Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (tt)

Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Luận văn được hoàn thành tại:

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Tuấn Đức

Phản biện 1: TS Phạm Ngọc Sơn

Phản biện 2: TS Bùi Trọng Tú

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: 09 giờ 15 ngày 06 tháng 01 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Trong [1], năng lượng bị hạn chế ở nút chuyển tiếp khi sử dụng giao thức khuếch đại

và chuyển tiếp (AF) dựa trên thời gian chuyển tiếp và phân chia năng lượng nhận được Cụ thể, các tác giả nghiên cứu cả giới hạn truyền có độ trễ và không có độ trễ, và đề xuất phương pháp tính toán các biểu thức xác suất dừng và dung lượng ergodic tương ứng Sau đó, các tác giả cùng mở rộng các phân tích cho thông lượng và dung lượng ergodic của giao thức giải mã

và chuyển tiếp (DF) trong [2] Dựa trên cấu trúc thời gian chuyển đổi, các tác giả trong [3] đã

đề xuất giao thức thời gian chuyển tiếp thích nghi cho việc thu thập năng lượng và truyền tải thông tin qua tần số vô tuyến cho cả hai giao thức AF, DF và phân tích biểu thức giải tích của thông lượng cho cả hai giao thức chuyển tiếp Trong các nghiên cứu nêu trên có một điểm chung là chỉ xem xét cơ chế truyền bán song công, nơi các nút chuyển tiếp không thể nhận và truyền dữ liệu đồng thời trong cùng băng tần

Với sự tiến bộ của công nghệ ăng-ten và xử lý tín hiệu, truyền song công (full-duplex

- FD) là công nghệ mà các nút chuyển tiếp có thể nhận và truyền thông tin đồng thời trong cùng băng tần Truyền song công cho phép cải thiện gấp đôi hiệu suất phổ tần so với truyền đơn công Trong [4], các tác giả đã nghiên cứu hệ thống chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng (harvest-use - HU) với chế độ hoạt động bán song công (half-duplex – HD) và song công (FD) Kết luận chính trong [4] là: FD là một công nghệ hấp dẫn và đầy hứa hẹn cho mạng truyền thông cộng tác HU-based Trong [5], các tác giả xem xét thời gian chuyển tiếp

ở chế độ song công trong hệ thống truyền năng lượng không dây, mà ở đó các nút chuyển tiếp hoạt động ở chế độ FD với việc nhận và truyền thông tin một cách đồng thời Cụ thể, bài báo

đã cung cấp một đặc tính phân tích của thông lượng trong ba chế độ truyền khác nhau, cụ thể

là: truyền tức thời, truyền có độ trễ cưỡng bức (delayconstrained) và truyền có độ trễ trong giới hạn bằng cách tối ưu tỷ lệ phân chia thời gian Hơn nữa, một chế độ truyền song công của hệ thống truyền năng lượng không dây với việc nhận thông tin và truyền năng lượng đồng thời được nghiên cứu trong [6] Trong [7], các tác giả đề xuất một giao thức mới hai pha cho giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF) để kích hoạt truyền song công Đặc biệt, họ coi năng lượng từ các kênh nhiễu lặp như năng lượng hữu ích và tích hợp năng lượng này vào quá trình truyền năng lượng không dây và tối ưu phân bổ năng lượng và thiết kế beamforming tại nút chuyển tiếp được lập ra Tuy nhiên, hiệu suất và sự phân tập của chuyển tiếp song công với các mạng WIPT có thể được cải thiện hơn nữa

Thuật ngữ "switch and - stay combining (SSC)" là kỹ thuật chuyển mạch tín hiệu từ các nhánh dựa trên SNR tức thời SSC đã nhận được sự chú ý đáng kể và đã có rất nhiều công trình nghiên cứu nhằm thực hiện kỹ thuật này Trong [8] và [9], các tác giả đề xuất kỹ thuật DSSC áp dụng cho một và hai chặng chuyển tiếp với kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) Hiệu năng của hệ thống được suy ra từ xác suất dừng và xác suất lỗi trên kênh Rayleigh fading Sự kết hợp phân bố SSC và lựa chọn chuyển tiếp đã được đề xuất và nghiên cứu về tỷ

lệ lỗi bit trong [10] Trong [11], hiệu suất của phân bố SSC và lựa chọn chuyển tiếp trong điều kiện xác suất dừng đã được xem xét Kết quả phân tích trong bài báo đã chỉ ra rằng DSSC

có khả năng cải thiện hiệu năng hệ thống và nút đích không cần phải sử dụng kỹ thuật kết hợp, điều đó làm giảm mức độ phức tạp phần cứng tại nút đích

Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng kỹ thuật truyền song công kết hợp chuyển tiếp

và giữ phân tán (DSSC) tại điểm đích để cải thiện hiệu suất phổ tần của mạng WIPT và giảm

sự phức tạp phần cứng tại nút đích

1.1.2 Mục đích nghiên cứu

Trong luận văn này, chúng tôi áp dụng kỹ thuật truyền song công tại nút chuyển tiếp, nút chuyển tiếp có sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng, nút đích sử dụng kỹ thuật DSSC để cải thiện hiệu năng và giảm độ phức tạp của phần cứng tại nút đích của hệ thống truyền tín hiệu và năng lượng không dây - WIPT (wireless information and power transfer), với các nội dung sau:

 Đề xuất và khảo sát kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC với 2 nút chuyển tiếp Hệ thống bao gồm: một nút nguồn S, một nút đích D và hai nút chuyển tiếp R1

và R2 Nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật DF hoặc AF, nguồn hoạt động của nút chuyển tiếp chủ yếu dựa vào việc thu hoạch năng lượng từ nút nguồn S Nút đích D sử dụng

kỹ thuật DSSC

 Xây dựng mô hình toán cho mô hình nghiên cứu Đánh giá hiệu năng của hệ thống

ở kênh truyền Rayleigh fading

Đánh giá hiệu suất của hệ thống thông qua xác suất dừng (OP) trên kênh Rayleigh fading cho cả hai giao thức chuyển tiếp là khuếch đại và chuyển tiếp (AF) và giải mã và chuyển tiếp (DF)

Thông qua mô phỏng để so sánh xác suất dừng của hệ thống chuyển tiếp song công DSSC với hệ thống chuyển tiếp song công quy ước, để đưa ra kết luận mô hình hệ thống do chúng tôi đề xuất có hiệu suất tốt hơn so với quy ước

1.1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hình 1.1 Mô hình hệ thống

Xét một mô hình truyền song công bao gồm một nút nguồn S, một nút đích D và hai nút chuyển tiếp R1 và R2 Giả định rằng các liên kết truyền tải trực tiếp giữa nguồn và đích đến là không có sẵn và thông tin từ nguồn đến đích là chỉ thực hiện thông qua hai nút chuyển tiếp Các nguồn và đích được trang bị ăng-ten duy nhất và mỗi nút chuyển tiếp được trang bị với hai ăng-ten, một cho truyền và một cho nhận thông tin Các nguồn và đích có năng lượng riêng, trong khi hai nút chuyển tiếp chỉ được cung cấp năng lượng hạn chế và năng lượng hoạt

động chủ yếu được thu thập từ nguồn

1.1.4 Phương pháp nghiên cứu

Tìm hiểu bài toán truyền song công tại nút chuyển tiếp khi sử dụng giao thức DF và

AF, nút chuyển tiếp có sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng

Tính toán xác suất dừng của hệ thống (OP) trên kênh Rayleigh fading cho cả hai giao thức chuyển tiếp là DF và AF

Thông qua mô phỏng để so sánh xác suất dừng của hệ thống chuyển tiếp song công trong mạng DSSC với hệ thống chuyển tiếp song công quy ước, từ đó đưa ra kết luận mô hình

hệ thống do chúng tôi đề xuất có hiệu suất tốt hơn so với quy ước

1.2 Tổng quan về kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC với hệ thống WIPT

1.2.1 Tổng quan về kỹ thuật truyền song công

Trong [12] những yếu tố quan trọng của bất cứ một hệ thống thông tin hiện nay là làm thế nào để vừa có thể cung cấp cho người sử dụng những dịch vụ chất lượng tốt vừa có thể sử dụng băng thông một cách tối ưu Chính vì vậy mà nhiều kỹ thuật truyền đã được đưa ra như truyền đơn công, truyền bán song công và truyền song công Mỗi kỹ thuật có mỗi đặc tính khác nhau nên được ứng dụng cho mỗi mục đích khác nhau tùy theo nhà cung cấp dịch vụ

a Kỹ thuật truyền đơn công

Hình 1.2 Hệ thống truyền đơn công

Truyền đơn công là kỹ thuật mà tín hiệu chỉ được truyền 1 chiều từ nguồn tới đích, hay

kỹ thuật truyền đơn công không thể thực hiện việc thu và phát tín hiệu một cách đồng thời Trong hệ thống truyền đơn công có một máy phát chỉ làm nhiệm vụ phát tín hiệu và một máy thu chỉ làm nhiệm vụ thu tín hiệu Ví dụ như hệ thống thu và phát truyền hình, radio… hệ thống truyền đơn công có hiệu suất phổ tần thấp

b Kỹ thuật truyền bán song công

Hình 1.3 Hệ thống truyền bán song công

Truyền bán song công có hiệu suất phổ tần cao hơn truyền đơn công do tín hiệu có thể truyền 2 chiều từ nguồn tới đích và ngược lại Trong hệ thống truyền bán song công, máy phát

vừa có thể thực hiện việc phát tín hiệu vừa thực hiện việc thu tín hiệu và ở phía máy thu cũng vậy, nhưng việc thu - phát tín hiệu diễn ra không đồng thời Ví dụ như hệ thống liên lạc bằng máy bộ đàm…

c Kỹ thuật truyền song công

Hình 1.4 Hệ thống truyền song công

Truyền song công là kiểu truyền mà ở đó tín hiệu có thể truyền theo hai hướng tại một thời điểm, ví dụ như hệ thống điện thoại, internet… Vì vậy, truyền song công có hiệu suất phổ tần gấp 2 lần so với truyền đơn công Tuy nhiên, để làm được điều này thì hệ thống cũng cần phải hoạt động theo một cách đặc biệt nào đó để có thể nhận và phát tín hiệu cùng lúc

Có hai kỹ thuật thường được sử dụng là phân chia theo tần số (Frequency Division Duplex)

và phân chia theo thời gian (Time Division Duplex)

 Kỹ thuật phân chia theo tần số

Theo [12] kỹ thuật phân chia theo tần số được hiểu là tín hiệu được truyền và nhận bằng cách sử dụng hai khoảng tần số khác nhau Một tần số dùng cho việc phát và một tần số dùng cho việc thu tín hiệu Nhưng giữa hai tần số này cần phải có một khoảng tần số bảo vệ để tránh trường hợp hai kênh tần số này gây nhiễu cho nhau

Hình 1.5 Mô hình truyền song công phân chia theo tần số

 Kỹ thuật phân chia theo thời gian

Theo [12] hệ thống chỉ sử dụng một tần số duy nhất nhưng tần số này được chia ra làm nhiều khe thời gian khác nhau, mỗi khe thời gian này đảm nhận việc thu và phát Giữa hai khe thời gian này cần một khoảng thời gian bảo vệ mặc dù điều này tạo ra độ trễ của hệ thống

Hình 1.6 Mô hình truyền song công phân chia theo thời gian

1.2.2 Tìm hiểu hai kỹ thuật chuyển tiếp AF và DF khi nút chuyển tiếp có sử dụng

kỹ thuật thu hoạch năng lượng

a Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp - AF

Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp [13] (Amplify-and-Forward – AF) còn được gọi là

kỹ thuật chuyển tiếp tương tự hay kỹ thuật chuyển tiếp không tái tạo Kỹ thuật này có ưu điểm

là đơn giản, hoạt động như một bộ lặp tương tự Nguyên tắc hoạt động của kỹ thuật này là khuếch đại tín hiệu nhận được sau đó chuyển tín hiệu đã khuếch đại đi Tín hiệu nhận được sau quá trình chuyển tiếp là tín hiệu khuếch đại của tín hiệu nguồn cộng với nhiễu Kỹ thuật

AF có hạn chế là yêu cầu cấu trúc phần cứng phức tạp, dẫn đến chi phí cao Hơn nữa, kỹ thuật

AF cần các nút chuyển tiếp phải có bộ đệm lớn để lưu trữ tín hiệu đến Tuy nhiên, do đặc tính đơn giản và đạt được độ phân tập đầy đủ, nên kỹ thuật AF hứa hẹn là một giải pháp tối ưu cho công nghệ truyền thông vô tuyến trong tương lai

Xét hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hai chặng, trong đó nút nguồn S chuyển dữ liệu x1

đến nút đích D với sự hỗ trợ của nút chuyển tiếp R

Hình 1.7 Hệ thống chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF

Nút nguồn S phát tín hiệu x1 với công suất là P S, hệ số kênh truyền từ S đến R là h1,v1

là nhiễu trên đường truyền từ S đến R Nút chuyển tiếp R nhận tín hiệu y1 từ S sẽ khuếch đại với độ lợiG, phát đi tín hiệu x2 với công suất P R, hệ số kênh truyền từ R đến D là h2, v2 là nhiễu trên đường truyền từ R đến D

S S

b Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp - DF

Một kỹ thuật khác được sử dụng ở nút chuyển tiếp là giải mã và chuyển tiếp and-forward – DF) [15] hay còn gọi là kỹ thuật chuyển tiếp số, nghĩa là sau khi nhận tín hiệu

(Decode-từ nguồn, nút chuyển tiếp sẽ tiến hành giải điều chế trước khi chuyển tiếp tín hiệu cho nút đích Mặc dù kỹ thuật DF có ưu điểm hơn kỹ thuật AF là không khuếch đại tín hiệu nhiễu rồi truyền cho nút đích, nhưng nó có tiềm năng giải sai mã tín hiệu dẫn đến giảm hiệu năng của

hệ thống Nguyên nhân là do khi nút chuyển tiếp giải mã tín hiệu có hai trường hợp xảy ra là giải mã đúng hoặc giải mã sai Nếu nút chuyển tiếp vẫn chuyển tín hiệu đã giải mã tới nút đích không cần biết là giải mã đúng hay sai thì được gọi là kỹ thuật chuyển tiếp cố định Còn nút chuyển tiếp chỉ chuyển tiếp tín hiệu đã giải mã đúng thì được gọi là chuyển tiếp lựa chọn Trong kỹ thuật DF, tín hiệu phát tại nút chuyển tiếp được kỳ vọng là giống với tín hiệu phát tại nguồn Tín hiệu phát tại nút chuyển tiếp giống với tín hiệu tại nguồn thì nút chuyển tiếp phải giải mã đúng tín hiệu thu được Do đó tỉ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống là giá trị nhỏ nhất giữa hai giá trị giữa chặng S → R và R → D

Ta xét mô hình hệ thống chuyển tiếp DF như sau:

Hình 1.8 Hệ thống chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật DF

Giả sử ta biết được thông số h1 và h2, gọi  là tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp nhất của e e2

f là hệ số kênh truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp R1,

từ nút chuyển tiếp R1 đến đích, nguồn đến nút chuyển tiếp R2, từ nút chuyển tiếp R2 đến đích, kênh nhiễu lặp (nhiễu do ảnh hưởng qua lại giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu của chính nút chuyển tiếp) của nút chuyển tiếp R1 và R2 là như nhau Công suất của kênh truyền Rayleigh fading, ký hiệu là

R

 Chúng tôi giả định rằng tất cả các kênh (S → R1, R1 → D, S → R2, R2 → D) độc lập và cùng phân bố Rayleigh fading, và các hệ số kênh là không đổi trong một khối thời gian T,nhưng thay đổi giữa 2 khối khác nhau

Kỹ thuật DSSC được mô tả như sau: Trong mỗi khối truyền T, chỉ có một liên kết (S

→ R1 → D hoặc S → R2 → D) đang hoạt động Để xác định các liên kết hoạt động tiếp theo, phụ thuộc vào liên kết đang hoạt động trong khối thời gian T hiện tại, nút đích so sánh SNR nhận được (

 ) với ngưỡng  cho trước Việc chuyển đổi xảy ra (liên kết thay thế

sẽ được sử dụng trong khối thời gian T tiếp theo) khi SNR tức thời của liên kết đang được chọn xuống dưới ngưỡng  không phụ thuộc vào SNR tức thời hiện tại của liên kết thay thế Quá trình chuyển đổi sẽ được thực hiện bằng tín hiệu hồi báo được gởi từ điểm đích đến nguồn thông qua các kênh hồi tiếp, để báo cho biết một chuyển mạch trên đường truyền Cụ thể hơn, tín hiệu từ nguồn truyền đến đích thông qua hoặc liên kết S → R1 → D hoặc liên kết

S → R2 → D và trong mỗi khối truyền T, chỉ có một liên kết đang hoạt động

CHƯƠNG 2 - XÁC SUẤT DỪNG CỦA HỆ THỐNG (OP)

với nhau và là các biến ngẫu nhiên có phân phối mũ giống nhau là

 Chúng tôi giả định rằng tất cả các kênh (S → R1, R1 → D, S →

R2, R2 → D) độc lập và cùng phân bố Rayleigh fading và các hệ số kênh truyền là không đổi trong một khối thời gian T , nhưng sẽ thay đổi ở các khối khác nhau

Trong luận văn này, tín hiệu chỉ được truyền từ nguồn đến đích, thông qua nút chuyển tiếp R1 (S → R1 → D) hoặc nút chuyển tiếp R2 (S → R2 → D) Do đó, một số kỹ thuật cần phải được áp dụng tại điểm đích để kết hợp hai tín hiệu từ hai nhánh hoặc chọn một trong hai nhánh đó Để tăng sự phân tập của hệ thống và giảm sự phức tạp ở điểm đích, chúng tôi sử dụng kỹ thuật DSSC (Distributed Switch and Stay Combining)

Hình 2.2 Khối thời gian T

Để kích hoạt truyền song công tại hai nút chuyển tiếp, chúng tôi sử dụng các giao thức hai pha trong [7], được mô tả trong Hình 2.2 Trong pha thứ nhất của khoảng thời gian T 2, nút nguồn truyền thông tin đến các nút chuyển tiếp Trong pha thứ hai của khoảng thời gian 2

T còn lại, nút chuyển tiếp xử lý thông tin và sau đó chuyển thông tin này đến đích và đồng thời nút chuyển tiếp cũng nhận được tín hiệu mang năng lượng để thực hiện việc thu thập năng lượng Do đó, truyền song công được tiến hành trong pha thứ hai, khi đó nút chuyển tiếp thực hiện đồng thời việc thu thập năng lượng và truyền thông tin đến đích Bên cạnh đó, các tín hiệu lặp được tạo ra từ ăng-ten phát tại nút chuyển tiếp được coi như sự nhiễu lặp, do đó đòi hỏi phải có thêm năng lượng để loại bỏ sự can nhiễu này Cũng giống như trong [7], chúng tôi cũng xem xét kênh nhiễu lặp như liên kết có lợi bởi vì năng lượng lặp có thể được thu thập bởi nút chuyển tiếp cũng như thu thập năng lượng từ các nguồn tín hiệu

Trong phần này, chúng tôi phân tích mô hình hóa tín hiệu trong hai pha Trong mỗi pha, chúng ta xem xét hai trường hợp: R1 được sử dụng để truyền thông tin (liên kết S → R1 → D hoạt động) và R2 được sử dụng để truyền thông tin (liên kết S → R2 → D hoạt động)

2.2.1 Trong pha thứ nhất

 Trong trường hợp sử dụng R1, tín hiệu thu được tại R1 có thể được biểu diễn như sau:

n là nhiễu trắng Gaussian (AWGN) với phương sai ܰ଴

Do đó SNR tức thời của kênh S → R1 là

   là SNR của kênh truyền

 Tương tự trong trường hợp sử dụng R2, tín hiệu thu được tại R2 có thể được biểu diễn như sau:

là nhiễu trắng Gaussian (AWGN) với phương sai ܰ଴

Do đó SNR tức thời của kênh S → R2 là

2.2.2 Trong pha thứ hai

 Trong trường hợp sử dụng R1, với giao thức AF, R1 sẽ khuếch đại tín hiệu nhận được

R R

1 1 1

R R R

 Trong trường hợp sử dụng R1, với giao thức DF, R1 sẽ giải mã tín hiệu đầu vào sau

đó mới chuyển tín hiệu đến nút đích, tín hiệu truyền tại R1 được xác định như sau:

khoảng cách từ R1 đến nút đích D, và ݊஽ là nhiễu trắng Gaussian (AWGN) với phương sai ܰ଴

Do đó, SNR tức thời của liên kết R1 → D được xác định bởi

R R

 là công suất phát của nút chuyển tiếp R2

Do đó tín hiệu phát của R2 được xác định bởi:

R R R

 Trong trường hợp sử dụng R2, với giao thức DF, R2 sẽ giải mã tín hiệu đầu vào sau

đó mới chuyển tín hiệu đến nút đích