(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu hệ thống thông tin chuyển tiếp sử dụng đa truy nhập không trực giao thu thập năng lượng vô tuyến tại nút chuyển tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN MẠNH HOÀNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TẠI NÚT CHUYỂN TIẾP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019 luan an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN MẠNH HỒNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THƠNG TIN CHUYỂN TIẾP SỬ DUNG ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TẠI NÚT CHUYỂN TIẾP Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9.52.02.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN TRUNG TẤN TS LÊ THẾ DŨNG HÀ NỘI - 2019 luan an LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu tơi định hướng giáo viên hướng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án hồn tồn trung thực chưa công bố tác giả hay cơng trình trước Các kết sử dụng tham khảo trích đầy đủ theo quy định Hà Nội, ngày 06 tháng 12 năm 2019 Tác giả Trần Mạnh Hồng luan an LỜI CẢM ƠN Trong q trình nghiên cứu hoàn thành luận án này, tác giả nhận nhiều giúp đỡ đóng góp quý báu Trước hết NCS xin bày tỏ cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Thế Dũng, TS Nguyễn Trung Tấn tạo điều kiện giúp đỡ NCS suốt q trình nghiên cứu để hồn thành luận án Nghiên cứu sinh cảm ơn đóng góp ý kiến PGS.TS Trần Xuân Nam, TS Phạm Thanh Hiệp để cơng trình nghiên cứu NCS đảm bảo chất lượng hàm lượng khoa học Cảm ơn PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo tạo tiền đề rèn luyện cho NCS tính kiên trì, nghiêm túc, tiếp cận vấn đề khoa học GS Seong-GonChoi tài trợ phần kinh phí cho nghiên cứu Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn Thầy giáo Ban chủ nhiệm Khoa Vô tuyến điện tử, Tập thể Bộ môn Thông tin, đồng nghiệp nghiên cứu sinh giúp đỡ, chia tạo điều kiện để NCS hồn thành cơng tác nghiên cứu Tác giả xin cảm ơn thủ trưởng Bộ Tư lệnh Thông Tin Liên Lạc Trường Sĩ Quan Thông Tin đơn vị chủ quản, tạo điều kiện cho tác giả tham gia nghiên cứu học tập thời gian làm nghiên cứu sinh Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, đồng chí, đồng nghiệp động viên, chia sẻ, giúp đỡ tác giả vượt qua khó khăn để đạt kết nghiên cứu ngày hôm luan an MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv DANH MỤC HÌNH VẼ vii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC ix MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN VÀ ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO 17 1.1 Khái niệm ứng dụng thu thập lượng RF 17 1.1.1 Khái niệm thu thập lượng RF 17 1.1.2 Ứng dụng lượng thu thập từ RF 18 1.2 Cấu trúc, sơ đồ khối mạng thu thập lượng RF 19 1.2.1 Cấu trúc mạng thu thập lượng RF 19 1.2.2 Sơ đồ khối máy thu thập lượng RF 20 1.2.3 Các nguồn phát lượng 21 1.2.4 Kỹ thuật thu thập lượng 22 1.3 Những ảnh hưởng thu thập lượng RF 25 1.4 Các mơ hình truyền lan lượng sóng vơ tuyến 27 1.5 Hệ thống đa truy nhập không trực giao 28 1.5.1 Khái niệm phân loại 28 1.5.2 Kỹ thuật SIC tín hiệu 33 1.5.3 Ứng dụng kỹ thuật NOMA 33 i luan an ii 1.5.4 Ưu điểm kỹ thuật NOMA 34 1.6 Các tham số đánh giá phẩm chất hệ thống 35 1.6.1 Xác suất dừng hệ thống 35 1.6.2 Dung lượng hệ thống 35 1.6.3 Xác suất lỗi 36 1.7 Kết luận chương 37 Chương PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP ĐƯỜNG XUỐNG KHÔNG TRỰC GIAO ỨNG DỤNG LỰA CHỌN CHUYỂN TIẾP ĐƠN PHẦN VÀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN 38 2.1 Động lực nghiên cứu 38 2.2 Mơ hình hệ thống 41 2.3 Phân tích phẩm chất hệ thống 46 2.3.1 Xác suất giải mã không thành công x1 47 2.3.2 Xác suất giải mã không thành công x2 49 2.3.3 SIC khơng hồn hảo 51 2.3.4 Xác suất lỗi symbol 52 2.3.5 Dung lượng trung bình 53 2.4 Kết mô 60 2.5 Kết luận chương 70 Chương ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP ĐƯỜNG XUỐNG SONG CƠNG KHƠNG TRỰC GIAO CĨ ỨNG DỤNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN 72 3.1 Mô hình hệ thống hai người dùng 72 3.1.1 Động lực nghiên cứu 72 luan an iii 3.1.2 Cấu hình hệ thống 75 3.1.3 Mơ hình kênh tín hiệu 77 3.1.4 Phân tích phẩm chất hệ thống 81 3.1.5 Kết số thảo luận 89 3.2 Mô hình hệ thống tổng quát 99 3.2.1 Cấu hình hệ thống 99 3.2.2 Mơ hình kênh tín hiệu 101 3.2.3 Xác suất dừng 104 3.2.4 Kết số thảo luận 105 3.3 Kết luận chương 108 KẾT LUẬN 110 PHỤ LỤC 112 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 115 luan an DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AC Alternating Current Dòng diện xoay chiều AF Amplify and Forward Khuếch đại chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Tạp âm trắng cộng tính Noise chuẩn BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DC Direct Current Dòng điện chiều DF Decode and Forward Giải mã chuyển tiếp EE Energy Efficiency Hiệu suất lượng EH Energy Harvesting Thu thập lượng FCC Federal Ủy ban truyền thông liên Communications Commission bang FD Full-Duplex Song công GSM Global System for Hệ thống thơng tin Mobile Communications di động tồn cầu HD Half-Duplex Đơn công HSU Harvesting-Storage-Use Thu thập-lưu trữ-sử dụng HU Harvesting-Use Thu thập - sử dụng HUS Harvesting-Use-Storage Thu thập-sử dụng -lưu trữ iv luan an v ID Information-Decode Giải mã thông tin IoT Internet of Thing Internet vạn vật IP Interference Probability Xác suất can nhiễu MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MIMO Multiple Input and Multi- Đa đầu vào đa đầu ple Output [1] QAM MRC Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu Modulation phương Maximal Ratio Combining Kỹ thuật kết hợp theo tỷ lệ lớn NOMA Non-Orthogonal Multiple Đa truy nhập không trực Acces giao OP Outage Probability Xác suất dừng OFDMA Orthogonal Đa truy nhập phân chia Frequency- Division Multiple Access theo tần số trực giao Pattern Division Multiple Đa truy nhập phân chia Access theo mẫu PS Power Splitting Phân chia công suất PU Primary User Người dùng sơ cấp QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến ROC Receiver Operating Charac- Hàm đặc tính cơng tác máy teristic thu SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn SDF Selection Decode and For- Kỹ thuật giải mã chuyển ward tiếp có lựa chọn Spatial Division Multiple Đa truy nhập phân chia Access theo không gian PDMA SDMA luan an vi SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa phần mềm SE Spectrum-Efficiency Hiệu suất phổ tần SIC Successive Khử nhiễu nối tiếp Interference Cancellation SISO Single Input-Single Output Đơn đầu vào đơn đầu SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu tạp âm SU Secondary User Người dùng thứ cấp SWIPT Simultaneous Wireless In- Biến đổi đồng thời thông tin formation and Power Trans- lượng vô tuyến fer TS Time Switching luan an Chuyển mạch thời gian 93 10 MP người dùng MP người dùng Lý thuyết −1 10 α = 0.1 −2 Xác suất dừng 10 α = 0.3 −3 10 m1 = m2 = m2 = −4 10 ΩSR = ΩRD2 = α = 0.2 ΩRD1 = 0.75, κ = 0.1, ρ = −5 10 10 15 20 SINR [dB] 25 30 35 40 Hình 3.6: Khảo sát OP theo hệ số α lượng khác nhau, hệ số phân bổ công suất a1 = 0.7, a2 = 0.3 bình lớn tăng α phẩm chất hệ thống bị bão hòa Nguyên nhân tăng α dẫn đến công suất phát nút R tăng kéo theo nhiễu lớn lên (cơng thức (3.8)) Như mơ hình việc cấu hình thời gian thu thập lượng xử lý tín hiệu hợp lý cần giải để nâng cao phẩm chất hệ thống Trong Hình 3.7 khảo sát tác động α đến xác suất dừng hệ thống với giá trị SNR nhận khác Thông qua kết Hình 3.7 thấy rằng, ln tồn giá trị α mà xác suất dừng hệ thống nhỏ Tương ứng với giá trị SNR khác nhận giá trị α khác Khi tăng SNR giá trị α có xu hướng giảm Điều giải thích sau: Việc tăng SNR tương ứng tăng công suất phát nguồn, dẫn đến giảm thời gian thu thập lượng đảm bảo công suất phát nút chuyển tiếp để hệ thống hoạt động phẩm chất yêu cầu xác định trước Không hệ thống song công yêu cầu công luan an 94 10 Mô Lý thuyết Xác suất dừng D2 SNR = 20 dB −1 10 SNR = 25 dB m1 = m2 = m3 = Ω =Ω =1 SR RD2 Ω = 0.75 RD1 κ = 0.1, ρ = 0.1 SNR = 30 dB −2 10 −3 10 0.2 0.4 α 0.6 0.8 Hình 3.7: Khảo sát tác động α đến xác suất dừng hệ thống suất phát nút chuyển tiếp phải đảm bảo không lớn để đảm bảo khử nhiễu nút chuyển tiếp thuận lợi Trong Hình 3.8 Hình 3.9, minh họa xác suất dừng nút đích D1 D2 ảnh hưởng kênh nhiễu tự giao thoa sai số ước lượng kênh với công suất phát số Từ hình thấy rằng, tác động ρ κ lên xác suất dừng D1 D2 khác Hiện tượng tác động sai số ước lượng có tính chất cộng tính, tác động kênh nhiễu tự giao thoa nhân với kênh truyền (tính chất nhân tính) Trường hợp hệ thống lý tưởng ρ = κ = 0, hệ thống đạt hiệu suất lớn Mặc dù phân bổ công suất theo tỉ lệ độ lợi kênh truyền phẩm chất đạt D2 tốt D1 Nguyên nhân suy hao tín hiệu tn theo bình phương khoảng cách Cũng Hình 3.9 thấy tham số mi tăng lên phẩm chất hệ thống cải thiện Hình 3.10 mơ tả tác động hệ số phân bổ công suất đến xác suất luan an 95 Xác suất dừng 10 −1 10 D D −2 10 m1 = m2 = m3 = 2 1 0.8 0.6 κ 0.8 0.6 0.4 0.2 0.2 0.4 ρ Hình 3.8: So sánh OP D1 D2 với tác động nhiễu dư sai số ược lượng kênh với mi = 2, PS = 15[dB], α = 0.33 dừng Sở dĩ biểu diễn OP D2 theo hệ số a1 xuất phát từ mối quan hệ a2 = − a1 , xác suất dừng nút D2 bị ràng buộc công suất phân bổ cho D1 Phân bổ công suất cho D1 không lớn để đảm bảo công suất nhận D2 giải mã tín hiệu x2 Trên Hình 3.10 điểm lý thuyết vẽ theo biểu thức a1 = 1+γth 2+γth Ví dụ r = 0.5 tính a1 = 0.623 Cũng Hình 3.10 thấy tham số mi khác hệ thống nhận giá trị cực tiểu OP khác Trong Hình 3.11 trình bày kết thơng lượng tức thời hệ thống theo khoảng thời gian thu thập lượng α với giá trị SNR khác Từ hình thấy cơng suất khác tồn giá trị α khác mà thơng lượng đạt lớn Khi tăng cơng suất, thời gian thu thập lượng có xu hướng giảm Điều giải thích sau: Khi luan an 96 Xác suất dừng D 10 −1 10 −2 10 −3 10 m =3, 2, 0.8 i 0.6 0.8 0.4 0.6 0.4 0.2 κ 0.2 ρ Hình 3.9: Tác động nhiễu dư sai số ước lượng kênh đến xác suất dừng với tham số pha-đinh mi khác nhau, α = 0.33 Xác suất dừng D2 10 m = m = m = 0.5 Mô a =(1+γ )/(2+γ ) −2 m1 = m2 = m3 = −1 10 10 th 0.2 m =m =m =2 th 0.4 0.6 0.8 a1 Hình 3.10: Ảnh hưởng phân bổ công suất đến tối ưu xác suất dừng nút đích D2 với α = 0.33 luan an 97 Thông lượng tức thời D [bit/s/Hz] Mô L.thuyết: 3.45(a) 3.45(b) SNR = 25 dB 0.8 SNR = 20 dB 0.6 0.4 SNR = 15 dB 0.2 0 0.05 0.1 0.15 α 0.2 0.25 0.3 Hình 3.11: Tác động SINR/SNR đến tỉ lệ thời gian thu thập lượng xử lý tín hiệu để cực đại thông lượng hệ thống với r2 = 1, ρ = 0.02 κ = 0.1 công suất phát nguồn tăng lên dẫn đến chất lượng tín hiệu thu mạch thu tín hiệu cải thiện, cố định tốc độ yêu cầu hệ thống giảm thời gian thu thập lượng nút chuyển tiếp chất lượng hệ thống đảm bảo Điểm lý thuyết hình vẽ theo cơng thức (3.46a) cho thấy kết hồn tồn xác Hình 3.12 biểu diễn thơng lượng hệ thống theo thời gian thu thập lượng với hai tốc độ yêu cầu tối thiểu khác cố định PS =20 [dB] Trong hai trường hợp r = [bit/s] r = 0.5 [bit/s] thấy thông lượng hệ thống tăng từ đạt giá trị lớn sau giảm từ giá trị không Khi tốc độ truyền yêu cầu tối thiểu thấp r = 0.5 [bit/s], khoảng thời gian thu thập lượng α để cực đại thông lượng giữ khoảng lớn hơn, tốc độ ngưỡng nhỏ cần thời gian xử lý tín luan an 98 r = [bit/s/Hz] Người dùng 1-Mô Người dùng 2-Mô Thông lượng tức thời [bit/s/Hz] Lý thuyết 0.8 r = 0.5 [bit/s/Hz] 0.6 0.4 0.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 α 0.5 0.6 0.7 0.8 Hình 3.12: Tác động tốc độ truyền r đến thông lượng hệ thống với giá trị tối ưu α∗ PS = 20 [dB] hiệu nút nhận đảm bảo tách tín hiệu Trong trường hợp ngược lại r = [bit/s] thời gian thu thập lượng để cực đại thông lượng không kéo dài yêu cầu thời gian để xử lý tín hiệu lớn Ngồi khoảng cách biểu diễn thông lượng D1 D2 khác r = 0.5 [bit/s] r = [bit/s] Điều lý giải từ mối quan hệ tốc độ truyền yêu cầu thông lượng qua kênh truyền quan hệ theo quy luật hàm logarithm Thêm vào thơng lượng hệ thống tính theo công thức R = (1 − α)(1 − OP), thơng lượng đạt khơng tuyến tính theo r luan an 99 3.2 Mơ hình hệ thống tổng qt Trong [40] Han cộng khảo sát hệ thống chuyển tiếp có ứng dụng thu thập lượng kết hợp lựa chọn ăng-ten phát BS Trong mơ hình nút chuyển tiếp hoạt động chế độ bán song công sử dụng kỹ thuật PS để thu thập lượng Các mơ hình NOMA chuyển tiếp đường xuống phục vụ nhiều người dùng không ứng dụng kỹ thuật thu thập lượng RF R có khảo sát [105–107] Trong cơng trình xác định biểu thức OP C kênh có phân bố Nakagami-m Tuy nhiên R hoạt động chế độ FD việc xây dựng công thức đánh giá phẩm chất hệ thống trở nên phức tạp tác giả khơng thực Các khảo sát hệ thống NOMA chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật FD thực vài năm trở lại đây, nhiên mơ hình kết hợp FD EH cho mơ hình tổng quát (nhiều người dùng) chưa tập trung nghiên cứu Do để bổ sung phần lý thuyết cho hệ thống NOMA chuyển tiếp đường xuống, phần đề xuất phân tích hệ thống NOMA chuyển tiếp đường xuống FD có ứng dụng EH-RF nút chuyển tiếp 3.2.1 Cấu hình hệ thống hLI  hn g1 gj gm Hình 3.13: Mơ hình hệ thống tổng qt nhiều người dùng NOMA luan an 100 Phân chia thời gian C Phần tử cổng A α B Mạch thu lượng Bộ pin 1-α Bộ thu-phát chung Nhiễu miền tín hiệu tương tự Khử nhiễu miền tương tự Nhiễu miền tín hiệu số Khử nhiễu miền số Mạch phát Mạch thu Ib Xử lý tín hiệu Hình 3.14: Cấu trúc song cơng ăng-ten thu/phát Mơ hình NOMA chuyển tiếp hai chặng đường xuống từ trạm gốc (BS: Base Station) đến người dùng minh họa Hình 3.13 Trong BS trang bị N ăng-ten sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (TAS: Transmit Antenna Selection) Giả sử không gian BS đủ lớn để bố trí ăng-ten (khơng xảy tượng tương quan) Nút chuyển tiếp trang bị ăng-ten [108] hoạt động chế độ FD để chuyển tiếp tín hiệu từ BS đến M người dùng Dm , m ∈ {1 · · · M } Hoạt động nút chuyển tiếp mơ tả sau: Tín hiệu sau qua thu phát chung kết nối với mạch thu hoạch lượng mạch xử lý tín hiệu theo tỉ lệ thời gian α (1 − α) Một phần đưa đến mạch xử lý tín hiệu, thành phần lại sử dụng cho việc tái tạo lượng đưa đến biến đổi RF-DC, sau cung cấp nguồn lượng cho hệ thống thu/phát nút chuyển tiếp Theo nguyên lý hoạt động hệ thống NOMA miền công suất, BS luan an 101 xếp chồng tín hiệu tất người dùng theo mức công suất khác dựa vào độ lợi kênh truyền ưu tiên dịch vụ Khơng tính tổng qt, mơ hình giả sử độ lợi kênh truyền chặng thứ hai xếp |g1 |2 , · · · , > aj > aM với i=1 = Tại nút đích Dm thực kỹ thuật SIC để giải mã tín hiệu [109] Để tối ưu hoạt động SIC nút đích thực giải mã loại bỏ tín hiệu có mức cơng suất từ cao đến thấp 3.2.2 Mơ hình kênh tín hiệu Kí hiệu kênh truyền từ ăng-ten thứ n lựa chọn đến nút chuyển tiếp hn ∼ CN (0, ΩSR ) với n ∈ {1, · · · , N } Các kênh truyền từ nút chuyển tiếp đến người dùng ký hiệu gm ∼ CN (0, ΩRDm ) với m ∈ · · · M , ΩSR = E|h1 |2 , ΩRDm = E|gm |2 hLI ∼ CN (0, Ib ) kênh truyền nhiễu tự giao thoa sau áp dụng biện pháp triệt nhiễu Các kênh truyền hai chặng tn theo phân bố Rayleigh có tính chất thuận nghịch Khi áp dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten, nút nguồn liên tục giám sát chất lượng kênh truyền từ nút chuyển tiếp đến ăng-ten đường truyền hồi tiếp, sở thông tin hồi tiếp nhận được, BS thực định số ăng-ten phát Chuyển mạch đầu khuếch đại công suất nối đến phối hợp trở kháng ăng-ten chọn Biên độ kênh truyền chặng thứ mơ hình hóa |hn |2 : 2 |hn | = arg max |hi | i∈1, ,N (3.47) Khi ăng-ten thứ n có chất lượng kết nối tốt đến nút chuyển tiếp lựa chọn, dựa vào tính chất thống kê (order statistic), sau số luan an 102 bước biến đổi tìm hàm phân bố CDF PDF SINR hai chặng sau: FX (x) = − fY (y) = N X (−1) n−1 n=1 N n !   nx , exp − ΩSR M! m−1 M −m fYe (y) [FYe (y)] [1 − FYe (y)] , (M − m)! (m − 1)! (3.48) (3.49) fYe (y) FYe (y) tương ứng PDF CDF SINR đường truyền từ nút chuyển tiếp đến nút đích   fYe (y) = ΩRDm exp −  FYe (y) = − exp − y ΩRDm y ΩRDm  (3.50) , (3.51) Kết hợp (3.49),(3.50) (3.51) hàm PDF SINR kênh truyền từ nút chuyển tiếp đến người dùng thứ m là: fY (y) = × M −m X k=0 k+m−1 X j=0 k+j (−1) M ! M −m (M − m)! (m − 1)! k ! !   y (j + 1) k+m−1 exp − ΩRDm ΩRDm j (3.52) Hoạt động hệ thống mơ tả sau: BS phát tập tín hiệu PM √ điều chế xếp chồng xS = m=1 am PS xm đến người dùng, thơng qua nút chuyển tiếp R, am hệ số phân bổ công suất cho người dùng thứ m, PS công suất phát BS, xm tín hiệu người dùng thứ m Khi tín hiệu nhận nút chuyển tiếp là: yR [t] = hn xS [t] + p PR hLI x˜S [t − 1] + wR [t], (3.53) PR công suất phát nút chuyển tiếp, hRR kênh nhiễu dư từ mạch phát ảnh hưởng tới mạch thu R sau áp dụng biện pháp triệt luan an 103 nhiễu giao thoa, thành phần x ˜S [t − 1] đặc trưng cho tín hiệu khuếch đại nút chuyển tiếp, mà tín hiệu phát nút nguồn chu kỳ trước xS [t], wR ∼ CN (0, σ ) AWGN nút chuyển tiếp Để đảm bảo công suất đầu nút chuyển tiếp số cần phải khuếch đại tín hiệu nhận với hệ số s G= PR ≈ PS |hn |2 + PR |hLI |2 + σR2 r αη (1 − α) + |hLI |2 (3.54) Tại thời điểm kết thúc chu kì, tín hiệu nhận người dùng m là:  yDm [t] = Ggm hn xS [t] +  p PR hLI x˜S [t − 1] + wR [t] + wDm , wDm AWGN nút đích (3.55) Từ (3.55), biểu thức tỉ số cơng suất tín hiệu cơng suất nhiễu cộng tạp âm người dùng m biểu diễn sau: γDj→m = G2 |gm |2 aj PS |hn |2 , P φ|h |2 |g |2 |h |2 + ∆ G2 |gm |2 |hn |2 M a P + G n m LI i=j+1 i S (3.56) φ = αηPS / (1 − α) ∆ = G2 σR2 + σD2 m Nếu giải mã thành công xj , tức γDj→m ≥ γthj , với γthj = 2rj /(1−α) − ngưỡng để máy thu giải mã, rj tốc độ liệu tối thiểu đạt người dùng thứ j , (j ≤ m) Tại người dùng thứ M cần giải mã loại bỏ tồn tín hiệu người dùng khác, SINR cịn lại để giải mã tín hiệu người dùng M biểu diễn sau: γ DM G2 aM PS |gM | |hn | = 2 G2 φ|gM | |hn | |hLI | + ∆ luan an (3.57) 104 3.2.3 Xác suất dừng Sự kiện dừng xảy người dùng thứ m khơng giải mã thành cơng tín hiệu tín hiệu người dùng thứ j , j ≤ m Xác suất dừng hệ thống biểu diễn sau [40]: (3.58) OPm = Pr (Γm,1 ∩ Γm,2 ∩ · · · ∩ Γm,m ) , Γm,j = ( ) XY G2 am PS ≤ γthm , P 2φ + ∆ Y XG2 M a P + Y XξG i S i=m+1 (3.59) với X = |hn |2 , Y = |gm |2 |hLI |2 = ξ Kết hợp (3.58) (3.59) biểu thức xác suất dừng hệ thống viết lại là: ( OPm = Pr XY ≤ γthm ∆ G2 (am PS − γthm PM i=m+1 PS − γthm ξφ) ) = θj (3.60) Từ tính chất xác suất điều kiện, biểu thức (3.60) viết lại sau: OPm = Z∞ FX   θ∗ fY (y) dy, y (3.61) θ∗ = (θ1 , θ2 , , θm ) Từ (3.48) (3.49) biểu thức xác suất dừng 3.61 viết lại sau: ! ! ! n+k+j −m k+m−1 N M X X X (−1) M! N M −m k+m−1 OPm = 1− n=1 k=0 Z∞ × j=0 ΩRDm (M − m)! (m − 1)! n   y (j + 1) nθ∗ − exp − dy ΩSR y ΩRDm k j (3.62) Sử dụng công thức [82, CT (3.324.1)], sau số bước tính tốn nhận luan an 105 biểu thức xác suất dừng hệ thống (3.63) ! ! −m k+m−1 N M X X X N k+m−1 (−1)n+k+j M ! OPm = 1− n=1 k=0 j=0 M −m × k (M − m)!(m − 1)! n !s 4nθ∗ K1 ΩSR ΩDm (j + 1) s j ! 4nθ∗ (j + 1) (3.63) ΩSR ΩRDm K1 (x) định nghĩa hàm Bessel bậc loại hai 3.2.4 Kết số thảo luận Trong phần trình bày kết mô Monte-Carlo nhằm kiểm chứng lại tính đắn cơng thức lý thuyết phân tích phần 3.2.3, ngồi kết mơ sử dụng để đánh giá phẩm chất người dùng hệ thống đề xuất Mơ hình mơ hệ thống bao gồm nút đầu cuối, nút nguồn, nút đích; thêm vào nút chuyển tiếp đặt S D1 hoạt động chế độ song công theo thời gian băng tần Giả sử nút nằm mặt phẳng hai chiều, khoảng cách từ nút nguồn đến nút đích D1 chuẩn hóa Khoảng cách nút giả sử xếp D3 gần nút chuyển tiếp nhất, sau đến D2 cuối D1 nút xa Kênh truyền tạo có dạng phân bố Rayleigh Các tham số mơ cấu Bảng 3.2 Bảng 3.2: Bảng tham số mô Tham số Giá trị Hệ số phân bổ công suất Tốc độ ngưỡng yêu cầu nút đích Tỉ lệ thời gian thu thập lượng a1 = 0.7, a2 = 0.2, a3 = 0.1 r1 = r2 = r3 = 0.5(bpcu) α = 0.3 ΩSR = ΩRD1 = 1, ΩRD2 = 3, ΩRD3 = η = 0.9 Độ lớn kênh trung bình Hiệu suất mạch tái tạo lượng Mức lượng lại kênh nhiễu tự giao thoa Ib = −20dB Trước hết, hình minh họa xác suất dừng có kết lý thuyết kết luan an 106 10 −1 Xác suất dừng 10 −2 10 N = 1, 2, −3 10 Mô Lý thuyết −4 10 10 15 20 SINR [dB] 25 30 35 40 Hình 3.15: OP theo công suất phát BS với số ăng-tenna khác mơ trùng khít với nhau, điều thể phân tích lý thuyết hồn tồn xác Hình 3.15 biểu diễn ảnh hưởng số lượng ăng-ten phát cấu hình BS đến hiệu suất hệ thống Quan sát hình thấy tăng từ lên ăng-ten trạm gốc xác suất dừng hệ thống cải thiện đáng kể so với tăng từ lên ăng-ten Kết cho thấy cấu hình số ăng-ten khác bậc phân tập hệ thống 1, hệ thống TAS đạt độ lợi SNR mà không đạt độ lợi phân tập Trong Hình 3.16 biểu diễn xác suất dừng nút đích tương ứng Trong kết thấy rằng, người dùng đạt phẩm chất tốt so với người dùng người dùng 2, hệ số phân bổ công suất a3 = 0.1 Điều đạt người dùng gần R người dùng khác Trên Hình 3.17 biểu diễn xác suất dừng theo thời gian thu thập lượng luan an 107 10 −1 Xác suất dừng 10 −2 10 MP người dùng MP người dùng MP người dùng Lý thuyết −3 10 −4 10 10 15 20 SINR [dB] 25 30 35 40 Hình 3.16: Xác suất dừng người dùng theo công suất phát nguồn với số lượng ăng-ten BS N=2 10 Xác suất dừng −1 10 −2 10 EbNo = 10 dB N = 1, 2, 0.2 Mô Lý thuyết Bán song công 0.4 0.6 0.8 α Hình 3.17: Khảo sát OP hệ thống FD HD theo số ăng-ten phát BS Đây mục tiêu khảo sát hệ thống có ứng dụng thu thập lượng RF Trong Hình 3.17 thực chạy mô hệ thống bán luan an ... VIỆN KỸ THU? ??T QUÂN SỰ TRẦN MẠNH HOÀNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN CHUYỂN TIẾP SỬ DUNG ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TẠI NÚT CHUYỂN TIẾP Chuyên ngành: KỸ THU? ??T ĐIỆN... quan tâm Do đó, nghiên cứu sinh lựa chọn thực đề tài: "Nghiên cứu hệ thống thông tin chuyển tiếp sử dụng đa truy nhập không trực giao thu thập lượng vô tuyến nút chuyển tiếp" Kết đề tài góp phần... án 2.1 Các nghiên cứu thu thập lượng vô tuyến Hiện tại, việc nghiên cứu thu thập lượng vô tuyến không thực hệ thống điểm-điểm mà nghiên cứu mạng chuyển tiếp hệ thống hợp tác đa người dùng Năm