TÌM HIỂU và để XUẤT GIAO THỨC mới CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG vô TUYẾN BẰNG kỹ THUẬT DF (có code)

1.2 Tổng quan về vấn về nghiên cứu Truyền năng lượng thông qua sóng vô tuyến RF là giải pháp mới nhằm kéo dàithời gian hoạt động của thiết bị hoạt động trong mạng không dây vô tuyến.. Tr

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU VÀ ĐỂ XUẤT GIAO THỨC MỚI CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

BẰNG KỸ THUẬT DF

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng Việt

AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếpBRS Best Relay Selection Lựa chọn relay tốt nhấtRRS Random Relay Selection Lựa chọn relay ngẫu nhiên

TS Time Switching Chuyển mạch thời gian

PS Power Splitting Phân chia công suất

FTSAPS Fixed Time Switching Adaptive

Power Splitting

Chuyển mạch thời gian cốđịnh và phân chia công suất

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễuMIMO Multiple Input Multiple Output Đa đầu vào đa đầu ra

EHN Energy Harvesting Network Mạng thu năng lượng

SWIPT Simultaneous Wireless Information

and Power Transfer

Truyền thông tin và nănglượng vô tuyến đồng thời

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh và góp phầnrất lớn trong việc thay đổi nâng cao cuộc sống của con người Hệ thống thông tin vôtuyến, hệ thống điện thoại di động ngày càng cần tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, íttiêu tốn năng lượng hơn và độ tin cậy cao hơn trong khi vẫn giữ được chất lượngdịch vụ Nhu cầu của con người đối với truyền thông vô tuyến ngày càng tăng từ đódẫn đến sự phát triển không ngừng của lĩnh vực này

Trong truyền thông vô tuyến (Wireless Communications), không gian tự dochính là môi trường truyền dẫn, thông tin được truyền đi từ máy phát đến máy thubằng sóng điện từ Truyền thông vô tuyến với tính năng linh hoạt và di động vì thế

hệ thống này nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu

Để có thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng, các kỹ thuật phân tập được sửdụng để nâng cao tốc độ dữ liệu và truyền thông hợp tác là một kỹ thuật mới vớithiết bị đầu cuối di động sử dụng một ăn-ten hoạt động trong môi trường nhiều thuêbao có khả năng tạo ra máy thu phát đa ăn-ten ảo cho phép chúng hợp tác thực hiệnviệc truyền phân tập rất hiệu quả

Đối với truyền thông hợp tác thì máy chuyển tiếp được đặt vào giữa máy nguồn

và máy đích Vì thế, các kênh truyền chuyển tiếp này được coi là các kênh hỗ trợcho kênh truyền trực tiếp Kênh chuyển tiếp được coi như kênh MIMO giữa nguồn

và đích đến và fading của nó độc lập với các kênh trực tiếp nên những máy chuyểntiếp này có thể được sử dụng để tạo ra đường đi độc lập giữa máy nguồn và máyđích Máy chuyển tiếp tín hiệu nhận được tín hiệu từ máy nguồn sau đó xử lý vàtruyền lại các tín hiệu này đến máy đích

Hiện tại có rất nhiều ứng dụng trên các thiết bị không dây vì vậy nó gây ra sựtiêu hao năng lượng ngày càng lớn Và hướng giải quyết để đáp ứng nhu cầu hiệntại là việc tạo ra những loại pin có dung lượng lớn Vì thế, việc nạp năng lượng

nghiên cứu, hãng sản xuất trên thế giới đang theo đuổi và tìm hướng phát triển Córất nhiều cách để nạp năng lượng nhưng nạp không dây vẫn là cách thuận tiện, dễdàng và an toàn.

