PHÂN TÍCH và SO SÁNH mô HÌNH AF và DF TRONG hệ THỐNG SONG CÔNG có THU NĂNG LƯỢNG

Hệ thống thông tin di động tương tự được sử dụng trong hầu hết các hệ thống điềukhiển, phương pháp được sử dụng là phân chia theo tần số FDMA Các đặc điểm nổi bật: - Thoại là dịch cụ cơ

PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH MÔ HÌNH AF

VÀ DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.2 HỆ THỐNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 2

1.2.1 Thế hệ đầu tiên của mạng không dây 2

1.2.2 Thế hệ thứ hai của mạng không dây 3

1.2.3 Mạng không dây thế hệ thứ ba 5

1.2.4 Thế hệ thứ tư của mạng không dây 6

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN KHUẾCH ĐẠI (AF) – GIẢI MÃ (AF) VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG 9

2.1 MẠNG TRUYỀN THÔNG VỚI KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 9

2.1.1 Tổng quát 9

2.1.2 Mô hình chuyển tiếp 9

2.2 CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP CỦA MẠNG TRUYỀN THÔNG 10

2.3 CÁC GIẢI PHÁP CHUYỂN TÍN HIỆU TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG 10

2.3.1 Mô hình khuếch đại rồi chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) 10

2.3.2 Mô hình giải mã rồi chuyển tiếp (DF: decode and Forward) 11

CHƯƠNG 3 MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 12

3.1 MÔ TẢ HỆ THỐNG 12

3.1.1 Mô hình khuếch đại rồi chuyển tiếp 13

3.1.2 Pha chuyển tiếp thông tin 14

3.2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG 15

3.2.1 Phân tích xác suất dừng 16

3.2.2 Phân tích thông lượng 17

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 18

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 22

5.1 KẾT LUẬN 22 5.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 22

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

HÌNH 1-2: CHIẾC ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ ĐẦU TIÊN 2

HÌNH 1-3: ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ HAI 4

HÌNH 1-4: ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA 5

HÌNH 1-5: ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ TƯ 7

HÌNH 1-6: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN 4G 7

HÌNH 2-1: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG MẠN TRUYỀN THÔNG 9

HÌNH 2-2: CÁC LOẠI CHUYỂN TIẾP 10

HÌNH 2-3: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP AF 10

HÌNH 2-4: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF 11

HÌNH 3-1: MÔ HÌNH MÔ TẢ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP SONG CÔNG 12

HÌNH 3-2: CÁC THAM SỐ CỦA GIAO THỨC TSR 13

HÌNH 4-1: XÁC SUẤT DỪNG TRONG HỆ THỐNG DÙNG KỸ THUẬT AF VÀ DF DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA L1 19

HÌNH 4-2: THÔNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG DÙNG KỸ THUẬT AF VÀ DF DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA L1 19

HÌNH 4-3: XÁC SUẤT DỪNG TRONG HỆ THỐNG DÙNG KỸ THUẬT AF VÀ DF DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA I 20

HÌNH 4-4:THÔNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG DÙNG KỸ THUẬT AF VÀ DF DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA I 20

TSR Time-switching based relaying

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU VỀ HỆ

THỐNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Tổng quan về thông tin di động

Một trong những thành tựu lớn nhất của công nghệ và thương mại trong những nămgần đây “điện thoại di động” Từ khi nó ra đời, nó đã chiếm một vị trí rất quan trọngtrong thị trường, điện thoại di động đã phát triển vô cùng nhanh từ một thiệt bị cótính chuyên biệt, để dần trở thành một vật dụng không thể thiếu trong kinh doanhcũng như cuộc sống con người

Các thế hệ của thông tin di động được phát triênt từ 1G – 2G – 3G – 4G – 5G

Hình 1-1: Các thế hệ mạng di động.

1.2 Hệ thống mạng thông tin di động

1.1.1 Thế hệ đầu tiên của mạng không dây

Thế hệ đầu tiên (1G) là hệ thống thông tin di động được khơi lên tại Nhật Bản vànăm 1979 và được công bố giới thiệu vào năm 1980 Thế hệ thứ nhất này có thể kể

ra những công nghệ chính như sau:

 AMPS (Advanced Mobile Phone Service) năm 1978 nó được sử dụng ở Bắc

Mỹ với băng tần là 800MHz, đến năm 1982 nó đã được hầu hết các nướctrên thế giới triển khai

 TACS (Total Access Communicatión Systems) và năm 1985 nó đã đượcngười Anh sử dụng sau đó phát triển thành JTACS, hầu như được phát triển

ở khú vực Châu Á Thái Bình Dương

 NMT (Nordic Mobile Telephone) năm 1981 với băng tần 450MHz nó được

sử dụng ở Bắc Âu, Tây Âu và Nga

Hình 1-2: Chiếc điện thoại di động thế hệ đầu tiên.

