(Đồ án hcmute) các phương pháp phân bố công suất trong thu thập năng lượng mạng hợp tác vô tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG THU THẬP NĂNG LƯỢNG MẠNG HỢP TÁC VÔ TUYẾN GVHD: SVTH : MSSV : SVTH : MSSV : TS PHẠM NGỌC SƠN TRẦN PHUỚC BÁU 12141429 NGÔ MINH KHOA 12141738 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 08 năm 2016 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHO ĐÀO TẠO CH T Ư NG C O ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CÔNG SU T TRONG THU THẬP NĂNG Ư NG MẠNG H P TÁC VÔ TUYẾN SVTH : MSSV : SVTH : MSSV : Khoá : N : GVHD: TRẦN PHƯỚC BÁU 12141429 NGÔ MINH KHOA 12141738 2012-2016 CNKT ĐIỆN TỬ, TRUYỀN THÔNG TS PHẠM NGỌC SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 an Tp Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2015 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* TP.Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2016 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên Sinh viên: Ngành: Trần Phước Báu MSSV: 12141429 Ngô Minh Khoa MSSV: 12141738 CNKT Điện Tử - Truyền Thông Lớp: 12141CLVT Giảng viên hướng dẫn: TS Phạm Ngọc Sơn ĐT: Ngày nhận đề tài: 15/02/2016 Ngày nộp đề tài: 23/07/2016 Tên đề tài : CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG THU THẬP NĂNG LƯỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÔ TUYẾN Các số liệu, tài liệu ban đầu: Paper Power Allocation Strategies in Energy Harvesting Wireless Cooperative Networks Nội dung thực đề tài: Nghiên cứu lý thuyết hai phương pháp phân bố công suất thu thập lượng mạng truyền thông hợp tác vơ tuyến, mơ phân tích cơng thức liên quan Kết : Sự phân tích mơ hồn tồn xác trùng So sánh hai phương pháp đưa kết luận với hai phương pháp đề xuất Trưởng Ngành Giảng Viên Hướng Dẫn TS Phạm Ngọc Sơn Th.S Nguyễn Ngô Lâm I an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: Trần Phước Báu MSSV: 12141429 Ngô Minh Khoa Ngành: MSSV: 12141738 CNKT Điện Tử -Truyền Thông Tên đề tài: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG THU THẬP NĂNG LƯỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÔ TUYẾN Họ tên Giáo viên hướng dẫn: TS Phạm Ngọc Sơn NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Thực nghiên cứu khảo sát kỹ thuật thu thập lượng nút chuyển tiếp (relay) mạng truyền thông hợp tác vô tuyến Tiến hành mô hệ thống Matlab theo hai hướng mô phân tích Ưu điểm: Hồn thành mơ phân tích với hai phương pháp phân bố cơng suất đề xuất nghiên cứu, nắm rõ hoạt động mơ hình thực hiện, tham khảo tài liệu thêm nhiều để hiểu rõ vấn đề liên quan Khuyết điểm: Hạn chế mặt toán học nên chưa hiểu rõ số biến đổi công thức trình nghiên cứu phân tích Chưa đơn giản hóa vấn đề code thực mô Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: …………………………………………………………………………………… Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 07 năm 2016 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) II an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên sinh viên: Trần Phước Báu MSSV: 12141429 Ngô Minh Khoa Ngành: MSSV: 12141738 CNKT Điện Tử -Truyền Thông Tên đề tài: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG THU THẬP NĂNG LƯỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÔ TUYẾN Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: ……………………………………………………… Ưu điểm: ……………………………………………………………………………………… Khuyết điểm: ………………………………………………………………………………… Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: ………………………………………………………………………………… Điểm: ……………… (Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2016 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) III an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI MỞ ĐẦU Ngày nay, việc phát triển mở rộng mạng truyền thông hợp tác vô tuyến mang lại nhiều lợi ích sống sản xuất Đi kèm với phát triển vấn đề nguồn lượng sử dụng cần thiết để nhiều thiết bị hoạt động bao gồm nguồn tin, thiết bị chuyển tiếp (relay) thiết bị đầu cuối (user) Thông thường thiết bị sử dụng nguồn lượng cố định pin ắc-quy… Tuy nhiên điều kiện định việc thay nguồn cố định gặp nhiều hạn chế khó thực Vì vậy, số phương pháp đề thu thập lượng thơng tin vơ tuyến Từ lý đó, nhóm thực báo cáo nghiên cứu xem xét phương pháp phân bố công suất nút chuyển tiếp (relay) mạng truyền thông hợp tác vô tuyến đạt kết định Sau khoảng thời gian học tập trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, nhờ dạy dỗ nhiệt tình dẫn thầy cơ, nhóm thực báo cáo học lượng kiến thức vơ q báu Đó tảng sở để nhóm thực báo cáo trở thành hệ trẻ đất nước, đóng góp cho tương lai xã hội đường nghiệp sau Nhóm thực báo cáo vô biết ơn Thầy TS Phạm Ngọc Sơn, người tận tình dạy suốt trình học tập trường vừa qua Cũng vướng mắc hay quy trình thực việc làm đề tài Thầy hướng dẫn tận tình chu đáo Trong suốt thời gian thực đồ án tốt nghiệp này, dù có nổ lực cố gắng nhiều song kiến thức khả cịn hạn chế, thời gian có hạn nên đồ án tốt nghiệp nhóm thực báo cáo khơng thể tránh khỏi thiếu sót Nhóm thực mong nhận phê bình đóng góp hướng dẫn giúp đỡ Thầy người TP Hồ Chí Minh, ngày 16 tháng 07 năm 2016 Nhóm Thực Hiện Trần Phước Báu Ngô Minh Khoa IV an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i ́ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIÊU ́ NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii PHIÊU LỜI MỞ ĐẦU iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU viii Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu đề tài 1.2 Lý chọn đề tài 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Bố cục đề tài Chương 2: THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VƠ TUYẾN 2.1 Tổng quan truyền thơng hợp tác 2.1.1 Vấn đề truyền thông vô tuyến 2.1.2 Mạng truyền thông hợp tác 2.1.3 Ưu, nhược điểm truyền thông hợp tác 2.1.3.1 Ưu điểm 2.1.3.2 Nhược điểm 2.2 Thu thập lượng (Energy Harvesting) 2.2.1 Mục đích sử dụng thu thập lượng (Energy Harvesting) 2.2.2 Các dạng thu thập lượng (Energy Harvesting) 2.2.2.1 Nguồn xạ từ môi trường xung quanh 2.2.2.2 Quang điện 2.2.2.3 Năng lượng từ xanh 2.2.3 Các thiết bị dùng để thu thập lượng (Energy Harvesting) 2.2.3.1 Tế bào quang điện 2.2.3.2 Thiết bị thu sóng vô tuyến 10 V an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2.4 Hệ thống thu thập lượng (Energy Harvesting) 11 2.3 Mơ hình kênh chuyển tiếp giao thức mạng truyền thông hợp tác 12 2.3.1 Mơ hình kênh chuyển tiếp 12 2.3.2 Các giao thức hoạt động nút chuyển tiếp 14 2.3.2.1 Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (AF) 15 2.3.2.2 Kỹ thuật giải mã chuyển tiếp (DF) 17 2.4 Mơ hình Fading Rayleigh 18 2.5 Xác suất dừng 21 2.6 Phương pháp Monte Carlo 21 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG THU THẬP NĂNG LƯỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÔ TUYẾN 23 3.1 Vấn đề đặt việc thu thập lượng mạng hợp tác vô tuyến 23 3.2 Phương pháp phân bố công suất 24 3.3 Thu thập lượng chuyển tiếp thông tin 25 3.4 Phân bố công suất theo mức khác (truyền cá nhân) 26 3.5 Phân bố công suất theo mức (cân bằng) 28 Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 32 4.1 Xây dựng mơ hình mạng hợp tác cần khảo sát 32 4.2 Hoạt động mơ hình mạng hợp tác đề xuất 33 4.2.1 Phân bố công suất theo mức khác (truyền cá nhân) 33 4.2.2 Phân bố công suất theo mức (cân bằng) 37 4.3 So sánh trường hợp xấu hai phương pháp 41 4.4 So sánh trường hợp kênh truyền ngẫu nhiên hai phương pháp 42 Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 VI an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 10 11 12 13 14 EEC CRC MIMO QoS RF DSSC RFID AF DF SNR PDF RNG AWGN BPCU Error Control Coding Cyclic Redundancy Check Multi Input Multi Output Quality of Service Radio Frequency Dye Sensitized Solar Cells Radio Frequency Identification Amplify and Forward Decode and Forward Signal to Noise Ratio Probability Density Function Random Number Generator Additive White Gaussian Noise Bit Per Channel Use Mã hóa sửa sai Mã phát lỗi Chất lượng dịch vụ Tần số sóng vô tuyến Pin lượng mặt trời Định dạng tần số sóng vơ tuyến Khuếch đại chuyển tiếp Giải mã chuyển tiếp Tỉ số tín hiệu nhiễu Hàm mật độ xác suất Nguồn phát số ngẫu nhiên Nhiễu Gauss trắng cộng Số Bit kênh truyền VII an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Hình 1.1 Mơ hình truyền thơng hợp tác thông tin vô tuyến mở rộng vùng phủ Hình 2.1 Mạng truyền thơng hợp tác Hình 2.2 Sự khác biệt mơ hình truyền thơng trực tiếp truyền thông hợp tác, mở rộng phạm vi truyền chuyển tiếp hợp tác Hình 2.3 Hệ thống chuyển đổi lượng mặt trời sang điện Hình 2.4 Hệ thống sử dụng lượng thu thập từ RF Hình 2.5 Hệ thống Energy Harvesting phát triển dành cho WSNs Hình 2.6 Sơ đồ khối energy havesting dành cho mạng cảm biến vơ tuyến Hình 2.7 Mơ hình mạng mơ tả kỹ thuật chuyển tiếp cố định Hình 2.8 Mạng truyền thơng hợp tác sử dụng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp AF Hình 2.9 Mạng truyền thông hợp tác sử dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp DF Hình 2.10 Tín hiệu đa đường Hình 2.11 Fading Rayleigh thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900Mhz) Hình 2.12 Hàm mật độ xác suất phân bố Rayleigh Hình 2.13 Nguyên tắc hoạt động phương pháp mơ Monte Carlo Hình 4.1 Mơ hình mạng hợp tác với relay người dùng Hình 4.2 Mơ hình mạng hợp tác với relay 20 người dùng Hình 4.3 Mơ hình cho trường hợp ngẫu nhiên phương pháp thứ với M=5 Hình 4.4 Kết mơ phân tích phương pháp phân bố cơng suất theo mức khác (truyền cá nhân) với R=2BPCU, η = 1, M = M =20 Hình 4.5 Trường hợp ngẫu nhiên phương pháp phương pháp phân bố công suất theo mức (cân bằng) với M=5 Hình 4.6 Trường hợp tốt xấu phương pháp phương pháp phân bố công suất theo mức (cân bằng) với M=5 Hình 4.7 Kết mơ phân tích phương pháp t phương pháp phân bố công suất theo mức (cân bằng) với R=2BPCU η = Hình 4.8 Kết so sánh hai phương pháp trường hợp kênh truyền xấu với M=20, R = 0.5BPCU η=1; η=0.1 Hình 4.9 Kết so sánh hai phương pháp trường hợp kênh truyền ngẫu nhiên với M=20, R=0.5BPCU η=1; η=0.1 Bảng 2.1 Sự phân bố lũy tích phân bố Rayleigh VIII an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Từ biến đổi trên, xác suất dừng phân tích thành: 𝑛 𝑀 𝒫𝑖,𝐼𝐼 𝑏𝑛 𝑏𝑛 =∑ ∗ ((𝑛 − 1)! − ∗ ( ) ∗ 𝐾𝑛 (2 ∗ √ )) (𝑛 − 1)! 𝑃 𝑃 𝑛=1 (𝑀−1)! ∗ (𝑛−1)!∗(𝑀−𝑛)! ∗ 𝑒 −𝑛∗𝜖 ∗ (1 − 𝑒 −𝜖 )𝑀−𝑛 + (1 − 𝑒 −𝜖 ) (3.22) Dựa vào định lý 1, xác suất dừng tốt xấu M số người dùng đạt phương pháp phân bố công suất theo mức (cân bằng) theo sau 𝑀 𝒫𝑏𝑒𝑠𝑡 = ∑ 𝑛=1 𝑀! ∗ (1 − 𝑒 −𝜖 )𝑀−𝑛 𝑛! ∗ (𝑀 − 𝑛)! ∞ ∗ ∫𝑛∗𝜖 (1 −𝑦 −𝑒 − 𝑛 𝑏𝑛 𝑃∗𝑦−𝑛∗𝑎 ) ∗ (𝑛−1)! ∗ (𝑦 − 𝑛 ∗ 𝜖)𝑛−1 ∗ 𝑑𝑦 + (1 − 𝑒 −𝜖 )𝑀 𝑒 𝑀 𝒫𝑤𝑜𝑟𝑠𝑡 = ∑ 𝑛=1 (3.23) 𝑀! ∗ (1 − 𝑒 −𝜖 )𝑀−𝑛 𝑛! ∗ (𝑀 − 𝑛)! ∞ ∗ ∫𝑛∗𝜖 (1 − 𝑒 − 𝑏𝑛 ∗𝑛 𝑃∗𝑦−𝑛∗𝑎 ) ∗ (𝑛−1)! ∗ (𝑦 − 𝑛 ∗ 𝜖)𝑛−1 ∗ 𝑒 −𝑦 𝑑𝑦 +(1 − 𝑒 −𝜖 )𝑀 (3.24) Chứng minh hai trường hợp tốt xấu thực sau.Giả sử có N nguồn gửi liệu đến relay Trong số lượng N người dùng này, kênh truyền relay - đích đến xác định từ g(1) ≤ … ≤ g(N), xác suất dừng tốt xác định sau 𝑃𝑟 𝑁 𝒫𝑏𝑒𝑠𝑡 = ∑𝑀 𝑛=1 𝑃𝑟 ( ∗ log (1 + 𝑃𝑟 𝑁 𝒫𝑤𝑜𝑟𝑠𝑡 = ∑𝑀 𝑛=1 𝑃𝑟 ( ∗ log (1 + ∗ |𝑔(𝑁) | ) < 𝑅, 𝑁 = 𝑛) + 𝑃𝑟(𝑁 = 0) ∗ |𝑔(1) | ) < 𝑅, 𝑁 = 𝑛) + 𝑃𝑟(𝑁 = 0) (3.25) (3.26) Áp dụng hàm mật độ ∑𝑛𝑖=1|ℎ𝑛𝑖 |2 công thức (3.21) chứng minh định lý 1, xác suất dừng tốt biểu diễn công thức (3.23) Chứng minh tương tự với trường hợp xác suất dừng xấu có cơng thức (3.24) 31 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 4.1 Xây dựng mơ hình mạng hợp tác cần khảo sát Hình 4.1 Mơ hình mạng hợp tác với relay người dùng Hình 4.2 Mơ hình mạng hợp tác với relay 20 người dùng 32 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Mơ hình mạng hợp tác nghiên cứu đồ án xây dựng với hai giá trị M khác (với M số lượng người dùng) Tương ứng với số người dùng có số nút nguồn phát thông tin tương ứng Việc nghiên cứu mô hình mạng hợp tác với giá trị M khác sử dụng relay chuyển tiếp DF để thực việc chuyển tiếp trung gian thông tin nút đích người dùng 4.2 Hoạt động mơ hình mạng hợp tác đề xuất Đồ án thực khảo sát hai phương pháp thu thập lượng phân bố công suất theo mức khác (truyền cá nhân) phân bố công suất theo mức (cân bằng) 4.2.1 Phân bố công suất theo mức khác (truyền cá nhân) Ở phương pháp thứ nhất, pha thời gian relay thực hai công việc Các nút nguồn thông tin gửi thông tin đến relay relay phải thực việc tiếp nhận thông tin Đồng thời relay thực thu thập lượng từ tín hiệu vơ tuyến từ nguồn đến đích Gọi kênh truyền từ nguồn đến relay h1, h2, h3, …, hM hi kênh truyền ngẫu nhiên chọn, với i nguồn ngẫu nhiên nguồn cho trước Giả sử công suất cho nguồn Pi = Ps, tốc độ liệu từ nguồn ngẫu nhiên thứ i đến relay xác định theo công thức (3.2): 𝑅𝑆→𝑅(𝑖) = ∗ log (1 + 𝑃𝑖 ∗ |ℎ𝑖 |2 ) Trong pha thứ hai, relay sử dụng lượng thu thập từ tín hiệu vơ tuyến để thực chuyển tiếp thông tin đến với người dùng Ở phương pháp relay thực thu thập lượng tín hiệu vơ tuyến truyền riêng từ nguồn đến relay, sau relay sử dụng lượng thu thập để thực việc chuyển tiếp thông tin từ relay đến người dùng tương ứng với nguồn gửi tin Gọi kênh truyền từ relay đến người dùng g1, g2, g3, …, gM gi kênh truyền từ relay đến người dùng thứ i cho người dùng tương ứng với nguồn gửi thông tin đến relay Năng lượng relay thu thập sau pha thứ xác định theo công thức (3.4): 𝐸𝐻,𝑖 = 𝜂 ∗ 𝑃𝑖 ∗ |ℎ𝑖 |2 ∗ 𝜃𝑖 ∗ 𝑇 Trong θi hệ số chia cơng suất, η hệ số thu thập lượng đề cập Công suất relay sử dụng để thực việc chuyển tiếp thông tin đến người dùng xác định theo công thức (3.5): 33 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 𝑃𝑟𝑖 = 𝐸𝐻,𝑖 𝑇 = 𝜂 ∗ 𝑃𝑖 ∗ |ℎ𝑖 |2 ∗ 𝜃𝑖 Việc nhận thông tin mà relay gửi đến người dùng xác định theo công thức sau: 𝑦𝑑,𝑖 = √𝑃𝑟𝑖 𝑔𝑖 𝑠𝑖 + 𝑛𝑑,𝑖 Với nd,i nhiễu người dùng thứ i Từ tốc độ liệu từ relay đến người dùng thứ i xác định theo công thức (3.6): 𝑅𝑑,𝑖 = ∗ log (1 + 𝑃𝑟𝑖 ∗ |𝑔𝑖 |2 ) Giả sử nhiễu người dùng với nhiễu relay Cơng thức tính xác suất dừng cho người dùng thứ i xác định theo công thức (3.7): 𝒫𝑖,𝐼 = 𝑃 𝑟 ( ∗ log (1 + 𝑃𝑖 ∗ |ℎ𝑖 |2 ) < 𝑅) 1 2 +𝑃𝑟 ( ∗ log (1 + 𝑃𝑖 ∗ |ℎ𝑖 |2 ) > 𝑅, ∗ log (1 + 𝑃𝑟𝑖 ∗ |ℎ𝑖 |2 ) < 𝑅) Với hi, gi, Pi, Pri định nghĩa R tốc độ định mức cho trước mà với tốc độ relay nhận thông tin từ nguồn gửi tới người dùng nhận thông tin từ relay gửi tới Hình 4.3 Mơ hình cho trường hợp ngẫu nhiên phương pháp thứ với M=5 34 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đối với hình 4.3 mô tả hoạt động hệ thống mạng phương pháp thứ với số nút nguồn M = có năm nút đích (hay người dùng) tương ứng có nút chuyển tiếp (relay) nằm cặp nút nguồn đích (hay người dùng) Xác suất dừng mơ hình tính ba trường hợp ngẫu nhiên, tốt xấu Đối với trường hợp xác định xác suất dừng trường hợp ngẫu nhiên chọn nút nguồn ngẫu nhiên, ví dụ hình 4.3 nút nguồn S2 nút đích tương ứng U2 Xác suất dừng trường hợp lại xác định hai trường hợp Trường hợp thứ relay không nhận thông tin từ nguồn S2 pha thứ Trường hợp thứ hai relay nhận thông tin từ nguồn S2 gửi đến pha thứ nhất, pha thứ hai phía nút đích U2 (người dùng) lại không nhận thông tin relay gửi đến Với phần chứng minh thực chương 3, kết phân tích phương pháp thứ (cơng thức (3.8)): 𝒫𝑖 = 𝑄1 + 𝑄2 𝑎 =1− − 𝑒 𝑃𝑖 𝑃𝑖 4∗𝑎∗𝑃𝑖 ∗√ 𝜂 ∗ 𝐾1 (√ 4∗𝑎 𝜂∗𝑃𝑖 ) Với Kn(.) hàm Bessel loại hai bậc n 35 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thực mơ phân tích Matlab cho kết sau: Hình 4.4 Kết mơ phân tích phương pháp phân bố cơng suất theo mức khác (truyền cá nhân) với R=2BPCU, η = 1, M = M =20 Kết mô phân tích thực với hệ số thu thập lượng η = Tốc độ định mức trường hợp R có giá trị R = bits per channel use (BPCU) Khoảng cách từ nút nguồn đến relay, từ relay đến tất người dùng 1m Suy hao kênh truyền Kết mô đánh giá ba trường hợp ngẫu nhiên, xấu tốt Trường hợp ngẫu nhiên thực việc chọn người dùng ngẫu nhiên đánh giá xác suất dừng người dùng Vì xét điều kiện tất kênh truyền giống phân bố cách độc lập, nút nguồn sử dụng chung trường hợp công suất truyền nên kết mô trường hợp ngẫu nhiên phương pháp khơng phụ thuộc vào giá trị M Do đó, hình 4.4 có kết cho trường hợp ngẫu nhiên Mặt khác trường hợp xấu trường hợp tốt có kết khác thay đổi giá trị M phương pháp xác định tương ứng − (1 − 𝒫𝑖 )𝑀 (𝒫𝑖 )𝑀 Như đề cập việc khảo sát hai phương pháp thực với số lượng người dùng M=5 M=20 Kết mô cho thấy với số lượng người dùng tăng xác suất dừng trường hợp cơng suất thấp nhỏ Điều 36 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP thấy rõ phần mơ trường hợp tốt nhất, với M=20 mức SNR = 15 xác suất dừng gần mức 0, cịn với M=5 xác suất dừng mức SNR = 23 Tương tự thế, trường hợp xấu với M=5 mức SNR=40 xác suất dừng khoảng 0.058, với M=20 mức SNR=40 xác suất dừng khoảng 0.0178 Điều xảy với số lượng người dùng nhiều tìm nhiều kênh truyền tốt hơn, tìm nhiều kênh truyền xấu Ưu điểm phương pháp thứ bước đầu áp dụng thành công công nghệ thu thập lượng vào mạng hợp tác vô tuyến Điều giúp giải vấn đề toán lượng, ví dụ hệ thống cảm biến có khả phát tín hiệu vơ tuyến nhằm thơng báo tình trạng thay đổi nhiệt độ, để cảm biến hoạt động cần có nguồn trì cho chúng Điều gây khó khăn việc thay nguồn cung cấp cho chúng thiết bị phân bố phạm vi rộng Tuy nhiên phương pháp có nhược điểm nó, relay thu thập lượng theo cá nhân Giả sử 𝑎 mạng hợp tác có hai nút nguồn với kênh truyền |ℎ1 |2 ≫ |ℎ2 |2 ≈ |2 𝑃2 |2 |𝑔1 ≫ |𝑔2 , relay nhận thông tin hai nút gửi tới Nhưng lượng thu thập từ tín hiệu vô tuyến kênh truyền thứ hai thấp so với kênh truyền thứ nhất, cơng suất thu thập nguồn thứ hai relay có khả (Pr2  0) Điều làm cho việc gửi thông tin từ relay đến người dùng thứ hai thất bại Do đồ án tiếp tục thực nghiên cứu phương pháp thu thập lượng thứ hai, phương pháp phân bố công suất theo mức (cân bằng) 4.2.2 Phân bố công suất theo mức (cân bằng) Ở phương pháp thứ hai, pha thời gian thứ relay thực hai công việc phát thu nhận thông tin gửi đến từ nguồn Cơng việc cịn lại thu thập lượng từ tín hiệu vơ tuyến kênh truyền từ nguồn đến relay Các kênh truyền từ nút nguồn đến relay h1, h2, h3, …, hM Các kênh truyền từ relay đến người dùng g1, g2, g3, …, gM Trong phương pháp này, relay thu thập lượng kênh truyền, nhiên relay không sử dụng lượng riêng rẻ thu thập để chuyển tiếp thông tin đến người dùng tương ứng Thay vào đó, kết thúc pha thời gian thứ nhất, lượng relay thu thập từ tín hiệu vơ tuyến kênh truyền từ nút nguồn đến relay tổng hợp lại phân Giả sử công suất phát nút nguồn có giá trị Pi =Ps, tốc độ liệu từ nút nguồn đến relay xác định công thức (3.2): 𝑅𝑆→𝑅(𝑖) = ∗ log (1 + 𝑃𝑖 ∗ |ℎ𝑖 |2 ) 37 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Vì cơng suất relay phương pháp thứ hai xác định khác với phương pháp trên, nên việc xác định nguồn gửi thông tin đến relay cần thiết Gọi N số nút nguồn gửi thông tin đến relay cách đáng tin cậy Vậy tổng cộng suất thu relay sau pha thứ xác định theo công thức (3.11): 𝑁 𝑃𝑟 = ∑ 𝜂 ∗ 𝑃𝑖 ∗ |ℎ𝑖 |2 ∗ 𝜃𝑖 𝑖=1 Với θi hệ số chia công suất, η hệ số thu thập lượng Trong pha thứ hai, relay lấy tổng công suất thu sau pha thứ chia cho số người dùng có nguồn tương ứng gửi thơng tin đến relay Sau relay dùng phần cơng suất chia để chuyển tiếp thơng tin đến với người dùng Trong phương pháp thứ hai, việc mơ phân tích thực ba trường hợp ngẫu nhiên, tốt xấu Hình 4.5 Trường hợp ngẫu nhiên phương pháp phân bố công suất theo mức (cân bằng) Đầu tiên trường hợp ngẫu nhiên, để mô trường hợp ngẫu nhiên chia số nút nguồn thành hai tập S1 S2, với S1 tập hợp nút nguồn không gửi thông tin đến relay S2 tập nút nguồn gửi thông tin đến relay Độ lớn tập S2 N Xác suất dừng xác định theo công thức (3.14): 𝑀 𝑃𝑟 𝒫𝑖 = ∑ 𝑃 𝑟 ( ∗ log (1 + ∗ |𝑔𝑖 |2 ) < 𝑅 , N = n, i ∈ 𝑆2 ) + 𝑃𝑟(𝑖 ∈ 𝑆1 ) 𝑁 𝑛=1 38 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chọn ngẫu nhiên nút nguồn i M nút nguồn, hình 4.5 Xác suất dừng hai trường hợp, trường hợp thứ nguồn i thuộc tập S1, tức nguồn i không gửi thông tin đến relay Trường hợp thứ hai nguồn i gửi thông tin đến relay, nhiên relay lại không gửi thơng tin đến với user Hình 4.6 Trường hợp tốt xấu phương pháp phân bố công suất theo mức (cân bằng) Đối với trường hợp tốt trường hợp xấu nhất, việc mô xác định sau Đầu tiên, relay xác định số nút nguồn N, ví dụ có ba nút nguồn S1, S2 S3 gửi thông tin đến relay Trong N nút nguồn có kênh truyền từ relay đến với người dùng tương ứng g(1), g(2), …, g(N) Ví dụ hình 4.6 Ở trường hợp tốt relay tổng hợp lượng thu từ tín hiệu vơ tuyến N nút nguồn đến relay pha thứ nhất, đồng thời relay nhận thơng tin từ nút nguồn truyền tới Sau đó, pha thứ hai, relay chia lượng thu từ pha thứ cho N người dùng có N nút nguồn tương ứng Xác suất dừng xác định hai trường hợp, trường hợp thứ khơng có nút nguồn gửi thông tin đến relay Trường hợp thứ hai xác định số nút nguồn gửi thông tin đến relay, nhiên pha thứ hai relay lại không chuyển tiếp thơng tin kênh truyền có độ lợi lớn Công thức xác định xác suất dừng trường hợp tốt biểu diễn theo công thức (3.25): 𝑀 𝑃𝑟 𝒫𝑏𝑒𝑠𝑡 = ∑ 𝑃𝑟 ( ∗ log (1 + ∗ |𝑔(𝑁) | ) < 𝑅, 𝑁 = 𝑛) + 𝑃𝑟(𝑁 = 0) 𝑁 𝑛=1 39 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Với trường hợp xấu nhất, relay thực công việc tương tự Relay thu thập lượng từ N nút nguồn gửi thông tin đến relay sau pha thứ Xác suất dừng trường hợp xác định khơng có nguồn gửi thông tin đến relay, N nguồn gửi thơng tin đến relay, việc chuyển thơng tin từ relay đến người dùng sử dụng kênh truyền có độ lợi nhỏ thất bại Cơng thức xác định xác suất dừng trường hợp xấu biểu diễn theo công thức (3.26): 𝑀 𝑃𝑟 𝒫𝑤𝑜𝑟𝑠𝑡 = ∑ 𝑃𝑟 ( ∗ log (1 + ∗ |𝑔(1) | ) < 𝑅, 𝑁 = 𝑛) + 𝑃𝑟(𝑁 = 0) 𝑁 𝑛=1 Phần phân tích cho hai trường hợp trình bày chương Kết thực mơ phân tích Matlab: Hình 4.7 Kết mơ phân tích phương pháp phân bố công suất theo mức (cân bằng) với R=2BPCU η = Kết mơ phân tích thực với hệ số thu thập lượng η = Tốc độ định mức R có giá trị R = bits per channel use (BPCU) Khoảng cách từ nút nguồn đến relay, từ relay đến tất người dùng 1m Suy hao kênh truyền Từ kết mô cho thấy giống với phương pháp trên, số 40 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP người dùng tăng xác suất dừng thấp trường hợp tốt xác suất dừng lớn trường hợp xấu Trường hợp tốt nhất, với M=20 xác suất dừng mức SNR = 15, với M=5 xác suất dừng mức SNR = 22 Trường hợp xấu nhất, mức SNR = 40 với M=5 xác suất vào khoảng 0.0093, với M=20 xác suất dừng vào khoảng 0.0312 Còn trường hợp ngẫu nhiên với việc thay đổi số người dùng hai kết khơng thay đổi nhiều trường hợp ngẫu nhiên đánh giá với việc lựa chọn người dùng ngẫu nhiên, mà kênh truyền mạng hợp tác thực khảo sát giả định phân bố độc lập giống Do đó, việc lựa chọn kênh truyền không thay đổi kết So sánh với phương pháp thứ nhất, phương pháp thứ hai tốt nhiều Với việc công suất relay sau thu thập chia cho kênh truyền từ relay đến người dùng thơng tin từ relay chuyển tiếp tới người dùng truyền với mức công suất nhau, điều đảm bảo cho gói tin từ relay đến với người dùng 4.3 So sánh trường hợp xấu hai phương pháp η = 0.1 η=1 Hình 4.8 Kết so sánh hai phương pháp trường hợp kênh truyền xấu với M=20, R = 0.5BPCU η=1; η=0.1 41 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Kết thực với M=20, tốc độ định mức R = 0.5BPCU Đồng thời thay đổi hệ số thu thập lượng để so sánh việc thay đổi hệ số thu thập lượng ảnh hưởng đến xác suất dừng Từ kết thấy điều kiện kênh truyền xấu với phương pháp phân bố cơng suất theo mức (cân bằng) cho kết xác suất dừng tốt so với phương pháp phân bố công suất theo mức khác (truyền cá nhân) Kết cho thấy thay đổi hệ số thu thập lượng thấp xác suất dừng tăng Điều theo công thức (3.5) (3.11) lượng thu thập relay phụ thuộc vào hệ số thu thập lượng, hệ số lớn, lượng thu thập nhiều dẫn đến công suất dùng để chuyển tiếp thông tin đến người dùng tăng xác suất dừng thấp 4.4 So sánh trường hợp kênh truyền ngẫu nhiên hai phương pháp η = 0.1 η=1 Hình 4.9 Kết so sánh hai phương pháp trường hợp kênh truyền ngẫu nhiên với M=20, R=0.5BPCU η=1; η=0.1 Kết thực với M=20, tốc độ định mức R = 0.5BPCU Đồng thời thay đổi hệ số thu thập lượng để so sánh việc thay đổi hệ số thu thập lượng ảnh hưởng đến xác suất dừng So sánh hai kết cho thấy với điều kiện kênh truyền ngẫu nhiên với phương pháp thứ hai, xác suất dừng cho kết thấp so với phương pháp thứ Việc thay đổi hệ số thu thập lượng trường hợp ảnh hưởng đến xác suất dừng trường hợp xấu 42 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong thông tin vô tuyến, phân bố công suất thu thập lượng mô hình mạng truyền thơng hợp tác vơ tuyến công nghệ đem lại nhiều ưu điểm lợi ích cho ngành viễn thông tương lai, cụ thể áp dụng hệ thống thông tin di động Các kết phân tích lý thuyết trùng với nhau, điều kết luận phân tích mơ đồ án hồn tồn xác Với hai phương pháp phân bố cơng suất thu thập lượng đề đồ án so sánh cho thấy việc nghiên cứu từ phương pháp phân bố công suất theo mức khác (truyền cá nhân) phân bố công suất theo mức (cân bằng) quy trình thực phân tích để kết cho thấy so với phương pháp thứ phương pháp thứ hai tốt nhiều Bởi việc công suất relay sau thu thập chia cho kênh truyền từ relay đến người dùng nhằm đảm bảo gói tin gửi đến người dùng cách xác đạt hiệu cao - - Hiệu phương pháp thứ hai giúp thu thập lượng hệ thống mạng truyền thông hợp tác vô tuyến có mức cơng suất kênh truyền từ relay đến người dùng Mơ hình hệ thống mạng truyền thông hợp tác vô tuyến giảm số lượng khe thời gian trung bình sử dụng để truyền liệu, hiệu phổ tăng cường có lợi Nghiên cứu đem lại kết đóng góp định việc đánh giá phân bố công suất thu thập lượng mạng truyền thông hợp tác vô tuyến Tuy nhiên, việc đánh giá chất lượng phương pháp phân bố thực với nút chuyển tiếp cố định Ngồi khơng thể biết thực tế, nút relay có ln hoạt động ổn định, xảy trường hợp rủi ro làm gián đoạn q trình chuyển tiếp gói tin đến người dùng Những nghiên cứu khảo sát gần đây, cho thấy việc sử dụng từ hai nút relay trở lên để dự phịng phân bố cơng suất nhiều relay đồng thời lúc xu hướng cần tìm hiểu hướng phát triển đề tài Bên cạnh việc thu thập lượng relay áp dụng kết hợp thêm thu thập lượng xung quanh từ bên ngồi mơi trường xung quanh Và từ sở đồ án này, triển khai thêm phân tích mở rộng thuật tốn “rót nước” (water filling) dựa hai phương pháp phân bố công suất xem xét lý thuyết trò chơi (auction game theory) 43 an ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu Tiếng Anh [1] Zhiuo Ding, Samir M Perlaza, Inaki Esnaola, H Vicent Poor, “Power Allocation Strategies In Energy Harvesting Wireless Cooperative Networks”, February 2014, IEEE Transactions on wireless communications, vol 13, no 2, pp 846 – 860 [2] L R Varshney, “Transporting information and energy simultaneously,” in Proc 2008 IEEE Int Symp Inf Theory [3] L.Liu, R.Zhang, and K.-C.Chua, “Wireless information transfer with opportunistic energy harvesting”, IEEE Trans Wireless Commun., vol 12, no 1, pp 228-300, Jan 2013 [4] P Grover and A Sahai, “Shannon meets Tesla: wireless information and power transfer”, in Proc 2010 IEEE Int Symp Inf Theory [5] X Zhou, R Zhang, and C K Ho, “Wireless information and power transfer: architecture design and rate – energy tradeoff”, IEEE Trans Commun.(submitted) [6] L Liu, R Zhang, and K C Chua, “Wireless information and power tranfer: a dynamic power splitting approach”, IEEE Trans Commun., to appear in 2013 Tài liệu Tiếng Việt [7] Trần Đình Thi, “Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Truyền Thơng Hợp Tác Cho Mạng Vơ Tuyến Có Ý Thức”, Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Đại học Công Nghệ [8] Nguyễn Quốc Điền, “Luận Văn Thạc Sĩ Đánh Giá Hiệu Năng Của Mạng Truyền Thông Cộng Tác Dưới Tác Động Của Suy Hao Phần Cứng Và Nhiễu Đồng Kênh”, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, năm 2015 [9] Đỗ Thị Minh Quế, “Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Chuyển Tiếp (Amplify And Forward) Của Hệ Thống Truyền Thông Đa Chặng”, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, năm 2013 [10] Trần Văn Hiếu, “Luận Văn Thạc Sĩ Đánh Giá Hiệu Năng Của Giao Thức Truyền Đa Chặng Cộng Tác Trong Vô Tuyến Nhận Thức Dạng Nền”, Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, năm 2014 [11] Vũ Chiến Thắng, “Mạng cảm biến không dây kiến trúc IP”, NXB KHKT, năm 2012 [12] Đặng Nguyên Phương, “Các kiến thức sở phương pháp Monte Carlo”, năm 2014 44 an an ... ÁN TỐT NGHIỆP Chương 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG THU THẬP NĂNG LƯỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÔ TUYẾN 3.1 Vấn đề đặt việc thu thập lượng mạng hợp tác vô tuyến Hiện nay, thiết bị... qua relay thu thập lượng Trong đồ án, nhóm thực đề xuất hai phương pháp thu thập lượng hai phương pháp đề cập phần 3.2 Phương pháp phân bố công suất Việc nghiên cứu thực mạng hợp tác vô tuyến sử... đề đặt việc thu thập lượng mạng hợp tác vô tuyến 23 3.2 Phương pháp phân bố công suất 24 3.3 Thu thập lượng chuyển tiếp thông tin 25 3.4 Phân bố công suất theo mức