HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

LÊ TIẾN BÌNH

NGHIÊN CỨU MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN TRONG MÔI TRƯỜNG
VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN
ĐỀ ÁN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

LÊ TIẾN BÌNH

NGHIÊN CỨU MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN TRONG MÔI TRƯỜNG
VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN
CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 8.52.02.08
ĐỀ ÁN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG

TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023

i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong đề án là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023

Học viên thực hiện đề án

Lê Tiến Bình


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Lê Quốc Cường, người Thầy đã định
hướng, hỗ trợ và chỉ bảo cho tơi hồn thành quyển Đề án “Nghiên cứu mạng chuyển
tiếp hai chiều sử dụng mã Fountain trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền”.
Tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban lãnh đạo Học viện Cơng
Nghệ Bưu Chính Viễn thơng, Ban chủ nhiệm Khoa Viễn thông 2 đã tạo điều kiện cho
tơi được tham gia khóa học này.
Tơi cũng xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ thuộc Phịng Đào tạo và Khoa
học Công nghệ và Khoa Đào tạo Sau đại học đã hết lịng hỗ trợ cho khóa học của
chúng tôi được tiến hành suôn sẻ, trọn vẹn.
Nhân dịp này, tôi cũng xin cảm ơn Quỹ Nafosted đã hỗ trợ trong suốt thời
gian tôi 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 102.042021.57.
Trong quyển đề án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những hạn chế và thiếu
sót, tơi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của q Thầy Cơ và q bạn đọc

để đề án này được hoàn thiện hơn.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023
Học viên thực hiện đề án

Lê Tiến Bình


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 .........................................................................................vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................. vii
MỞ ĐẦU ..............................................................................................................1
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM TỔNG QUAN ......................................................3
1.1.

Tổng quan về truyền thông vô tuyến ...............................................3

1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển mạng vô tuyến...........................3
1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm hệ thống truyền thông vô tuyến ............5
1.1.3. Giới thiệu về mạng WSNs, IoTs ...................................................6
1.1.4. Fading kênh truyền .......................................................................8
1.1.5. Mơ hình truyền tín hiệu trên kênh fading .....................................9
1.1.6. Hiệu năng mạng vô tuyến ...........................................................10
1.1.7. Mô phỏng Monte Carlo ...............................................................11
1.2.


Tổng quan về mạng chuyển tiếp ....................................................12

1.2.1. Chuyển tiếp một chiều ................................................................14
1.2.2. Các kỹ thuật chuyển tiếp cơ bản .................................................15
1.2.3. Chuyển tiếp hai chiều..................................................................17
1.3.

Vô tuyến nhận thức ........................................................................18

1.4.

Mã Fountain ...................................................................................20

1.5.

Khảo sát các nghiên cứu liên quan.................................................22

CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ HIỆU NĂNG ............................23
2.1.

Mơ hình chuyển tiếp hai chiều 03 pha (MH-3P) ...........................23

2.2.

Nguyên lý hoạt động của MH-3P ..................................................24

2.3.

Phân tích hiệu năng mơ hình MH-3P .............................................30


2.4.

Mơ hình chuyển tiếp hai chiều 04 pha (MH-4P) ...........................33

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT ...........................36
KẾT LUẬN .......................................................................................................42


iv

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................43


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết Tắt
AWGN
AF
BER
BS
CDF
CR
DF
EC
IoT
MS
PDF

PR
PT
PU
SR

Tiếng Anh
Additive White Gaussian Noise
Amplifier and Forward
Bit Error Rate
Base Station
Cumulative Distribution Function
Cognitive Radio
Decode and Forward
Ergodic Capacity
Internet of Things
Mobile Station
Probability Density Function
Primary Reveiver
Primary Transmitter
Primary User
Secondary Relay

SS
SU
WSN

Secondary Source
Secondary User
Wireless Sensor Networks


Tiếng Việt
Nhiễu Gauss trắng
Khuếch đại và chuyển tiếp
Tỷ lệ lỗi bit
Trạm gốc
Hàm phân phối tích lũy
Vơ tuyến nhận thức
Giải mã và chuyển tiếp
Dung lượng kênh trung bình
Internet vạn vật
Trạm di động
Hàm mật độ xác suất
Nút thu sơ cấp
Nút phát sơ cấp
Người dùng sơ cấp
Nút chuyển tiếp trung gian
thứ cấp
Nguồn thứ cấp
Người dùng thứ cấp
Mạng cảm biến không dây


vi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 3.1: Các tham số hệ thống................................................................................37


vii


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây ............................................................7
Hình 1.2: Mạng IoTs. ..................................................................................................7
Hình 1.3: Mơ hình kênh Fading Rayleigh...................................................................8
Hình 1.4: Mơ hình kênh truyền Fading Rician ...........................................................9
Hình 1.5: Mơ hình truyền tín hiệu giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R. .................10
Hình 1.6: Mạng chuyển tiếp một chiều đường xuống. .............................................14
Hình 1.7: Mạng chuyển tiếp một chiều đường lên....................................................15
Hình 1.8: Kỹ thuật chuyển tiếp DF. ..........................................................................15
Hình 1.9: Kỹ thuật chuyển tiếp AF. ..........................................................................16
Hình 1.10: Chuyển tiếp hai chiều. .............................................................................17
Hình 1.11: Mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức. ........................................................19
Hình 1.12: Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng nền. ...................................................20
Hình 1.13: Ví dụ về mã Fountain. .............................................................................21
Hình 2.1: Mơ hình chuyển tiếp hai chiều 03 pha sử dụng mã Fountain trong mạng vô
tuyến nhận thức dạng nền..........................................................................................23
Hình 2.2: Mơ hình chuyển tiếp hai chiều 04 pha sử dụng mã Fountain trong mạng
vô tuyến nhận thức dạng nền. ...................................................................................33
Hình 3.1: Xác suất dừng vẽ theo  (dB) với H = 4 , Q = 5 , xR = 0.4 và

( xP , yP ) = ( 0.5,0.5) . ...................................................................................................38
Hình 3.2: Xác suất dừng vẽ theo  (dB) với H = 4 , Q = 4 , xR = 0.6 và
(xP , yP ) = (0.5,0.4). .................................................................................................39
Hình 3.3: Xác suất dừng vẽ theo Q với  = 12.5 (dB), xR = 0.5 và
(xP , yP ) = (0.5,0.5) ..................................................................................................40
Hình 3.4: Xác suất dừng vẽ theo Q với  = 25 (dB), xR = 0.5 và
(xP , yP ) = (0.4,0.6) ..................................................................................................41


1


MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây hệ thống thông tin vô tuyến đã phát triển một cách
mạnh mẽ và nhanh chóng bởi nhu cầu ngày càng tăng của người dùng cũng như sự
phát triển công nghệ của các thiết bị đầu cuối. Việc nghiên cứu ứng dụng những công
nghệ tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này là hết sức cần thiết.
Gần đây, mã Fountain (Fountain Codes hay Rateless Codes) đang được nghiên
cứu rộng rãi trong và ngoài nước bởi vì mã Fountain là kỹ thuật mã hố đơn giản và
có khả năng thích ứng nhanh với sự thay đổi của điều kiện kênh truyền. Trong mã
này, nguồn có thể gửi đi một số lượng khơng giới hạn các gói mã hố của dữ liệu gốc.
Ở nút đích, dữ liệu gốc được khơi phục nếu nút đích có thể nhận đủ số lượng gói dữ
liệu được mã hố. Bởi sự đơn giản trong việc cài đặt và triển khai, mã Fountain có
thể thích hợp cho các hệ thống vơ tuyến đơn giản như mạng cảm biến vô tuyến (WSN:
Wireless Sensor Networks), mạng Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of Things),
v.v.
Chuyển tiếp hai chiều (Two-way relaying) là mơ hình có hai nút nguồn muốn
trao đổi dữ liệu với nhau thông qua một hoặc nhiều các nút chuyển tiếp trung gian.
Thông thường, chuyển tiếp hai chiều được thực hiện thông qua 04 khe thời gian trực
giao nên tốc độ dữ liệu sẽ là 02/04 = 1/2 (02 dữ liệu truyền trên 04 khe thời gian). Để
nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa mạng
số (Digital Network Coding) đã được đề xuất. Kỹ thuật này chỉ sử dụng 03 khe thời
gian nên đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn (mơ hình thơng thường), đó là 02/03 (02 dữ
liệu trên 03 khe thời gian).
Với sự khan hiếm phổ tần đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong thông
tin vô tuyến bởi số lượng thiết bị vô tuyến ngày càng nhiều. Để giải quyết vấn đề
khan hiếm phổ tần, vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio) đã được đề xuất. Trong
CR, mạng thứ cấp có thể sử dụng băng tần của mạng sơ cấp miễn là chất lượng dịch
vụ của mạng sơ cấp vẫn được đảm bảo. Trong mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng nền
(Underlay CR), nút phát thứ cấp được phép sử dụng các băng tần cùng lúc với mạng



2

sơ cấp, nhưng chúng phải hiệu chỉnh công suất phát của mình để hiệu năng của mạng
sơ cấp khơng bị ảnh hưởng.
Từ những phân tích trên, đề án đề xuất mơ hình chuyển tiếp hai chiều sử dụng
mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. Đề án sẽ được cấu trúc với
các chương như sau.
Chương 1 - KHÁI NIỆM TỔNG QUAN
Trong chương 1 đề án sẽ đưa ra cái nhìn tổng quan về truyền thơng vơ tuyến,
tổng qt về mạng chuyển tiếp hai chiều, mã Fountain, mạng vô tuyến nhận thức.
Chương 2 - MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ HIỆU NĂNG
Nội dung chương 2, sẽ đưa ra mơ hình về mạng chuyển tiếp hai chiều 3 pha,
nguyên lý hoạt động và hiệu năng mạng chuyển tiếp hai chiều 3 pha và so sánh với
mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều 4 pha.
Chương 3 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT
Chương 3 sử dụng mô phỏng Monte-Carlo và mô phỏng kết quả lý thuyết trên
phần mềm Matlab để kiểm chứng tính chính xác của mơ hình hệ thống dựa trên lưu
đồ mơ phỏng và cơng thức tốn học đã đạt được.


3

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM TỔNG QUAN
1.1.

Tổng quan về truyền thông vơ tuyến

1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển mạng vô tuyến
Trong những năm gần đây hệ thống thông tin vô tuyến đã phát triển một cách

mạnh mẽ và nhanh chóng bởi nhu cầu ngày càng tăng của người dùng cũng như sự
phát triển công nghệ của các thiết bị đầu cuối. Việc nghiên cứu ứng dụng những công
nghệ tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này là hết sức cần thiết.
Khác với mạng hữu tuyến sử dụng các đường truyền cáp đồng hoặc cáp quang
để kết nối các điểm đầu cuối cố định với nhau, mạng vô tuyến sử dụng sóng điện từ
truyền tín hiệu số từ thiết bị ở đầu phát tới thiết bị ở đầu thu của hệ thống thông tin
số thông qua antena hoặc cảm biến trong môi trường không gian tự do. Sau khi nhận
được tín hiệu từ phía đầu phát, phía thu sẽ phải giải mã để nhận được tín hiệu ban
đầu.
Với sự ra đời và phát triển của các dịch vụ Internet di động, truyền dữ liệu
băng thơng rộng, truyền hình di động, IoTs,..v.v làm cho nhu cầu về tốc độ truyền
dẫn ngày càng tăng, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động tế bào. Các hệ
thống thông tin di động tế bào đã phát triển đến thế hệ thứ 5 (5G) và đang được triển
khai trên nhiều nước trên thế giới, hiện tại ở Việt Nam đã triển khai thử nghiệm tại
một số tỉnh thành. Tuy nhiên vấn đề mà truyền thông vô tuyến hiện đang gặp phải là
sự ảnh hưởng của nhiễu, suy hao kênh truyền, fading, …v.v. Khi tín hiệu truyền từ
đầu phát tới đầu thu trong môi trường không gian tự do chịu ảnh hưởng của phản xạ,
nhiễu xạ, và tán xạ. Do đó, hiện tượng đa đường gây nên sự thăng giáng về biên độ,
pha, làm trễ và thường dẫn đến hiện tượng fading.
Các mốc thời gian quan trọng trong lịch sử phát triển của vô tuyến đến ngày
nay:
-

Vào năm 1838, Samuel Morse đã phát minh ra hệ thống điện báo đầu tiên được
tình diễn tại Speedwell Iron Works ở Morristown, New Jersey.


4

-


Vào năm 1864, J.C Maxwell đã trình bày lý thuyết hợp nhất điện từ và từ
trường, phát triển các phương trình tổng quát của trường điện từ, chứng minh
sự tồn tại của sóng điện từ và cho thấy sóng này có thể truyền trong khơng
gian tự do.

-

Vào năm 1895, Marconi đã gởi và nhận thành cơng những tín hiệu sóng vơ
tuyến đầu tiên.

-

Vào năm 1915, hê thống truyền tín hiệu thoại không dây được thiết lập để
truyền thoại giữa New York và San Francisco. Sau 30 năm, các dịch vụ điện
thoại di động công cộng đã được giới thiệu ở 25 thành phố của Mỹ.

-

Vào năm 1927, hệ thống thông tin vô tuyến nối liền Bắc Mỹ và Châu Âu được
thành lập.

-

Năm 1933 Edwin Howard Armstrong phát minh ra sóng vơ tuyến biến tần
(frequency-modulated) hay cịn gọi là sóng vơ tuyến FM.

-

Vào năm 1963, Viện kỹ sư điện- điện tử (IEEE) được thành lập.


-

Năm 1965 một hệ thống antena phát sóng FM đầu tiên trên thế giới được xây
dựng trên toà nhà Empire State ở New York.

-

Vào năm 1971, hệ thống mạng vơ tuyến gói đầu tiên ALOHANET ra đời tại
trường đại học Hawaii. Mạng lưới cho phép các trang web máy tính tại các địa
điểm trên bốn hịn đảo giao tiếp với một máy tính trung tâm đặt tại Oahu thông
qua truyền dẫn vô tuyến.

-

Trong suốt những năm 1970 đến đầu những năm 1980 các dự án nâng cao
quốc phòng (DARPA) đầu tư đáng kể nhằm phát triển mạng lưới sử dụng vơ
tuyến gói cho truyền thơng chiến thuật trên chiến trường

-

Vào năm 1984, Uỷ ban truyền thông liên bang (FCC) cấp phép phân bố khoảng
phổ cho di động từ 40 MHz đến 50MHz. Hệ thống di động tương tự đầu tiên
từ phịng thí nghiệm AT&T Bell được triển khai ở Chicago.

-

Vào năm 1985, FCC cho phép thương mại hố mạng LAN khơng dây
(WLANs) bằng việc cấp phép phát triển và sử dụng đại trà các băng tần dùng



5

trong lĩnh vực công nghiệp, nghiên cứu và y tế (ISM) cho các sản phẩm dùng
mạng LAN không dây.
-

Những năm 1990, hệ thống di động thế hệ thứ 2 ra đời (2G). Chuyển đổi từ tín
hiệu tương tự sang tín hiệu số cung cấp các dịch vụ cho thoại ngoài ra 2G cũng
rất quan trọng vì nó cho phép người dùng gửi tin nhắn văn bản và truyền dữ
liệu.
Cho đến thời điểm hiện tại, đã trải qua nhiều thế hệ như mạng 2G, 3G, 4G và

hiện tại là mạng 5G. Xuyên suốt quá trình phát triển, dung lượng/tốc độ mạng ngày
càng được nâng cao, thời gian trễ ngày càng thấp, cung cấp ngày càng nhiều ứng dụng
hữu ích cho người dùng.

1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm hệ thống truyền thông vô tuyến
Hệ thống truyền thông vô tuyến truyền dẫn trong mơi trường khơng gian tự do
nên có những ưu điểm so với các hệ thống khác:
Ưu điểm :
-

Tiện lợi trong việc kết nối : Không cần sử dụng dây cáp để thiết lập kết nối
mạng, dễ dàng kết nối mạng khơng dây nhanh chóng. Có thể truy xuất đến mọi
nơi trong vùng phủ sóng như các tồ nhà, cao ốc. Đặc biệt thuận lợi khi mà
thiết bị hỗ trợ thu phát ngày càng được sử dụng rộng rãi như smartphone,
laptop, các thiết bị IoTs.

-


Tiết kiệm chi phí đầu tư: Chi phí thiết lập phần cứng mạng ban đầu của hệ
thống truyền thông vô tuyến cao hơn nhưng xét về chi phí lâu dài tồn hệ thống
và giá thành tuổi thọ đáng kể hơn nhiều so với mạng hữu tuyến.

-

Linh động: Có thể kết nối bất kỳ nơi nào trong vùng phủ sóng mà khơng cần
cáp dây như mạng hữu tuyến, mạng vô tuyến đáp ứng nhu cầu thông tin người
dùng khi di chuyển mọi lúc mọi nơi.

-

Dễ thiết kế và triển khai mở rộng: Cài đặt hệ thống mạng không dây nhanh
chóng và dễ dàng, giảm bớt việc phải kéo dây qua các vị trí khó khăn. Truyền
thơng khơng dây cho phép mạng đi đến các nơi mà mạng có dây không thể.


6

Dễ dàng mở rộng có thể đáp ứng tức thì khi có sự gia tăng lớn về số lượng truy
cập.
Ngồi những ưu điểm trên thì truyền thơng vơ tuyến cũng có những nhược
điểm nhất định:
Nhược điểm :
-

Suy hao : Truyền thông trong môi trường không gian tự do nên thường xảy ra
các vấn đề về nhiễu sóng do thời tiết, do giao thoa sóng với các thiết bị vơ
tuyến khác hay do các vật chắn như các cơng trình, tồ nhà cao tầng, đồi

núi,…v.v gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của mạng.

-

Bảo mật: Có thể nói chính là nhược điểm lớn nhất của mạng khơng dây bởi
tính quảng bá khả năng bị tấn công là rất lớn.

-

Phạm vi hoạt động: Cịn hạn chế về phạm vi, nhanh chóng bị suy giảm tín
hiệu khi sự tăng lên giữa các thiết bị thu và phát.

-

Chất lượng dịch vụ: Không ổn định bằng mạng hữu tuyến vì tốc độ chậm
hơn, độ trễ cao hơn và nhiễu, và tỉ lệ lỗi cao.

1.1.3. Giới thiệu về mạng WSNs, IoTs
Trong những năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ kỹ thuật
điện tử truyền thông và công nghệ thông tin tạo động lực thúc đẩy cho việc phát triển
các hệ thống thông minh trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, y tế,
sản xuất và dân dụng. Đồng thời, với xu thế IoTs (Internet of Things) đã mở ra rất
nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai hệ thống mạng thơng
minh trên tồn cầu, trong đó hệ thống mạng cảm biến đóng vai trị quan trọng cho hệ
thống thông minh này.
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là tập hợp các nút cảm
biến sử dụng các liên kiết không dây như vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học để
phối hợp thực hiện thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ
điều kiện và ở bất kỳ vị trí địa lý nào.



7

Hình 1.1: Mơ hình mạng cảm biến khơng dây

Như hình 1.1 mơ tả mạng WSNs trong đó các nút cảm biến được triển khai để
thu thập thông tin các thông số về môi trường, nhiệt độ, độ ẩm,.v..v và gửi thơng tin
thu được về trung tâm. Trong mạng WSNs, có thể lắp đặt các Sink để thu thập dữ liệu
theo từng vùng. Các thiết bị cảm biến có thể gửi trực tiếp dữ liệu về Sink hoặc sử
dụng kỹ thuật chuyển tiếp để gửi thông tin về.
Mạng cảm biến không dây có các đặc điểm nổi trội như : Mạng WSNs sử dụng
các nút cảm biến nói chung có kích thước nhỏ với chi phí đầu tư thấp, có thể triển
khai ở các điều kiện địa hình và khí hậu phức tạp, phục vụ tốt cho việc thu thập dữ
liệu. Tuy nhiên bên cạnh đó thì mạng WSNs vẫn cịn một số hạn chế nhất định như:
Thiết bị cảm biến bị giới hạn về mặt năng lượng nên cần được cung cấp năng lượng
thường xun, có kích thước nhỏ nên hạn chế về mặt xử lý và lưu trữ, và công suất
phát thấp dẫn tới giới hạn về vùng bao phủ.
Tương tự như mạng WSNs, mạng IoTs có nhiều ứng dụng nổi bật như ứng
dụng vào smart city, smart home, các thiết bị đeo tay thông minh, hỗ trợ trong các
ngành cơng nghiệp, nơng nghiệp, y tế..v..v

Hình 1.2: Mạng IoTs


8

1.1.4. Fading kênh truyền
Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn trong một kênh vô
tuyến bao gồm: hiệu ứng đa đường, tổn thất đường truyền và mờ dần. Fading kênh là
sự thay đổi cường độ của tín hiệu sóng mang tần số cao do tác động từ mơi trường

phát, do đó làm méo tín hiệu thu được tại anten thu. Các tác động mơi trường có thể
bao gồm những thay đổi không đồng đều trong chỉ số khúc xạ của khí quyển, mặt đất
và phản xạ của nước đối với sóng vơ tuyến đi qua. Một số kênh fade phổ biến hiện
nay có thể kể đến như Rayleigh, Rician, Nakagami-m:
Kênh fading Rayleigh:

Hình 1.3: Mơ hình kênh Fading Rayleigh

Kênh fading Rayleigh là một kênh truyền thông phổ biến hiện nay và là kênh
được hình thành bởi các đường tín hiệu gián tiếp từ các thiết bị phát (Non Line of
Sight). Hệ số kênh (thường được ký hiệu là h) có phân bố Rayleigh và có hàm mật
độ xác suất (PDF - Probability Density Function):
 x2 
f|h| ( x ) = 2 exp  − 2  , x  0

 2 
x

(1.1)

Độ lợi kênh được ký hiệu là  =| h |2 , ta có hàm phân bố xác suất tích luỹ (CDF
- Cumulative Distribution Function) và hàm mật độ xác suất (PDF - Probability Density
Function) của  =| h |2 lần lượt là (xem tài liệu [1]):


9

(

F ( y ) = 1 − exp ( − y ) ,


(1.2)

f ( y ) =  exp ( − y ) ,

(1.3)

)

2
với  = 1 / 2 là tham số đặc trưng của biến ngẫu nhiên có phân phối mũ,

cụ thể  bằng 1 chia cho giá trị trung bình của  , và cũng bằng 1 chia cho độ lệch
chuẩn của  :

=

1



=

1
var  

.

(1.4)


Kênh fading Rician:

Hình 1.4: Mơ hình kênh truyền Fading Rician

Với kênh fading Rayleigh, khơng có thành phần tín hiệu nào trực tiếp đến máy
thu mà không bị phản xạ hoặc tán xạ với công suất vượt trội. Khi thành phần chiếm
ưu thế này có mặt, phân phối sẽ là Rician. Trong kênh này, các thành phần đa đường
ngẫu nhiên đến máy thu với các góc khác nhau được đặt chồng lên các tín hiệu được
truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu.

1.1.5. Mơ hình truyền tín hiệu trên kênh fading
Hình 1.5 miêu tả sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh giữa thiết bị phát
T và thiết bị thu R. Tín hiệu nhận được tại nút R được viết như sau:


10

yR = PT hTR x + nR ,

(1.5)

với x là tín hiệu chứa dữ liệu của nút T, PT ký hiệu công suất phát của nút T,

hTR là hệ số kênh fading Rayleigh giữa nút T và nút R, nR là nhiễu Gauss trắng cộng
tính (AWGN: Additive White Gaussian Noise) tại nút R. Hơn nữa, nhiễu nR là biến
ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là  02 .

T

R


Hình 1.5: Mơ hình truyền tín hiệu giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R

Từ công thức (1.5), tỷ số SNR (Signal-to-noise ratio) tức thời đạt được tại nút
đích R được tính như sau:

 TR =

PT | hTR |2

 02

(1.6)

.

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:
 P | h |2 
CTR = log 2 (1 +  TR ) = log 2 1 + T TR
.
 02 


(1.6)

1.1.6. Hiệu năng mạng vô tuyến
Các hiệu năng mạng vơ 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 này, học viên nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng,
đó là xác suất mà dung lượng kênh CTR nhỏ hơn một ngưỡng cho trước, ký hiệu Cth
. Sử dụng cơng thức (1.6), ta có xác suất dừng của đường truyền từ thiết bị phát T
sang thiết bị thu R như sau:
OP = Pr ( CTR

(

)


2Cth − 1  02 
2
.
 Cth ) = Pr  | hTR | 


PT



(1.7)


11

Sử dụng hàm CDF của biến ngẫu nhiên | hTR |2 như đã đưa ra trong công thức
(1.2), xác suất dừng được tính như sau:

(


)

(

)

 2Cth − 1  02 
  2Cth − 1  02 
 = 1 − exp  −
.
OP = F|h |2 
TR 



PT
PT





(1.8)

1.1.7. Mô phỏng Monte Carlo
Để kiểm chứng tính chính xác của các cơng thức tốn học. Mơ phỏng Monte
Carlo thường được sử dụng. Mơ phỏng Monte Carlo là q trình sử dụng các phương
pháp ngẫu nhiên để tạo ra các kịch bản mô phỏng và xác định các kết quả xác suất
hoặc ước lượng giá trị của một vấn đề hay một hệ thống. Phương pháp này được sử

dụng để mô phỏng các q trình và sự kiện có tính ngẫu nhiên, trong đó các kết quả
khơng thể dự đốn chính xác từng trường hợp cụ thể.
Q trình mơ phỏng Monte Carlo bao gồm các bước sau:
-

Xác định mơ hình: Đầu tiên, cần xác định mơ hình của vấn đề hoặc hệ thống
cần mơ phỏng. Mơ hình này có thể là một hàm tốn học hoặc một bộ luật, mơ
tả các quy tắc và quy trình của vấn đề.

-

Tạo ra dữ liệu ngẫu nhiên: Sử dụng các phương pháp tạo số ngẫu nhiên, như
phân phối đều hay phân phối Gaussian, dữ liệu ngẫu nhiên được tạo ra. Số
lượng và phân phối của dữ liệu ngẫu nhiên phụ thuộc vào mơ hình và mục tiêu
của mô phỏng.

-

Thực hiện mô phỏng: Sử dụng dữ liệu ngẫu nhiên, mơ hình được áp dụng để
mơ phỏng các kịch bản và tính tốn các giá trị đầu ra. Quá trình này thường
được lặp lại nhiều lần để thu thập thông tin đầy đủ về phân phối và kết quả
mong muốn.

-

Xác định kết quả: Sau khi hoàn thành các q trình mơ phỏng, kết quả được
thu thập và xử lý để xác định các giá trị xác suất, ước lượng hoặc đánh giá hiệu
năng của hệ thống.



12

Mô phỏng Monte Carlo được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như tài
chính, khoa học, kỹ thuật, quản lý rủi ro và nhiều ứng dụng khác. Phương pháp này
cho phép đánh giá và dự đoán các kết quả trong các tình huống phức tạp và khơng
chắc chắn, nơi các phương pháp phân tích truyền thống gặp khó khăn.
Ví dụ để kiểm chứng tính chính xác của biểu thức xác suất dừng được đưa ra
trong công thức (1.8), mô phỏng Monte Carlo được áp dụng để mô phỏng kênh truyền
fading Rayleigh. Phần mềm MATLAB [19] hỗ trợ hàm tạo ra biến ngẫu nhiên, sử dụng
cấu trúc sau:

h = 1/sqrt(2* )*(randn(1,1) + j*randn(1,1));

(1.9)

Trong công thức (1.9), 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.

1.2. Tổng quan về mạng chuyển tiếp
Chuyển tiếp là một kỹ thuật hiệu quả trong truyền thông vô tuyến, thường được
sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng bằng cách sử dụng một hoặc nhiều các nút chuyển
tiếp trung gian. Chuyển tiếp được sử dụng khi nguồn tin không thể liên lạc trực tiếp
với nút đích. Ngay cả khi nút nguồn có thể trực tiếp truyền dữ liệu đến nút đích,
chuyển tiếp vẫn có thể được sử dụng như một giải pháp tăng cường khi liên kết giữa
nguồn và đích khơng tốt. Chuyển tiếp có rất nhiều ứng dụng thực tế trong mạng vô
tuyến như sự truyền dữ liệu giữa các thuê bao di động được thực hiện thông qua trạm
gốc. Trong trường hợp này, trạm gốc đóng vai trị là nút chuyển tiếp trung gian cho
các thuê bao di động. Chuyển tiếp cũng được áp dụng trong mạng cảm biến vơ tuyến
bởi vì các thiết bị cảm biến thường có công suất phát thấp nên việc truyền dữ liệu đi
xa cần sự giúp đỡ của các nút cảm biến khác.

Do đó, những ưu điểm chính của chuyển tiếp được tóm tắt như sau:
-

Mở rộng vùng phủ: Như đã nói ở trên, đây là ưu điểm nổi bật của chuyển tiếp
giúp mạng có thể mở rộng vùng phủ mà khơng cần tăng công suất phát cho
các thiết bị vô tuyến.


13

-

Tính linh hoạt: trong nhiều trường hợp, chuyển tiếp khơng yêu cầu phải lắp
đặt thêm cơ sở hạ tầng để phục vụ cho việc chuyển tiếp. Thay vào đó, mỗi thiết
bị trong mạng có khả năng làm nút chuyển tiếp và kết nối với các thiết bị khác
trong vùng phủ của thiết bị, tạo ra một mạng khơng dây. Ví dụ như trong mạng
cảm biến vô tuyến, các thiết bị cảm biến nhàn rỗi có thể được tận dụng để
chuyển tiếp dữ liệu từ một cảm biến ở xa về trung tâm xử lý.

-

Khả năng tự phục hồi: Do không phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng cố định,
mạng chuyển tiếp vơ tuyến có khả năng tự phục hồi khi có sự cố xảy ra. Khi
một thiết bị trong mạng bị hỏng hoặc mất kết nối, các nút chuyển tiếp khác
trong mạng có thể tìm kiếm các đường khác để truyền thơng, đảm bảo tính liên
tục và khả năng truyền thông của mạng.

-

Khả năng di động: Mạng chuyển tiếp vô tuyến phù hợp cho các môi trường di

động, nơi các thiết bị di chuyển liên tục và cần liên kết với nhau. Với khả năng
tự cấu hình và tự tổ chức mạng, mạng chuyển tiếp vơ tuyến có thể cung cấp
kết nối liên tục trong quá trình di chuyển.

-

Tiết kiệm chi phí: Vì khơng cần đầu tư vào cơ sở hạ tầng mạng cố định, mạng
chuyển tiếp vô tuyến có thể tiết kiệm chi phí triển khai và duy trì. Điều này
đặc biệt hữu ích trong các tình huống tạm thời hoặc khẩn cấp, nơi triển khai
mạng truyền thông nhanh chóng và hiệu quả.

-

Dễ dàng mở rộng: mạng chuyển tiếp sử dụng các thiết bị trong mạng sẽ dễ
dàng mở rộng hơn khi so sánh với các mạng có hạ tầng cơ sở cố định.
Tuy nhiên, chuyển tiếp cũng có những nhược điểm sau đây:

-

Thời gian trễ lớn: Do quá trình chuyển tiếp qua nhiều nút trung gian, mạng
chuyển tiếp vơ tuyến thường có độ trễ lớn. Việc lưu trữ và xử lý dữ liệu và
đồng bộ tại các nút trung gian làm gia tăng thời gian trễ. Hơn nữa, việc định
tuyến, duy trì và bảo quản tuyến giữa nguồn và đích cũng tốn nhiều thời gian
thực hiện.


14

-


Tiêu hao năng lượng: Việc truyền dữ liệu qua các nút chuyển tiếp trong mạng
cũng tiêu hao năng lượng của các thiết bị. Đối với các thiết bị có nguồn năng
lượng giới hạn như các thiết bị cảm biến, vấn đề năng lượng cũng là vấn đề
khó khăn khi triển khai kỹ thuật chuyển tiếp.

