TÌM HIỂU mô HÌNH GIẢI mã và CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG bán SONG CÔNG

TÌM HIỂU mô HÌNH GIẢI mã và CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG bán SONG CÔNG TÌM HIỂU mô HÌNH GIẢI mã và CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG bán SONG CÔNG TÌM HIỂU mô HÌNH GIẢI mã và CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG bán SONG CÔNG TÌM HIỂU mô HÌNH GIẢI mã và CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG bán SONG CÔNG

GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP

TRONG HỆ THỐNG

BÁN SONG CÔNG

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VIII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX

CHƯƠNG 1 SƠ LƯỢC VỀ MẠNG 5G 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 BỐI CẢNH 1

1.3 TRANH LUẬN 2

1.4 PHÁT TRIỂN 2

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG BÁN SONG CÔNG 3

2.1 GIỚI THIỆU 3

2.2 NÚT CHUYỂN TIẾP 4

2.3 CHUYỂN TIẾP BÁN SONG CÔNG VÀ SONG CÔNG 4

2.4 CÁC HÌNH THỨC TRAO ĐỔI THÔNG TIN 5

2.5 MÔ HÌNH GIẢI MÃ – CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG BÁN SONG CÔNG 6

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 8

3.1 KHẢO SÁT CÔNG SUẤT PHÁT PS 8

3.1.1 Mô phỏng 8

3.1.2 Nhận xét 10

2

3.2.2 Nhận xét 12

3.3 KHẢO SÁT TỐC ĐỘ BIT TRÊN MỘT ĐƠN VỊ BĂNG THÔNG 12

3.3.1 Mô phỏng 12

3.3.2 Nhận xét 14

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 16

PHỤ LỤC A 17

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

HÌNH 2–1: MÔ HÌNH HỆ THỐNG 6 HÌNH 3–1: XÁC SUẤT DỪNG POUT THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA CÔNG SUẤT PHÁT PS 9 HÌNH 3–2: THÔNG LƯỢNG THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA CÔNG SUẤT PHÁT PS 9 HÌNH 3–3: XÁC SUẤT DỪNG POUT THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA PHẦN TRĂM THỜI GIAN THU NĂNG LƯỢNG 11 HÌNH 3–4: THÔNG LƯỢNG THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA PHẦN TRĂM THỜI GIAN THU NĂNG LƯỢNG 11 HÌNH 3–5: XÁC SUẤT DỪNG POUT THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA TỐC ĐỘ BIT TRÊN MỘT ĐƠN VỊ BĂNG THÔNG 13 HÌNH 3–6: THÔNG LƯỢNG THEO SỰ THAY ĐỔI CỦA TỐC ĐỘ BIT TRÊN MỘT ĐƠN VỊ BĂNG THÔNG 13

4

BẢNG 3–1: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 8 BẢNG 3–2: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 10 BẢNG 3–3: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 12

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

G Generation

IoT Internet of Thing

LTE Long Term Evolution

SWIPT Simultaneous Wireless Information And Power Transfer

HD Hafl Duplex

FD Full Duplex

TSR Time Switching Relaying

AF Amplify And Forward

DF Decode And Forward

PDF Probability Density Function

CDF Cumulative Distribution Function

6

CHƯƠNG 1 SƠ LƯỢC VỀ MẠNG 5G

sẽ có hình ảnh độ nét cao, điểu chỉnh việc tắc nghẽn giao thông bằng cách gửi thông tin

về tắc nghẽn thông tin đến các xe trong thời gian thực và 5G có thể được xem là chìa khóa để mở ra thế giới IoT (Internet of Thing)

Để cung cấp được mạng 5G thì nhà mạng cần phải tăng cơ sở trạm gốc, yêu cầu tần số cao hơn tần số giao tiếp của điện thoại hiện nay Dự đoán, mạng 5G sẽ được đi vào sử dụng vào năm 2020 [1]

1.2 Bối cảnh

Cứ khoảng 10 năm sẽ có một thế hệ điện thoại di động mới được ra đời, cụ thể là: 1G được Nordic Mobile Telephone giới thiệu năm 1981, 2G được ra mắt năm 1991, 3G được giới thiệu năm 2001 và thế hệ điện thoại di động thứ 4 được chuẩn hóa vào năm 2012

Vài năm trước khi một thế hệ điện thoại di động mới ra đời thì các công nghệ tiền đề cho thế hệ điện thoại di động đó sẽ được giới thiệu Chẳng hạn như: công nghệ tiền đề cho 4G là WiMAX ở Hàn Quốc ra mắt năm 2006, còn với 3G thì có tiền đề là hệ thốngCdmaOne/IS95 ở Mỹ năm 1995 5G bắt đầu được phát triển từ năm 2008 bởi Machine-to-Machine Intelligence (M2Mi) Corp

Trang 2/21

Bắc Mỹ rất có thể sẽ là khu vực đầu tiên ứng dụng 5G vì có dự đoán rằng: vào năm

2019, số thuê bao 4G LTE ở Bắc Mỹ đặt 85% Hàn Quốc và Nhật Bản cũng được dự đoán là sẽ sớm triển khai sử dụng 5G

5G hiện chưa có chuẩn chính thức nhưng 5G sẽ là bước tiến lớn ảnh hưởng mạnh mẽ

để phát triển trong việc khác thác viễn thông Với hiệu suất cao, độ trễ thấp và tốc độ nhanh hứa hẹn sẽ mang đến những trải nghiệm vượt bậc cho người tiêu dùng [1]

5G xuất hiện sẽ phản ánh được sự khác biệt lớn nhất giữa 4G và 5G sẽ là gì Chẳng hạnnhư: tốc độ bit, tiêu thụ pin, xác suất dừng, độ trễ, số lượng thiết bị hỗ trợ, tính linh hoạt, khả năng mở rộng hoặc độ tin cậy truyền thông,… [1]

1.4 Phát triển

Năm 2008, một chương trình “5G hệ thống thông tin di động dựa trên chùm tia phân chia nhiều truy cập và chuyển tiếp với sự hợp tác nhóm” về 5G được thành lập ở Hàn Quốc Năm 2012, Chính phủ Anh thành lập trung tâm đổi mới 5G tại đại học Surrey.Cũng trong năm 2012, trung tâm nghiên cứu NYU WIRELESS được thành lập chuyên nghiên cứu 5G trong lĩnh vực y tế và máy tính Năm 2013, Huawei nhà cung cấp viễn thông của Trung Quốc đầu tư 600 triệu USD để nghiên cứu về 5G [1]

Tìm Hiểm Mô Hình Giải Mã

Và Chuyển Tiếp Trong

Hệ Thống Bán Song Công

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG

BÁN SONG CÔNG

2.1 Giới thiệu

Thường thì hệ thống thông tin di động hạn chế (energy-constrained communication systems) bị giới hạn thời gian hoạt động, để duy trì hoạt động thì phải thay pin hoặc sạcpin định kì, việc này gây tốn kém, bất tiện hoặc ở một số trường hợp là không thể Vì vậy, việc thu nhận năng lượng từ thiên nhiên (mặt trời, gió, địa chấn,…) được quan tâm

và được coi là giải pháp hữu ích để kéo dài tuổi thọ của hệ thống thông tin di động Tuynhiên, việc thu nhận năng lượng từ thiên nhiên lại gặp vẫn đề về việc kiểm soát bởi vì chúng ta không thể kiểm soát được hoạt động của thiên nhiên Giải pháp để khắc phục tình trạng trên đó là thu năng lượng qua bức xạ điện từ tần số vô tuyến nhân tạo hay còn được gọi là chuyển giao năng lượng vô tuyến

Từ khi tín hiệu vô tuyến có thể mang cả thông tin lẫn năng lượng, các nghiên cứu về lĩnh vực thông tin vô tuyến kết hợp với chuyển giao năng lượng (SWIPT) đã tăng mạnh

Các công trình tiên phong về SWIPT của Varshney và Grover đã nghiên cứu về sự cân bằng giữa năng lực và năng lượng Sau đó, các công trình thực tiễn là chuyển mạch theo thời gian và phân chia theo công suất cho hệ thống SWIPT đã được đề xuất Cùng với các công trình nói trên chủ yếu tập trung vào việc truyền một chặng, thì việc

sử dụng Relay thu năng lượng vô tuyến rồi sau đó truyền đi năng lượng đã thu được cũng được chú ý nghiên cứu Đặt Relay là phương pháp hiệu quả trong việc giảm ảnh hưởng gây ra bới Fading, che chắn (Shadowing) và suy hao trên đường truyền (Path loss) Nhưng các nghiên cứu cho thấy các nút chuyển tiếp bị hạn chế về sử dụng năng lượng và bị phụ thuộc vào một số phương pháp sạc [2]

Trang 4/21

2.2 Nút chuyển tiếp

Nút chuyển tiếp gần đây gây được quan tâm của các nhà khoa học trong cả học thuật

và cả trong công nghiêp vì nó mang nhiều lợi thế (cải thiện thông lượng, đảm bảo việc truyền tín hiệu, tăng tuổi thọ pin,…) Trong đó, có hai phương pháp chuyển tiếp phổ biến nhất là giải mã – chuyển tiếp (DF) và khuếch đại – chuyển tiếp (AF)

Đối với phương pháp giải mã – chuyển tiếp, khi nhận được tín hiệu thì nó điều chỉnh rồi mới truyền tín hiệu đã nhận Còn đối với phương pháp khuếch đại – chuyển tiếp, chỉ khuếch đại tín hiệu nhận được rồi truyền đi Phương pháp giải mã – chuyển tiếp cần

có lớp điều khiển truy cập phức tạp và khả năng xử lý cần có của nó đều cao hơn phương pháp khuếch đại – chuyển tiếp

Trong một số mô phỏng, khuếch đại – chuyển tiếp được chứng minh là tốt hơn giải mã

- chuyển tiếp trong điều chế BPSK không mã hóa về tỷ lệ lỗi bit và xác suất ngừng Và cũng trong điều chế BPSK không mã hóa, thì giải mã – chuyển tiếp cho thấy sự thua kém về sự đa dạng so với khuếch đại – chuyển tiếp [3]

2.3 Chuyển tiếp bán song công và song công

Mô hình bán song công (HD) được áp dụng rộng rãi trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp thông tin, vì nó có thể đơn giản hóa việc thiết kế và xây dựng hệ thống, tuy nhiên việc sử dụng mô hình này chịu mất mát lớn trong việc sử dụng quang phổ Với sự tiến

bộ trong công nghệ anten, khả năng xử lý tín hiệu, nổ lực phục hồi việc mất quang phổ thì chuyển tiếp song công (FD) là loại chuyển tiếp có thể truyền và nhận cùng lúc trongcùng băng tần được quan tâm nghiên cứu Đối với chuyển tiếp này, có cấu hình 2 antenriêng biệt, 1 anten dùng để nhận thông tin và 1 dùng để truyền thông tin [2]

Tìm Hiểm Mô Hình Giải Mã

Và Chuyển Tiếp Trong

Hệ Thống Bán Song Công

2.4 Các hình thức trao đổi thông tin

Xem xét hệ thống chuyển tiếp song công, nơi mà năng lượng bị giữ lại ở các nút Relay

là năng lượng được cung cấp năng lượng tín hiệu vô tuyến từ nguồn sử dụng mô hình

chuyển mạch theo thời gian, giao thức khuếch đại - chuyển tiếp (AF) và giao thức giải

mã - chuyển tiếp (DF) được nghiên cứu Cung cấp đặc tính thông lượng với ba hình

thức trao đổi thông tin khác nhau: chuyển giao tức thời (instantaneous transmission),

chuyển giao hạn chế trì hoãn (delay constrained transmission) và chuyển giao linh

động trì hoãn (delay tolerant transmission)

Trường hợp khe thời gian tối ưu được nghiên cứu cho những phương thức truyền khác

nhau, chuyển giao song công đạt thông lượng cao hơn đáng kể so với chuyển giao bán

song công trong cả 3 phương hình thức trao đổi thông tin Trong đó, chế độ chuyển

giao tức thời (instantaneous transmission) đạt thông lượng cao nhất nhưng so với chế

độ chuyển giao hạn chế trì hoãn (delay constrained transmission) thì khoảng cách

chênh lệch thông lượng là khá nhỏ Hạn chế của chế độ chuyển giao tức thời

(instantaneous transmission) là yêu cầu phải có thông trạng thái kênh tức thời, còn chế

độ chuyển giao hạn chế trì hoãn (delay constrained transmission) chỉ phụ thuộc vào

những số liệu của kênh nên phù hợp với thực tiễn [2]

Quá trình thu thập thông tin và thu năng lượng tại nút chuyển tiếp R được tách ra bằng cách sử dụng giao thức chuyển tiếp chuyển đổi theo thời gian (TSR) Cho T là khoảng thời gian chuyền được một kí tự, và ta chia thành 2 khoảng thời gian là αT và (1−α)T Giai đoạn 1, R thu nhận năng lượng trong khoảng thời gian αT đầu tiên Giai đoạn 2, Rnhận được kí hiệu từ nguồn S và giải mã kí hiệu trong khoảng thời gian Giai đoạn 3,

R chuyển tiếp kí hiệu đã nhận đến D trong khoảng thời gian

Tìm Hiểm Mô Hình Giải Mã

Và Chuyển Tiếp Trong

Hệ Thống Bán Song Công

Bảng 2–1 Giao thức chuyển tiếp chuyển mạch theo thời gian

Thu năng lượngtại Relay

Truyền thông tin

S -> R

Truyền thông tin

R -> D

Trang 8/21

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT

3.1 Khảo sát công suất phát Ps

3.1.1 Mô phỏng

Bảng 3–2: Thông số mô phỏng

Ký hiệu Giá trị

0.50.51

3 bps/Hz0.80.30-30 dB

Hình 3–2: Xác suất dừng Pout theo sự thay đổi của công suất phát Ps

Tìm Hiểm Mô Hình Giải Mã

Và Chuyển Tiếp Trong

Hệ Thống Bán Song Công

Hình 3–3: Thông lượng theo sự thay đổi của công suất phát Ps

3.1.2 Nhận xét

Hình 3-1 cho thấy kết quả là 2 đường xác suất dừng trên mô phỏng Monte Carlo và xácsuất dừng trên công thức xây dựng là trùng nhau, chứng tỏ công thức được xây dựng đúng Tương tự với hình 3-2 cho kết quả là 2 đường thông lượng ở trên mô phỏng Monte Carlo và thông lượng trên công thức xây dụng trùng nhau

Hình 3-1 cho hình 3-2 ta thấy sự tác động của công suất phát Ps lên hệ thống Khi Ps nhỏ (từ 0 đến 5dB) thì xác suất dừng chắc chắn xảy ra đồng nghĩa với việc thông lượngbằng 0 Khi Ps tăng dần thì xác suất dừng cũng giảm dần đồng nghĩa với việc thông lượng tăng dần

Như vậy, để hệ thống hoạt động tốt cần có mức thông lượng tối ưu tức là cần công suất phát đủ lớn

30 dB

Hình 3–4: Xác suất dừng Pout theo sự thay đổi của phần trăm thời gian thu năng lượng

Tìm Hiểm Mô Hình Giải Mã

Và Chuyển Tiếp Trong

Hệ Thống Bán Song Công

Hình 3–5: Thông lượng theo sự thay đổi của phần trăm thời gian thu năng lượng

3.2.2 Nhận xét

Hình 3-3 cho thấy kết quả là 2 đường xác suất dừng trên mô phỏng Monte Carlo và xácsuất dừng trên công thức xây dựng là trùng nhau, chứng tỏ công thức được xây dựng đúng Tương tự với hình 3-4 cho kết quả là 2 đường thông lượng ở trên mô phỏng Monte Carlo và thông lượng trên công thức xây dụng trùng nhau

Hình 3-3 cho thấy khi tăng phần trăm thời gian thu năng lượng thì xác suất dừng sẽ giảm dần Còn ở hình 3-4 cho thấy thông lượng đạt cao nhất khi nằm trong khoảng từ 0.1 đến 0.3, và khi tiếp tục tăng thì thông lượng giảm dần

Như vậy, để đạt được mức thông lượng tối ưu cần có thông lượng đủ lớn và xác suất dừng đủ nhỏ Cần chọn phần trăm thời gian truyền năng lượng cần nằm trong khoảng 0.4 đến 0.5 để thỏa điều kiện về thông lượng và xác suất dừng nói trên

0 – 7 bps/Hz0.80.3

30 dB

Hình 3–6: Xác suất dừng Pout theo sự thay đổi của tốc độ bit trên một đơn vị băng thông

Tìm Hiểm Mô Hình Giải Mã

Và Chuyển Tiếp Trong

Hệ Thống Bán Song Công

Hình 3–7: Thông lượng theo sự thay đổi của tốc độ bit trên một đơn vị băng thông

3.3.2 Nhận xét

Hình 3-5 cho thấy kết quả là 2 đường xác suất dừng trên mô phỏng Monte Carlo và xácsuất dừng trên công thức xây dựng là trùng nhau, chứng tỏ công thức được xây dựng đúng Tương tự với hình 3-6 cho kết quả là 2 đường thông lượng ở trên mô phỏng Monte Carlo và thông lượng trên công thức xây dụng trùng nhau

Không giống như việc tăng công suất phát và tăng phần trăm thời gian thu năng lượng đều làm giảm xác suất dừng Việc tăng tốc độ bit R làm tăng xác suất dừng Pout Còn thông lượng tăng đều theo tốc độ bit R cho đến mức thông lượng cao nhất khi R = 5 bit/s/Hz, và sau đó thông lượng giảm dần

Như vậy, để đạt được mức thông lượng tối ưu cần có thông lượng đủ lớn và xác suất dừng đủ nhỏ Cần chọn tốc độ bit có giá trị từ 2 đến 4 bit/s/Hz để thỏa điều kiện về thông lượng và xác suất dừng nói trên

Trang 14/21

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN

- Qua Đồ án này, đã tìm hiểu về nút chuyển tiếp, các hình thức chuyển tiếp và các hình thức trao đổi thông Từ đó, đã xây dựng lại được công thức xác suất dừng và thông lượng của mô hình giả mã và chuyển tiếp trong hệ thống bán song công Mô phỏng, khảo sát và đánh giá mô hình dựa vào xác suất dừng và thông lượng khi thay đổi công suất phát, phân trăm thời gian thu năng lượng và tốc độ bit trên 1 đơn vị băng thông

- Từ Đồ án này, có thể phát triển tiếp tục tìm hiểu về mô hình khuếch đại và chuyển tiếp trong hệ thống bán song công để so sánh hiệu năng của mô hình giải mã và chuyểntiếp với mô hình khuếch đại và chuyển tiếp trong hệ thống bán song công Hoặc phát triển tìm hiểu về mô hình giải mã và chuyển tiếp trong hệ thống song công để so sánh hiệu năng giữa hệ thống song công và hệ thống bán song công ở mô hình giải mã và chuyển tiếp

Tìm Hiểm Mô Hình Giải Mã

Và Chuyển Tiếp Trong

Hệ Thống Bán Song Công

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] https://wikipedia.org

[2] Caijun Zhong, Senior Member, IEEE, Himal A Suraweera, Member, IEEE, Gan Zheng, Senior Member, IEEE, Ioannis Krikidis, Senior Member, IEEE, and Zhaoyang Zhang Member, IEEE, Wireless Information and Power Transfer with Full Duplex Relaying

[3] Georgy Levin and Sergey Loyka, Amplify-and-Forward Versus Forward Relaying: Which is Better?

 : nhiễu trắng tại Relay

Năng lượng thu được tính toán bởi công thức:

Trong đó:

 : hệ số chuyển đổi năng lượng

 : công suất phát tại nguồn S

 : phần trăm thời gian của quá trình truyền thông tin

 : Thời gian truyền thông tin

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu:

Trong đó:

Từ (1), (3) và (4) ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu ở giai đoạn truyền năng lượng là:

Giai đoạn truyền thông tin

Công suất phát tại Relay:

Đặt

Khi đó từ (6) ta có là:

Tìm Hiểm Mô Hình Giải Mã

Và Chuyển Tiếp Trong

Hệ Thống Bán Song Công

Theo định luật Shannon ta có:

Trong đó: là dùng lượng kênh

Để xác suất ngừng xảy ra thì:

Trong đó: là tốc độ bit trên 1 đơn vị băng thông (bit/s/Hz)

Đặt ngưỡng , khi thì hệ thống sẽ ngừng hoạt động, nên xác suất ngừng được tính toán như sau:

Đặt , Khi đó từ (5), (9) và (11) ta có:

Tìm Hiểm Mô Hình Giải Mã

Và Chuyển Tiếp Trong

Hệ Thống Bán Song Công