Nghiên cứu kỹ thuật SSC (switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng (tt)

Nghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

NGUYỄN THANH TÂM

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SSC ( SWITCH AND STAY COMBINNING) TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THU THẬP

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo

Phản biện 1:………

Phả biện 2:………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ tại Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Vào lúc: …… giờ……ngày ……tháng……….năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

-Thư viện của Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong thời đại hiện nay, các thiết bị di động đang dần thay thế các thiết bị cố định Do đó, các hệ thống truyền thông phải đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của các thiết bị di động Để đáp ứng nhu cầu này, các hệ thống truyền thông không dây phải được triển khai rộng khắp và duy trì hoạt động liên tục Tuy nhiên, các hệ thống truyền thông không dây hiện nay hầu hết sử dụng các nguồn năng lượng được cung cấp như điện lưới, pin, acquy Điều này khó khăn cho việc duy trì hoạt động liên tục và triển khai hệ thống tại những nơi có địa hình phức tạp, khó khăn [1]

Để cung cấp khả năng thu thập năng lượng cho các hệ thống không dây, các hệ thống vô tuyến có thể thu thập năng lượng từ thiên nhiên như năng lượng mặt trời, nhiệt, gió, điện từ, hóa học…hoặc do con người tạo ra [2] Ưu điểm của giải pháp này là có thể ứng dụng để triển khai mạng ở những vùng nông thôn xa xôi và thúc đẩy sự phát triển y tế, môi trường, giáo dục [2] Tuy nhiên, nhược điểm của thu thập năng lượng từ thiên nhiên

là sự không ổn định và có thể phụ thuộc vào thời điểm

Để có thể tăng tính ổn định của nguồn năng lượng thu thập, hệ thống vô tuyến có thể thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến ở môi trường xung quanh mà ở đó tín hiệu vô tuyến có thể được dung để cung cấp đồng thời thông tin và năng lượng cho máy thu [2] Một vấn đề khó khăn là các mạng thu thập năng lượng khó có thể nhận ra năng lượng thu và thông tin của tín hiệu trong cùng một lúc Bên cạnh đó, công nghệ thu thập năng lượng hiện nay có hiệu suất năng lượng thu thập rất thấp dẫn đến các nút mạng sử dụng năng lượng có vùng phủ sóng nhỏ [4] Việc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp cho các mạng thu thập năng lượng vô tuyến là một giải pháp tiềm năng

Trong luận văn này, chúng tôi đề xuất sử dụng kỹ thuật phân bố và giữ (SSC) để:

- Mở rộng vùng phủ sóng của mạng sử dụng nút chuyển tiếp thu thập năng lượng

- Cải thiện hiệu suất phổ tần của mạng

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Xét mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng với nút nguồn S, nút chuyển tiếp R và nút đích R

S

R

D

- Kỹ Thuật thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TS)

- Kỹ Thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PS)

- Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp

- Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp

4 Phương pháp nghiên cứu

- Khảo sát các luận văn và bài báo có cùng hướng nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết mạng vô tuyến chuyển tiếp, mạng truyền thông cộng tác, mạng vô tuyến thu thập năng lượng

- Xây dựng mô hình toán học để tính toán hiệu năng với nút chuyển tiếp thu thập năng lượng và nút đích sử dụng kỹ thuật SSC

- Đánh giá hiệu năng hệ thống qua phần mềm mô phỏng Matlab

5 Cấu trúc luận văn

Nội dung luận văn thực hiện cụ thể gồm 3 chương:

Chương 1 – Tổng quan về mạng thu thập năng lượng, giới thiệu mạng thu thập năng lượng, các kỹ thuật thu thập năng lượng, các

kỹ thuật chuyển tiếp, các thông số cơ bản của mạng

Chương 2 – Đề xuất kỹ thuật kết hợp SSC trong mạng thu thập năng lượng, giới thiệu kỹ thuật SSC, trình bày mô hình hệ thống nghiên cứu Khảo sát, phân tích và đưa ra kết quả tính toán để đánh giá hiệu năng hệ thống

Chương 3 – Mô phỏng và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG 1.1 Giới thiệu về mạng thu thập năng lượng

1.2 Mạng chuyển tiếp thu thập năng lượng

1.2.1 Mô hình hệ thống

Hình 1 1: Mô hình mạng chuyển tiếp thu thập năng lượng

Xét hình 1.1, mô hình gồm 3 nút : nút nguồn S, nút chuyển tiếp R và nút đích D Nút nguồn S truyền thông tinh đến D thông qua nút chuyển tiếp R Đối với mạng chuyển tiếp thông thường nút R được cung cấp năng lượng Tuy nhiên trong mạng thu thập năng lượng, nút R tự thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến truyền từ nút nguồn Nút R sử dụng 2 phương pháp: thu thập năng lượng phân chia theo thời gian và thu thập năng lượng phân chia (TS) theo công suất (PS) để thu thập năng lượng Tại nút R sử dụng 2 kỹ thuật chuyển tiếp: kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp và kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp

1.2.2 Thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TS)

Hình 1 2: Thu thập năng lượng phân chia theo thời gian

Trong hình 1.2 mô tả cách thức thu thập năng lượng và xử lý thông tin trong kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo thời gian [5] Trong đó, T là tổng thời gian truyền từ nút nguồn đến nút đích và là một phần trong tổng thời gian truyền để nút chuyển tiếp thu thập năng lượng với , tức là trong khoảng thời gian đầu nút nguồn sẽ truyền năng lượng vô tuyến đến nút chuyển tiếp để nút chuyển tiếp thu thập năng lượng, phần còn lại , ( ) dùng để truyền thông tin từ nguồn đến nút

chuyển tiếp và ( ) dùng dể truyền thông tin từ nút chuyển tiếp đến đích Tất cả các năng lượng thu thập trong giai đoạn thu thập năng lượng được tiêu thụ bởi các nút chuyển tiếp trong khi chuyển tiếp các tín hiệu nguồn đến đích[5].

1.2.3 Thu thập năng lƣợng phân chia theo công suất (PS)

Energy Harvesting tại R Truyền thông tin từ

Truyền thông tin từ

/ 2

Hình 1 3: kỹ thuật thu thập năng lƣợng phân chia theo công suất

Hình 1.3 mô tả kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất [5] Trong đó, P là công suất truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp, T là tổng thời gian truyền, với một nửa thời gian dùng cho việc truyền tải thông tin và năng lượng từ S đến R, và một nửa còn lại dùng để truyền truyền thông tin từ R đến D

1.2.4 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Kỹ thuật này nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại những gì

nó nhận được từ nút nguồn Quá trình khuếch đại tương ứng với 1 biến đổi tuyến tính xảy ra tại nút chuyển tiếp AF còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo và cơ bản là nó thực hiện những phương thức xử lý tương

tự cho tín hiệu [6],[7]

1.2.5 Kỹ thuật giả mã và chuyển tiếp (DF)

Kỹ thuật chuyển tiếp này còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, cơ bản nó thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu Ở mô hình này, nút chuyển tiếp hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông minh và giải mã/ giải điều chế tín hiệu nhận được từ nút nguồn ở khe thời gian truyền thứ nhất hay ở pha truyền thứ nhất Quá trình này sẽ loại bỏ sự hiện diện của nhiễu [8],[9]

1.3 Mạng thu thập năng lƣợng sử dụng các kỹ thuật kết hợp truyền thống

1.3.1 Mô hình hệ thống

R

D

Hình 1.4: Mạng thu thập năng lƣợng sƣ dụng kỹ thuật kết hợp

1.3.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông cộng tác

Mỗi thiết bị di động thường chỉ có một anten và không thể riêng lẽ tạo thành phân tập không gian Tuy vậy, giả sử một thiết bị di động có thể nhận dữ liệu từ các thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của nó Và bởi kênh truyền fading đối với các thiết bị di động khác nhau là độc lập thống kê với nhau, nên việc đạt được phân tập không gian

là hoàn toàn khả thi Việc truyền đi nhiều tín hiệu sẽ góp phần tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng của fading [10] Đó chính là ý tưởng chính của khái niệm truyền thông cộng tác (Cooperative Communication) 1.3.1.2 Ưu nhược điểm mạng truyền thông cộng tác

+ Ưu điểm

- Giảm thiểu công suất truyền cần thiết

- Nâng cao dung lượng kênh Shanon

- Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, nâng cao vùng phủ sóng của mạng

- Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS

- Tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng

+ Nhược điểm

- Tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến hơn so với truyền trực tiếp

- Truyền thông cộng tác thường bao gồm bước tiếp nhận và xử

lý gói tin tại nút chuyển tiếp trước khi nó được truyền đi tiếp Khi xét tới những dịch vụ nhạy với trễ như thoại, những dịch

vụ truyền thông đa phương tiện phổ biến hiện nay thì trễ tại các bước xử lý ở nút chuyển tiếp rõ ràng không có lợi

- Việc lập lịch phức tạp

1.3.1.3 Kỹ thuật kết hợp

- Kỹ thuật lựa chọn kết hợp SSC

Kỹ thuật phân tập SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu

có tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận được từ các nhánh khác nhau rồi đưa vào xử lý[11],[12]

- Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC)

Kỹ thuật này sử dụng tín hiệu thu từ tất cả các nhánh để đưa vào

xử lý Trong kỹ thuật MRC, SNR của ngõ ra bộ kết hợp là tổng của các SNR trên các nhánh thành phần [10],[13] SNR của tín hiệu thu sẽ tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập

- Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (EGC)

Về bản chất EGC cũng giống MRC, đều sử dụng tất cả các tín hiệu thu được tại các nhánh để đưa vào xử lý, tuy nhiên, tỉ số SNR đầu ra trong phương pháp EGC thoả điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh như nhau

- Kỹ thuật SSC

Với SSC, máy thu sẽ chọn một anten cho đến khi chất lượng của

nó giảm xuống dưới ngưỡng xác định trước Khi đó, máy thu sẽ chuyển đến anten khác và giữ trạng thái cho đến khe thời gian tiếp theo,mặc dù chất lượng của anten đó trên hay dưới ngưỡng được xác định trước [15]

1.3.1.4 Các kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp

- Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần: nút chuyển tiếp tốt nhất được lựa chọn dựa trên tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đơn phần tức thời của kênh truyền giữa nguồn và đích [18] hoặc giữa đích và nút chuyển tiếp [6]

- Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần: nút chuyển tiếp tốt nhất được lựa chọn dựa vào tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trên cả hai kênh truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp và từ nút chuyển tiếp đến đích [19]

1.3.2 Các thông số cơ bản của mạng

1.3.2.1 Xác suất dừng

1.3.2.2 Xác suất lỗi bit

1.3.2.3 Hiệu suất trải phổ

1.4 Tổng quan về đề tài và chọn đề tài

1.5 các nghiên cứu liên quan

1.6 Đóng góp của luận văn

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT KẾT HỢP SSC TRONG MẠNG THU THẬP

NĂNG LƯỢNG 2.1 Giới thiệu về kỹ thuật SSC

Giả sử mạng truyền thông cộng tác gồm 3 nút: nút nguồn S, nút chuyển tiếp

R và nút đích D Nút nguồn sẽ truyền dữ liệu đến nút đích với sự trợ giúp của nút chuyển tiếp Đặc biệt, nút đích có thể nhận trực tiếp tín hiệu từ nguồn hoặc gián tiếp thông qua nút chuyển tiếp [32]

Với kỹ thuật SSC, nút đích sẽ lựa chọn một trong hai tín hiệu nhận được để giải mã

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại D trên chặng S – D: 1

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại D trên chặng S – R – D:

 lớn hơn ngưỡng th cho trước thì nút đích sẽ chọn tín hiệu này để

giải mã Đến khi, tỉ số tín hiệu trên nhiễu 1 nhỏ hơn ngưỡng th và tín hiệu còn lại có tỉ số tín hiệu trên nhiễu 2 lớn hơn ngưỡng th thì nút đích sẽ chọn tín hiệu còn lai để giải mã

Trong mô hình như trình bày ở Hình 2.1, nút đích (D) có thể nhận thông tin trực tiếp từ nguồn (S) hoặc thông qua kênh gián tiếp thông qua nút chuyển tiếp (R) thông qua kênh truyền SRD.Tùy theo chất lượng tín hiệu nhận tại nút đích, nút đích sẽ kết nối với đường trực tiếp hay đường gián theo theo quy luật của bộ chuyển và giữ Giả sử nút đích đang kết nối với nút nguồn qua kênh truyền trực tiếp, nếu tỷ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền này nhỏ hơn một giá trị ngưỡng cho trước, nút đích sẽ chuyển kết nối sang kênh truyền gián tiếp thông qua nút chuyển tiếp và ngược lại Trong trường hợp nút D nhận tín hiệu thông qua nút R và sử dụng kỹ thuật

DF, có nghĩa là mỗi khe thời gian truyền được chia thành 2 khe thời con Trong khe thời gian con thứ nhất, tín hiệu truyền từ nguồn sẽ được giải mã tai nút chuyển tiếp và trong khe thì gan con thứ hai, tin hiệu sao khi được giải mã được truyền từ nút chuyển tiếp đến đích

Trong mô hình này, điểm khác biệt với mô hình truyền thống là nút chuyển tiếp không sử dụng năng lượng từ pin, hoặc điện lưới mà phải

tự thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến từ nút nguồn

2.3 Phân tích hiệu năng hệ thống

2.3.1 Hàm phân phối tích lũy (CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF)

Giả sử kênh truyền từ nút nguồn S đến nút đích D (hSD), kênh truyền từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp R (hSR) và từ nút chuyển tiếp R đế nút đích D (hRD) có phân phối fading Rayleigh Giả sử các kênh truyền là độc lập và đồng nhất, các kênh truyền hSD, hSR, hRD có phân phối mũ

Với dl: là xác suất mà liên kết trưc tiếp được chọn và được cho bởi công thức [32]:

SRD SD

T T

T T

kết trực tiếp và gián tiếp

2.3.2.1 Xác suất dừng với nút chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TS)

+ Trường hợp 1: T  

1 TS

SR RD SR RD SD

 

1 TS

2.3.2.2 Tối ưu mô hình đề xuất

Giá trị xác suất dừng OP nhỏ nhất được cho bởi công thức:

2 1

2 1

2 1 2

1

1 2

1 1

n

1 1

T a T a T

a a

2.3.2.3 Xác suất dừng với đa nút chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng

kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TS)

theo thời gian

Hệ thống hoạt động tương tự như mô hình đề xuất ở trên tuy nhiên kênh liên kết gián tiếp thông qua nút R được chọn dựa trên kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần (tức là kênh gián tiếp được chọn có tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu toàn trình từ nút nguồn đến R và từ R đến đích D là lớn nhất) do đó hiệu năng của hệ thống sẽ được tăng đáng kể so với hệ thống chỉ có một nút chuyển tiếp

Xác suất dừng của hệ thống cũng được viết lại như sau:

TS dl

1, ,

2 1, , 1, ,

rl

1, ,

T T

2.3.2.6 Xác suất dừng với đa nút chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng

kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PS)

Hình 2.3 được đề xuất hoạt động tương tự như mô hình trong phần 2.3.2.2 với đa nút chuyển tiếp và sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần Tuy nhiên, điểm khác biệt so với mô hình được đề xuất trong phần 2.3.2.2 là nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất

2.3.2.7 So sánh xác suất dừng của mô hình truyền trực tiếp với mô hình đề xuất

CHƯƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KÉT QUẢ

3.1 Tham số hệ thống và kênh truyền

Trong các mô phỏng Monte Carlo, để xác định các giá trị xác suất dừng thì số lượng phép thử được sử dụng là 5x10^6

3.2 Mô phỏng hiệu năng hệ thống và đánh giá

3.2.1 Mô phỏng hiệu năng hệ thống với kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo thời gian

Hình 3 1: xác suất dừng được vẽ theo giá trị SNR(dB) khi

P R    T T

Hình 3.1 biễu diễn xác suất dừng (OP) của hệ thống như một hàm theo công suất tín hiệu trên công suất nhiễu SNR Từ hình vẽ, ta có thể thấy xác suất dừng của hệ thống sẽ giảm khi SNR tăng ứng với các công thức

(2.26) đến (2.28) Tiếp theo, ta có thể quan sát thấy nếu giảm giá trị T thì

xác suất dừng của hệ thống sẽ giảm theo, tuy nhiên không phải ta cứ giảm

giá trị T là xác suất dừng của hệ thống sẽ giảm theo, Hình 3.2 sẽ cho ta thấy