Hệ thống thông tin di động tương tự được sử dụng trong hầu hết các hệ thống điềukhiển, phương pháp được sử dụng là phân chia theo tần số FDMA

Các đặc điểm nổi bật:

- Thoại là dịch cụ cơ bản nhất

- Bị hạn chế về phân bố tần số và dung lượng thấp

- Âm thanh với chất lượng kém, không đáng tin cậy trong khả năng chuyển

- Trong môi trường fading nhiều tia, khi máy di động di chuyển thì rất dễ xảy

ra nhiễu

1.1.2 Thế hệ thứ hai của mạng không dây

2G với tốc độ 19.2kbps cho việc truyền tải là hệ thống thông tin di động tế bàotruyền vô tuyến số Năm 1987 nó được bắt đầu ở Châu Âu với kĩ thuật TDMA,CDMA phố hợp cùng với FDMA Mỗi kênh tần số được chia ra cho nhiều user theo

mã hoặc chia theo thời gian bằng việc sử dụng chuyển mạch kênh

Những ưu điểm nổi bật:

- Tần số được sử dụng hiểu quả hơn

- So với 1G thì dung lượng lớn hơn

- Thoại với chất lượng được cải thiện và các dịch vụ data được sử dụng

-Hình 1-3: Điện thoại di động thế hệ thứ hai

Hệ thông gồm có 4 chuẩn chính là:

 GSM: Global System for Mobile Communication, sử dụng băng tần lên đến900MHz được đề xuất từ người Bắc Âu năm 1982, nó sử dụng kĩ thuật đatruy nhập theo thời gian TDMA

 DECT: Digital European Cordless Telecoms được đề xuất bởi các nướcChâu Âu

 PDC: Personal Digital Cellular, sử dụng công nghệ TDMA được người Nhật

sử dụng

 IS-95: Interim Standard, năm 1990 được cho ra mắt dùng kĩ thuật CDMAchia sẻ cùng 1 dãy tần chung Hệ thống này đã được chính thức triển khai tạiHàn Quốc và Bắc Mỹ

Tại Việt Nam, mạng Mobifone đã sử dụng GSM từ năm 1993 Nhà mạng Sfonevào tháng 7 năm 2003 sử dụng công nghệ CDMA cho hệ thống di động và nhàmạng EVNTelecom với CDMA 2000-1X

Bên cạnh những tiến bộ của hệ thống thì vẫn có hạn chế về tốc độ và sự hạn hẹp

về tài nguyên

1.1.3 Mạng không dây thế hệ thứ ba

Vào năm 2004 thì 3G được đưa vào, chuẩn IMT-2000 (International MobileTelecommunicatión 2000) đã được ITU công bố Kĩ thuật đa truy nhập CDMA vàW-CDMA được mạng 3G sử dụng

Ưu điểm:

- Dịch vụ thoại được cung cấp với chất lượng tốt hơn

- Một số dịch vụ tin nhắn được sử dụng: SMS, email, v.v…

- Các dịch vụ đa phương tiện sử dụng internet như: Xem video, nghe nhạc,v.v…

Hình 1-4: Điện thoại di động thế hệ thứ ba.

1.1.4 Thế hệ thứ tư của mạng không dây

4G hay còn được biết đến với tên gọi là LTE (Long Term Evolution) Kết nối đượccung cấp khắp nơi, tốc độ dữ liệu cao, sự chất lượng trong bảo mật, các dịch vụ đaphương tiện nhanh với tốc độ max đạt độ lý tưởng lên đến 1Gbps-1.5Gbps là nhữngmong muốn của 4G

Ưu điểm của thế hệ thứ 4:

- So với thế hệ trước (3G), tốc độ truyền tải cao hơn rất nhiều

- Thời gian trễ giảm và phổ được tăng hiệu tủa sử dụng

- Mạng với cấu trúc đơn giản

- Băng tần linh hoạt về độ rộng

Hình 1-5: Điện thoại di động thế hệ thứ tư.

2 hướng chính của quá trình phát triển hệ thống thông tin 4G:

 Thông qua 3G LTE, được tiến hành bởi 3GPP phát triển lên 4G

 Xuất phát từ nền tản WiMAX để phát triển lên 4G

Hình 1-6: Sự phát triển của hệ thống thông tin 4G

Với việc cùng sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giaoOFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) của WiMAX và LTE.Thì lợi thế của LTE hơn so với WiMAX chính là sự phát triển có sẵn của GSM vàngược lại bất lợi của WiMAX là nó là một mạng lưới hoàn toàn mới

Gói dữ liệu kỹ thuật số truyền băng thông rộng

Wimax LTE Fi

Wi-Dịch vụ Dữ liệu Analog

Dữ liệu kỹ thuật số truyền băng thônghẹp

Gói dữ liệu kỹ thuật số truyền băng thông rộng

Gói dữ liệu kỹ thuật số băng thông rộng, lưu lượng cao

Thời gian 1970 – 1980 1990 – 2000 2004 – 2005 Hiện nay đang chuyển sang

công nghệ 4G

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN KHUẾCH

ĐẠI (AF) – GIẢI MÃ (AF) VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG

1.1.6 Mô hình chuyển tiếp

Việc tăng dung lượng, cải thiện mở rộng phạm vi phủ sóng nhưng đồng thời vẫngiảm được chi phí vận hành trong mạng truyền thông là mong muốn của các nhàmạng quản lý Kĩ thuật chuyển tiếp với hai giao thức DF và AF đã đáp ứng đượcnhững yêu cầu trên, không những vậy nó còn nhằm giảm sự suy yếu tín hiệu do suyhao kênh truyền như fading,v.v…

Hình 2-1: Mô hình chuyển tiếp trong mạn truyền thông.

1.4 Các giao thức chuyển tiếp của mạng truyền thông

Trong tiêu chuẩn 3GPP LTE-Advanced có hai giao thức chuyển tiếp là Type-I vàType-II

Hình 2-2: Các loại chuyển tiếp

1.5 Các giải pháp chuyển tín hiệu trong mạng truyền thông

1.1.7 Mô hình khuếch đại rồi chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward)

Hình 2-3: Mô hình chuyển tiếp AF

Mô hình chuyển tiếp AF: tại Node Relay khi nhận được tín hiều từ nguồn NodeSource bị suy hao nên cần phải khuếch đại tín hiệu lên trước khi chuyển tiếp đếnNode Destination

1.1.8 Mô hình giải mã rồi chuyển tiếp (DF: decode and Forward)

Hình 2-4: Mô hình chuyển tiếp DF

Mô hình chuyển tiếp AF: Phương pháp này thường được sử dụng trong truyền tínhiệu số Khi tín hiệu nhận được đầu tiên sẽ được giải mã và sau đó mã hóa, do đó,nhiễu không được khuếch đại trong tín hiệu nhận được

CHƯƠNG 3 MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH HỆ

Hình 3-1: Mô hình mô tả hệ thống chuyển tiếp song công.

Hình 3-1 minh hoạ mô hình hệ thống chuyển tiếp song công gồm có 3 node Nguồnđược kí hiệu là S, điểm đến được kí hiệu là D và relay node thì được kí hiệu là R, nóđược coi như thiết bị với 2 ăng ten, 1 ăng ten dùng để truyền tín hiệu đi và cái cònlại là để thu nhận tín hiệu

Relay được giả sử rằng là một thiết bị bị hạn chế năng lượng vì vậy nó phải thunăng lượng từ nguồn, và sử dụng nguồn năng lượng đó để chuuyển tiếp thông tinđến điểm đích

Với g,h là hệ số kênh truyền; f là hệ số nhiễu tại node Relay; l1 và l2 lần lượt làkhoảng cách từ nguồn đến Relay và từ Relay đến điểm đích

Giao thức TSR cho hệ thống được minh họa trong hình 2.1.2

R

DS

Tx/Rx

Hình 3-2: Các tham số của giao thức TSR.

Quá trình thông tin được chia làm 2 giai đoạn Đầu tiên, năng lượng được truyền từnguồn đến relay trong khoảng thời gianT,(0  1) Trong khoảng thời gian còn lại,

1  T , là thời gian chuyển tiếp thông tin Với  là hệ số chuyển mạch thời gian và

T là khoảng thời gian của một chu kì

1.1.9 Mô hình khuếch đại rồi chuyển tiếp

Trong suốt pha thu năng lượng, tín hiệu được thu tại Relay được mô tả bằng:

n và n d là AWGN với phương sai là I

Liên quan đến công suất vô tuyến nhận được, thu năng lượng tại relay bằng

E h=ηαTT P s|g1|2

l1m (2)

Với  là hiệu suất chuyển đổi năng lượng

Với pha truyền thông tin, giả sử tại nguồn truyền tín hiệu x S đến R và R chuyển tiếp

tự can thiệp được viết lại như sau:

y R= g1

√l1x s+g r x r+n R(3)

Với g r là yếu tố tự can thiệp còn sót lại tại R.

1.1.10 Pha chuyển tiếp thông tin

Trong bài này, chúng ta sẽ nghiên cứu cả hai phương thức chuyển tiếp AF và DFtrong hệ thống song công Với AF, Relay khuếch đại tín hiệu với hệ số khuếch đạisau:

[ ]withDF

R R

R S S

K y i

x i P

1.7 Phân tích hệ thống Xác suất dừng và thông lượng.

Trong phần này, chúng ta sẽ so sánh xác suất dừng và thông lượng của việc chuyểntiếp song công một chiều hoàn toàn với việc thu thập năng lượng và truyền thôngtin trong hai chế độ chuyển tiếp: AF và DF Dựa trên những biểu hiện phân tíchnày, chúng ta có thể thấy một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống và họccách triển khai nó trong các tình huống khác nhau

Với λ s , λ d , λ r là giá trị trung bình của các biến ngẫu nhiên mũ g1, g2, g r

Hàm phân phối tích lũy được tính bằng

Trong trường hợp 1 và 2, xác suất dừng của mô hình được xem xét là: khi relay thunăng lượng từ tín hiệu nguồn và sử dụng năng lượng để chuyển tín hiệu nguồn đếnđích là một hàm của khoảng cách l1 và hệ số tạp âm, I, và tăng khi l1 tăng từ 0 đến

2 và I tăng từ 0.1 đến 1 Trong chế độ truyền giới hạn, máy phát truyền thông vớitốc độ truyền dẫn R (bit / giây / Hz) và 1T là khoảng thông tin hiệu quả Vì thế,thông lượng được tính bằng:

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

1.8 Giới thiệu chương

Trong chương trước đó của chúng ta, đồ án đã trình bày kỹ thuật khuếch đại vàchuyển tiếp cùng với kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp trong hệ thống song công Đểchúng ta nhìn nhận rõ ràng và xác thực hơn về những lý thuyết đã đề cập, chương

Giá trị trung bình của các biến ngẫu nhiên mũ g1, g2, g r: λ s=λ d=1, λr=0.1

Khoảng cách giữa các node l1=l2=1 (áp dụng cho hình 4-3, 4-4) và giá trị nhiễu tạirelay I=1 (áp dụng cho hình 4-1 và 4-2)

Hình 4-1: Xác suất dừng trong hệ thống dùng kỹ thuật AF và DF dưới sự ảnh hưởng của l1.

Hình 4-2: Thông lượng trong hệ thống dùng kỹ thuật AF và DF dưới sự ảnh hưởng của l1.

Từ Hình 4-3 và 4-4, ta dễ dàng nhận thấy rằng, trong hệ thống song công dưới sựảnh hưởng của khoảng cách từ nguồn đến Relay, xét về mặt xác suất dừng thì kỹthuật DF tốt hơn nhưng xét về thông lượng kỹ thuật DF không bằng kỹ thuật AF

Hình 4-3: Xác suất dừng trong hệ thống dùng kỹ thuật AF và DF dưới sự ảnh hưởng của I.

Hình 4-4:Thông lượng trong hệ thống dùng kỹ thuật AF và DF dưới sự ảnh hưởng của I.

Từ hình 4-1 và hình 4-2, ta có thể dễ dàng nhận thấy rằng, trong hệ thống song côngdưới sự ảnh hưởng của nhiễu tại Relay (I) thì xét về xác suất dừng, kỹ thuật DF tốthơn việc sử dụng kỹ thuật AF nhưng xét về mặt thông lượng kỹ thuật DF khôngbằng kỹ thuật AF

1.10 Kết luận chương

Chương này đã trình bày kết quả mô phỏng đánh giá hệ thống song công sử dụng

kỹ thuật AF và DF dưới những tác động của các hệ số trong hệ thống về khoảngcách và ảnh hưởng của nhiễu trắng Gaussian Ta thấy rằng dù bị ảnh hưởng bởi tácđộng nào phân tích ở trên thì kỹ thuật DF luôn có lợi và tốt hơn AF xét về xác suấtdừng Nhưng ngược lại, xét về thông lượng thì ngược lại, kỹ thuật AF tốt hơn.Tuy nhiên điểm khác biệt là, dưới sự ảnh hưởng của I, xác suất dừng và thônglượng lần lượt tăng dần đều và giảm dần đều đến giá trị cực đại và cực tiểu Còn khi

hệ thống bị tác động bởi nhiễu trắng Gaussian, 2 yếu tố ta đang phân tích, khi chúngđạt đến giá trị max, min chúng sẽ dần quay lại với trạng thái ban đầu trước đó