Một số ví dụ của nạp năng lượng không dây là nạp bằng năng lượng nhiệt, nănglượng mặt trời và năng lượng sóng vô tuyến Hiện tại, công nghệ nạp năng lượngbằng sóng vô tuyến vẫn đang trong quá trình phát triển và hoàn thiện nhưng có thểnói nó là công nghệ mới nhất

Một trạm năng lượng vô tuyến bao gồm một điểm truy cập có nguồn không đổi,

nó phát tín hiệu vô tuyến mang cả thông tin và năng lượng đến các thiết bị đầu cuối

Và khi đó các thiết bị đầu cuối diễn ra một số hoạt động như sau, một số hoạt độngnhư máy thu thông tin giải mã tín hiệu nhận được và một số khác chỉ nhận nănglượng bằng cách nạp năng lượng từ sóng điện từ Vì phải truyền qua môi trường vôtuyến nên suy hao khá lớn và để khắc phục điều này nên các thiết bị nạp năng lượngphải được triển khai, lắp đặt gần điểm truy cập Và điều này ảnh hưởng như thế nàođến việc truyền thông tin mà điểm truy cập gửi cho các máy thu thông tin Trongmạng hợp tác (chuyển tiếp), các nút chuyển tiếp thu năng lượng rồi sau đó dùngnăng lượng này để xử lý và chuyển tiếp gói tin đến nguồn, hiệu năng của mạng nàynhư thế nào? Làm thế nào để nâng cao hiệu năng hệ thống mạng chuyển tiếp? Đó

cũng là lý do tôi chọn đề tài: TÌM HIỂU VÀ ĐỀ XUẤT GIAO THỨC MỚI CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN BẰNG

KỸ THUẬT DF.

1.2 Tổng quan về vấn về nghiên cứu

Truyền năng lượng thông qua sóng vô tuyến (RF) là giải pháp mới nhằm kéo dàithời gian hoạt động của thiết bị hoạt động trong mạng không dây (vô tuyến) Trong

đồ án tốt nghiệp: Tìm hiểu và đề xuất giao thức mới cho mạng chuyển tiếp truyềnnăng lượng vô tuyến bằng kỹ thuật DF này, tôi thực hiện khảo sát hiệu năng của hệthống truyền thông hợp tác với một trạm nguồn vừa phát năng lượng RF vừa truyềnthông tin, N máy chuyển tiếp và một máy đích Máy chuyển tiếp sử dụng cơ chếgiải mã-chuyển tiếp hợp tác với trạm nguồn chuyển thông tin đến đích nhằm nâng

cao hiệu năng của hệ thống Từ đặc tính thống kê của tỉ số tín hiệu trên nhiễu(SNR), đồ án tốt nghiệp này xây dựng công thức tính xác suất dừng hệ thống, thônglượng dùng để khảo sát, đánh giá và so sánh hiệu năng của hệ thống Cuối cùng, tôi

sử dụng mô phỏng Monte-Carlo để kiểm chứng kết quả phân tích này Sự trùngkhớp giữa kết quả phân tích và kết quả mô phỏng đã kiểm chứng tính đúng đắn củakết quả phân tích

1.3 Mục tiêu

 Nắm rõ được phương thức chuyển tiếp DF trong mạng vô tuyến truyền nănglượng

 Xây dựng mô hình hệ thống và giao thức nghiên cứu

 Xây dựng công thức tính toán tường minh như xác suất dừng (OP) và thônglượng để đánh giá hệ thống

 Xây dựng chương trình mô phỏng

 Hoàn thiện và viết báo cáo

1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.1.1 Đối tượng nghiên cứu

 Kênh truyền vô tuyến: Nakagami-m

 Phương thức chuyển tiếp: Giải mã và chuyển tiếp – DF (Decode andForward)

 Các tham số đánh giá hệ thống: Xác suất dừng hệ thống, thông lượng

1.1.2 Phạm vi nghiên cứu

 Mạng chuyển tiếp truyền năng lượng vô tuyến

 Hệ thống viễn thông và xác suất thống kê

1.5 Phương pháp nghiên cứu

 Phân tích và tổng hợp thông tin

 Phân tích theo đặc tính của hệ thống

 Phân tích đánh giá kết quả

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP VÀ

TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

1.6 Giới thiệu

Hiện nay các thiết bị không dây (điện thoại, laptop, máy tính bảng, ) đang ngàycàng trở nên rất phổ biến và là một phần không thể thiếu cho cuộc sống vì nó manglại rất nhiều lợi ích cho người dùng, ví dụ như: điện thoại thông minh (gọi điện,nhắn tin, chụp hình, quay phim, ), thương mại (mua, bán trực tuyến, ), tiếp thị

(tìm kiếm, quảng cáo, ) hoặc đơn giản là phục vụ giải trí (xem phim, chơi game,nghe nhạc, , ) Vì thế nên yêu cầu kết nối giữa các thiết bị không dây hay ngườidùng với nhau là cần thiết Để đáp ứng được những nhu cầu như thế này thì mạng

vô tuyến (không dây) đã ra đời Ví dụ như : Wifi, bluetooth,

Hình 2.1: Kết nối không dây

Với tốc độ phát triển không ngừng của mạng vô tuyến cũng như nhu cầu sửdụng các dịch vụ vô tuyến hiện tại ngày càng tăng lên, vì thế nó dẫn đến những vấn

đề, những thách thức không nhỏ về phạm vi vùng phủ sóng, chất lượng đườngtruyền và đặc biệt, quan trọng là tốc độ truy cập Một trong các giải pháp tối ưunhằm khắc phục tất cả các tình trạng đã nêu như trên là sử dụng hệ thống mạngchuyển tiếp

Hình 2.2: Mô hình mạng trực tiếp và chuyển tiếp.

Đây là hệ thống mạng còn khá mới mẻ nhưng nó có tiềm năng phát triển rất lớntrong tương lai Cách thức hoạt động của mạng chuyển tiếp là dựa trên các nút trunggian (nút chuyển tiếp) để chuyển tiếp dữ liệu từ máy nguồn đến máy đích, vì vậy nócho phép kéo dài cự ly liên lạc và từ đó mở rộng phạm vi vùng phủ sóng Đặc biệtnhờ sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp nên các nút trung gian có thể sử dụng công suấtphát thấp hơn nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng dịch vụ và làm giảm đáng kểhiện tượng can nhiễu đến hệ thống mạng

Để cho các thiết bị không dây có thể kéo dài thời gian hoạt động hơn thì côngnghệ tăng dung lượng pin là một trong những giải pháp tốt nhất Trong khi các thiết

bị này liên tục thay đổi về cấu hình, công nghệ, hiệu năng thì dung lượng pin hiệnnay vẫn chưa thể đáp ứng được nhu cầu của người dùng khi mà những thiết bị đượcứng dụng như smart phone, máy tính bảng đang ngày càng ngốn nhiều dunglượng pin hơn Vì không thể đáp ứng đủ nhu cầu về thời lượng sử dụng nên ngườidùng phải cắm sạc thường xuyên và gây mất nhiều thời gian, phiền toái Vì vậy mànhiều người dùng đang trông chờ vào một loại pin mới hoặc những giải pháp khả

Có nhiều cách để nạp năng lượng, sạc pin (có dây và không dây), nhưng nạpkhông dây thì vẫn thuận tiện và an toàn nhất Ví dụ như nạp bằng năng lượng mặttrời, năng lượng nhiệt và năng lượng sóng vô tuyến Và công nghệ nạp năng lượngbằng sóng vô tuyến là công nghệ mới nhất và có lẽ cũng là công nghệ được ứngdụng rất được kì vọng đem lại sự hiệu quả tối ưu cho tương lai.

Một trong những phương pháp bổ sung trong việc cấp năng lượng cho hệ thốngmạng vô tuyến thế hệ tiếp theo đó chính là kỹ thuật truyền và thu năng lượng sóng

vô tuyến (Radio Frequency – RF) Kỹ thuật này cho phép cung cấp năng lượng chocác thiết bị không dây thông qua sóng RF bởi trạm năng lượng vô tuyến chuyêndụng cố định hoặc từ các thiết bị không dây khác Đây chính là giải pháp đầy tiềmnăng cho những mạng vô tuyến mà vốn dĩ bị hạn chế về mặt năng lượng Thôngthường các mạng không dây khá hạn chế năng lượng ví dụ như: mạng cảm biếnkhông dây, nó có thời gian hoạt động giới hạn dẫn đến hạn chế hiệu suất mạng.Ngược lại, đối với mạng thu năng lượng RF (Radio Frequency Energy HarvestingNetwork RF-EHN) [8], nó có một nguồn cung cấp năng lượng không hạn chế từmôi trường vô tuyến có thể cho phép những thiết bị vô tuyến thu hoạch năng lượng

từ tín hiệu RF dùng cho việc xử lý và truyền thông tin của chúng

Hệ thống mạng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời có ưu điểm làgiá thành thấp và không cần thay đổi nhiều phần cứng của máy phát Nhưng vớinhững nghiên cứu gần đây đã cho thấy việc tối ưu giữa truyền thông tin và nănglượng vô tuyến phải trả giá cho việc thiết kế hệ thống vô tuyến Nguyên nhân là dotín hiệu vô tuyến quyết định đến chất lượng thông tin và hai thứ này không thể đạtcực đại đồng thời Vì vậy ta phải thiết kế lại hệ thống mạng không dây hiện có.Truyền thông vô tuyến phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi cũng donhững nhu cầu thực tiễn hiện tại Vì thế mà hiện tại có rất nhiều nhà khoa học quantâm đến việc nghiên cứu và cải tiến các giao thức mạng nhằm nâng cao tốc độtruyền dẫn và chất lượng của hệ thống, một trong số đó có hệ thống mạng hợp táctruyền năng lượng vô tuyến Mạng này có thể được mô tả đơn giản gồm một trạm

có năng lượng giới hạn bởi khả năng thu được năng lượng vô tuyến từ trạm nguồn

và một máy đích

Hình 2.3: Mô hình mạng hợp tác

Tuy nhiên, hệ thống mạng chuyển tiếp truyền năng lượng cũng phải đối mặt vớirất nhiều thách thức như: khó khăn trong việc giám sát, quản lý tài nguyên và nănglượng, sự tiêu hao năng lượng, sự suy hao của các tín hiệu, giới hạn về khoảng cáchcủa các thiết bị tham gia vào hệ thống truyền thông Để truyền thông hợp tác vàtruyền năng lượng vô tuyến được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống thì chúng taphải cải thiện, phát triển hệ thống để vượt qua được tất cả các thách thức nêu trên.1.7 Mạng vô tuyến, truyền thông vô tuyến

1.1.3 Truyền thông vô tuyến

Truyền thông vô tuyến là một phần của hệ thống truyền dẫn số Là tập hợp cácphương tiện (bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm) được sử dụng để truyềntín hiệu số từ lối ra của thiết bị tạo khuôn ở phần phát tới đầu vào thiết bị tái tạokhuôn thông tin ở phần thu hệ thống thông tin số Thông tin vô tuyến được truyền đibằng cách bức xạ sóng điện từ trong môi trường không gian tự do từ bên phát vàphía bên thu sẽ nhận sóng điện từ trong không gian sau đó sẽ tách lấy tín hiệu gốc.1.1.4 Mạng vô tuyến

1.1.1.1 Khái niệm

Mạng vô tuyến (mạng không dây) là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại vớinhau và chúng có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đườngtruyền dẫn bằng dây (cáp) Ta có thể nói mạng không dây là mạng sử dụng côngnghệ mà cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau bằng cách sử dụng mộtgiao thức chuẩn nhưng tiện dụng hơn vì không cần kết nối vật lý hay chính xác hơn

Linh động: Ta có thể sử dụng thông tin vô tuyến mọi lúc mọi nơi mà không phụthuộc vào các trạm thông tin sử dụng cố định bởi sự kết nối bằng dây cáp của mạnghữu tuyến

Dễ thiết kế và triển khai mở rộng: Khi thiết kế chỉ cần tuân theo quy chuẩn nhấtđịnh về một điểm truy cập thì có thể hoạt động và việc mở rộng khi có thêm các nútmới gia nhập mạng rất dễ dàng vì chỉ cần điều chỉnh bộ thu phát không dây trênthiết bị đó trong hệ thống mạng vô tuyến

Bền vững: Nếu có sự cố xảy ra thì mạng hữu tuyến bị phá hủy và việc sửa chữa,thiết lập để hoạt động trở lại bình thường là rất khó vì nó được kết nối bằng dây cáp

ta phải mất rất nhiều thời gian để tìm ra nguyên nhân, trong khi đó đối với mạng vôtuyến thì việc sửa chữa diễn ra dễ hơn rất nhiều

 Nhược điểm

Điều đầu tiên mà chúng ta phải quan tâm đến là vấn đề an toàn thông tin và bảomật dữ liệu trong mạng vô tuyến vì truyền thông trong một môi trường truyền lanphủ sóng nên việc truy cập tài nguyên trái phép là việc rất khó tránh khỏi Nếu sosánh với mạng hữu tuyến vì mạng vô tuyến có sự bảo mật thông tin kém hơn rấtnhiều.

Thứ hai là vì các thiết bị truyền bằng sóng vô tuyến nên rất thường xảy ra cácvấn đề như fading, nhiễu và tín hiệu bị suy giảm do tác động ảnh hưởng của cácthiết bị khác, do môi trường… Tất cả những vấn đề trêm đều làm ảnh hưởng đáng

kể đến chất lượng của mạng

Cuối cùng chất lượng dịch vụ của mạng vô tuyến cũng thấp hơn mạng hữu tuyến

vì phải truyền trong môi trường vô tuyến nên mạng vô tuyến sẽ có tốc độ truyềnthấp hơn, tỉ lệ lỗi cũng nhiều hơn Phạm vi hoạt động của mạng vô tuyến cũng bịhạn chế do mạng vô tuyến chỉ hoạt động được trong vùng được phủ sóng Các thiết

bị sử dụng trong mạng vô tuyến cũng có giá thành cao hơn so với mạng hữu tuyến.1.8 Thu thập năng lượng vô tuyến (Radio Frequency Energy Harvesting- RF EH)1.1.5 Giới thiệu

Qua vài thập kỷ với sự phát triển của mạch thu năng lượng RF thì việc truyềnnăng lượng thấp cho các thiết bị di động trong hệ thống không dây đã thu hút đượcrất nhiều sự chú ý của giới khoa học nói riêng cũng như trên toàn thế giới nói chung[1,2] Một giao thức thu năng lượng và truyền (harvert-then-transmit) [2] được đềxuất cho mạng không dây kết hợp với truyền năng lượng Để cải thiện hiệu quả củaviệc truyền năng lượng không dây cho các thiết bị di động thì cũng có rất nhiều kỹthuật định hướng ăn-ten mới được triển khai [2,3] Đến hiện tại thì việc sử dụng tínhiệu RF cho hai mục đích truyền năng lượng và truyền thông tin đã được chấp nhận

và áp dụng rộng rãi [4,5] Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồngthời (Simultaneous wireless information and power transfer – SWIPT) [6] được đềxuất để truyền năng lượng RF ở trong vùng năng lượng thấp như mạng cảm biếnkhông dây SWIPT có ưu điểm trong việc khống chế để đảm bảo yêu cầu về truyền

năng lượng và thông tin đồng thời với giá thành thấp mà không cần phải thay thếnhiều về phần cứng Nhưng theo những nghiên cứu mới nhất cho thấy việc tối ưuhóa giữa truyền thông tin và năng lượng vô tuyến phải trả giá cho việc thiết kế hệthống vô tuyến [4,7] Kết luận rằng, lượng thông tin truyền và năng lượng truyềnkhông thể đạt được cực đại đồng thời vì thế phải thiết kế lại hệ thống mạng khôngdây.

Khác với các phương pháp thu hoạch năng lượng khác như năng lượng mặt trời,năng lượng gió, , phương pháp thu hoạch sóng vô tuyến có thể vượt qua được một

số điều kiện khách quan bên ngoài như ngày và đêm, điều kiện thời tiết Vì thế thuhoạch năng lượng sóng vô tuyến chỉ cần yêu cầu một hoặc nhiều nguồn phát sóng

vô tuyến ổn định Hơn nữa, việc tích hợp giữa truyền thông tin và thu hoạch nănglượng có thể được thực hiện đồng thời qua việc phát sóng vô tuyến Đây chính là ưuđiểm của thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến cho các thiết bị truyền thông vôtuyến

1.1.6 Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng

Hình 2.4: Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng

Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng điển hình của một mạng thu thập nănglượng RF (Radio Frequency Energy Harvesting Network - RF-EHN) [8] có bathành phần chính là cồng thông tin, nguồn năng lượng RF và mạng nút mạng/thiếtbị.

 Các cổng thông tin thường được gọi là các trạm gốc, các bộ định tuyếnkhông dây chuyển tiếp

 Các nguồn năng lượng RF có thể là máy phát năng lượng RF chuyên dụnghoặc nguồn RF xung quanh chúng ta như tháp truyền hình

 Các nút mạng là các thiết bị sử dụng giao tiếp với các cổng thông tin

Thông thường thì các cổng thông tin và nguồn năng lượng RF có nguồn cungcấp điện liên tục và ổn định, khi đó các nút mạng thu hoạch năng lượng năng lượng

từ các nguồn năng lượng RF xung quanh Trong một vài trường hợp đặc biệt thìnguồn năng lượng RF và cổng thông tin có thế giống nhau Mặc dù hệ thống mạngthu năng lượng RF còn gặp nhiều vấn đề phải giải quyết nhưng đây có lẽ là giảipháp đầy tiềm năng của việc giải quyết năng lượng cho mạng vô tuyến

1.9 Fading

Fading là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông vô tuyến gây ra dohiện tượng đa đường dẫn đến sự thăng giáng cường độ và xoay pha tín hiệu khônggiống nhau tại các thời điểm hoặc tần số không giống nhau Tín hiệu RF khi truyềntrong kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian và va chạm vào các vật cảntrên đường truyền như nhà cửa, cây cối, đồi núi,…từ đó gây ra các hiện tượng nhưtán xạ, phản xạ, nhiễu xạ Khi sóng RF va chạm vào các vật cản như trên sẽ tạo ra

vô số các bản sao của tín hiệu và một số bản sao này sẽ được truyền tới máy thu Docác bản sao này này được tạo bởi do tán xạ, phản xạ, nhiễu xạ trên các đường đikhác nhau và bởi các vật cản khác nhau nên thời điểm các bản sao này được truyềntới máy thu cũng khác nhau, có nghĩa là độ trễ pha của các thành phần này khácnhau Tín hiệu tại máy thu chính là tổng hợp của tất cả những bản sao này và tùy

theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàmphân bố khác nhau.

1.10 Kênh truyền Nakagami-m

Có thể nói kênh truyền Nakagami-m là một trong những kênh truyền tổng quát nhất

vì mô hình kênh truyền Nakagami-m có thể biểu diễn cả 2 mô hình Rician vàRayleigh

Hàm mật độ của đường bao được biểu diễn như sau:

Khi m=1, phân bố Nakagami trở thành phân bố Rayleigh

Khi m>1, phân bố Nakagami trở thành phân bố Rician

Hình 2.5: Phân bố Nakagami-m.

1.11 Kỹ thuật chuyển tiếp DF ( Decode and Forward)

Hình 2.6: Kỹ thuật chuyển tiếp DF

Kỹ thuật chuyển tiếp này là cách tiếp cận đầu tiên của truyền thông hợp táctruyền thống và kỹ thuật này được đề xuất bởi Sendonaris và các đồng sự [9,10].Nút chuyển tiếp sử dụng phương pháp tái sinh, giải mã thông tin của nút nguồn vàtái mã hóa trước khi chuyển tiếp thông tin đến nút đích Do lỗi đường truyền, thôngtin có khả năng giải mã sai ở nút chuyển tiếp làm suy giảm đáng kể hiệu năng hệthống Vì thế, phương thức này được giả định là các nút chuyển tiếp chỉ hỗ trợ chotruyền thông trực tiếp nếu các tín hiệu từ nguồn được giải mã một cách chính xác.Tuy nhiên, trong thực tế nút chuyển tiếp không phải luôn luôn nhận được hay giải

mã chính xác tín hiệu nguồn Bằng cách nới lỏng giả định trên thì một phiên bảncủa DF chuyển tiếp là DF cố định [11,12] đã được nghiên cứu Trong kỹ thuật DF

cố định, nút chuyển tiếp luôn luôn chuyển tiếp thông tin giải mã được đến đích màkhông quan tâm đến chất lượng của tín hiệu nhận được.

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT

1.12 Các nghiên cứu liên quan

Vào năm 1979 thì Cover và El Gamal đưa ra mô hình kênh chuyển tiếp như hình3.1 Mô hình bao gồm một máy nguồn A, một nút chuyển tiếp B và một máy đích C[13] Công trình này cho thấy hiệu quả của kênh chuyển tiếp AWGN không nhớ tốthơn so với kênh nguồn – đích

Hình 3.1: Mô hình kênh chuyển tiếp AWGN.

Ở trong nước thì cũng có nhiều nhóm nghiên cứu và các tác giả trong [14] đãđưa ra mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng như hình3.2

Hình 3.2: Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng.Qua bài báo này các tác giả đã khảo sát mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp haichặng truyền năng lượng gồm một máy nguồn S, một máy chuyển tiếp R và mộtmáy đích D hoạt động trong những môi trường fading không đồng nhất (S-R làkênh truyền Rician, R-D là kênh truyền Rayleigh) Từ đó bài báo đã phân tích, tínhtoán các biểu thức như xác suất dừng hệ thống OP và xác suất lỗi ký tự trung bìnhASEP Các tác giả đã thực hiện mô phỏng các đại lượng này để xác minh tính đúng

đắn của kết quả tính toán và thông qua đó cũng thấy được ảnh hưởng của các tham

số mà hệ thống đã đề cập đến hiệu năng hoạt động của mạng

Trong [16], các tác giả đã đề xuất xây dựng một mạng Ad-hoc (mạng không dâyphân tán) và trong đó trạm nguồn có thể hợp tác với các trạm trung gian để phục vụcho mục đích chuyển tiếp và phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp như hình 3.3

Hình 3.3: Mô hình truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân tập hợp tác

Qua bài báo các tác giả đã phân tích và đánh giá mô phỏng sơ đồ truyền dẫnphân tập hợp tác và so sánh với trường hợp không sử dụng phân tập hợp tác Thôngqua mô phỏng bằng MATLAB, bài báo đã chứng minh được hiệu năng vượt trội củatruyền dẫn hợp tác

Trong [17], các tác giả đã đánh giá chất lượng mạng hợp tác MIMO trong môitrường vô tuyến nhận thức với kênh truyền đường can nhiễu không lý tưởng nhưhình 3.4 Thông qua bài báo các tác giả đã chứng minh được công thức tính toánxác suất dừng hệ thống OP hoàn toàn chính xác theo lý thuyết

Hình 3.4: Hệ thống chuyển tiếp MIMO hai chặng trong môi trường vô tuyến nhận

thức

Trong [15], các tác giả đã xây dựng một hệ thống mạng chuyển tiếp với mộtmáy nguồn S, N máy chuyển tiếp và một máy đích D sử dụng giao thức TS (timeswitching) và PS (power splitting) kết hợp thông qua kênh truyền Nakagami-m nhưhình 3.5 Qua bài báo các tác giả đã xây dựng được các biểu thức xác suất dừng OPtheo các trường hợp dựa trên tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR Từ các biểu thức này,các tác giả đã phân tích, đánh giá hệ thống thông qua việc mô phỏng bằngMATLAB và thông qua đó cũng xác minh được tính đúng đắn của những biểu thức

đã được xây dựng, tính toán Đồ án tốt nghiệp lần này của tôi được thực hiện,nghiên cứu, phát triển hệ thống mạng chuyển tiếp truyền năng lượng dựa trên bàibáo này

1.13 Mô hình hệ thống

Hình 3.5: Mô hình hệ thống.

Hình 3.6: Giao thức TS-PS kết hợp

Hệ thống ở trên bao gồm một trạm nguồn S, một máy đích D và có N Relay ởđây được biểu diễn bằng Ri với (1N) Giả sử tất cả các Relay đều được trang bị ăn-ten đơn và kênh truyền là bán song công

Nguồn S được cung cấp một nguồn năng lượng tương ứng với công suất P0 Dođiều kiện truyền kém, liên kết trực tiếp giữa nguồn S và đích D không có sẵn vàviệc truyền thông tin từ S đến D được thực hiện bởi sự trợ giúp của relay R

Các kênh truyền S-Ri và Ri-D được giả sử có hệ số kênh truyền tương ứng là cácbiến ngẫu nhiên là gi và hi đều được giả định theo phân phối Nakagami

Trong mỗi lần thời gian khối T, hệ số các kênh truyền này là hằng số, độc lập và

có phân phối đồng nhất

Hơn nữa, chúng ta giả sử rằng các nhiễu cộng Gauss trắng (AWGN) ở tất cả cácnút là các biến ngẫu nhiên Gaussian phức tạp đối xứng, mỗi số có giá trị trung bình

0 và phương sai N0

Toàn bộ quá trình được chia thành hai giai đoạn như sau:

Trong giai đoạn đầu với thời gian αT (0 < α ≤ 1), nguồn phát tín hiệu thông tin

và năng lượng cho relay EH và relay EH bắt đầu phân chia tín hiệu thành hai phầnvới tỉ lệ phân chia εi và (1 – εi) để giải mã thông tin và thu năng lượng tương ứng Tỉ

số PS εi có thể được điều chỉnh bằng chính relay để đảm bảo phát hiện thành côngtín hiệu tại relay bởi tốc độ dữ liệu R cho trước

Trong giai đoạn thứ hai với khoảng thời gian còn lại (1 − α)T, nút relay tốt nhấtđược chọn từ N node relay hỗ trợ nguồn bằng cách sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp DF

để chuyển tiếp thông tin nguồn tới đích

 Với α là hệ số biểu thị tỉ lệ thời gian khối để truyền năng lượng

 Và εi là tỉ số phân chia công suất của PS

1.1.7 Giao thức lựa chọn Relay ngẫu nhiên (RRS)

Đầu tiên ta giả định rằng relay thứ i được chọn ngẫu nhiên để chuyển tiếp Giaiđoạn đầu tiên này ta có thể biểu diễn công thức tín hiệu được nhận tại relay như sau:

1

0 1

1

2 0

1 i

i i i

g X

d



Tốc độ dữ liệu truyền từ S đến Ri được biểudiễn như sau:

1i log (12 1i),

C   T   (3.3)

Tỉ số i cần thiết để đảm bảo tại relay phát hiện tín hiệu với tốc độ dữ liệu R được

biểu diễn theo công thức như sau:

0 1

R T i

Trong đó E0 là nguồn năng lượng tối thiểu đủ để relay Ri hoạt động

Tín hiệu nhận được ở máy đích D được biểu diễn như sau:

2

2

( ) i ( ) ,

i i

là nhiễu AWGN

có phương sai là N0

Tương tự như 1i thì 2i là SNR tại máy đích D được viết như sau:

2i  ( a Xi0 1i   ) X2i, (3.8)Trong đó (1  1 ) 

i i

h X

d



Tốc độ truyền dữ liệu

2i (1 ) log (12 2i),

1.1.8 Giao thức lựa chọn Relay tốt nhất (BRS)

Ở giao thức này một relay tốt nhất được chọn trong số N relay dựa trên tiêu chí

về dung lượng tốt nhất cho hệ thống ở một khoảng thời gian nhỏ nhất cho phép.Việc thực hiện tính toán dựa trên thuật toán ước tính kênh bởi RTS (request tosend)/CTS (clear to send) từ nguồn và máy đích cho phép các relay tính độ lợi tứcthời của kênh Ngay sau khi relay nhận được gói RTS từ nguồn thì nó mới bắt đầuđếm thời gian

 1 2 

, min ,

Trong đó  là hằng số và trong khoảng thời gian relay truyền tín hiệu nó sẽ phát

cờ để các relay xung quanh giữ in lặng Ở trong giao thức này ta giả định rằng tất cảcác relay đều có thể nghe thấy nhau Relay được lựa chọn tốt nhất ở đây dựa trêntiêu chí thời gian chờ ít nhất có thể và nó được biểu diễn như sau:

 

T  T � � i N (3.11)

1.14 Phân tích hiệu năng

Để phân tích được hiệu suất của hệ thống trong 2 giao thức RRS và BRS thì ta

sử dụng các biểu thức của hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân phối tích lũy(CDF) của k ứng với k=1,2 tuân theo phân bố Nakagami-m được viết như sau:

0 0

!

k k

k

m x i

i k i

hoặc từ relay đến máy đích kênh truyền, mk �12 là hệ số fading Lưu ý trong

trường hợp mk � 1 tương ứng với phân bố Rayleigh fading và tại

2

( 1) / (2 1)

m  K  K  tương ứng với phân bố Rician fading bởi tham số Kk .

Để đơn giản cho việc tính toán và mô phỏng ta đơn giản hóa các ký hiệu, cácthuộc tính thống kê của các giá trị đường đi được xem là giống nhau, ta đặt, i 1

Ở giao thức này tại relay Ri được chọn sự dừng tín hiệu xảy ra khi đường liênkết của S-Ri bị dừng (Eh i � E0

) hoặc là đường liên kết của S-Ri không bị dừng (





01

2 2 2 2

 

 

1 2

1 1

1 2

1

1 1

1

1 2

v t

2 2 1

1 2

1.1.10 Xác suất dừng giao thức lựa chọn Relay tốt nhất (BRS)

Ở giao thức này, xác suất dừng được xác định khi Relay tốt nhất được chọn nhưngkhông giải mã và truyền tín hiệu được từ máy nguồn tới máy đích Biểu thức xácsuất dừng được biểu diễn như sau: