Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

PHÂN TÍCH MÔ HÌNH PHÁT TRỰC TIẾP TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG CÓ THU NĂNG

LƯỢNG

MỤC LỤC

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

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 1

1.3 NHIỆM VỤ 1

1.4 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.4.1 Thế hệ thứ nhất 1G (First Generation) 2

1.4.2 Thế hệ thứ hai 2G (Second Generation) 2

1.4.3 Thế hệ thứ ba 3G (Third Generation) 3

1.4.4 Thế hệ thứ tư 4G (Fourth Generation) 4

1.4.5 Thế hệ thứ năm 5G (Fifth Generation) 5

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH PHÁT TRỰC TIẾP TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG 6

2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 6

2.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG 6

2.3 MÔ HÌNH BÁN SONG CÔNG 7

2.4 MÔ HÌNH SONG CÔNG 9

2.5 THÔNG LƯỢNG HỆ THỐNG 10

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 11

3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU TẠI NÚT RELAY TỚI HỆ THỐNG 11

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ RELAY TỚI HỆ THỐNG 12

3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU SUẤT CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TỚI HỆ THỐNG 13

3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ BIỂU THỊ THỜI GIAN TỚI HỆ THỐNG 13

3.5 ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ TRUYỀN TỚI HỆ THỐNG 14

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

HÌNH 2-1: MÔ HÌNH HỆ THỐNG BÁN SONG CÔNG VÀ SONG CÔNG 6

HÌNH 3-1: THÔNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG HD VÀ FD KHI N 0THAY ĐỔI 11 HÌNH 3-2: THÔNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG HD VÀ FD KHI dS THAY ĐỔI 12

HÌNH 3-3: THÔNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG HD VÀ FD KHI  THAY ĐỔI 13 HÌNH 3-4: THÔNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG FD VÀ HD KHI  THAY ĐỔI .14

HÌNH 3-5: THÔNG LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG FD VÀ HD KHI R THAY ĐỔI 15

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AF Amplify and Forward

AWGN Additive White Gaussian Noise

CDMA Code Divition Multiple Access

FD Full Duplex

FDMA Frequency Divition Multiple Access

GSM Global System for Mobile Communication

HD Half Duplex

OFDM Orthogonal Frequency Divition Multiple AccessPSR Power Splitting Based Relaying

RF Radio Frequency

RSI Random Self-Interference

SNR Signal to Noise Ratio

TDMA Time Divition Multiple Access

TSR Time Switching Based Relaying

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chung

Hệ thống thông tin di động là hệ thống liên lạc với nhiều điểm truy cập khác nhautrên một vùng địa lí, còn gọi là các cell Người sử dụng có thể di chuyển trong vùngphủ sóng của các trạm Do nhu cầu ngày càng cao của xã hội về thông tin liên lạc,

hệ thống thông tin di động ngày càng phát triển Các thế hệ hệ thống di động 1G,2G, 3G, 4G, 5G lần lượt ra đời với những cải tiến đáng kể như truyền tải dữ liệunhanh chóng, dung lượng truyền tải lớn và ít tiêu tốn năng lượng

1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Phân tích, so sánh thông lượng tức thời của hệ thống song công và bán song côngdựa trên kết quả mô phỏng

1.3 Nhiệm vụ

- Tìm hiểu tổng quan hệ thống thông tin di động

- Tìm hiểu giao thức TSR và kỹ thuật AF

- Tìm hiểu mô hình hệ thống song công và bán song công theo giao thức TSR,xây dựng công thức liên quan và mô phỏng bằng phần mềm Matlab

1.4 Tổng quan về hệ thống thông tin di động

Cuối những năm 1970, tại Mỹ nhóm Bell LaBTS đã triển khai hệ thống di độngAMPS (Advancedmobile Phone Service)

Năm 1982, Liên minh Châu Âu về Bưu chính Viễn thông CEPT (Conference ofEuropean Postal and Telecommunications administrations) đã thành lập nhóm đặctrách về di động GSM (Group Special Mobile) để phát triển một chuẩn thống nhấtcho hệ thống thông tin di động có thể sử dụng trên toàn Châu Âu

Năm 1991, Qualcom triển khai hệ thống thông tin di động trên công nghệ CDMAchuẩn IS-95A (Interim Standard - 95A)

Việt Nam đã sử dụng GSM từ năm 1993, triển khai hệ thống thông tin di động theocông nghệ CDMA và đưa vào sử dụng vào tháng 7/2003

Trang 2/20

1.1.1 Thế hệ thứ nhất 1G (First Generation)

Mạng di động 1G ra đời năm 1977 tại Chicago, là hệ thống thông tin di động tương

tự sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA và điều chế tần

- NMT (Nordic Mobile Telephone) triển khai ở Bắc Âu vào năm 1981

- TACS (Total Access Communication System) ở Anh vào năm 1985

- AMPS (Advanced Mobile Phone System) ở Bắc Mỹ vào năm 1978

1.1.2 Thế hệ thứ hai 2G (Second Generation)

Mạng di động 2G ra đời năm 1990, đây là hệ thống thông tin di động số tế bào,dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ các dịch vụ dữ liệu và được đưavào sử dụng đầu tiên tại Phần Lan năm 1991

Đặc điểm của mạng 2G là:

- Phương thức truy nhập: TDMA, CDMA băng hẹp

- Chuyển mạch: chuyển mạch kênh

- GSM (Global System for Mobile Phone) – TDMA triển khai ở Châu Âu

- IS-95 (CDMA ONE) – CDMA ở Mỹ và Hàn Quốc

Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

- D-AMPS (IS-136-Digital Advanced Mobile Phone System) – TDMA triểnkhai ở Mỹ.

Mạng di động 2G là tiền đề để phát triển lên mạng 2.5G và 2.75G (Evolved SecondGeneration) với các đặc điểm sau:

- Các dịch vụ số liệu cải tiến: tốc độ bit data cao hơn, hỗ trợ kết nối internet

- Phương thức chuyển mạch: chuyển mạch gói

- Công nghệ GPRS, EDGE phát triển

- GPRS – General Packet Radio Services (2.5G): triển khai năm 2000, đượcnâng cấp từ mạng GSM và tốc độ truyền dữ liệu 171,2 kbps

- EDGE – Enhance Data Rate for GSM Evolved (2.75G): triển khai năm 2003,được nâng cấp từ GPRS và tốc độ truyền dữ liệu 384 kbps

1.1.3 Thế hệ thứ ba 3G (Third Generation)

Mạng di động 3G được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của tổ chức Viễnthông Thế giới ITU Vào năm 2001, NTT Docomo công ty đầu tiên ra mắt phiênbản thương mại của mạng W-CDMA Mạng 3G được chia thành 4 chuần thương mạinhư sau:

- W-CDMA (3GPP): nền tảng của hệ thống UMTS (Universal MobileTelecommunication System), dựa trên kỹ thuật CDMA trải phổ dãy trực tiếp

- CDMA 2000 (3GPP2): là thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95

- TD-CDMA (Time Division – CDMA, 3GPP): chuẩn thương mại áp dụnghỗn hợp của TDMA và CDMA

- TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access):được phát triển tại Trung Quốc

Trang 4/20

- Hai hướng tiêu chuẩn phổ biến cho mạng 3G: sử dụng công nghệ WCDMA

và công nghệ CDMA 2000

1.1.4 Thế hệ thứ tư 4G (Fourth Generation)

Mạng di động 4G là thế hệ tiếp theo của công nghệ 3G với các đặc điểm:

- Cải tiến về dịch vụ dữ liệu: tốc độ bit 20-100 Mb/s

- Phương thức điểu chế: OFDM, MC-CDMA

- Xu hướng kết hợp: mạng lõi IP với mạng truy nhập di động 3G và truy nhập

vô tuyến Wifi, Wimax

- Wifi (Wireless Fidelity):

 Là hệ thống mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến

 Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.11

 Cho phép truy cập internet tại những khu vực có sóng của hệ thốngnày mà không cần đến cáp nối

- WiMAX:

 Là kỹ thuật viễn thông cung cấp truyền dẫn không dây khoảng cáchlớn bằng nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm-điểm cho tới kiểutruy nhập tế bào

 Dựa trên tiêu chuẩn IEEE 802.16

 Năm 2007, WiMAX được bổ sung vào IMT2000

- 3GPP LTE (The Third Generation Partnership Project Long TermEvolution): là công nghệ được phát triển và chuẩn hóa bới 3GPP, sử dụng

kỹ thuật OFDMA và MIMO thay vì CDMA như trong mạng di động 3G

1.1.5 Thế hệ thứ năm 5G (Fifth Generation)

Theo lý thuyết, mạng di động 5G có thể đạt tốc độ 10Gbps Mạng di động 5G sẽ sửdụng bước sóng milimét, quang phổ tín hiệu RF giữa các tần số cao 20GHz và300GHz Các bước sóng này có thể truyền tải khối lượng lớn dữ liệu với tốc độ cao,nhưng không truyền được xa và khó xuyên qua tường, vượt các ngại vật như cácbước sóng tần số thấp trong mạng di động 4G Có thể mạng 5G sẽ sử dụng các trạmHAPS (High Altitude Stratospheric Platfỏm Stations) hoạt động như vệ tinh và thay

Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

thế các anten để giúp cho đường truyền tín hiệu của mạng không dây mới đượcthẳng, vùng phủ sóng rộng, ổn định hơn, đồng thời không bị hạn chế bởi các thiết

kế kiến trúc cao tầng

Trang 6/20

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH PHÁT TRỰC TIẾP TRONG HỆ THỐNG

CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG

1.5 Giới thiệu chung

Truyền năng lượng thông qua sóng vô tuyến RF là giải pháp mới nhằm kéo dài thờigian hoạt động của thiết bị trong hệ thống không dây Ưu điểm của giải pháp này đó

là các tín hiệu RF có thể mang năng lượng và thông tin cùng một lúc Do đó, cáchạch năng lượng có thể thu năng lượng và xử lý thông tin cùng một lúc

Cho đến ngày hôm nay, việc sử dụng tín hiệu RF để truyền năng lượng và truyềnthông tin đã được ứng dụng rộng rãi, điển hình là một hệ thống thông tin hợp tácvới một trạm nguồn vừa phát năng lượng RF, vừa truyền thông tin, một máy chuyểntiếp và một máy đích dựa vào giao thức chuyển tiếp thời gian Time Switching-Based Relaying (TSR) và giao thức chuyển tiếp phân chia năng lượng PowerSplitting-Based Relaying (PSR) cho phép lưu trữ năng lượng và xử lý thông tin tạimáy chuyển tiếp Bài báo cáo này, ta tập trung nghiên cứu mô hình hệ thống bánsong công và song công với sự kết hợp của giao thức TSR và kỹ thuật khuếch đạichuyển tiếp AF Trong giao thức TSR, nút Relay sẽ dành một khoảng thời gian đểthu năng lượng và phần thời gian còn lại để xử lý thông tin Đồng thời tại nút Relay,tín hiệu và nhiễu được khuếch đại lên dựa vào kỹ thuật AF

1.6 Mô hình hệ thống

Hình 2-1: Mô hình hệ thống bán song công và song công

Xét mô hình mạng gồm: một nút nguồn S, một nút chuyển tiếp R và một nút đích D,không có liên kết giữa nút nguồn S với nút đích D bởi khoảng cách giữa chúng rất

Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

xa và giao tiếp của chúng thông qua nút chuyển tiếp R Mỗi nút được thiết lập vớimột anten, ngoại trừ nút R hoạt động ở chế độ song công được trang bị hai anten,một cho truyền và một cho tiếp nhận Khoảng cách từ nút nguồn S tới nút chuyển

tiếp R là d 1 với độ lợi công suất kênh truyền là h, tương tự khoảng cách từ nút chuyển tiếp R tới nút đích là d 2 với độ lợi công suất kênh truyền là g Ngoài ra ở chế

độ song công, ta có thêm f là nhiễu vòng từ ngõ ra của R tới đầu vào của chuyển

tiếp R

Nút nguồn S luôn có dữ liệu để truyền tải Nút chuyển tiếp R thu năng lượng từ nútnguồn S bằng cách sử dụng giao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian TSR vàgiúp nút nguồn S truyền thông tin đến nút đích D theo phương thức khuếch đại,chuyển tiếp AF Hoạt động thu năng lượng và truyền thông tin này được tổ chứctrong khung thời gian của một đơn vị thời gian T và  là hệ số biểu thị tỉ lệ của thờigian T( 0<  1)

Bảng 2-1: Giao thức TSR cho mô hình FD và HD

Thu năng lượng Nhận thông

tin

Truyềnthông tin

1.7 Mô hình bán song công

Nút chuyển tiếp R thu năng lượng từ nút nguồn trong khoảng thời gian T là:

E h=T P S h❑2

d1m

Trong đó, P S là công suất truyền của nút nguồn, m là hệ số suy hao đường truyền,

là hiệu suất chuyển đổi năng lượng

Như vậy, công suất phát từ nút chuyển tiếp R là:

Trang 8/20

Với n R=n a+n c, n a là băng tần cơ sở bổ sung nhiễu trắng Gaussian do các anten nhậntại nút chuyển tiếp R; n c là các mẫu AWGN do băng tần RF để chuyển đổi tín hiệubăng tần cơ sở Tương ứng ta có N0là phương sai của nhiễu Gaussian trắng tại nútchuyển tiếp R

Tại R, tín hiệu được khuếch đại với hệ số khuếch đạiH:

1.8 Mô hình song công

Tương tự như mô hình bán song công, tín hiệu nút chuyển tiếp R nhận được là:

Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

1.10 Ảnh hưởng của nhiễu tại nút Relay tới hệ thống

Ta thiết lập thông số như sau: Tốc độ truyền của trạm nguồn là R=3(bps/ Hz),

và Z=2 R−1, hệ số biểu thị tỉ lệ của thời gian là ¿0.3 Hiệu suất chuyển đổi nănglượng ¿0.2 Hệ số suy hao đường truyền là m=3 Để đơn giản thì ta cho khoảng

cách d S=d R=1 và ❑s=❑d=1,❑r=0.1 và N0=0.1:0.1 :1, SNR= P S

N O

=1 dB

Hình 3-1: Thông lượng của hệ thống HD và FD khi N0thay đổi

Từ hình 3-1, ta thấy khi N0 tăng thông lượng của hệ thống song công tăng lên, trongkhi đó thông lượng của hệ thống bán song công là không đổi Điều này là do N0

càng cao thì càng ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống song công còn hệ thống

Trang 12/20

bán song công không có bất kì yếu tố nào có nhiễu, do đó thông lượng của nó là bấtbiến khi N0 thay đổi

1.11 Ảnh hưởng của vị trí Relay tới hệ thống

Ta thiết lập thông số như sau: Tốc độ truyền là R=3(bps / Hz), hệ số biểu thị tỉ lệ củathời gian ¿0.3 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ¿0.2 Hệ số suy hao đường truyền

là m=3 Để đơn giản ta cho khoảng cách d S=0.1 :0.1:1 và ❑s=❑d=1,❑r=0.1 và

N0=0.1, SNR= P S

N O=1 dB

Hình 3-2: Thông lượng của hệ thống HD và FD khi d S thay đổi

Hình 3-2 cho ta thấy ảnh hưởng của vị trí Relay đối với thông lượng tức thời của hai

hệ thống Thông lượng của hệ thống bán song công cao hơn hệ thống song côngkhi gần nút nguồn, nhưng từ giá trị d S=0.4 thông lượng của hệ thống song công caohơn hệ thống bán song công

Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

1.12 Ảnh hưởng của hiệu suất chuyển đổi năng lượng tới hệ thống

Ta thiết lập thông số như sau: Tốc độ truyền là R=3(bps / Hz), hệ số biểu thị tỉ lệ củathời gian ¿0.3 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ¿0.1 :0.1:1 Hệ số suy hao đườngtruyền là m=3 Để đơn giản ta cho khoảng cách d S=d R=1 và ❑s=❑d=1,❑r=0.1 và

N0=0.1, SNR= P S

N O=1 dB

Hình 3-3: Thông lượng của hệ thống HD và FD khi  thay đổi

Hình 3-3 cho ta thấy được ảnh hưởng của hiệu suất chuyển đổi năng lượng đối vớihoạt động của hai hệ thống Thông lượng tức thời của hệ thống song công tốt hơn sovới hệ thống bán song công

1.13 Ảnh hưởng của hệ số biểu thị thời gian tới hệ thống

Ta thiết lập thông số như sau: Tốc độ truyền là R=3(bps / Hz), hệ số biểu thị tỉ lệ củathời gian ¿0.3,  = 0.4,  = 0.5 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng là ¿0.2 Hệ số suy

Trang 14/20

hao đường truyền m=3 Để đơn giản ta cho khoảng cách d S=d R=1 và

❑s=❑d=1,❑r=0.1 và N0=0.1, SNR= P S

N O=1 dB

Hình 3-4: Thông lượng của hệ thống FD và HD khi  thay đổi

Hình 3-4 cho ta thấy ảnh hưởng của  đối với hai hệ thống Ta thấy lượng thông tintruyền đến điểm đích nhiều hơn khi giá trị  giảm, điều này tương ứng với thời gianthu năng lượng cũng ít hơn

1.14 Ảnh hưởng của tốc độ truyền tới hệ thống

Ta thiết lập thông số như sau: Tốc độ truyền của trạm nguồn là

R=3(bps / Hz), R=4 (bps /Hz), R=5(bps/ Hz) hệ số biểu thị tỉ lệ của thời gian ¿0.3.Hiệu suất chuyển đổi năng lượng ¿0.2 Hệ số suy hao đường truyền là m=3 Để đơn

Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

giản thì ta cho khoảng cách d S=d R=1 và ❑s=❑d=1,❑r=0.1, N0=0.1,

SNR= P S

N O=1 dB

Hình 3-5: Thông lượng của hệ thống FD và HD khi R thay đổi

Hình 3-5 cho ta thấy ảnh hưởng của giá trị R đối với hai hệ thống Ta thấy khi giátrị Rcàng lớn thì thông lượng tức thời càng lớn Thêm vào đó, ta thấy thông lượngcủa hệ thống bán song công tại ba giá trị Rkhác nhau là gần như nhau và nhỏ hơnthông lượng của hệ thống song công

Trang 16/20

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN

Trong bài báo cáo này, chúng ta khảo sát mô hình chuyển tiếp hai chặng có thunăng lượng chế độ truyền tức thời với giao thức TSR và kỹ thuật khuếch đại,chuyển tiếp AF trong hai mô hình bán song công và song công Thông lượng của cảhai mô hình này được xác định bằng cách mô phỏng trên phần mềm Matlab Quakết quả mô phỏng , ta thấy rằng mô hình song công hoàn toàn vượt trội hơn so với

mô hình bán song công Hiệu năng của cả hai hệ thống phụ thuộc vào những yếu tốnhư vị trí Relay, nhiễu tại Relay, tốc độ truyền tín hiệu,…

Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng