TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG SONG CÔNG dưới sự ẢNH HƯỞNG của TRẠNG THÁI THÔNG TIN KÊNH TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG SONG CÔNG dưới sự ẢNH HƯỞNG của TRẠNG THÁI THÔNG TIN KÊNH TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG SONG CÔNG dưới sự ẢNH HƯỞNG của TRẠNG THÁI THÔNG TIN KÊNH TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG SONG CÔNG dưới sự ẢNH HƯỞNG của TRẠNG THÁI THÔNG TIN KÊNH
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
-CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
-TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP
TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG
DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TRẠNG
THÁI THÔNG TIN KÊNH KHÔNG HOÀN HẢO
Trang 2DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT X
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1
1.1 G IỚI THIỆU 1
1.1.1 Lịch sử 1
1.1.2 Chuyển tiếp AF trong hệ thống song công trong trạng thái thông tin kênh không hoàn hảo 1
CHƯƠNG 2 MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 2
2.1 M Ô TẢ HỆ THỐNG 2
2.1.1 Pha thu năng lượng 4
2.1.2 Pha chuyển tiếp thông tin 4
2.2 P HÂN TÍCH HIỆU SUẤT 5
2.2.1 Outage Probability and System Throughput 5
2.2.2 Outage Probability and System Throughput 7
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 8
3.1 M Ô HÌNH MÔ PHỎNG 8
3.2 K ẾT QUẢ MÔ PHỎNG 9
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 10
4.1 K ẾT LUẬN 10
4.2 H ƯỚNG PHÁT TRIỂN 10
PHỤ LỤC A 12
Trang 3DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
TSR Time-switching relaying
DF Decode-and-forward
AF amplify-and-forward
CSI channel state information
Trang 4CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
1.1 Giới thiệu
Gần đây, mạng không dây thu hoạch năng lượng dự kiến sẽ giới thiệu một số thay đổi trong mạng không dây Trong khi thiết bị không dây thông thường được cung cấp bởi pin, có tuổi thọ hoạt động giới hạn, và phải được thay thế hoặc nạp lại định
kỳ để duy trì kết nối mạng, năng lượng có thể được liên tục và ổn định khi được cung cấp bởi các nguồn RF hiện có qua không khí cho các thiết bị không dây thu năng lượng
1.2 Hệ thống chuyển tiếp song công dưới sự ảnh hưởng của trạng thái thông tin kênh không hoàn hảo
Relaying (chuyển tiếp) là một cách hiệu quả để chống lại việc hiệu suất giảm bởi fading, shadowing, và mất đường dẫn Nói một cách ngắn gọn, trong các mạng chuyển tiếp, mỗi user không dây được giả định truyền dữ liệu trong khi cũng có thể hoạt động như một tác nhân hợp tác cho người dùng khác Dữ liệu từ nguồn có thể đến đích đến ít nhất bằng hai cách: truyền trực tiếp đến điểm đến và truyền dẫn chuyển tiếp thông qua một nút Mạng lưới chuyển tiếp cao cấp thì giải quyết được những vấn đề về tiết kiệm năng lượng bởi vì Relaying hoạt động như một thiết bị lưu động Cho đến nay đã có rất nhiều nỗ lực để giải quyết vấn đề này Một cách tiếp cận tương lai là áp dụng công nghệ thu hoạch năng lượng để chuyển tiếp mạng Trong đồ án này chúng ta sẽ tập trung phân tích năng lượng, tín hiệu được chuyển tiếp song công CSI không hoàn hảo ở cả relay và đích Chúng ta sẽ chọn giao thức chuyển tiếp và chuyển đổi thời gian để xét Ảnh hưởng của ước lượng kênh lên hiệu suất hệ thống sẽ được chứng minh rõ
Trang 5Trang 2/12
CHƯƠNG 2 MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
2.1 Mô tả hệ thống
Hình 2.1.1 Mô hình mô tả hệ thống chuyển tiếp song công.
Hình 2.1.1 minh hoạ mô hình hệ thống chuyển tiếp song công Trong mô hình này, nguồn S gửi thông tin đến đích D với sự trợ giúp của một rơle giải mã và chuyển tiếp R Sự kết nối trực tiếp giữa nguồn và đích có thể yếu, vì vậy nó cần sự giúp đỡ
từ rơle R để đảm bảo kết nối Rơle không có dữ liệu riêng của nó để truyền tải Nó
là một thiết bị được trang bị một ăng-ten truyền và một ăng-ten nhận, vì vậy nó xuất hiện hiện tượng nhiễu tại Rowle do 2 ăng-ten gây ra Ngoài ra, relay được giả sử chỉ
sử dụng năng lượng thu được từ nguồn để giúp trao đổi thông tin giữa nguồn và đích
Quá trình thu thập thông tin và thu hoạch năng lượng tại nút chuyển tiếp được tách
ra bằng cách sử dụng giao thức chuyển tiếp chuyển đổi thời gian (TSR) Đặt T là
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI
Trang 6tổng thời gian truyền một ký hiệu Ta chia thời gian này thành hai khoảng thời gian với độ dài của αT và (1 - α)T tương ứng T và (1 - αT và (1 - α)T tương ứng )T tương ứng
Quá trình relay thu năng lượng từ nguồn diễn ra trong khoảng thời gian thứ nhất (Giai đoạn thu hoạch năng lượng); Sau đó nhận tín hiệu từ nguồn, giải mã tín hiệu
và chuyển tiếp nó đến đích trong khoảng thời gian thứ hai (pha chuyển tiếp thông tin) Quy trình thu hoạch năng lượng này được minh họa trong hình 2.1.2
Hình 2.1.2 Giao thức chuyển tiếp ở Relay.
Như đã được giới thiệu, chúng ta xem xét trường hợp thông tin trạng thái kênh thu được có lỗi Ảnh hưởng của lỗi CSI đối với hiệu suất của mô hình là phần nội dung của đồ án này Cho h và g biểu thị kênh thu được được từ nguồn đến relay và từ relay đến đích Tương ứng, f biểu thị kênh nhiễu tại relay Tất cả các các kênh được giả sử đến sự mờ dần Rayleigh fading, nghĩa là lợi ích kênh giữ liên tục trong mỗi khối truyền dẫn Cụ thể, | h| 2 là một hàm mũ biến ngẫu nhiên với trị trung bình λh,h,
2
|
| g được phân bố theo cấp số nhân với trị trung bìnhλh,g, và | f | 2 được phân phối theo cấp số nhân với trị trung bình λh,r, là một tham số quan trọng liên quan đến độ mạnh của nhiễu loopback Do kênh không hoàn hảo, ước tính thu được của kênh tại rơle và điểm đến được thể hiện dưới dạng:
f f
f
g g
g
h h
h
^
^
^
Trong đó ~h, ~g, và ~f là lỗi ước lượng kênh tương ứng với h,g, và f tương ứng Các lỗi ước lượng này đều giả định là Gaussian phân phối và không có ý nghĩa
Trang 7Trang 4/12
2.1.1 Pha thu năng lượng
Trong suốt quá trình thu năng lượng, ta giả sử rằng chỉ có ăng-ten thu là được sử dụng để thu năng lượng Tín hiệu năng lượng tại Relay có thể được mô tả như sau:
r e
Trong đó h là hệ số kênh của anten đầu tiên, x e là biểu tượng năng lượng Với
s
x
E 2 , trong đó E [X] là kì vọng của biến ngẫu nhiên X nr là nhiễu Gaussian với phương sai N0 Do đó, năng lượng thu hoạch trong giai đoạn này có thể tính được:
T h
P
E n s( |^ | 2 2 h)
Công suất chuyển đổi năng lượng tại Relay có thể tính như sau:
)
| (|
) 1 (
)
|
h s
h s
T
T h
P
Trong đó, là hằng số biểu thị hiệu suất năng lượng
1
k
2.1.2 Pha chuyển tiếp thông tin
Tại đây tín hiệu thu được tại Relay được cho bằng:
r r s
Với xs là tín hiệu cần được truyền, với kỳ vọng E|xs|2=PS, xr là nhiễu với kỳ vọng E|
xr|2 = Pr
Tín hiệu từ nguồn được giải mã đầu tiên ở Relay Tỷ số tín hiệu và nhiễu (SNR) tại relay được tính bằng:
0 2
2
^
2 2
^
)
| (|
)
| (|
1
N P f
P h
SINR
R f
S h
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI
Trang 8Bằng cách chia acr tử và mẫu cho (|h^| 2 2 h)P
và thay PR đã tính ở trên và No<<Ps ta được:
)
| (|
1 1
2 2
^
f
f k
SINR
Tại điểm đích, tín hiệu nhận được là:
d r
Với xr là tín hiệu được chuyên tiếp từ Relay với kỳ vọng E|xr|2=Pr thì:
0
2 2 2
2 0
2
| (|
2
N
g h
kPs N
P g
2.2 Phân tích hiệu suất
2.2.1 Outage Probability and System Throughput
Giả sử nguồn truyền với tốc độ không đổi R Đặt =2R-1 là ngưỡng của SINR tại
cả Relay và đích Công suất đầu ra được tính bằng:
Pout =Pr {min(SINR1,SINR2)< } Ngoài ra, thông lượng trung bình được tính bằng:
) 1 ( ) 1
( )
FD P out R
Một trong những nội dung chính của đồ án này là phân tích hiệu suất đầu ra dưới sự ảnh hưởng của trạng thái thông tin kênh không hoàn hảo
Đối với giao thức DF, xác suất bị gián đoạn và thông lượng trung bình của hệ thống
có thể được biểu diễn bằng:
dy e
e e
P
b a
d cy by a y
g b
a k
k out
h g
g r
0
) ( 1
1 1
1
2
Và FD( ) ( 1 P out)R( 1 )
Trang 9Trang 6/12
Đặt
2
2
2 2
g
h
g h
kPs d
kPs c
kPs b
kPs No a
2 2 2
)
| )(|
| (|
,
| (|
min
f k
f
Đặt X= | h|2, Y=| g|2, Z= 2
^
|
| f thì:
2 2
2
) )(
( Pr )
(
1 min
Pr
1
N
Y X
kPs Z
k
f
Thay a,b,c,d vào ta được:
r f k e k
k Z
Z
k
f f
2 1 1
1 Pr )
(
1 min
Pr
2 2
Với 1 k 2f >=0
Tương tự vế thứ 2
g
h g
h g
h
kPs kPsY
Y kPs kPs
No X N
Y X
kPs
2
2 2
2
0
2 2
Pr )
)(
(
Pr
Thay a,b,c,d vào ta được:
g h
a b
a
d cy by a y
g
e dy e
bY a bY
a d cY
bY
a
X
bY a bY
a d cY
bY a X d
cY
bY
a
X
/
0
) (
1
) 0 Pr(
0 Pr
) 0 Pr(
0 Pr
Pr
Công thức đã được chứng minh
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI
Trang 102.2.2 Outage Probability and System Throughput
Trang 11Trang 8/12
CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.1 Mô hình mô phỏng
Hình 3.1.
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI
Trang 123.2 Kết quả mô phỏng
Hình 3.2.
Trang 13Trang 10/12
CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN
4.1 Kết luận
Trong suốt quá trình chứng minh công thức và lập trình code, em đã gặp nhiều khó khăn và mất rất nhiều thời gian Nhưng với sự giúp đỡ nhiệt tình của giảng viên cuối cùng em đã hoàn thành được mục tiêu của đồ án đưa ra Kết quả giữa lý thuyết
và mô phỏng tương đối chính xác
4.2 Hướng phát triển
Có thể phát triển đề tài và mô phỏng các trường hợp chuyển tiếp trong hệ thống song công dưới sự ảnh hưởng của thông tin kênh hoàn hảo…
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI
Trang 15Trang 12/12
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Zeng, Y., Zhang, R.: Full-duplex wireless-powered relay with self-energy recycling IEEE Wirel Commun Lett 4(2), 201–204 (2015)
2 Choi, D., Lee, J.H.: Outage probability of two-way full-duplex relaying with imperfect channel state information IEEE Commun Lett 18(6), 933–936 (2014)
3 Li, D., Shen, C., Qiu, Z.: Sum rate maximization and energy harvesting for twoway AF relay systems with imperfect CSI In: 2013 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp 4958–4962, May 2013
4 Tan N Nguyen1,2, Phuong T Tran1(B) , Hoang-Sy Nguyen2, Thu-Quyen T Nguyen1, and Miroslav Voznak1,2: On the Performance of Energy Harvesting for Decode-and-Forward Full-Duplex Relay Networks in Imperfect CSI Condition
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI