(LUẬN văn THẠC sĩ) truyền thông chuyển tiếp hai chiều trong môi trường vô tuyến nhận thức luận văn ths kỹ thuật điện tử viễn thông 60 52 02 03

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG NHẬT TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG Hà Nội - 2014 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG NHẬT TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG MƠI TRƯỜNG VƠ TUYẾN NHẬN THỨC Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG CÁN BỘ HƯỚNG DẪN PGS.TS NGUYỄN LINH TRUNG Hà Nội - 2014 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CẢM ƠN Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Linh Trung dành nhiều thời gian công sức để hướng dẫn nghiên cứu giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp Nhân đây, xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc Gia Hà Nội thầy cô công tác Khoa Điện Tử Viễn Thông trường tạo nhiều điều kiện để học tập hồn thành tốt khóa học Mặc dù tơi có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu q thầy bạn Tác giả luận văn NGUYỄN HỒNG NHẬT Luận văn nằm khuôn khổ Đề tài Nghị định thư mã số 39/2012/HĐ/NĐT TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN “Tôi cam đoan nội dung trình bày luận văn kết cơng việc nghiên cứu nội dung chưa đăng gửi hay trình bày luận văn khác Luận văn không chứa đựng tài liệu đăng hay viết trước người khác việc sử dụng tài liệu dùng để tham khảo cho luận văn này.” Ký tên: Học viên: Nguyễn Hồng Nhật TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Mục lục Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục Danh sách hình vẽ Danh mục từ viết tắt MỞ ĐẦU Chương MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU 1.1 Mạng chuyển tiếp hai chiều [2] 1.2 Mô hình hệ thống [10] 9 11 Chương MƠ HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU KẾT HỢP 2.1 Mơ hình hệ thống chế truyền liệu [1] 2.2 Phân tích mơ hình [1] 2.2.1 Tính tốn dung truyền 2.2.2 Thông lượng tổng xác suất truyền hỏng [1] 2.3 Tóm tắt kết chương 2.3.1 Mơ hình 2.1.1.a 2.3.2 Mơ hình 2.1.1.b 2.4 Mô thảo luận 2.4.1 Mô 2.4.2 Thảo luận 13 13 15 15 19 23 23 24 24 24 26 Chương MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU CHỌN LỌC 3.1 Mơ hình hệ thống relay selection amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp chọn lọc (RS-AF) [6] 3.2 Lựa chọn nút chuyển tiếp mạng RS-AF[6] 3.2.1 Optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp tối ưu (O-RS-AF) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 27 27 29 29 3.3 3.4 3.5 3.6 3.2.2 Sub-optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp cận tối ưu (S-RS-AF) Phân tích hoạt động [6] 3.3.1 Phân tích chế S-RS-AF 3.3.2 So sánh Symbol error rate - tốc độ lỗi bit (SER) chế S-RS-AF so với All-participate amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp (AP-AF) Cấp phát công suất [6] Tóm tắt kết chương Mô thảo luận 3.6.1 Mô mạng chuyển tiếp hai chiều chọn lọc 3.6.2 Thảo luận 30 30 30 34 36 37 38 38 42 Chương ẢNH HƯỞNG SUY GIẢM CỦA PHẦN CỨNG TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU 4.1 Mơ hình phân tích [7] 4.2 Phân tích biểu thức xác suất truyền hỏng tỷ lệ lỗi bit 4.2.1 Phân tích xác suất truyền hỏng 4.2.2 Phân tích tỷ lệ lỗi bit 4.3 Tóm tắt kết chương 4.4 Mô tác động suy giảm phần cứng thu phát 4.5 Thảo luận 43 43 45 45 47 48 49 50 KẾT LUẬN 52 Tài liệu tham khảo 54 