Đánh giá hiệu quả của các mô hình thông tin chuyển tiếp hai chiều

I H C QU C GIA THÀNH PH H CHÍ MINH I H C BÁCH KHOA NGUY NG U QU C A CÁC MƠ HÌNH THƠNG TIN CHUY N TI P HAI CHI U CHUYÊN NGHÀNH: K THU NT MÃ S CHUYÊN NGHÀNH: 60.52.70 LU GVHD: TS H TP.HCM i 6/2013 C HOÀN THÀNH T I I H C BÁCH KHOA Cán b ng d n khoa h c: - HCM TS H Cán b ch m nh n xét 1: Gs Phan H ng Liên Cán b ch m nh n xét 2: Võ Qu Lu ngày tháng cb ov t Thành ph n H ih HCM m: Xác nh n c a Ch t ch H nghành sau lu Ch t ch h ng Khoa qu n lý chuyên c s a ch a (n u có) B mơn qu n lý chuyên nghành I H C QU C GIA TP.HCM C NG HÒA XÃ H I CH I H C BÁCH KHOA T NAM c l p - T - H nh phúc NHI M V LU MSHV: 11140002 16/01/1988 Chuyên ngành: I : 605270 TÀI: U QU C A CÁC MƠ HÌNH THƠNG TIN CHUY N TI P HAI CHI U II NHI M V VÀ N I DUNG: - Kh o sát mơ hình thơng tin chuy n ti p hai chi u : Four Phase, Three Phase, Two Phase v i hai lo i relay AF relay DF relay d ng Network coding - Kh o sát xác l p bi u th SNR, s d u ch BPSK - Mô ph ng k t qu nh throughput c a mơ hình theo thơng s nh ng khuy n ngh III NGÀY GIAO NHI M V : 21/01/2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI M V : 25/6/2013 V CÁN B NG D N: TS H Tp HCM, ngày 25 tháng CÁN B NG D N CH NHI M B NG KHOA N- NT 13 O L IC c h t, em xin g i l i bi c ti n TS.H ng d n em hoàn thành lu y i n tình n nghiên c u khoa h c, rèn luy n cho em cách làm vi c khoa h c, ng th tài Nh t k p ti u lu n- n t , nh n tình ch b o, cung c p cho chúng em nh ng ki n th c k thu t n n t ng chuy quan tr em hoàn thành lu ng s nghi p il ic ng viên, giúp c v v t ch t tinh th n, giúp em hoàn thành th t t t lu Cu i cùng, em xin g i l i c Vi n công ty C ph n Công ngh Truy n thông u ki n r t nhi u cho em v th i gian, giúp em có th hồn thành t t khóa h TP H Chí Minh, ngày 25 Nguy ng TĨM T T LU Thơng tin vô n hai chi u g c nhi u s quan tâm c thông tin vô n s hi u qu c d cs t gi i pháp hi u qu vi c m r ng vùng ho - c l a ch s d ng nhi ng th ng c a h th ng, n Tuy nhiên, half-duplex relay l i truy n thơng tin theo hai chi u, v y, throughput c a u so v i full- mơ hình thơng tin hai chi t nhi u cơng trình nghiên c u lo i b h n ch c a half-duplex relay Lu t p trung phân tích mơ hình thơng tin hai chi u thông qua giá tr s n ngh v i mơ hình thơng tin chuy n ti p hai chi u s d ng halfc tiên, kh o sát mơ hình thơng tin hai chi u v i hai node u cu i truy n thông tin qua m t relay kênh truy anten khơng có link tr c ti p gi u s d ng ng bi u th c throughput cho mơ hình Cu i cùng, th c hi n mơ ph ng phân tích k t qu c hi u qu c a mơ hình v i m c tín hi u nhi u khác d ng lu th y cs -and-Forward) DF (Decode-and-Forward) relay i ABSTRACT Two-way wireless communication has regained significant attention recently over wireless communication because of its efficiency In such a communication model, relays are used as a solution to expand communication range, and half-duplex relays are usually employed because of its simple implementation However, half-duplex relays spend a lot of time to transfer two-way information, and so, their throughput is lower than that of full-duplex relays Various works on two-way models to avoid this issue have been investigated This thesis focuses on analyzing two-way models based on the throughput metrics and comes up with some recommendation for two-way communications using half-duplex relays First, we consider two-way system models with two terminal nodes communicating via a relay on Rayleigh channels; each node is equipped with one antenna and no direct link between two terminals And then, we build up expressions for throughput of these models Last, simulation results and analysis provide an insight into the effect of different models with respect to different level signal to noise ratios We use AF (Amplify-and-Forward) and DF (Decode-and-Forward) relay for models ii L u c a Các k t qu , s li u nêu lu c Tơi xin hồn toàn ch u trách nhi m v i nh ng l H c viên th c hi n Ký tên Nguy iii ng M CL C L IC i TÓM T T LU i ABSTRACT ii L iii M C L C iv DANH M C T VI T T T vii DANH M C HÌNH V VÀ B NG BI U ix I THI I Lý ch TÀI tài II Kh o sát cơng trình nghiên c u III M ng nghiên c u M tài 2 ng ph m vi nghiên c u u IV V K t qu B c c lu N I H th ng thông tin wireless II Gi i thi u v h th ng thông tin wireless 1.1 Các h th ng Cellular Telephone 1.2 Cordless Phone 1.3 Wireless LAN 1.4 Wide Area Wireless Data Services 10 1.5 Satellite Network 10 1.6 Bluetooth Network 11 Các y u t n hi u qu c a h th ng thông tin wireless 11 Kênh truy n gi i h n kênh truy n 13 Lý thuy t kênh truy n y u t ng thông tin vô n 13 1.1 Lý thuy t kênh truy n 13 1.2 Các y u t Gi i h ng thông tin vô n 15 ng kênh truy n 16 iv Kênh truy n Rayleigh 17 III u ch s 18 u ch ASK 18 u ch FSK 21 u ch PSK 22 IV 3.1 u ch BPSK 23 3.2 u ch DPSK 25 3.3 u ch QPSK 26 Truy n thông h p tác 27 Relay vai trị c a relay h th ng thơng tin 28 AF relay 30 DF relay 32 CÁC MƠ HÌNH THƠNG TIN CHUY N TI P HAI CHI U 34 I Mơ hình ng d ng th c t 34 II Mơ hình Four-phase 36 III IV AF Four-phase 37 1.1 Mô hình 37 1.2 Tính tốn throughput 39 DF Four-phase 40 2.1 Mô hình 40 2.2 Tính tốn throughput 41 Mơ hình Three-phase 42 AF Three-phase 42 1.1 Mơ hình 42 1.2 Tính tốn throughput 44 DF Three-phase 46 2.1 Mơ hình 46 2.2 Tính tốn throughput 48 Mơ hình Two-phase 50 AF Two-phase 51 1.1 Mơ hình 51 1.2 Tính tốn throughput 52 DF Two-phase 53 v 2.1 Mơ hình 53 2.2 Tính tốn throughput 54 V m c a mơ hình 56 U QU C A CÁC MƠ HÌNH THƠNG QUA THROUGHPUT 58 I Thông s mô ph ng 58 II So sánh gi a lo i Relay khác 59 AF Four-phase so v i DF Four-phase 59 1.1 Four phase v i nhi u link b ng 59 1.2 Four phase v i nhi u link khác 60 1.3 So sánh throughput c a hai mơ hình Four-phase 60 AF Three-phase so v i DF Three-phase 61 2.1 Three phase v i t s tín hi u nhi u link b ng 61 2.2 Three phase v i t s tín hi u nhi u link khác 62 2.3 So sánh throughput c a hai mơ hình AF DF Three phase 62 AF Two-phase so v i DF Two-phase 63 3.1 Two phase v i t s tín hi u nhi u link b ng 63 3.2 Two phase v i t s tín hi u nhi u link khác 64 3.3 So sánh throughput c a hai mơ hình AF DF Two phase 65 Các mơ hình AF relay 66 Các mơ hình DF relay 67 III So sánh gi a mô hình t 69 So sánh mơ hình t So sánh mơ hình t s tín hi u nhi u link khác 70 u qu 70 IV ng c a s T LU s tín hi u nhi u link b ng 69 i kho ng cách gi n relay 71 NG PHÁT TRI N 74 K t lu n 74 ng phát tri n 74 TÀI LI U THAM KH O 76 PH L C 77 vi - iá hiu qu c a cácm hình GVHD: TS H y, s d ng AF relay, có th l a ch n mơ hình four phase - ns n c a mơ hình, SNR mơi th p N ng truy n n throughput, có th l a ch n AF two phase Các mô hình DF relay Throughput of DF two-way models without direct link DF Two-phase DF Three-phase DF Four-phase 0.9 0.8 0.7 R/Rs 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 12 SNR(dB) on link A-R 14 16 18 Hình 4.8: Throughput c a mơ hình DF relay - K t qu a mơ hình DF relay khác nhi u so v i mơ hình AF relay, v i giá tr SNR nh , c mơ hình cho k t qu n, mơ hình DF two phase hi u qu c v d cc ng throughput K t qu phase unicast c a mơ hình gi relay, phase relay truy n, n so v i hai mơ hình cịn l i, u có s s a l i tr c ti p t i ng c a l i kênh truy n vi c truy n thành công packet t i mơ hình gi ng nhau, ch có s khác r t HVTH: Nguy ng 67 - iá hiu qu c a cácm hình nh truy ch ng minh s hi u qu GVHD: TS H phase s d n y, s d ng DF relay, nên s d ng mơ hình two phase nh - t c hi u qu thông tin t t nh t K t lu n: y, c qu ng h p, th y DF relay ho ng hi u hi u qu throughput, th c t , vi c x lý decoding encoding relay t n nhi u th i gian x lý, v y, mơ hình s d ng truy n d li u, th i gian x lý t i relay nh ng r t l n t i k t qu throughput c a mơ hình Vì v y, th c t , v i mơ hình i ta s l a ch n hi u qu v th i gian x lý c a so sánh hi u qu c a mơ hình DF Four phase, DF three phase, AF two phase HVTH: Nguy ng 68 - iá hiu qu c a cácm hình GVHD: TS H III.So sánh gi a mơ hình t So sánh throughput gi a mơ hình t So sánh mơ hình t a ch c ph n I t s tín hi u nhi u link b ng AF 2-Phase vs DF 3-Phase vs DF 4-Phase without direct link AF Two-phase DF Three-phase DF Four-phase 0.9 0.8 0.7 R/Rs 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 12 SNR(dB) on link A-R 14 16 18 Hình 4.9: Throughput mơ hình t HVTH: Nguy ng 69 - iá hiu qu c a cácm hình GVHD: TS H So sánh mơ hình t s tín hi u nhi u link khác AF 2-Phase vs DF 3-Phase vs DF 4-Phase without direct link AF Two-phase DF Three-phase DF Four-phase 0.9 0.8 0.7 R/Rs 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 10 12 SNR(dB) on link A-R 14 16 18 Hình 4.10: Throughput mơ hình t u qu - V i mơ hình trên, nh n th y, v m t throughput, mơ hình DF three phase AF two phase cho th y hi u qu t th - i mô hình four phase truy n c hi u qu t t nh t V i d i SNR th p, c t hi u qu truy n thông r t th p, v y, vi c truy n tín hi u d i SNR có k t qu thành công r t nh - V i d i SNR trung tâm kh o sát, mơ hình DF three phase hi u qu AF two phase v m t throughput, v ng truy n d n có SNR kho ng này, nên s d t hi u qu t t HVTH: Nguy ng 70 - iá hiu qu c a cácm hình GVHD: TS H ng có SNR thu c vùng cao kho ng kh o sát, nên s - d ng mơ hình AF two phase mơ hình ch hi u qu t t nh t v throughput - Khi SNR n m vùng cao kho ng kh o sát, c giá tr c IV c i c a Lúc này, trình truy n d n h ng c a s i x y i kho ng cách gi n relay , Chúng ta xét kênh truy n Rayleigh v i h s kênh truy n: , v i i.i.d d kho ng cách chu n hóa gi a node A relay R, (1-d) kho ng cách t n relay R t throughput c ng phát t i SNR1 = SNR2) m b o = b c c a path loss Throughput of AF two-way models AF Two-phase AF Three-phase AF Four-phase 0.9 0.8 R/Rs 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 d(Khoang cach node A toi R) Hình 4.11: Throughput c HVTH: Nguy ng 0.8 0.9 i v trí 71 - iá hiu qu c a cácm hình GVHD: TS H Throughput of DF two-way models DF Two-phase DF Three-phase DF Four-phase 0.9 0.8 R/Rs 0.7 0.6 0.5 0.4 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 d(Khoang cach node A toi R) Hình 4.12: Mơ hình throughput c a mơ hình DF rela 0.8 0.9 i v trí Trong mơ hình AF DF relay, t k t qu mơ ph ng, có th th v trí c c, i, throughput c tc i relay n m vùng trung Khi relay g u cu i b gi u hoàn toàn phù h p ng c a kho ng n t s tín hi u nhi u c a link y r ng, throughput c n mô t ho ng g i x ng Relay di chuy n v ng c a mơ hình, link node i throughput c a mơ hình d dàng nh n th y, công su t phát node gi m, vùng c c i throughput c a mơ hình s b thu h p l i HVTH: Nguy ng 72 - iá hiu qu c a cácm hình GVHD: TS H AF 2-Phase vs DF 3-Phase vs DF 4-Phase AF Two-phase DF Three-phase DF Four-phase 0.9 0.8 R/Rs 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 d(Khoang cach node A toi R) 0.8 0.9 Hình 4.13: Throughput c a DF four phase, DF three phase AF two phase relay i v trí Hình 4.13 cho th u có s suy gi m s d ch chuy n c a relay ng c a s vi c s d ng c i nhi u nh u truy n d li u c có l i kênh truy n, s d ng phase phát hi n l i ph relay yêu c u truy n l i mà không chuy n ti p d li u l i Do cách th c ho gi ng nên throughput c a DF four phase DF three phase có d ch khác giá tr c u, ng nhau, i y, có th th y, mơ hình AF two phase v n cho hi u qu t t v m t i v trí, nhiên, relay g n m t hai node, mơ hình DF three phase DF four phase cho th y hi u qu c a th t tr i so v i mơ hình AF two phase HVTH: Nguy ng 73 -K tlu ng pháttrin GVHD: TS H K T LU N NG PHÁT TRI N K t lu n Lu o sát m t cách chi ti t mơ hình thơng tin hai chi u ph bi n, d ng c tài ch c mơ hình t nh t xét theo thông s throughput, lo i relay hi u qu nh t K t qu relay lo i DF ho ng hi u qu vi c phát hi n s a l i u tiên nh n d li u t th t tr i v throughput c Bên c ng th i, cho th i có th c n ng nh m c as cho th y ng c a nhi ng ng link khác nhau, t ng m nh i t s tín hi u nhi u lên throughput c a h th ng, ch v i n s suy gi m l n throughput V i k t qu này, giúp cho vi c xây l a ch n, xây d ng phát tri n mơ hình thơng tin hai chi u th c t ng phát tri n T k t qu phân tích nghiên c u c có link tr c ti p gi a hai thi t b tài, phát tri n k t qu lên u cu i m ng phát tri ng h p c t Bên c nh n th i gian x lý t tv n có th phát tri n Bên c nh k thu kh u ch s d ng, có th nghiên c ng v th i gian