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN

1.11 Kết luận

Trong hệ thống vô tuyến, các kỹ thuật truyền dẫn AF, DF là một công nghệ đemđến nhiều ưu điểm và lợi ích cho ngành viễn thông Cụ thể với những khu vực nằmngoài rìa của các cell, những nơi mà sẽ thu được tín hiệu thấp, chất lượng kém thìvới những kỹ thuật này sẽ đáp ứng được những nhu cầu của hệ thống mạng

Luận văn đã đưa ra được những ưu điểm của việc sử dụng các kỹ thuật truyền dẫnthông tin so với việc truyền trực tiếp tín hiệu đi Từ luận văn có thể linh động sửdụng các kỹ thuật để phù hợp với nhu cầu cần thiết

Để đánh giá chất lượng của hệ thống, luận văn đã phân tích kĩ thuật AF, DF tạiRelay Qua đó đánh giá được xác suất dừng và thông lượng cho hệ thống

Kết quả thực nghiệm đã cho thấy rằng hệ thống sử dụng kỹ thuật AF và DF đều có

ưu và nhược điểm riêng của nó tùy thuộc vào ảnh hưởng tác động lên hệ thống Nếugiới hạn lý tưởng khoảng cách cũng như nhiễu Gaussian thì hiệu suất của 2 kỹ thuật

Luận văn đã đem lại kết quả cho hệ thống truyền dẫn Nhưng việc đánh giá chỉ ápdụng trên hệ thống song công sử dụng giao thức TSR Cũng như còn nhiều tác độngkhác ảnh hưởng đến chất lượng của hệ thống Để đánh giá hệ thống được tốt hơn cóthể phát triển đề tài như sau:

So sánh và phân tích mô hình AF và DF trong hệ thống bán song công sử dụng giaothức TSR

So sánh và phân tích mô hình AF và DF trong hệ thống song công sử dụng giaothức PSR

TÀI LIỆU THAM KHẢO

David H A 1970 Order Statistics New York, NY, USA: Wiley.

Speech and Signal Processing (ICASSP), 2015 IEEE International Conference on,

pp 5535-5539

Ke, X., Pingyi F & Ben Letaief K 2015b Wireless Information and Energy

Transfer for Two-Hop Non-Regenerative MIMO-OFDM Relay Networks Selected

Areas in Communications, IEEE Journal on, vol 33, pp 1595-1611.

Krikidis I., Timotheou S., Nikolaou S., Gan Z., Ng D W K & Schober R 2014.Simultaneous wireless information and power transfer in modern communication

systems Communications Magazine, IEEE, vol 52, pp 104-110.

Mousavifar S A., Yuanwei L., Leung C., Elkashlan M., and Duong T Q 2014

Wireless Energy Harvesting and Spectrum Sharing in Cognitive Radio Vehicular

Technology Conference (VTC Fall), 2014 IEEE 80th, pp 1-5.

Nasir A A., Xiangyun Z., Durrani S & Kennedy R A 2013 Relaying Protocols

for Wireless Energy Harvesting and Information Processing Wireless

Communications, IEEE Transactions on, vol 12, pp 3622-3636.

Nasir A A., Xiangyun Z., Durrani S & Kennedy R A 2014 Throughput andergodic capacity of wireless energy harvesting based DF relaying network

Communications (ICC), 2014 IEEE International Conference on, pp 4066-4071.

Sixing Y., Erqing Z., Zhaowei Q., Liang Y., & Shufang L 2014 OptimalCooperation Strategy in Cognitive Radio Systems with Energy Harvesting

Wireless Communications, IEEE Transactions on, vol 13, pp 4693-4707.

Sixing Y., Zhaowei Q & Shufang L 2015 Achievable Throughput Optimization in

Energy Harvesting Cognitive Radio Systems Selected Areas in Communications,

IEEE Journal on, vol 33, pp 407-422.

Tong C., Zhiguo D & Guiyun T 2014 Wireless information and power transfer

using energy harvesting relay with outdated CSI High Mobility Wireless

Communications (HMWC), 2014 International Workshop on, pp 1-6.

Yiyang N., Shi J., Ran T., Kai-Kit W., Hongbo Z & Shixiang S 2013 Outageanalysis for device-to-device communication assisted by two-way decode-and-