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com Danh sách hình vẽ 1.1.1.Mạng chuyển tiếp chiều 1.2.1.Mơ hình kênh truyền chuyển tiếp hai chiều 2.1.1.Mơ hình mạng Các ký hiệu số kênh khe thời gian chế truyền khe thời gian (chỉ số phía trên) chế khe thời gian (chỉ số phía dưới) Hai mơ hình truyền (a) (b) 2.4.1.Dung (dung lượng) trung bình đầu cuối mạng 2.4.2.Thông lượng tổng mạng theo tốc độ bit đầu cuối cách ly đường truyền BS-RS lý tưởng 3.1.1.Sơ đồ khối mơ hình đề xuất RS-AF chế AP-AF 3.6.1.Mô giá trị SER chế O-RS-AF chế S-RS-AF (với ps = pr = 1) 3.6.2.Mô SER chế S-RS-AF AP-AF 3.6.3.SER mô so với kết phân tích gần biễu diễn dạng cơng thức 3.6.4.So sánh SER sử dụng cấp phát công suất đồng cấp phát công suất tối ưu 3.6.5.Mô SER chế S-RS-AF thay đổi tỉ lệ cấp phát công suất với N = 4.1.1.Sơ đồ khối phân tích tác động phần cứng mạng chuyển tiếp hai chiều 4.4.1.Xác suất truyền hỏng nút T1 theo công suất phát P1 Các tham số mô phỏng: x = 25 − 1, Ω1 = 2, Ω2 = 1, P1 = P2 = 2P3 4.4.2.SER nút T1 theo công suất phát P1 Các tham số mô phỏng: x = 25 − 1, Ω1 = Ω2 = 1, P1 = P2 = 2P3 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 10 11 14 25 26 28 39 40 40 41 41 43 49 50 Các từ viết tắt AF: Amplify-and-Forward - khuyếch đại chuyển tiếp AP-AF: All-participate amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp BS: Base Station - trạm sở CDF: Hàm phân phối xác suất tích lũy CDR: Coordinated direct/relay - kết hợp trực tiếp chuyển tiếp DF: Decode-and-Forward - giải mã chuyển tiếp EPA: Equal power allocation - cấp phát công suất đồng MGF: Moment-generating function - Hàm sinh mômen ML: Maximum likelihood - xấp xỉ liền kề OP: Outage probability - xác suất truyền hỏng OPA: Optimal power allocation - cấp phát công suất tối ưu O-RS-AF: Optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp tối ưu PDF: Hàm phân phối xác suất RS-AF: relay selection amplify-and-forward - khuếch đại chuyển tiếp chọn lọc SER: Symbol error rate - tốc độ lỗi bit SNDR: Signal-to-noise-and-distortion ratio - tỷ số tín hiệu nhiễu méo dạng SNR: Signal noise ratio - tỷ số tín hiệu nhiễu S-RS-AF: Sub-optimal relay selection amplify-and-forward - Lựa chọn chuyển tiếp cận tối ưu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com MỞ ĐẦU Vô tuyến nhận thức (cognitive radio) khái niệm mới, đề xuất giáo sư Mitola, cho phép hệ thống vơ tuyến cảm nhận mơi trường xung quanh tự điều chỉnh tham số truyền phát để đạt tối ưu Vơ tuyến nhận thức có nhiều ứng dụng ứng dụng quan trọng để cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần, phần gây sách phân bố phổ tần cố định Ý tưởng hệ thống vô tuyến sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức tiến hành hoạt động truyền phát mà không cần phải đăng ký/mua trước tần số cách truyền phát băng tần trống truyền song song với hệ thống sơ cấp (có quyền tần số) mà khơng gây can nhiễu cho So sánh hai phương pháp, phương pháp sau (cịn gọi phương pháp truyền theo đề xuất giáo sư Goldsmith) cho hiệu suất phổ tần cao hệ thống dễ dàng đảm bảo chất lượng dịch vụ đặc biệt cho dịch vụ đòi hỏi thời gian thực Tuy nhiên, nhược điểm cơng suất phát hệ thống thứ cấp (hệ thống sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức) phải bị giới hạn để không gây can nhiễu cho hệ thống sơ cấp dẫn đến kết vùng phủ sóng hệ thống thứ cấp bị giới hạn Chuyển tiếp hai chiều (two way relaying) ứng dụng quan trọng mã mạng (network coding) lớp vật lý cho phép cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần cách tận dụng tính chất quảng bá kênh truyền vơ tuyến Với hai nút nguồn nút chuyển tiếp, hiệu suất phổ tần cải thiện 100% nhận quan tâm mạnh mẽ cộng đồng khoa học giới năm gần Có nhiều chế sử dụng cho mạng chuyển tiếp hai chiều Việc lựa chọn mô hình chế phù hợp mạng chuyển tiếp cần dựa vào nghiên cứu đánh giá mặt lý thuyết dựa vào tiêu chí đánh giá mạng độ phân tập, xác suất truyền hỏng, thông lượng mạng dung mạng Để giải vấn đề đó, luận văn nghiên cứu so sánh số mơ hình truyền chuyển tiếp hai chiều theo tiêu chí đề cập, cho sở để hiểu rõ cách hoạt động mạng chuyển tiếp đồng thời đưa đánh giá mơ hình mạng dựa theo tiêu chuẩn kỹ thuật đặc trưng mạng vơ tuyến Ngồi ra, luận văn cịn nghiên cứu mức độ ảnh hưởng phần cứng đến hoạt động mạng chuyển tiếp hai chiều nào, cụ thể tham số SER xác suất truyền hỏng mạng Luận văn chia làm phần sau: - Phần mở đầu - Chương 1: trình bày khái niệm liên quan đến mạng chuyển tiếp hai TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com chiều - Chương 2: nghiên cứu mơ hình truyền liệu kết hợp kiểu trực tiếp chuyển tiếp - Chương 3: nghiên cứu chế chuyển tiếp chọn lọc mạng chuyển tiếp hai chiều - Chương 4: đề cập tác động suy giảm phần cứng nút chuyển tiếp đến tham số hoạt động mạng - Phần kết luận Các mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều chương chương tham khảo tài liệu [1, 6] Nội dung chương đề cập tài liệu [7] Luận văn tập trung nghiên cứu giao thức chuyển tiếp hai chiều hoạt động hiệu môi trường vô tuyến nhận thức Các tham số đánh giá hiệu lớp vật lý xác suất truyền hỏng (outage probability), tỷ lệ lỗi trung bình (symbol error rate) kênh truyền fading khảo sát tập trung vào nội dung nghiên cứu đề cập mặt lý thuyết đồng thời thực chứng minh chi tiết kết quả, thực mô so sánh với kết mà tác giả trình bày [1, 6, 7] Phương pháp nghiên cứu kết hợp mơ hình tốn xác suất mô Monte-Carlo Các vấn đề đạt luận văn nghiên cứu mơ hình truyền thơng chuyển tiếp hai chiều sử dụng chế Amplify-and-Forward - khuyếch đại chuyển tiếp (AF), chứng minh chi tiết kết nêu [1, 6, 7] thực mơ xác kết TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 39 Hình 3.6.2: Mơ SER chế S-RS-AF AP-AF - So sánh kết mô kết phân tích SER chế RS-AF Hình 3.6.3: SER mơ so với kết phân tích gần biễu diễn dạng cơng thức - Mơ SER chế S-RS-AF sử dụng thuật tốn cấp phát cơng suất tối ưu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 40 Hình 3.6.4: So sánh SER sử dụng cấp phát công suất đồng cấp phát công suất tối ưu - Mô SER chế S-RS-AF theo thay đổi tỉ số λ = ps /pr N = 2, N0 = 0.05, 0.02, 0.01 Hình 3.6.5: Mơ SER chế S-RS-AF thay đổi tỉ lệ cấp phát công suất với N = Hình 3.6.1 so sánh phương thức lựa chọn nút chuyển tiếp với ps = pr = TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 41 Kết cho thấy phương thức có kết giống nhau, thay lựa chọn phương thức O-RS-AF ta sử dụng phương thức S-RS-AF để cơng thức hóa SER Đồng thời cho thấy SER cải thiện nhiều số nút chuyển tiếp tăng lên Hình 3.6.2 so sánh chế chuyển tiếp chọn lọc S-RS-AF so với chế thông thường AP-AF (tất nút chuyển tiếp tham gia truyền tín hiệu lại cho nút nguồn) Với chế S-RS-AF , ps = pr = 1; với chế AP-AF , ps = 1, pr = 1/N Kết cho thấy chế S-RS-AF tốt chế AP-AF tỉ số SER Hình 3.6.3 so sánh lý thuyết phân tích SER so với kết mô chế S-RS-AF Kết cho thấy SNR cao kết lý thuyết thực nghiệm Hình 3.6.4 so sánh SER chế S-RS-AF sử dụng công suất cấp phát đồng (ps = pr = p/3) sử dụng công suất cấp phát tối ưu (ps = p/4, pr = p/2) Kết kiểm chứng cho việc sử dụng cấp phát công suất tối ưu tốt với kiểu cấp phát công suất đồng Hình 3.6.5 mơ SER thay đổi theo tỉ lệ cấp phát công suất λ = ps /pr với công suất nhiễu khác Kết chứng tỏ tỉ số λ = 0.5 cho SER tốt nhất, với lý thuyết cấp phát công suất tối ưu trình bày 3.6.2 Thảo luận Kết mô trùng với kết tác giả tài liệu [6], điều chứng tỏ việc chứng minh chi tiết vấn đề tác giả nêu, chương thực thi lại cách đắn nghiên cứu tác giả Từ kết chương ta rút điều kiện để mạng hoạt động chuyển tiếp hoạt động tối ưu SER sử dụng nhiều nút chuyển tiếp là: - Sử dụng chế chuyển tiếp chọn lọc, có nghĩa thời điểm chuyển tiếp, mạng chọn nút chuyển tiếp thỏa mãn công thức (3.2.4) - Sử dụng cấp phát công suất nguồn tối ưu thỏa mãn điều kiện (3.5.4) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 42 CHƯƠNG 4: ẢNH HƯỞNG SUY GIẢM CỦA PHẦN CỨNG TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU Mặc dù tác động phần cứng vật lý truyền nhận tín hiệu vơ tuyến biết, tác động chuyển tiếp hai chiều chưa nghiên cứu cụ thể Chương xác định ảnh hưởng phần cứng thiết bị mạng chuyển tiếp hai chiều theo chế khuyếch đại-chuyển tiếp (AF) Cụ thể chương xem xét tham số signal-to-noise-and-distortion ratio - tỷ số tín hiệu nhiễu méo dạng (SNDR) điểm thu, đưa công thức biễu diễn outage probability - xác suất truyền hỏng (OP) SER kết so sánh với điều kiện phần cứng lý tưởng 4.1 Mơ hình phân tích [7] Mơ hình tốn nghiên cứu sử dụng hình 4.1.1 Hình 4.1.1: Sơ đồ khối phân tích tác động phần cứng mạng chuyển tiếp hai chiều Giả sử ký tự thông tin s ∈ C truyền qua kênh truyền h ∈ C tham số nhiễu v ∈ C Tín hiệu thu có dạng quen thuộc y = hs + v Tuy nhiên tín hiệu thu phát chịu tác động của: • Ký tự tạo phát ký hiệu truyền mong muốn s • Sự méo tín hiệu q trình xử lý đầu thu Mơ hình chi tiết tạo cho nguồn tác động (nhiễu phase, bất cân kênh IQ, khuyếch đại khơng tuyến tính) Nhưng cách tổng quát ta đưa cơng thức tín hiệu nhận mơ hình theo dạng: y = h(s + ηt ) + ηr + v (4.1.1) với ηt , ηr nhiễu méo từ ảnh hưởng đầu thu phát tương ứng Các kết nghiên cứu đo đạc ở tài liệu tham khảo [7] cho ta: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 43 ηt ∼ CN (0, κ2t P ) ηr ∼ CN (0, κ2r P |h|2 ) (4.1.2) Các nhiễu méo có phân bố dạng Gauss phụ thuộc vào ký tự gốc cần truyền s phương sai tương ứng ηt , ηr thay đổi theo công suất ký tự P = Es {|s|2 } (Ký hiệu E kỳ vọng) Các tham số thiết kế κt , κr ≥ biễu diễn đặc tính mức tác động phần cứng thu phát Công thức (4.1.1) quay trở lại dạng y = hs + v phần cứng lý tưởng, tức κt = κr = Từ công thức ta thấy méo truyền hoạt động nguồn nhiễu với phương sai (κ2t + κ2r )P |h|2 Ký hiệu κ = κ2t + κ2r gọi mức suy giảm tổng hợp đường truyền chương ta xét tác động gây suy giảm phần cứng điểm chuyển tiếp Chúng ta xét mạng chuyển tiếp hai chiều có hai nút phát (T1 T2 ) nút chuyển tiếp ( R ) Việc truyền nhận thực qua hai khe thời gian, khe thời gian thứ T1 T2 truyền ký tự s1 s2 tương ứng đến R Nút chuyển tiếp nhận tín hiệu tổng từ hai nguồn quảng bá tín hiệu khuếch đại cho nút T1 T2 khe thời gian thứ hai Tín hiệu si mong muốn nhận nút Tri , với ri 2i , i = 1, Các số phụ 1, 2, ký hiệu tương ứng cho tín hiệu T1 , T2 R Tín hiệu nhận R khe thời gian thức là: y3 = h1 s1 + h2 s2 + η3r + v3 (4.1.3) ký tự thông tin truyền si ∼ CN (0, Pi ), i = 1, có trung bình phân bố Gauss với cơng suất Pi ; vi ∼ CN (0, Ni ) biễu diễn nhiễu cộng dạng phức T1 , T2 R với i = 1, 2, Hệ số kênh truyền Ti → R (và hướng ngược lại) ký hiệu hi , i = 1, Các kênh truyền có phân bố Rayleigh với cơng suất Ωi = Ehi |hi |2 , với hi ∼ CN (0, Ωi ).Ký hiệu ρi |hi |2 độ lợi kênh truyền, ta có phân phối ρi sau: fρi (x) = − Ωx e i, Ωi Fρi (x) = − e − Ωx i x ≥ 0, , x ≥ 0, i = 1, i = 1, (4.1.4) (4.1.5) Nhiễu méo phần cứng thu nút chuyển tiếp ký hiệu η3r 4.1.3 η3r ∼ CN (0, κ23r (ρ1 P1 + ρ2 P2 ) (4.1.6) Trong khe thời gian thứ hai, tín hiệu truyền s3 từ R đơn giản cách khuếch đại tín hiệu vừa nhận y3 , tức s3 = Gy3 Ta giả sử tất nút biết đầy đủ thông tin kênh truyền h1 , h2 Nút chuyển tiếp điều chỉnh hệ số khuếch đại cho phù hợp với công suất phát theo công thức sau: TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 44 P3 (ρ1 P1 + ρ2 P2 )(1 + κ23r ) + N G= (4.1.7) Ở cơng thức P3 cơng suất phát trung bình nút chuyển tiếp Tín hiệu nhận T1 T2 sau: yi0 = hi (Gy3 + η3t ) + vi = Gh1 h2 sri + Gh2i si + Ghi (η3r + v3 ) + hi η3t + vi với i = 1, η3t ∼ CN (0, κ23t P3 ) nhiễu méo phần cứng nút chuyển tiếp truyền Để ý phần cứng lý tưởng ta có yi = Gh1 h2 sri + Gh2i si + Ghi v3 + vi Nút Ti mong muốn nhận tín hiệu sri từ yi loại bỏ thành phần biết Gh2i si , để tín hiệu yi = Gh1 h2 sri + Ghi (η3r + v3 ) + hi η3t + vi SNDR tín hiệu dùng để tách sri Ti là: SN DRi = ρ ρ P ri ρi κ23t P3 +Ni G2 ρi (N3 + κ23r (ρ1 P1 + ρ2 P2 )) + (4.1.8) Thay 4.1.7 vào 4.1.8 ta được: SN DRi = N3 Pri (1 với ρ2i PPri c i + κ23t ), bi ρ1 ρ2 + ρ1 ρ2 c + pri bi + ρi (ai + Ni P3 (1 + κ23r ), c Pi Pri bi ) + Ni N3 Pri P3 κ23t + κ23r + κ23t κ23r , (4.1.9) i = 1, Trong trường hợp điều kiện phần cứng lý tưởng, ta có: SN DRi = 4.2 i ρ ri N P3 + ρ1 ρ2 + PNri NPi3 ) + ρi ( PNr3 i i Ni N3 Pri P3 (4.1.10) Phân tích biểu thức xác suất truyền hỏng tỷ lệ lỗi bit 4.2.1 Phân tích xác suất truyền hỏng 4.2.1.1 Biểu thức xác Xác suất truyền hỏng Ti ký hiệu Pout,i (x) xác suất kênh truyền fading với SNDR công thức 4.1.9 Pout,i (x) P r(SN DRi ≤ x) (4.2.1) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 45 Ta có định lý sau: Định lý 4.1 [7]Xác suất truyền hỏng Ti tính cơng thức Pout,i (x) = x ≥ 1c − Pout,i (x) = − e × 1−cx Ωri b b Pi i Pri x(1+cx) i + Ωi + (1−cx) Ωr i b2i Pi (x+x2 ) Ni N3 x2 (1−cx)2 Ω1 Ω2 Pri P3 + (1−cx)3 Ω1 Ω2 Pri Pi Ωi cx + (1−cx) Pri Ωri   × K1 2 b2i Pi x2 + (1−cx) Ω Ω P ri −1 Pi Ωi cx (1−cx) Pri Ωri (x+x2 ) Ni N3 (1−cx)2 Ω1 Ω2 Pri P3 1+  (4.2.2)   ≤ x ≤ 1c K1 hàm Bessel bậc sửa đổi loại Chứng minh [7] Cơng thức (4.2.1) biến đổi sau: ˆ Pout,i (x) ∞ P r(SN DRi ≤ x) = − P r(SN DRi > x|ρi )fρi (ρi )dρi , (4.2.3) sau vài biến đổi ta có P r(SN DRi > x|ρi ) =   1 − F ρri P P N N x(ρ2i Pri c+ρi (ai + Pri bi )+ Pri P3 ) i i ρi (1−cx)−bi i , x< x≥  0 c (4.2.4) c bi Sử dụng (4.1.4),(4.1.5), đổi biến z = ρi − (1−cx) sử dụng kết công thức (3.324) tài liệu tham khảo [4] ta công thức 4.2.2 4.2.1.2 Dạng gần Để đơn giản biểu thức (4.2.2), phần ta đưa dạng gần trường hợp công suất nút thu phát lớn Không tính tổng quát ta giả sử P1 = P2 = τ P3 , (τ > 0) Giá trị G (4.1.7) trở thành G∞ = τ (ρ1 + ρ2 )(1 + κ23r ) (4.2.5) SNDR (4.1.9) đưa dạng gần TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 46 SN DRi∞ = ρ1 ρ2 ρ ri = ρ2i c + ρ1 ρ2 c (ρ1 + ρ2 )c (4.2.6) Từ ta có định lý Định lý 4.2 [7] Trong trường hợp công thu phát suất lớn P1 = P2 = τ P3 → ∞ v` a τ > , xác suất truyền hỏng xác định gần sau ∞ Pout,i (x) Ωi cx Ωri +cx(Ωi −Ωri ) ,x < ,x ≥ = c c (4.2.7) Chứng minh [7] Việc chứng minh định lý tương tự chứng minh định lý 4.1, sử dụng biểu thức SNDR (4.2.6) thay biểu thức (4.1.9) Ta rút hai kết quan trọng rút từ định lý 4.2: • Pout,i (x) = x ≥ 1c , tức ta có giới hạn SNDR 1c để truyền liệu công suất thu phát lớn Giá trị c κ23t + κ23r + κ23t κ23r đại diện cho đặc tính mức suy giảm phần cứng thu phát Chú ý giới hạn bị loại bỏ phần cứng lý tưởng lúc c = 1c = ∞ • Khi < x < 1c có giới hạn khác xác suất truyền hỏng Giá trị dựa vào mức suy giảm phần cứng phương sai kênh truyền Ω1 , Ω2 x, Giá trị cho kênh truyền chuyển tiếp hai chiều ảnh hưởng suy giảm phần cứng Khi phần cứng lý tưởng điều kiện cơng suất lớn giới hạn 4.2.2 Phân tích tỷ lệ lỗi bit Trước hết ta để ý lại công thức tỷ lệ lỗi bit cho SERi = ESN DRi αQ 2βSN DRi , i = 1, (4.2.8) ´ ∞ −t2 /2 với Q = 2π dt hàm Gauss Q α, β số phụ thuộc phương e pháp điều chế Sử dụng tích phân phần, cơng thức (4.2.8) biến đổi thành √ ˆ α β ∞ e−βx √ FSN DRi (x)dx SERi = √ π x (4.2.9) với FSN DRi (x) hàm phân phối tích luỹ SN DRi , FSN DRi (x) = Pout,i (x) theo định nghĩa Việc tính tốn trực tiếp SER sử dụng biểu thức (4.2.9) khó khăn, mục ta tìm cơng thức gần trường hợp cơng suất thu phát cao Định lý 4.3 [7] Nếu điều kiện P1 = P2 = τ P3 → ∞ v` a τ > 0, lệ lỗi bit T1 T2 có sau: Ω1 = Ω2 tỷ TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 47 αc √ γ 2β π SER1∞ = SER2∞ = β , c + α erf c β c (4.2.10) ´x hàm γ(p, x) = tp−1 e−t dt có tên hàm gamma chưa hồn thành , ´∞ erf c(x) = √2π x e−t dt gọi hàm lỗi Chứng minh [7] Việc tính tốn để cơng thức (4.2.10) có cách sử dụng công thức (4.2.9) công thức (4.2.7) với điều kiện Ω1 = Ω2 Công thức định lý xác định dương ngoại trừ trường hợp phần cứng lý tưởng 4.3 Tóm tắt kết chương Chương nghiên cứu tác động suy giảm phần cứng nút chuyển tiếp lên mạng chuyển tài liệu [7] Việc phân tích tập trung vào tỷ số SER xác suất truyền hỏng mạng Nghiên cứu đưa kết công thức gần dạng đơn giản để biễu diễn giá trị trên, điều kiện công suất thu phát lớn Sau kết đạt chương Xác suất truyền hỏng: 1−cx − Pout,i (x) = − e × Ωri b b Pi i Pri x(1+cx) i + Ωi + (1−cx) Ωr i b2i Pi (x+x2 ) Ni N3 x2 + (1−cx) Ω1 Ω2 Pri P3 (1−cx) Ω1 Ω2 Pri cx i + (1−cx) PPr i Ω i Ωri  b2i Pi x2 + (1−cx) Ω Ω P ri −1 Pi Ωi cx (1−cx) Pri Ωri (x+x2 ) Ni N3 (1−cx)2 Ω1 Ω2 Pri P3  × K1 2 1+    Trong trường hợp công thu phát suất lớn P1 = P2 = τ P3 → ∞ v` a τ > , xác suất truyền hỏng xác định gần sau: ∞ Pout,i (x) = Ωi cx Ωri +cx(Ωi −Ωri ) , x < , x ≥ c c (4.3.1) Giá trị SER nguồn trường hợp công suất thu phát lớn: SER1∞ = SER2∞ = αc √ γ 2β π β , c + α erf c β c (4.3.2) TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 48 4.4 Mô tác động suy giảm phần cứng thu phát Các mô thực với điều kiện tín hiệu công suất đối xứng, cụ thể: P1 = P2 = 2P3 , Ni = với i=1,2,3 (4.4.1) Phương thức điều chế sử dụng mô chương BPSK Hình 4.4.1: Xác suất truyền hỏng nút T1 theo công suất phát P1 Các tham số mô phỏng: x = 25 − 1, Ω1 = 2, Ω2 = 1, P1 = P2 = 2P3 Hình 4.4.1 so sánh mơ xác suất truyền hỏng nút T1 với kết biểu thức phân tích xác định lý 4.1 công thức gần hệ 4.2 Giá trị x chọn cho hệ thống tốc độ cao x = 25 − (5 bit kênh truyền) mức suy giảm phần cứng khác đưa vào κ3t = κ3r = κ Trước hết, ta quan sát việc tác động đáng kể suy giảm phần cứng thu phát hệ thống chuyển tiếp tốc độ cao số kết quan trọng ta rút được: • Với mức suy giảm cao κ = 0.2, hệ thống trạng thái truyền hỏng xem thực việc truyền tín hiệu - kể điều kiện cơng suất truyền • Ở mức suy giảm vừa phải, xác suất truyền hỏng đạt ngưỡng bão hồ lớn cơng suất thu phát tăng cao Kết mơ xác kết phát biểu hệ 4.2 • Ngược lại với điều kiện phần cứng lý tưởng κ = cơng suất thu phát lớn xác suất truyền hỏng tiệm cận TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 49 Biểu thức lý thuyết định lý 4.1 đưa kết xác suất truyền hỏng hồn tồn xác với xác suất truyền hỏng thực tế sử dụng mơ Monte-Carlo Hình 4.4.2: SER nút T1 theo công suất phát P1 Các tham số mô phỏng: x = 25 − 1, Ω1 = Ω2 = 1, P1 = P2 = 2P3 Hình 4.4.2 kết mơ tỷ lệ lỗi bit Do sử dụng điều chế BPSK nên α = β = Các trường hợp xét mô thoả mãn κ3t +κ3r = 0.2 Các trường hợp giới hạn điều kiện công suất phát cao hệ 4.3 kiểm chứng theo kết mô thực tế Kết mô cho thấy để tối thiểu tỷ lệ lỗi bit ta chọn phần cứng bên thu phát nút chuyển tiếp chất lượng (κ3t = κ3r = 0.1) Một cách tổng quát, nút chuyển tiếp có chất lượng phần cứng phía (phía thu phía phát) thấp phía cịn lại cao cho tỷ lệ lỗi bít cao, hoạt động không hiệu 4.5 Thảo luận Kết nhóm Debbah [7] quan trọng nhóm tác giả [7] lần đề cập đến tác động suy giảm phần cứng chuyển tiếp đến mạng chuyển tiếp hai chiều Vì việc nghiên cứu kiểm chứng lại kết cần thiết để làm sở cho nghiên cứu chủ đề Kết mô chương hoàn toàn phù hợp với kết mà tác giả trình bày [7] chứng tỏ đắn phương pháp mà luận văn tiếp cận để thực thi kiểm chứng lại kết Phân tích rút cơng thức biễu diễn xác xác suất truyền hỏng giá trị SER, mà quan trọng điều kiện công suất thu phát lớn biểu thức xác tiệm cần dạng đơn giản công thức gần nêu TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 50 (4.3.1) (4.3.2) Các công thức có ý nghĩa việc sử dụng làm tiêu chuẩn để thiết kế lựa chọn phần cứng nút chuyển tiếp dạng tốn học đơn giản TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 51 KẾT LUẬN Luận văn đạt kết sau: Chương luận văn đưa hai chế chuyển tiếp kết hợp hai chiều kết hợp mạng vô tuyến Các chế sử dụng dựa việc biết tín hiệu xen nhiễu loại bỏ để tách tín hiệu mong muốn Chương phân tích dung lượng xác suất truyền hỏng chế khe thời gian Các kỹ thuật truyền giới thiệu áp dụng vào thuật tốn lập lịch mạng chuyển tiếp để nút mạng nút chuyển tiếp đề phục vụ trực tiếp từ trạm sở Trong chương trình bày mơ hình mạng chuyển tiếp khác - mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều chọn lọc Mơ hình sử dụng nhiều nút chuyển tiếp, nhiên thời điểm, mạng chọn nút dùng để chuyển tiếp để đạt kết chế mạng có nút chuyển tiếp Phân tích đưa cơng thức gần cho chế hoạt động mạng chuyển tiếp chọn lọc công thức kiểm chứng qua kết mô Lý thuyết thực nghiệm chứng minh chế chuyển tiếp chọn lọc đạt độ phân tập bậc N với hệ thống N nút chuyển tiếp đồng thời cho kết hoạt động tốt so với chế mà tất nút trung gian tham gia chuyển tiếp tín hiệu Để mạng chuyển tiếp hoạt động hiệu hơn, chương đề xuất chế cấp phát công suất truyền tối ưu cho nút chuyển tiếp (cơ chế Optimal power allocation - cấp phát công suất tối ưu (OPA) ) thực nghiệm chứng minh chế OPA cho kết tốt chế cấp phát công suất đồng nút chuyển tiếp Chương nghiên cứu vấn đề khác, tác động suy giảm phần cứng mạng chuyển tiếp hai chiều Nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng phần cứng nút chuyển tiếp Kết đạt đưa công thức gần xác suất truyền hỏng SER hàm phụ thuộc vào tham số suy giảm phần cứng Kết phân tích cho ta thấy chất lượng phần cứng thu phát nút chuyển tiếp cần giống để đạt hiệu cao Nghiên cứu rằng, mức suy giảm phần cứng lớn mạng chuyển tiếp tốc độ cao hệ thống ln tình trạng truyền hỏng (tức khơng truyền tín hiệu) Hơn nữa, kết chứng minh có xác suất truyền hỏng tỷ lệ lỗi bit 0, chí sử dụng cơng suất phát lớn Các công thức gần chương dùng để tham khảo lựa chọn thiết kế phần cứng thực tế dạng biểu thức đơn giản tính xác Hướng phát triển: - Nghiên cứu tiếp chế mã mạng mơ hình sử dụng hiệu mạng chuyển tiếp TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 52 - Nghiên cứu chế DF mạng chuyển tiếp kết hợp AF DF TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 53 Tài liệu tham khảo Chan Dai Truyen Thai, Popovski, Petar Popovski (2011), "Coordinated Direct and Relay Transmission with Interference Cancelation in Wireless Systems", Communications Letters, IEEE., vol 11, pp 416 - 418 Chinwe M Nwaekwe(2011), Chanel estimation in a two-way relay network, Electronic Theses and Dissertations, University of Ontario, Canada David H A (1970), Order Statistics, Wiley, United States I S Gradshteyn and I M Ryzhik (1994), Table of Integrals, Series, and Products, Academic Press, United States John Proakis (2001), Digital Communications, 4th Edition, McGraw-Hill, NewYork Lingyang Songm (2011), "Relay Selection for Two-Way Relaying With Amplifyand-Forward Protocols", Vehicular Technology, IEEE., vol 60,pp 1954 - 1959 M Matthaiou, A Papadogiannis, E Bjăornson, and M Debbah (2013), "Twoway Relaying under the Presence of Relay Transceiver Hardware Impairments", Communications Letters,IEEE , vol 17, pp 1136-1139 M O Hasna and M S Alouini (2003), "End-to-end performance of transmission systems with relays over Rayleigh-fading channels", Trans Wireless Commun, IEEE., vol 2, pp 1126-1131 Ribeiro A., Xiaodong Cai, Giannakis G.B (2005), "Symbol error probabilities for general Cooperative links", Wireless Communications, IEEE., vol 4, pp 1264 - 1273 10 Wooseok Nam, Sae-Young Chung, Yong H Lee School (2008), "Capacity Bounds for Two-Way Relay Channels", International Communications Zurich Seminar , IEEE., pp 144 - 147 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com ... NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN HỒNG NHẬT TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU TRONG MƠI TRƯỜNG VƠ TUYẾN NHẬN THỨC Ngành: Cơng nghệ Điện tử - Viễn thông Chuyên ngành: Kĩ thuật điện tử Mã số: 60. 52. 02. 03. .. 1.1.1: Mạng chuyển tiếp chiều Truyền thơng hai chiều giới thiệu cho trường hợp truyền thông điểm - điểm Việc sử dụng nút chuyển tiếp cho truyền thông hai chiều gọi chuyển tiếp hai chiều, mà hai điểm... chuyển tiếp chiều mà ta xét sau 1.1 Mạng chuyển tiếp hai chiều [2] Truyền thông hai chiều giới thiệu cho trường hợp truyền thông điểm - điểm Việc sử dụng nút chuyển tiếp cho truyền thông hai chiều