xác su t l i c a lo tài v i k thu t u ch n mơ hình c a h th ng Vi c k t h p mơ hình v i k thu v ng phát tri HVTH: Nguy tài k thu t MIMO hi ng ng nghiên c y tri n c s d ng r ng rãi, 74 -K tlu ng pháttrin k th pv GVHD: TS H tài, s hi u qu c a h th ng, tránh c vi c throughput th p vùng SNR th p Khi s d ng mơ hình v u qu x lý c a h th ng, t u lu HVTH: Nguy ng ng nghiên c u k thu t network coding giúp a h th ng d a nh ng mô t s c quan tr ng 75 TÀI LI U THAM KH O [1] David Tse, Pramod Viswanath (2005, Jully 11), Fundamentals of Wireless Communications, Cambridge University Press [2] B Rankov, A Wittnebe protocols for half-duplex fading relay IEEE Journal, Vol.25, pp 379 - 389, February 2007 [3] Trans Signal Process., Vol.59, pp 4424 [4] IEEE 4437, Sept 2011 Yi Zhao, R -and-Forward Relay IEEE Trans Wireless Commun., Vol.6, pp 3114 3123, August.2007 [5] -directional amplification of throughput in a wireless multi- IEEE Vehicular Tech Conf., vol.2, pp 588-593, May, 2006 [6] - GDR- ISIS Meeting, ENST, Paris, March 29th, 2007 [7] Zhihang Yi, II- -SNR Diversity-Multiplexing Tradeoff , IEEE Conf Commun., pp 1-6, May 2010 [8] Andrea Goldsmith, Wireless Communications, Cambridge University Press, August.2005 [9] J Li, A Bose, Y.Q Zhao Commun Networks and Services Research, pp 214 IEEE Conf 217, May 2005 [10] Thomas M.Cover, Joy A.Thomas, Elements of Information.Theory, 2nd Edition, Wiley-Interscience, July 2006 [11] Math Stat and Prob., vol 1, 1961, pp 611 644 HVTH: Nguy ng 76 PH L C Ph l c 1: Trong ph l c này, s nh bi u th c c a P(S2) tr ng thái relay ch a packet c a c source A B mô hình DF 3-phase, bi u th giá tr pe1 pe2 l HVTH: Nguy c bi u di n theo t xác su t l i ký t liên k t A-R B-R ng 77 Ph l c 2: nh bi u th c c a t s tín hi u nhi u t i node A c a mơ hình AF three-phase T s tín hi u nhi u t link A- 1) B- c bi u di n theo t s tín hi u nhi u 2) Ta có: HVTH: Nguy ng 78 Th (*) (**) vào bi u th c (3.27 c: Ph c l c 3: nh bi u th c P(S2) mơ hình DF 2-phase theo t s tín hi u nhi u link A-R (pe1) B-R (pe2) HVTH: Nguy ng 79 HVTH: Nguy ng 80 LÝ L CH KHOA H C C A H C VIÊN I LÝ L CH KHOA H C H tên: Nguy ng Gi i tính: Nam Ngày sinh: 16/01/1988 Dân t c: Kinh Tôn giáo: Không a ch liên l c: ng 24, Q.Bình Th nh, TP.HCM bongnv@vntt.com.vn Email: II O i h c: Th o: t Ngành h n t -Vi n thông H n tháng 04/2010 o: Chính quy i h c Bách Khoa Cao h c: Th o: t Nghành h c: K thu n nt i h c Bách Khoa HVTH: Nguy ng 81 ... gian Hình 2.11: Các hàm m Hình 2.12: D Hình 2.13: Mơ hình truy n thơng h p tác Hình 2.14: Relay phân t p m ng thông tin h p tác Hình 2.15: Relay chuy n ti p thơng tin m ng thơng tin h p tác Hình. .. ng ng c a Trong mơ hình thơng tin wireless hi n nay, có hai hình th c truy n thông tin: m t chi u one way hai chi u two way Các mơ hình thông tin m t chi u ch y c ng d ng mơ hình truy n thơng... u g c HVTH: Nguy ng 33 -Cácm hình thông tin chuy n tip haichiu GVHD: TS H : CÁC MƠ HÌNH THƠNG TIN CHUY N TI P HAI CHI U I Mơ hình ng d ng th c t Ngày nay, h th ng thông tin m t chi u ch xu t hi