(Đồ án hcmute) đánh giá ảnh hưởng của phần cứng không hoàn hảo đến mạng vô tuyến hợp tác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA PHẦN CỨNG KHƠNG HỒN HẢO ĐẾN MẠNG VƠ TUYẾN HỢP TÁC GVHD: TS ĐỖ ĐÌNH THUẤN SVTH: LÊ THỊ THÚY AN MSSV: 11141265 SVTH: ĐỖ ĐỨC NAM MSSV: 11141341 SKL 0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015 an BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO … ‫…ﷴ‬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA PHẦN CỨNG KHƠNG HỒN HẢO ĐẾN MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC SVTH : Lớp : Khóa : Ngành : GVHD : LÊ THỊ THÚY AN 11141265 ĐỖ ĐỨC NAM 11141341 11141CLVT 2011-2015 Công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thơng TS.ĐỖ ĐÌNH THUẤN Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015 an CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** -Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2015 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1:Lê Thị Thúy An MSSV: 11141265 ĐT:01692037450 Họ tên sinh viên 2:Đỗ Đức Nam MSSV: 11141341 ĐT:01672689995 Ngành: CN-KT Điện Tử-Truyền Thơng Lớp:11141CLVT Giảng viên hướng dẫn: TS ĐỖ ĐÌNH THUẤN Ngày nhận đề tài: 14/03/2015 Ngày nộp đề tài: 20/07/2015 1.Tên đề tài: Đánh giá ảnh hưởng phần cứng không hồn hảo đến mạng vơ tuyến hợp tác Các số liệu,tài liệu ban đầu: -Tìm hiểu kiến thức mạng không dây -Áp dụng kiến thức môn học hệ thống viễn thông chuyên sâu 3.Nội dung thực đề tài: -Tìm hiểu kiến thức mạng vơ tuyến hợp tác -Mô Matlab đánh giá ảnh hưởng nhiễu phần cứng khơng hồn hảo Sản phẩm: -Lí thuyết mạng vơ tuyến hợp tác hình ảnh mô Matlab đánh giá ảnh hưởng nhiễu phần cứng khơng hồn hảo TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN i an 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 1: Lê Thị Thúy An Họ tên Sinh viên 2: Đỗ Đức Nam Ngành: CN-KT Điện tử-Truyền Thông MSSV: 11141265 MSSV: 11141341 Tên đề tài : Đánh giá ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo đến mạng vô tuyến hợp tác Họ tên Giáo viên hướng dẫn :TS.Đỗ Đình Thuấn 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 07 năm 2015 Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng 07 năm 2015 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên 1: Lê Thị Thúy An MSSV: 11141265 Họ tên Sinh viên 2: Đỗ Đức Nam MSSV: 11141341 Ngành: CN-KT Điện tử-Truyền Thông Tên đề tài : Đánh giá ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo đến mạng vơ tuyến hợp tác 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 07 năm 2015 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii an LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành đồ án này, chúng em xin gởi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, quý Thầy Cô trường đặc biệt quý Thầy Cô khoa Điện Tử Chất Lượng Cao Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, tận tình dẫn, truyền đạt kiến thức tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em suốt trình học tập vừa qua Đặt biệt chúng em xin chân thành cảm ơn Tiến sĩ Đỗ Đình Thuấn, phó mơn điện tử viễn thông, khoa điện- điện tử, trường ĐH sư phạm kỹ thuật tận tình hướng dẫn, quan tâm theo dõi động viên thực để hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp Ngoài ra,chúng em xin gửi lời cảm ơn đến tất bạn bè khóa người thân xung quanh giúp đỡ vật chất tinh thần để chúng em đạt thành tích ngày hơm iv an LỜI MỞ ĐẦU Truyền thông vô tuyến lĩnh vực phát triển mạnh mẽ có khả ứng dụng rộng rãi Đây lý mà ngày có nhiều tác giả quan tâm đến việc thiết kế, cải tiến giao thức mạng nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn phẩm chất hệ thống Để đạt mục đích này, hướng tiếp cận truyền thông hợp tác Tuy nhiên, lĩnh vực nghiên cứu mẻ Do đó, xoay quanh vấn đề cịn có nhiều vấn đề cần phải bàn luận.Các công dụng khác mạng vô tuyến hợp tác giảm yêu cầu truyền tải điện cao, làm giảm mức nhiễu mạng, vùng phủ sóng tăng đáng kể điểm chết mạng.Nhưng lúc phần cứng ln hồn hảo để đảm bảo khơng gây nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu,đặc biệt chuyển tiếp.Ở đây,chúng em xin trình bày mạng vơ tuyến hợp tác trường hợp không nhiễu phần cứng trường hợp có nhiễu phần cứng.Đánh giá ảnh hưởng nhiễu phần cứng để có hướng phát triển v an MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iii LỜI CẢM ƠN iv LỜI MỞ ĐẦU v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH ẢNH,BIỂU ĐỒ x CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1.1.1 Sơ lược mạng không dây 1.1.3 Các dạng thiết bị thường gặp mạng WLAN 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 12 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 13 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 13 1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 13 1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 13 1.7 BỐ CỤC CỦA ĐỒ ÁN 14 CHƯƠNG 2:TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 15 2.1 GIỚI THIỆU THIỆU LÝ THUYẾT 15 2.1.2 Truyền thông hợp tác 15 2.1.3 Đánh giá hiệu suất mạng 16 2.1.4 Mạng hợp tác 19 2.2 TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 20 2.2.1 Phân bổ nguồn lựa chọn chuyển tiếp 20 2.2.2 Giao thức chuyển tiếp lượng 23 2.2.3 Hàm mũ lỗi hóa ngẫu nhiên 23 vi an 2.3 TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG 25 2.3.1 Truyền thơng chuyển tiếp dịng đa chặng 25 2.3.2 Truyền thông chuyển tiếp đa nhánh đa chặng 26 2.3.3 Cơ hội chuyển tiếp truyền thông chuyển tiếp đa chặng 27 2.4 NHIỄU TRONG TRUYỀN THÔNG 28 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 32 CHƯƠNG 3:MẠNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC 33 3.1 GIỚI THIỆU 33 3.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 34 3.3 PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT: XÁC SUẤT LỖI VÀ XÁC SUẤT DỪNG 36 3.4 HÀM MŨ LỖI 37 3.5 DUNG LƯỢNG DỪNG 41 3.6 MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỨC TẾ CỦA MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC 42 3.6.1 Lưới điện thông minh 42 3.6.2 Dùng chùm tia Laser để truyền dẫn công suất vô tuyến 43 3.6.3 Công nghệ 5G 43 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 44 CHƯƠNG 4: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC CÓ ẢNH HƯỞNG NHIỄU PHẦN CỨNG 45 4.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 45 4.2 2MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG 47 4.2.1 Thu thập lượng 47 4.2.2 Truyền dẫn lượng 48 4.2.3 Phân tích thông lượng 49 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 57 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 58 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 vii an 6.1 KẾT LUẬN 63 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt AF AWGN BEP CDF CF CSI DF DMT i.n.i.d IEEE LAN MGF MIMO MRC OP PDF Giải thích Khuếch đại chuyển tiếp Amplify and forward Additive White Gaussian Noise Bit error probability Cumulative distribution function Compress and forward Channel state information Decode and forward Diversity multiplexing tradeoff Independent and non identically distributed Institute of electrical and electronics engineers Local Area Network Moment generating function Multiple input multiple output Maximal ratio combining Outage probability Probability density Nhiễu Gauss trắng cộng Xác suất lỗi bít Hàm phân phối tích lũy Nén chuyển tiếp Thông tin trạng thái kênh Giải mã chuyển tiếp Ảnh hưởng hệ số ghép phân tập Phân bố độc lập giống Viện cơng nghệ điện điện tử Mạng máy tính cục Hàm khởi tạo Moment Đa ngõ vào đa ngõ Tổ hợp tỷ lệ cực đại Xác suất dừng Hàm mật độ xác suất viii an d /c f h  z  dz    z 0 Với z biến tích hợp, f h  z  h   z d / c az  b   cz  dz g  f h  z  1  e     dz   (A3) e z / h hàm mật độ xác suất (PDF) biến ngẫu 2 nhiên theo hàm mũ h ,  giá trị trung bình biến ngẫu nhiên theo hàm mũ h , h Fg  z   theo hàm mũ f h2  z  p g  z  1 e h 2 g g  z / g hàm phân phối tích lũy (CDF) biến ngẫu nhiên giá trị trung bình biến ngẫu nhiên theo hàm mũ Thay e z / h (A3), pout là: pout    h  e   z az  b     h cz  dz g      (A4) dz z d / c (A.4) trình bày dạng phân tích cho protcol TSR, trình bày Định luật (12) Việc tích hợp (A.4) khơng thể đơn giản Tuy nhiên, người ta áp dụng xấp xỉ SNR cao có dạng đơn giản cho pout , Tại SNR cao, yếu tố thứ tư mẫu số (10), 1    d12m d2m n2  n2  d r khơng đáng kể (vì sản phẩm hai thuật ngữ phương sai tiếng ồn) so với ba yếu 1    Ps h d1m d2m n2  , 2 Ps h g d1m tố khác mẫu 2 Ps h g d1m n2  r 2 d 2 Ps2 h g  Đơn giản ta được:  D  2 Ps h g d1m n2r   2 Ps h g d1m  1    Ps h d1m d 2m n2d  2 2 Nói cách khác, SNR cao, số b xấp xỉ 0,do b   1    d12m d2m n2  n2   Như vậy, pout (A.4) xấp xỉ d r pout   h   e  z az  b    h cz  dz g        dz (A5) z d / c Chúng ta xác định biến tích hợp x cz  d Như vậy, xác suất dừng xấp xỉ SNR cao cho bởi: 52 an  pout Với u 4a ch g d ch  e  1 ch e  x a    ch xg       1 e dx  d ch uK1  u  (A6) z 0 K1 (·) biến đổi hàm Bessel loại thứ hai [21]  dấu trước thu cách sử dụng công thức,  e   4x  x dx   K     [21, §3.324.1] Mệnh đề 1: Xác suất dừng nút đích cho giao thức TSR cho bởi: pout   h   e  z az b    h cz  dz  g        dz   e  d ch uK1 (u) (SNR cao xấp xỉ) (12a) z d / c a b Ps d1m d2m n2d   (1   ) Ps d12m d2m n2r n2d   (1   ) c 2 Ps2   2 Ps d1m d u 2 Ps d1m n2r  0 4a (4.13a) (4.13b) (4.13c) (4.13d) (4.13e) ch g  h  g giá trị trung bình biến ngẫu nhiên theo cấp số nhân h g tương ứng K1 biến đổi hàm Bessel loại thứ hai [21] Mệnh đề xuất phát từ xác suất dừng điểm đến khi chuyển tiếp lượng thu nhập từ nguồn tín hiệu sử dụng lượng thu nhập để chuyển tiếp tín hiệu nguồn đến đích Xác suất dừng, (4.12), hàm thời gian thu 53 an nhập lượng α giảm α tăng lên từ đến Điều vớit kết lớn α nhiều truyền dẫn công suất chuyển tiếp làm giảm xác suất ngắt Cho máy phát truyền dẫn R bit / sec / Hz (1-α) T / thời gian truyền dẫn hiệu từ nút nguồn đến nút đích khối thời gian T giây, thể hình (a), thông qua, điểm đến cho :  1  pout  R Trong băng thơng 1    T /  1  pout  R 1    T (4.14) trong(14) tùy thuộc vào Ps , ,  , d1 , d ,R,  n2  ,  n2  r d 2) Delay-Tolerant Transmission: Trong chế độ truyền tải triệt trễ, thông xác định cách đánh giá công suất ergodic C điểm đến Không giống chế độ truyền tải chậm trễ có giới hạn, nơi mà nguồn phát tốc độ cố định R để đáp ứng số tiêu chí dừng, nguồn truyền liệu tỷ lệ với giá trị dung lượng dừng C chế độ truyền tải chậm trễ chịu Trong thực tế, chế độ truyền triệt trễ giả định độ dài mã lớn so với thời gian khối để mã nhìn thấy tất đến thực chứng có kênh mã từ điều kiện truyền kênh trung bình Vì vậy, đạt dung lượng dừng cách truyền với tốc độ tương đương với dung lượng dừng mà không cần ứng tốc yêu cầu kiến thức thông tin trạng thái kênh nguồn nút chuyển tiếp Để tìm thấy dạng phân tích cho dung lượng, PDF  D , f   cần đánh D giá đầu tiên.PDF  D cho bởi: F D     p   D      h   e   z az b     h cz dz g         dz (B1) z d / c Với a Ps d1m d2m n2   (1   ) , b Ps d12m d2m n2  n2   (1   ) , c 2 Ps2   2 Ps d1m , d d 2 Ps d1m n2r  , u r 4a ch g d Và dấu (B1) xảy theo (11) (12a).PDF  D là: 54 an f D      h   F D    (az  b)cz  cz  dz  g z d / c e   z az b     h cz dz g         dz (B2) Sử dụng 15) PDF f   (B2), công suất ergodic C là: D  C   0       f D   log (1   )d  (az  b)cz 2  z  d / c  cz  dz  g h e   z az b    h cz dz g    (B3a)      log (1   )dzd  (B3b) (B.3b) trình bày dạng phân tích C cho giao thức TSR, trình bày Dự luật (16) Việc tích hợp (B.3b) đơn giản Tuy nhiên, người ta áp dụng xấp xỉ SNR cao, giải thích (A.4), tiếp tục đơn giản hóa biểu thức (B.3b) Như vậy, cách sử dụng (B.1), giá trị gần cho CDF  D là: F D      h  1 e Với u 4a ch g    e   z az b     h cz dz g         dz z d / c d ch uK1  u  (B4) , a ,c, d định nghĩa (B1) dấu thứ hai (B4) tương tự sử dụng (A5)-(A6).Đánh giá đạo hàm F   B4) theo  ,PDF D  D xấp xỉ: 55 an f D     u K0  u  e  d ch 2  duK1  u  e  d ch (B5)  ch Với (B5) rút từ (B4) nhờ sử dụng hàm Bessel,   d  z K  z    z K 1  z  [21, dz §8.486.18] Như vậy, cách sử dụng (B.3a) (B.5), dung lượng dừng SNR cao cho bởi:  C     (az  b)cz 0 z  d / c  cz 2  dz  g h d d    ch ch duK1 (u )e  u K (u )e    2  ch  0    e   z az b     h cz dz g         log (1   )dzd     log (1   )d  (SNR cao xấp sỉ)   (4.16a) (4.16b) Trong đó: a Ps d1m d2m n2d   (1   ) (4.17a) b Ps d12m d2m n2r n2d   (1   ) (4.17b) c 2 Ps2   2 Ps d1m d u 2 Ps d1m n2r  (4.17c) (4.17d) 4a (4.17e) ch g  h  g định nghĩa (4.12) Đề xuất bắt nguồn dung lượng dừng điểm đến chuyển tiếp thu nhập lượng từ nguồn tín hiệu sử dụng lượng thu nhập để chuyển tiếp tín hiệu nguồn đến đích Dung lượng dừng, (4.16), hàm thời gian thu nhập lượng α hàm tăng lên α tăng từ đến Điều với kết lớn 56 an α truyền tải công suất nhiều chuyển tiếp, mà tăng dung lượng dừng Mặt khác, thời gian giao tiếp hiệu nút nguồn nút đích, (1-α) T / 2, giảm cách tăng α Như vậy, τ băng thông hàm ngày cao α Cho nguồn truyền với tốc độ cố định dung lượng dừng, tức là, C bits / sec / Hz, băng thông τ điểm đến cho bởi:  Trong băng thơng 1    T / C  1    C T (4.18) trong(14) tùy thuộc vào Ps , ,  , d1 , d ,R,  n2  ,  n2  r d Lưu ý biểu thức băng thông cuối phương thức chậm trễ giới hạn việc truyền tải triệt trễ , (4.14) (4.18), tương ứng, có tính thời gian thu nhập lượng, αT phụ thuộc vào thời gian truyền thông tin hiệu quả, (1-α) T /2 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương trình bày hệ thống truyền thơng khơng dây nơi thông tin chuyển từ nút nguồn S tới nút đích D, thơng qua nút chuyển tiếp lượng hạn chế trung gian R, từ đưa giao thức thu thập lượng chuyển đổi theo thời gian (TSR).Trong chương phân tích để tìm công thức đánh giá thông lượng thu có nhiễu phần cứng phần cứng khơng hồn hảo 57 an CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG LƯU ĐỒ THUẬT TỐN TRƯỜNG HỢP XÉT KHƠNG CĨ NHIỄU PHẦN CỨNG (t=0) VÀ CÓ NHIỄU PHẦN CỨNG (t=0.05 t=0.1) Bắt đầu Khởi tạo giá trịR,Ps,d1,d2,n,m,R,z,lamda_h,la mda_g,na,nc,alpha Tính:x,nd,nr,h,g,Rh,Rg,Rh1 t=0; P++ Tính mau,tu, SNRD(p,:) p=length(alpha) S Đ Poutsimulation(p) y_simulation_dl(p) a(p),b(P),c(p)d(p),u(p) Poutanalyticapp(p) _analyticalapp_dl(p) Vẽ đồ thị thông lượng nhận theo α t=0.05 P++ Tính mau,tu, SNRD(p,:) p=length(alpha) S Đ Poutsimulation(p) y_simulation_dl(p) a(p),b(P),c(p)d(p),u(p) Poutanalyticapp(p) y_analyticalapp_dl(p) Vẽ đồ thị thông lượng nhận theo α t=0.1 P++ p=length(alpha) Đ Kết thúc S Tínhmau,tu,SNRD(p,:) Poutsimulation(p) y_simulation_dl(p) a(p),b(P),c(p)d(p),u(p) Poutanalyticapp(p) y_analyticalapp_dl(p) 58 an Vẽ đồ thị thông lượng nhận theo α TSR 0.8 Analysis Approximation Simulation 0.7 R=3 0.6 Throughput(bits/s/Hz) R=4 0.5 R=5 Delay-Limited Transmission 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9  Hình 5.1: thông lượng nhận theo  với trường hợp:Không nhiễu phần cứng (t=0), Ps=1dB, R=3/4/5, d1=d2=1 Nhận xét: Do chấp nhận tốc độ R cố định nên kết thông lượng nhận trường hợp chậm trễ có giới hạn giao thức TSR phân tích xấp xỉ lí tưởng gần Với R cao thơng lượng nhận ít,thông lượng nhận cao giai đoạn 0.25<  40dB) Ta thấy cơng suất cao độ chênh lệch thơng lượng thu nhỏ.Và thời gian  thu thông lượng tối đa sớm Như: -Ps=1dB: thông lượng max :0.05< 