hiệu năng hệ thống. Các kết quả phân tích số trong mô hình
đề xuất đều trùng khớp với kết quả mô phỏng Monte-
Carlo. Thông qua mô hình đề xuất, ta thấy rằng khi tăng
+ 1−BLER ... 1−BLER
1 ) (
BLER .
K
(
)
K−1
(A.2)
P
m
đều
lần lượt các giá trị công suất phát
và độ dài khối
S
Quy công thức (A.2) về dạng lấy tổng, chúng tôi thu
được tỉ lệ lỗi khối toàn trình như trong công thức (10).
làm cho hiệu năng hệ thống được cải thiện một cách đáng
kể.
m
Tuy nhiên đối với , cũng phải cân nhắc rằng mục tiêu
PHỤ LỤC B
của truyền thông gói ngắn đó là độ dài khối càng ngắn thì
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
47
ĐÁ NH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG TRONG TRUYỀN THÔ NG SỬ DỤNG GÓ I TIN NGẮN
H
k
L
k
A== lim m − + exp −
−exp −
H
L
k
m→+
(B.2)
K +1
K +1
(
)
(
)
1
1
1
1
m
m
= lim 1+ m exp −
2
−1+
−1 − exp −
2
−1−
−1
.
k
m→+
k
k
2 m
2 m
K+1
m
K+1
m
(
)
(
)
1
1
1
1
A = lim 1+ m
2
−1−
−
2
−1+
k
m→+
k
k
2 m
2 m
(B.3)
1
1
= lim 1+ m −
= lim 0 = 0.
m→+
k
m→+
k
m
[7] M. O. Hasna and M.-S. Alouini, "End-to-end performance
of transmission system with relays over Rayleigh-fading
channels," IEEE Transactions on Wireless Communications,
vol. 2, no. 6, pp. 1126–1131, 2003.
[8] V. N. Q. Bao and H. Y. Kong, "Diversity order analysis of
dual-hop relaying with partial relay selection," IEICE Trans
Commun, vol. E92B, no. 12, pp. 3942–3946, 2009.
[9] V. N. Q. Bao, T. T. Thanh, N. T. Duc, and V. D. Thanh,
"Spectrum sharing-based multihop decode-and-forward relay
networks under interference constraints: Performance analysis
and relay position optimization," Journal of Communications
and Networks, vol. 15, no. 3, pp. 266–275, 2013.
Trong phần này, chúng tôi chứng minh
.
lim BLERe2e m = 0
( )
m→+
Như chúng ta đã biết, giới hạn của các tổng bằng tổng
các giới hạn hội tụ, nghĩa là
(B.1)với
lim f x + g x = 0 lim f x + lim g x = 0,
( ) ( ) ( ) ( )
x→+
x→+
x→+
và
.
lim f x
lim g x
( )
( )
x→+
x→+
Do đó,
nếu
lim BLERe2e m = 0
( )
lim BLER m = 0
k ( )
m→+
m→+
[10] V. N. Q. Bao and H. Y. Kong, "Incremental relaying with
.
k =1, K +1
partial relay selection,"
IEICE Transactions on
Communications, vol. E93.B, no. 5, pp. 1317–1321, 2010.
[11] T. M. Hoang, T. T. Duy, and V. N. Q. Bao, "On the
performance of non-linear wirelessly powered partial relay
selection networks over Rayleigh fading channels," in 2016 3rd
National Foundation for Science and Technology Development
Conference on Information and Computer Science (NICS),
Sep. 2016, pp. 6–11.
[12] N. T. Van, T. N. Do, V. N. Q. Bao, and B. An,
"Performance analysis of wireless energy harvesting multihop
cluster-based networks over Nakagami-m fading channels,"
IEEE Access, vol. 6, pp. 3068–3084, 2018.
[13] P. T. D. Ngoc, T. T. Duy, V. N. Q. Bao, and K. Ho-Van,
"Performance enhancement for underlay cognitive radio with
partial relay selection methods under impact of hardware
impairment," in 2015 International Conference on Advanced
Technologies for Communications (ATC), Oct 2015, pp. 645–
650.
[14] C. T. Dung, N. T. Van, T. T. Duy, V. N. Q. Bao, and N. L.
Nhat, "Security enhancement for dual-hop RF protocols with
Nth-best partial relay and EH-based jammer," in 2015
International Conference on Communications, Management
and Telecommunications (ComManTel), Dec 2015, pp. 111–
115.
m → +
Thật vậy, đặt A := lim BLER m . Khi
k ( )
,
A
m→+
có thể được viết lại như trong (B.2).
K+1
(
)
1
m
m → +
Khi
thì
và
2
−1+
→0
2 m
K+1
(
)
1
m
. Áp dụng vô cùng bé tương
2
−1−
→0
2 m
exp x −1
khi
đương dạng
cho (B.2), khi đó
x →0
( )
A
có thể được tính như trong (B.3).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] T. Van Nguyen, T.-N. Do, V. N. Q. Bao, D. B. da Costa,
and B. An, "On the Performance of Multihop Cognitive
Wireless Powered D2D Communications in WSNs," IEEE
Transactions on Vehicular Technology, vol. 69, no. 3, pp.
2684-2699, 2020.
[2] H. Van Hoa, N. X. Quynh, and V. N. Q. Bao, "On the
Performance of Non-Orthogonal Multiple Access schemes in
Coordinated Direct with Partial Relay Selection," in 2018
International Conference on Advanced Technologies for
Communications (ATC), 2018: IEEE, pp. 337-343.
[15] A. Goldsmith, Wireless communications. Standford
University, 2005.
[16] S. Dang, et al., "OFDM-IM based dual-hop system using
fixed-gain amplify-and-forward relay with pre-processing
capability," IEEE Transactions on Wireless Communications,
vol. 18, no. 4, pp. 2259-2270, 2019.
[3] C. Zhong and Z. Zhang, "Non-orthogonal multiple access
with cooperative full-duplex relaying," IEEE Communications
Letters, vol. 20, no. 12, pp. 2478-2481, 2016.
[17] Nhu Tri Do, Daniel Benevides da Costa, Trung Q. Duong,
Vo Nguyen Quoc Bao, and Beongku An, "Opportunistic
scheduling for fixed-gain amplify-and-forward-based
multiuser multirelay SWIPT cooperative networks," presented
at the 2017 International Conference on Recent Advances in
[4] Do Dung Nguyen, Vo Nguyen Quoc Bao, and Q. Chen,
"On the Secrecy Performance of Massive MIMO Relay-Aided
Downlink with Multiuser Transmission."
[5] Y. Polyanskiy, H. V. Poor, and S. Verdú, "Channel coding
rate in the finite blocklength regime," IEEE Transactions on
Information Theory, vol. 56, no. 5, pp. 2307-2359, 2010.
[6] W. Yang, G. Durisi, T. Koch, and Y. Polyanskiy, "Quasi-
static multiple-antenna fading channels at finite blocklength,"
IEEE Transactions on Information Theory, vol. 60, no. 7, pp.
4232-4265, 2014.
Signal Processing, Telecommunications
(SigTelCom), 2017.
&
Computing
[18] T. Q. Duong, Daniel Benevides da Costa, Maged
Elkashlan, and Vo Nguyen Quoc Bao, "Cognitive amplify-and-
forward relay networks over Nakagami-m fading," IEEE
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
48
Huỳnh Văn Hóa, Ngô Hoàng Tú, Võ Nguyễn Quốc Bảo
___________________________________________________________________________________________________________________________________________
Transactions on Vehicular Technology vol. 61, no. 5, pp. 2368-
2374, 2012.
the optimal value of relay numbers for our proposed
system model.
[19] Dac-Binh Ha, Tung Thanh Vu, Tran Trung Duy, and Vo
Nguyen Quoc Bao, "Secure cognitive reactive decode-and-
forward relay networks: With and without eavesdropper,"
Wireless Personal Communications vol. 85, no. 4, pp. 2619-
2641, 2015.
[20] N. A. Tuan, Vo Nguyen Quoc Bao, and Truong Trung
Kien, "Performance Analysis of Energy Harvesting Two-Way
Decode-and-Forward Relay Networks with Power Beacon
over Nakagami-m Fading Channels," presented at the 2018
International Conference on Advanced Technologies for
Communications (ATC), 2018.
[21] Y. Lu, and Wai Ho Mow, "Low-complexity Detection and
Performance Analysis for Decode-and-forward Relay
Networks," presented at the ICASSP 2019-2019 IEEE
International Conference on Acoustics, Speech and Signal
Processing (ICASSP), 2019.
[22] Nguyen Thi Yen Linh, Chan Dai Truyen Thai, Vo Nguyen
Quoc Bao, and H. V. Hoa, "Physical Layer Security in Multi-
hop Relay Networks with Modified Dijkstra’s Routing
Algorithms," in 2020 7th NAFOSTED Conference on
Information and Computer Science (NICS), 2020.
Keywords: block error rate, cooperative networks,
short packet communications, Rayleigh fading.
Huỳnh Văn Hóa tốt nghiệp Thạc
sĩ chuyên ngành viễn thông tại Học
Viên Công Nghệ Bưu Chính Viễn
Thông Cơ Sở Tại Thành Phố Hồ
Chí Minh vào năm 2018. Hiện nay,
Th. S Hóa là giảng viên của bộ môn
Thông Tin Quang, Khoa Viễn
Thông 2, Học Viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông Cơ Sở Tại
Thành Phố Hồ Chí Minh. Hướng nghiên cứu chính hiện tại
đang quan tâm gồm: thông tin vô tuyến, truyền thông hợp
tác, vô tuyến nhận thức, bảo mật vật lý và truyền thông gói
tin ngắn.
Email: [email protected].vn
Ngô Hoàng Tú tốt nghiệp kỹ sư
chuyên ngành Truyền thông và
mạng máy tính tại Đại học Giao
Thông Vận Tải thành phố Hồ Chí
Minh vào năm 2020. Hiện nay, Ngô
Hoàng Tú đang là giảng viên của bộ
môn Kỹ thuật máy tính, Khoa Công
nghệ thông tin, trường Đại học
Giao Thông Vận Tải thành phố Hồ
[23] X. Lai, Q. Zhang, and J. Qin, "Cooperative NOMA Short-
Packet Communications in Flat Rayleigh Fading Channels,"
IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2019.
[24] Y. Gu, H. Chen, Y. Li, L. Song, and B. Vucetic, "Short-
Packet Two-Way Amplify-and-Forward Relaying," IEEE
Signal Processing Letters, vol. 25, no. 2, pp. 263-267, 2018,
doi: 10.1109/LSP.2017.2782828.
[25] A. P. S. U. Pillai, Probability, Random Variables and
stochastic processes.
[26] B. Makki, T. Svensson, and M. Zorzi, "Finite Block-Length
Analysis of the Incremental Redundancy HARQ," IEEE
Wireless Commun. Lett., vol. 3, pp. 529-532, Oct. 2014.
[27] W. Yang, G. Durisi, T. Koch, and Y. Polyanskiy, "Quasi-
static multipleantenna fading channels at finite blocklength,"
IEEE Transactions on Information Theory, vol. 60, 2014.
[28] Y. Yu, H. Chen, Y. Li, Z. Ding, and B. Vucetic, "On the
Performance of Non-Orthogonal Multiple Access in Short-
Packet Communications," IEEE Communications Letters, vol.
22, pp. 590-593, 2018.
[29] M. Khafagy, A. Ismail, M.-S. Alouini, and S. Aissa, "On
the outage performance of full-duplex selective decode-and-
forward relaying," IEEE Communications Letters, vol. 17, no.
6, pp. 1180-1183, 2013.
[30] V. N. Q. Bảo, Mô phỏng hệ thống truyền thông. Nhà Xuất
Bản Khoa học và Kỹ thuật, 2020.
Chí Minh. Hướng nghiên cứu hiện tại đang quan tâm bao
gồm: vô tuyến nhận thức, truyền thông hợp tác, đa truy
nhập không trực giao và truyền thông gói tin ngắn.
Email: [email protected]n
Võ Nguyễn Quốc Bảo tốt nghiệp
Tiến sĩ chuyên ngành vô tuyến tại
Đại học Ulsan, Hàn Quốc vào năm
2010. Hiện nay, TS. Bảo là phó
giáo sư của Bộ Môn Vô Tuyến,
Khoa Viễn Thông 2, Học Viện
Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
Cơ Sở Thành Phố Hồ Chí Minh và
đồng thời là giám đốc của phòng thí
nghiệm nghiên cứu vô tuyến(WCOMM). TS. Bảo hiện là
thành viên chủ chốt (senior member) của IEEE và là tổng
biên tập kỹ thuật của tạp chí REV Journal on Electronics
and Communication. TS. Bảo đồng thời là biên tập viên
(editor) của nhiều tạp chí khoa học chuyên ngành uy tín
trong và ngoài nước, ví dụ: Transactions on Emerging
Telecommunications Technologies (Wiley ETT), VNU
Journal of Computer Science and Communication
Engineering. TS. Bảo đã tham gia tổ chức nhiều hội nghị
quốc gia và quốc tế, ví dụ: ATC (2013, 2014),
NAFOSTED-NICS (2014, 2015, 2016), REV-ECIT 2015,
ComManTel (2014, 2015), và SigComTel 2017. Hướng
nghiên cứu hiện tại đang quan tâm bao gồm: vô tuyến nhận
thức, truyền thông hợp tác, truyền song công, bảo mật lớp
vật lý và thu thập năng lượng vô tuyến.
ON THE PERFORMANCE OF
MULTIHOP NETWORKS WITH DECODE
AND FORWARD RELAYS IN SHORT
PACKET COMMUNICATIONS
Abstract: This paper investigates the short packet
communications for multi-hop networks with DF relays.
Under Rayleigh fading channels, we obtain the closed-
form expressions for exact system block error rate (BLER)
of proposed system model. Besides that, we also derive the
asymptotic system BLER in high regime of source’s
transmit power to get more insight about the performance
which is affected by some system model parameters.
Eventually, the accuracy of our analytical expressions are
verified by Monte Carlo simulations and demonstrate the
advantages of the system model. Especially, we figure out
Email: [email protected].vn
SOÁ 04B (CS.01) 2020
TAÏP CHÍ KHOA HOÏC COÂNG NGHEÄ THOÂNG TIN VAØ TRUYEÀN THOÂNG
49
7 trang
16680
Free
Bạn đang xem tài liệu "Đánh giá hiệu năng mạng chuyển tiếp đa chặng trong truyền thông gói tin ngắn", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- danh_gia_hieu_nang_mang_chuyen_tiep_da_chang_trong_truyen_th.pdf