-

Hiệu suất thấp: Hiệu suất của mạng chuyển tiếp sử dụng các thiết bị trong
mạng thường thấp hơn khi so sánh với mạng được hỗ trợ cơ sở hạ tầng phục
vụ.

1.2.1. Chuyển tiếp một chiều
Trong chuyển tiếp một chiều (one-way relaying), có một nút đóng vai trò là
nút nguồn gửi dữ liệu đến một nút mong muốn gọi là nút đích, các nút hỗ trợ sự giao
tiếp giữa nguồn và đích được gọi là các nút chuyển tiếp trung gian hay nút chuyển
tiếp.
Hình 1.6 vẽ mơ hình chuyển tiếp một chiều đường xuống (downlink) trong
mạng thơng tin di động. Trong hình vẽ này, trạm gốc BS truyền dữ liệu đến người
dùng MS với sự hỗ trợ của trạm chuyển tiếp (Relay). Do đó, BS đóng vai trị là nút
nguồn, MS đóng vai trị là nút đích, và trạm chuyển tiếp (Relay) được triển khai trong
mạng để hỗ trợ BS gửi dữ liệu đến MS.

Hình 1.6: Mạng chuyển tiếp một chiều đường xuống

Hình 1.7 vẽ mơ hình chuyển tiếp một chiều đường lên (uplink), trong đó các
người dùng (User) muốn gửi dữ liệu đến trạm BS với sự hỗ trợ của thiết bị chuyển


15


tiếp là vật thể bay (drone). Trong mơ hình này, các người dùng sẽ đóng vai trị là nút
nguồn, trạm gốc BS đóng vai trị là nút đích và thiết bị bay (shared relay) đóng vai
trị là nút chuyển tiếp.

Hình 1.7: Mạng chuyển tiếp một chiều đường lên

1.2.2. Các kỹ thuật chuyển tiếp cơ bản
Tùy thuộc vào kỹ thuật xử lý dữ liệu tại nút chuyển tiếp, ta có 02 kỹ thuật
chuyển tiếp cơ bản, đó là khuếch đại-và-chuyển tiếp AF (Amplifier-and-Forward),
giải mã và chuyển tiếp DF (Decode-and-Forward). Ngoài ra, cịn có các kỹ thuật
chuyển tiếp khác như nén và chuyển tiếp, chuyển tiếp thích nghi, tuy nhiên các kỹ
thuật này phức tạp vì yêu cầu nút chuyển tiếp thực hiện nhiều tác vụ.
Giải mã và chuyển tiếp (DF)

Hình 1.8: Kỹ thuật chuyển tiếp DF


16

Trong chuyển tiếp DF [2],[3],[4], tín hiệu từ nút nguồn sẽ được nút chuyển
tiếp giải mã, thực hiện mã hóa và chuyển tiếp tín hiệu mới (tín hiệu giải mã sau khi
nén và thêm vào các bit dư thừa để tăng khả năng sửa lỗi) tới nút đích (xem hình 1.8).
Kỹ thuật chuyển tiếp DF còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, bởi
nhiễu sẽ được loại bỏ tại nút chuyển tiếp.
Tuy nhiên, nhược điểm của chuyển tiếp DF đó là giải mã và mã hóa kênh tại
nút chuyển tiếp lại gây ra độ trễ cho mạng. Ngoài ra, trong kỹ thuật DF này, một khi
nút chuyển tiếp không thể giải mã được dữ liệu của nguồn thì nó sẽ khơng gửi dữ liệu
đến đích, tức là sẽ không thực hiện bước chuyển tiếp.
Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)


Hình 1.9: Kỹ thuật chuyển tiếp AF

Trong kỹ thuật AF, nút chuyển tiếp đóng vai trị như những trạm lặp, và chúng
chỉ đơn giản khuếch đại tín hiệu nhận được và gửi tín hiệu đã khuếch đại đến nút đích
[5]-[7]. Khác với kỹ thuật DF, nút chuyển tiếp AF sẽ ln gửi tín hiệu đến nút đích.
Tuy nhiên, khi khuếch đại tín hiệu từ nguồn, nút chuyển tiếp AF cũng khuếch đại
ln nhiễu và vì vậy, nhiễu được cộng dồn ở nút đích. Do đó, chuyển tiếp AF cịn
được gọi là chuyển tiếp khơng tái tạo.
Mặc dù kỹ thuật chuyển tiếp AF đơn giản hơn kỹ thuật chuyển tiếp DF nhưng
kỹ thuật chuyển tiếp DF đạt được hiệu suất tốt hơn do nhiễu ở chặng đầu được loại
bỏ tại nút chuyển tiếp.
Do đó, đề án này sẽ nghiên cứu về kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF).