Đánh giá chất lượng hệ thống truyền thông đa chặng sử dụng kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp từng phần trong vô tuyến nhận thức dạng nền

trung 
bình của chúng tương đương nhau, tức làk, i k với mọi i . 
 Gọi k là tỷ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu lớn nhất của chặng thứ k, theo 
phương pháp lựa chọn chuyển tiếp từng phần, có nghĩa là chọn đường kết nối có SNR lớn 
nhất trên mỗi chặng; đặt  ki, là SNR của đường kết nối thứ i ở chặng thứ k. Mô hình toán 
học của được xác định bởi công thức sau: 
 2
  h max  . (5) 
 k i, k i 1,,,Nk k i
 Biểu thức (5) thể hiện SNR được lựa chọn với độ lợi kênh truyền lớn nhất ở mỗi chặng. 
Từ (5), hàm phân bố tích lũy (CDF: cumulative distribution function) của k được xác 
định như sau: 
 F ( ) Pr(   ) Pr(max  ) . (6) 
 k k i 1,,,Nik k
 Để tìm F () , ta dựa vào xác suất có điều kiện và chú ý rằng, các kênh truyền trên 
 k
từng chặng độc lập với nhau. Thay thế (4) vào (6), F () được viết lại thành: 
 k
 N
 k 2  x
 F ( ) Pr hki, f2 ( x ) dx . (7) 
 k  IP h
 i 1 kP,
 0 N0
 2  x
 Thay thế giá trị Pr h và fx2 (), vào (7) 
 ki, IP
 hkP,
 N0
 2 xx 
trong đó: Pr hki, 1 exp , 
 IIPP  
 NN00 Dk, 
 1 x
 fx2 ( ) exp , 
 hkP, 
 D,, k D k
 2
và D,, k Eh || k i  biểu diễn phép toán trung bình của độ lợi kênh truyền. 
 Ta có: 
 N
 k x
  x 1 D,k
 F ( ) 1 exp e dx
 k IP
  D,k
 0 N0 Dk,
 . (8) 
 Nk 
 Nk 11n 
 nk k
  ( 1) exp x I dx
 n P
 nk 0 k D,, k D,k D k
 0 N0
32 N. T. Tấn, T. M. Hoàng, D. M. Thành, “Đánh giá chất lượng  nhận thức dạng nền.” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 Kết quả trên có được là do sử dụng triển khai nhị thức Newton. Áp dụng công thức tích 
phân trong [Eq. (3.310),10] và đặt kp IN/ 0 chúng ta nhận được: 
 k
 Nk
 Nk n
 F ( ) ( 1)nk 1 k . (9) 
 k  k
 n 1 n  
 k k nk
 Thực hiện phép tính đạo hàm đối với (9), ta được hàm phân bố xác suất (PDF: 
probability density function) như sau: 
 k
 Nk
 Nk n
 f ( ) ( 1)nk 1 k . (10) 
 k  2
 n k
 nk 1 k  
 nk 
 Theo kết quả nghiên cứu ở trong [11], chất lượng của toàn hệ thống chuyển tiếp sẽ phụ 
thuộc vào chặng yếu nhất, mô hình hóa tương đương toàn bộ kênh truyền đa chặng thành 
kênh truyền một chặng được xấp xỉ: 
  e2 e min k 1,,Kk (11) 
 Do các chặng bị ảnh hưởng bởi các kênh Rayleigh độc lập với nhau, khi đó hàm phân 
bố tích lũy của  ee2 được tính như sau: 
 F ( ) Pr(   )
  ee2 e2e
 Pr(mink 1,,K k )
 (12) 
 =1 Pr12  ,   ,, K  
 K
 =1 [1F ( )]
  k
 k 1
trong đó, F () là hàm phân bố tích lũy của  có được ở biểu thức (9). Sử dụng định 
 k k
nghĩa trong lý thuyết xác suất ta tính được f () , như sau: 
  ee2
 K K
 f( ) f (  ) [1 F (  )], (13) 
 e2 e  k  j
 k 1 j 1
 jk 
 Thế (9) và (10) vào (13) và sau khi thực hiện một số biến đổi, hàm mật độ phân bố xác 
suất của  ee2 được xác định như sau: 
 k j
 K NNkkK N
 Nk n n 1 j n j
 f ( ) ( 1)nk 1 k ( 1) j
  ee2   2   j
 n k n
 k 1 nk 11 k  j 1 n j j  n
 nk jk j (14) 
 N
 K j Nk
 1 n 1 N j Bj
 ( 1) j 
  BB n 
 kn 1 j j 1 j 1 j j 
 Thực hiện kỹ thuật phân rã từng phần và chú ý các thành phần tự loại trừ lẫn nhau, ta 
có thể viết f () ở dưới dạng như sau: 
  ee2
 A
 f () ij (15) 
  ee2  j 1
 ij
  Bj 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 33 
 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
 Trong biểu thức (15)), Aij là hệ số khai triển, được xác định bằng phép tính đã đề cập 
trong [12]. 
 ()Njk 
 1  Nk
 Af  B () 
 i, j ()Njk j  ee2
 (Njk  )!   Bj
 B là các giá trị khác nhau của j Với dạng của f () như công thức (15), ta có 
 j n j  ee2
thể bắt đầu thực hiện việc phân tích hiệu năng của hệ thống nghiên cứu. 
b. Xác suất dừng hệ thống 
 Xác suất dừng hệ thống là xác suất mà tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của hệ thống nhỏ hơn 
một giá trị cho trước, chú ý rằng, giá trị này có liên hệ chặt chẽ với tốc độ mong muốn của 
hệ thống. Biểu diễn ở dạng toán học, ta có 
 OP Pr(e2 e th ) (16) 
 Vì thế, xác suất dừng hệ thống có thể tính được bằng cách lấy tích phân của hàm mật 
độ phân bố xác suất PDF của tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tương đương  ee2 theo 
ngưỡng độ nhạy máy thu được xác định trước  th [13]. 
  th
 OP F ( ) f ( th ) d  (17) 
 ee2 ee2
 0
 Thay thế (15) vào (17) và sử dụng cách tính như trong [14] chúng ta nhận được 
 A
 ij (18) 
 OP  j 1
 ij
 (1 j )  Bj 
c. Tỷ lệ lỗi bít trung bình của hệ thống 
 Theo [15], BER của hệ thống sử dụng phương pháp điều chế tín hiệu M -QAM 
(M=2m, m=1,2) và dùng mã hóa Gray để mã hóa nhóm bit thành symbol trên kênh 
truyền nhiễu trắng như sau: 
 log2 M v j
 j
 Peb( )  n erfc(  n  ) (19) 
 jn 10
 Do công suất phát của hệ thống thứ cấp bị giới hạn bởi ngưỡng nhiễu của mạng sơ cấp. 
Như vậy, vấn đề là chúng ta phải lựa chọn dạng điều chế để đòi hỏi chỉ phát ở công suất 
nhỏ. Trong thực tế với hệ thống dung lượng lớn (tốc độ bít lớn), để tiết kiệm phổ tần người 
ta thường dùng các sơ đồ điều chế bậc cao (M > 64) và do hệ thống M-QAM là hệ thống 
lợi hơn về công suất nên được sử dụng để đánh giá tỷ lệ lỗi hệ thống. 
 Tỉ lệ lỗi bit BER của hệ thống trên kênh truyền Rayleigh fading được thành lập tương 
tự từ tỉ lệ lỗi bit trên kênh truyền AWGN với hàm mật độ phân bố xác suất PDF của tỉ số 
công suất tín hiệu trên nhiễu tương đương  ee2 trên kênh Rayleigh fading: 
 v
 log2 M j
 P( e ) j erfc(   ) f (  ) d  (20) 
 b  n n  ee2
 0 jn 10
trong đó: 
34 N. T. Tấn, T. M. Hoàng, D. M. Thành, “Đánh giá chất lượng  nhận thức dạng nền.” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
 (2n 1)2 .3 log M
 vM (1 2 j ) 1, 2 , 
 jn(2M 2)
 n2 j 1
 n21j 1
 ( 1) M 2 j 1 
 2 2
 j M 2 x
  , erfc(x)= exp d 
 n 2
 M log2 M 2 0 sin 
 Trong biểu thức trên, . và hàm erfc(.) được định nghĩa là hàm làm tròn xuống lấy 
phần nguyên và hàm bù lỗi. Thế các biểu thức trên và các số hạng ở trên vào (19) ta được 
biểu thức tính xác suất lỗi bít trung bình Pb(e) như sau: 
 log2 M v j /2
 Aij 
 P (e ) j exp n d  d  (21) 
 bn   j 1 2 
 j 10 n2 i j sin 
 00 (1 j )  Bj 
 Thực hiện tích phân biểu thức trên, ta có được biểu thức tính tỷ lệ lỗi bit của hệ thống. 
d. Dung lượng hệ thống 
 Dung lượng mạng thứ cấp là giá trị trung bình của dung lượng tức thời của các chặng 
trên kênh truyền Rayleigh pha đinh [16]. Dựa vào lý thuyết xác suất có thể biểu diễn bằng 
toán học của dung lượng như sau: 
 1
 C  log22 (1  ee )
 ee2 K
 . (22) 
 1 
 log (1 )fd (  ) 
 22ee  ee2
 K 0
 Chú ý rằng, giá trị 1/K trong biểu thức (22) là do hệ thống dùng K chặng để truyền từ 
nguồn đến đích. 
 Thế hàm PDF của  ee2 vào (22) chúng ta nhận được. 
 1 A ln(1  )
 C ln(1 )f (  ) d  ij d  (23) 
  ee2  j 1
 KKln 2 ln 2 ij
 00  Bj 
 Tiến hành lấy tích phân theo  đối với (23) ta được dung lượng ergodic của hệ thống. 
 4. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN 
 Trong phần này, chúng tôi trình bày kết quả mô phỏng để chúng minh rằng, sử dụng kỹ 
thuật chuyển tiếp có thể đạt được hiệu suất cao hơn so với phương thức truyền thông truyền 
thống. Các trường hợp mô phỏng tương ứng với hệ thống có số chặng K = 1, 2, 3. Trường 
hợp K=1 hệ thống tương đương với hệ thống truyền thông trực tiếp, trường hợp K=3 hệ 
thống trở thành mạng truyền thông 3 chặng. Xem xét hệ thống truyền thông tuyến tính bao 
gồm nhiều cluster, mỗi cluster có 3 nút. Khoảng cách truyền tín hiệu của toàn tuyến được 
 K
chuẩn hóa là 1, nghĩa là d 1. Kênh truyền sử dụng trong toàn bộ chương trình mô 
 k 1 k
phỏng là kênh truyền fading Rayleigh. Hệ số suy hao môi trường giả sử là 3. 
 Trong hình 2a biểu diễn xác suất dừng của hệ thống với số chặng chuyển tiếp khác nhau. 
Với giả sử rằng, khoảng cách giữa các cluters là như nhau ( dk /K với mọi k, k =1,2,3), số 
lượng nút chuyển tiếp ở cluters là 3 nút (Nk=3) ; điều kiện ràng buộc mức ngưỡng nhiễu tại 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 35 
 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
máy thu sơ cấp là 15 dB. Từ kết quả hình 2a ta thấy, phẩm chất của hệ thống được cải thiện 
khi tăng số chặng chuyển tiếp. Có nghĩa là khi chia nhỏ đường truyền thành nhiều chặng, 
chất lượng kênh truyền được cải thiện. Ngoài ra, xác suất dừng của hệ thống bị bão hòa bởi 
ngưỡng ràng buộc can nhiễu của mạng sơ cấp. Tuy nhiên, sự đánh đổi này là sử dụng hiệu 
quả tần số vô tuyến và có thể sử dụng các phương pháp kĩ thuật khác kết hợp lại để cải thiện 
hiệu năng vẫn có thể đảm bảo để hệ thống hoạt động bình thường. 
 Hình 2a. Xác suất dừng hệ thống. Hình 2b. Dung lượng hệ thống. 
 Hình 2b, thể hiện đường dung lượng của hệ thống theo số chặng khác nhau, từ đồ thị 
thấy rằng, khi tăng số chặng, dung lượng trung bình của hệ thống giảm đáng kể, do chia 
nhỏ kênh truyền thành các đoạn nhỏ, dẫn đến tốc độ đạt được trên toàn mạng giảm đi. Ở 
đây chứng tỏ có sự trả giá giữa các ưu điểm đó là giảm suy hao đường truyền và hiệu suất 
sử dụng băng thông của hệ thống khi số chặng tỉ lệ nghịch với dung lượng. 
 Hình 3a. SER của hệ thống với điều chế Hình 3b. BER với các dạng điều chế. 
 BPSK. 
 Trên hình 3a, thể hiện hiệu năng hệ thống theo tiêu chuẩn SER với số chặng K = 1, 2, 
3. (Trong kết quả này chỉ mô phỏng cho SER, vì điều chế BPSK thì SER và BER là như 
36 N. T. Tấn, T. M. Hoàng, D. M. Thành, “Đánh giá chất lượng  nhận thức dạng nền.” 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
nhau). Tương tự như kết quả xác suất dừng hệ thống, khi tăng số chặng phẩm chất được 
cải thiện đáng kể do thực hiện giao thức giải mã và chuyển tiếp ở mỗi chặng dẫn đến hệ 
thống có thể loại bỏ được lỗi trong quá trình giải mã tại mỗi chặng. Trên đồ thị thấy rằng, 
khi tăng SNR phẩm chất của hệ thống bị bão hòa, hiện tượng này có thể giải thích do ràng 
buộc ngưỡng can nhiễu của mạng sơ cấp. BER của hệ thống bị bão hòa khi SNR trung 
hơn 10 dB với số chặng K = 1, 2, tuy nhiên, mức phẩm chất này có thể chấp nhận được. 
 Hình 3b thể hiện đồ thị biểu diễn BER cho các điều chế được thực hiện trong hệ thống. 
Từ đồ thị thấy rằng, với điều chế BPSK ở vùng SNR nhỏ cho phẩm chất tốt nhất, trong khi 
đó, điều chế 8-QAM có phẩm chất kém nhất, kết quả này phù hợp với hiệu suất các kiểu 
điều chế đã thực hiện trên các mô hình truyền thống. Một kết quả cũng tương tự như các 
đồ thị trên là hiện tượng bảo hòa phẩm chất khi SNR lớn hơn 10 dB. 
 5. KẾT LUẬN 
 Bài báo đã đề xuất được mô hình truyền thông hợp tác chuyển tiếp của mạng vô tuyến 
nhận thức gồm nhiều chặng. Lĩnh vực vô tuyến nhận thức hiện tại đang được nghiên cứu 
nhiều ở trong và ngoài nước. Đặc biệt khảo sát hệ thống chuyển tiếp đa chặng và lựa chọn 
chuyển tiếp của mạng vô tuyến nhận thức để đánh giá các tham số hiệu năng mới chỉ được 
khảo sát trong bài báo. Thông qua kết quả khảo sát cho thấy rằng, có thể áp dụng kĩ thuật 
lựa chọn chuyển tiếp và truyền đa chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền để 
đảm bảo phẩm chất hệ thống. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. J. N. Laneman, D. N. Tse, and G. W. Wornell, "Cooperative diversity in wireless 
 networks: Efficient protocols and outage behavior," Information Theory, IEEE 
 Transactions on, vol. 50, pp. 3062-3080, 2004. 
[2]. J. Boyer, D. D. Falconer, and H. Yanikomeroglu, "Multihop diversity in wireless 
 relaying channels," Communications, IEEE Transactions on, vol. 52, pp. 1820-
 1830, 2004. 
[3]. V. N. Q. Bao and H. Y. Kong, "Diversity order analysis of dual-hop relaying with 
 partial relay selection," IEICE transactions on communications, vol. 92, pp. 3942-
 3946, 2009. 
[4]. I. Krikidis, J. Thompson, S. McLaughlin, and N. Goertz, "Amplify-and-forward with 
 partial relay selection," Communications Letters, IEEE, vol. 12, pp. 235-237, 2008. 
[5]. B. Wang and K. R. Liu, "Advances in cognitive radio networks: A survey," Selected 
 Topics in Signal Processing, IEEE Journal of, vol. 5, pp. 5-23, 2011. 
[6]. A. Goldsmith, S. A. Jafar, I. Maric, and S. Srinivasa, "Breaking spectrum gridlock 
 with cognitive radios: An information theoretic perspective," Proceedings of the 
 IEEE, vol. 97, pp. 894-914, 2009. 
[7]. A. Aduwo and A. Annamalai, "Channel-aware inter-cluster routing protocol for 
 wireless ad-hoc networks exploiting network diversity," in Vehicular Technology 
 Conference, 2004. VTC2004-Fall. 2004 IEEE 60th, 2004, pp. 2858-2862. 
[8]. I. Krikidis, J. Thompson, S. McLaughlin, and N. Goertz, "Amplify-and-forward with 
 partial relay selection," IEEE Communications letters, vol. 12, pp. 235-237, 2008. 
[9]. V. N. Q. Bao and T. Q. Duong, "Outage Analysis of Cognitive Multihop Networks 
 under Interference Constraints," IEICE Trans Commun, vol. E95-B, pp. 1019-1022, 
 Mar. 2012. 
[10]. O. R. F. E. H. w. L. E. A. Knowledge and D. Zwillinger, Table of integrals, series, 
 and products: Elsevier, 2014. 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 37 
 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
[11]. M. O. Hasna and M.-S. Alouini, "Outage probability of multihop transmission over 
 Nakagami fading channels," Communications Letters, IEEE, vol. 7, pp. 216-218, 
 2003. 
[12]. H. V. Khuong and H. Y. Kong, "General Expression for pdf of a Sum of Independent 
 Exponential Random Variables," IEEE Communications Letters, vol. 10, pp. 159-
 161, March 2006. 
[13]. P. M. Shankar, "Fading and shadowing in wireless systems": Springer, 2017. 
[14]. V. N. Q. Bao, T. Q. Duong, and C. Tellambura, "On the performance of cognitive 
 underlay multihop networks with imperfect channel state information," IEEE 
 Transactions on Communications, vol. 61, pp. 4864-4873, 2013. 
[15]. B. Q. Vo-Nguyen and H. Y. Kong, "A simple performance approximation for multi-
 hop decode-and-forward relaying over rayleigh fading channels," IEICE transactions 
 on communications, vol. 92, pp. 3524-3527, 2009. 
[16]. M. K. Simon and M.-S. Alouini, "Digital communication over fading channels vol. 
 95": John Wiley & Sons, 2005. 
 ABSTRACT 
 PERFORMANCE EVALUATION OF THE MULTI-HOP COMMUNICATION 
 WITH RELAY SELECTION DF IN COGNITIVE RADIO NETWORKS 
 In this paper, a multi-hop relay scheme for the secondary network under the 
 maximum interference level at primary receivers is proposed. In the proposed scheme, 
 the relay node at each hop is selected by using the partial relay selection method. 
 Based on the end-to-end signal-to-noise ratio (SNR), the system performance in terms 
 of outage probability (OP), average bit error rate (BER) and average channel 
 capacity, under Rayleigh fading channel is evaluated. Numerical result and Monte-
 Carlo simulations presented that the proposed scheme obtains a high performance 
 gain, as compared with the conventional multi-hop transmission one. 
Keywords: Cognitive radio; Multi-hop transmission; Decode and forward; System performance analysis. 
 Nhận bài ngày 27 tháng 12 năm 2019 
 Hoàn thiện ngày 17 tháng 01 năm 2020 
 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng 8 năm 2020 
Địa chỉ: 1 Học viện Kỹ thuật quân sự-BQP; 
 2Trường Đại học Thông tin liên lạc. 
 *Email: trungtan68@gmail.com. 
38 N. T. Tấn, T. M. Hoàng, D. M. Thành, “Đánh giá chất lượng  nhận thức dạng nền.”