(Luận văn thạc sĩ hcmute) phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG MINH ÐƠNG PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LUỢNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI THU THẬP NANG LUỢNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG MINH ĐƠNG PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI THU THẬP NĂNG LƯỢNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2018 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG MINH ĐƠNG PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI THU THẬP NĂNG LƯỢNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM NGỌC SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2018 Luan van Luan van Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Trương Minh Đơng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/06/1985 Nơi sinh: Sông Bé Quê quán: huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Số 20, tổ 2, đường 178, ấp 4A, xã Bình Mỹ huyện Củ Chi Tp Hồ Chí Minh Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0937363338 Fax: E-mail: truongminhdong2008@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: II.1 ĐẠI HỌC Hệ đào tạo: Đại học quy Thời gian đào tạo từ 9/2003 đến 5/2008 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đồ án tốt nghiệp: Khảo sát công nghệ mạng truy nhập xDSL triển khai ứng dụng mạng viễn thông Tây Ninh Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 5/2008 Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm II.2 SAU ĐẠI HỌC Hệ đào tạo: Sau đại học (Thạc Sĩ) Thời gian đào tạo từ 2/2016 đến 2/2018 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện tử Tên đồ án, luận án mơn thi tốt nghiệp: “PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI THU THẬP NĂNG LƯỢNG” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: 05/05/2018 Người hướng dẫn: TS Phạm Ngọc Sơn i Luan van III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Nơi công tác Thời gian 8/2008 -10/2008 10/2008 – đến Công ty Cổ phần kỹ thuật viễn thông Hà Nội Trường Cao đẳng công nghệ cao Đồng An ii Luan van Công việc đảm nhiệm Kỹ sư kỹ thuật Giảng viên LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2018 Học viên iii Luan van LỜI CẢM ƠN Luận văn hoàn thành thời gian quy định đạt kết mong đợi Để đạt kết này, trướ c hết xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn, thầy TS Phạm Ngọc Sơn tận tình giúp đỡ tơi q trình nghiên cứu hồn thành đề tài Kế tiếp, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tác giả số báo khoa học, học viên, nghiên cứu sinh học tập ngồi nước tận tình cung cấp tài liệu, giải thích trao đổi vấn đề liên quan đến đề tài Bên cạnh đó, xin gửi lời cảm ơn đến bạn học viên giúp đỡ, góp ý cho tơi trình nghiên cứu TP HCM, Ngày tháng năm 2018 Học viên iv Luan van ABSTRACT Harvesting wireless energy is a promising solution for energy-constrained wireless networks The thesis presents, new wireless energy harvesting protocol is proposed for an underlay cognitive relay network with the following requirements Specify the maximum transmit power at the secondary and secondary relays, the interference influence on primary user to the second relay and secondary destination and the influence of primary users to secondary networks The thesis presents a multihop cooperative communication under the influence of Rayleigh fading, and performs simulation to investigate and evaluate the system performance and throughput of system When numerous of transmitters are system network performance decreases, even though harvesting energy is larger Key word – Cognitive relay network; energy harvesting; multiple primary user transceivers v Luan van Chương 4: Mơ 4.2.2 Kết mơ Hình 4: Thông lượng hàm PI với M = 3, PUtx (0, 1)  th  0dB kiểu truyền Delay-sensitive Kết mơ hình 4.4 cho thấy thông lượng dạng Delay – sensitive phụ thuộc vào số lượng máy phát PU tx Cụ thể công suất phát nhỏ thơng lượng hệ thống cao, cơng suất phát PU tx lớn thông lượng giảm Tuy nhiên PI đạt đến mức cơng suất định điều kiện ràng buộc SS SR khơng cịn quan trọng nữa, lúc biểu thức SIR SR SD độc lập với PPutx 36 Luan van Chương 4: Mô 4.3 Truyền kiểu Delay – Tolerant 4.3.1 Mô Bắt đầu Khởi tạo thông số η , α, γth, PPUtx, N, M, path-loss PI = -10 Sai PI < 30 Đúng Tính Cerg = Cerg/104 Mẫu thử = Tính Tdt Theo (3.32) Mẫu thử < 104 Tăng PI lên Sai Đúng Tạo kênh Rayleigh h1, h2, g1,i, g2,i, f1,j, f2,j Vẽ đồ thị Kết thúc Mẫu thử tăng Tính Γ R, Γ D Sai min(ΓR,ΓD < γth) Đúng Tính Cerg theo (3.31) Hình 5: Lưu đồ giải thuật mô thông lượng kiểu truyền Delay-Tolerant 37 Luan van Chương 4: Mô 4.3.2 Kết mơ Hình 6: Thơng lượng hàm PI với M = 3, PUtx (0, 1)  th  0dB truyền dạng Delay-Tolerant Kết mơ hình 4.6 cho thấy thơng lượng dạng truyền Delay – tolerant tương tự truyền theo dạng Delay – Sensitive thay đổi công suất phát PU tx Khi công suất phát PUtx tăng thơng lượng hệ thống giảm, cơng suất phát người dùng sơ cấp tăng làm gia tăng mức tín hiệu nhiễu lên SR, SD khiến cho khả giải mã tín hiệu nhận giảm làm giảm hiệu suất hệ thống 38 Luan van Chương 4: Mơ Hình 7: Thơng lượng hàm PI với M = 3, PUtx (0, 1)  th  0dB Kết hình 4.7 cho thấy thơng lượng dạng truyền Delay – Sensitive thấp thông lượng dạng truyền Delay – tolerant Là dạng truyền Delay – Sensitive thông tin truyền với tốc độ cố định Nếu thay đổi tỉ lệ tốc độ ảnh hưởng đến xác suất dừng thông lượng hệ thống Trong dạng truyền Delay – Tolerant tốc độ truyền linh hoạt nút chuyển tiếp SS liệu chấp nhận q trình truyền thơng tin trễ 4.4 Mơ xác suất dừng theo PPUtx 4.4.1 Mô 39 Luan van Chương 4: Mô Bắt đầu Khởi tạo thông số η , α, γth, PI, N, M, path-loss PPUtx = -10 Sai PPUtx < 30 Đúng Tính OP = Ptam / 104 Mẫu thử = Vẽ đồ thị Mẫu thử < 104 Tăng PPUtx lên Sai Đúng Tạo kênh Rayleigh h1, h2, g1,i, g2,i, f1,j, f2,j Kết thúc Mẫu thử tăng Tính Γ R, Γ D Sai (ΓR, ΓD) < γth Đúng Ptam = Ptam + Hình 8: Lưu đồ giải thuật mơ xác suất dừng theo PPU 40 Luan van tx Chương 4: Mơ 4.4.2 Kết mơ Hình 9: Mô xác suất dừng hàm PPU với tx M  3,  th  10dB, PI  10dBW Hình 4.9 trình bày xác suất dừng hàm PPU ứng với vị trí khác tx máy phát PU, kết mô cho thấy sau: Xác suất dừng tăng công suất phát PU tăng cho thấy hiệu suất hệ thống giảm Điều giải thích sau, mặt cơng suất PU tăng SS SR nhận nhiều lượng dẫn đến cải thiện hiệu suất SN, mặt khác công suất phát PU tăng làm nhiễu SR SD tăng theo Hệ thống muốn hoạt động ổn định đạt hiệu suất cao đạt cân tối ưu công suất thu nhiễu gây ra, kết mô cho thấy tăng cơng suất PU nhiễu gây từ máy phát ảnh hưởng xấu nhiều lượng gia tăng thu hiệu suất tồn hệ thống giảm xuống Xác suất dừng giảm PU di chuyển gần phía SS cách xa SR SD Điều xảy máy phát PU gây nhiễu cho SR SD lượng 41 Luan van Chương 4: Mô thu thập SS gia tăng, SS SR truyền thành công thông tin với mức công suất cao nên xác suất dừng hàm PPU giảm làm gia tăng hiệu suất mạng tx Trong kết mơ hình 4.9 cho thấy tồn mức lỗi sàn PPU tx phát với mức công suất thấp lượng thu SS SR hữu hạn nên hạn chế mặt hiệu suất truyền thông tin Bên cạnh tồn lỗi sàn kết mô cho thấy tồn mức lỗi trần gia tăng công suất phát PPU lên lớn Điều xảy giới hạn công tx suất can nhiễu PI để SS SR phát với mức công suất giới hạn không làm ảnh hưởng đến xác suất dừng hệ thống Nếu PPU gia tăng đến vơ can nhiễu tăng tx đến vô xác xuất dừng theo PPU tiệm cận với tx 4.5 Mô xác suất dừng theo PPU ngưỡng ràng buộc PI thay đổi tx Hình 4.10 trình bày xác suất dừng hàm PPU giá trị PI thay đổi Vị tx trí PPU chọn có tọa độ (0, 1), kết mơ hình 4.10 tồn tx mức lỗi sàn lỗi trần hình 4.9 nhiên công suất can nhiễu PI tăng xác suất dừng hàm PPU giảm, điều mong đợi công suất can nhiễu cao tx cho phép SS SR truyền với công suất lớn dẫn đến xác suất dừng giảm nâng cao hiệu suất mạng Thông qua kết mô nhận thấy xác suất dừng hàm PPU dịch sang phải PI tăng giải thích sau: tx Khi tăng PPU cao SS SR phát cơng suất cao để bù lại tx nhiễu gây SS SR thiết bị phát PU Khi PI gia tăng ràng buộc công suất can nhiễu SS SR mở rộng SS SR phát với cơng suất cao mà khơng vượt ngưỡng công suất ràng buộc PI 42 Luan van Chương 4: Mơ Hình 10: Mơ xác suất dừng hàm PPU với M =  th  10dB tx 4.6 Mô thông lượng theo hàm PPU với hai dạng truyền Delaytx Tolerant Delay-Sensitive Trong hình 4.11 trình bày kết mô thông lượng hai dạng truyền Delay-Tolerant Delay-Sensitive theo hàm PPU có tọa độ (0, 1) với mức ngưỡng tx trần thông lượng hàm PPU Can nhiễu từ PPU ảnh hưởng bất lợi đến hiệu tx tx thông lượng thông lượng giảm PPU tăng tx Kết mô cho thấy đường cong dịch sang bên phải PI tăng, điều có tăng PI SS SR truyền với cơng suất lớn để bù lại can thiệp từ PU gây SR SD PPU tăng tx Như trình bày phần thơng lượng truyền theo dạng Delay-Tolerant trường hợp cao thông lượng truyền theo dạng Delay-Sensitive 43 Luan van Chương 4: Mô Hình 11: Thơng lượng hàm PPU với M=3,  th  0dB tx 44 Luan van Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Luận văn thực nghiên cứu vấn đề “Phân tích xác suất dừng thơng lượng mạng vô tuyến nhận thức dạng với thu thập lượng” ảnh hưởng fading Rayleigh thực mơ để phân tích đánh giá hiệu thông lượng hệ thống Bên cạnh luận văn phân tích cụ thể cơng thức sử dụng để tính tốn đưa đánh giá xác suất dừng/thông lượng mạng thứ cấp theo ngưỡng ràng buộc công suất can nhiễu, công suất phát, thời gian thu thập lượng mạng sơ cấp Kết mơ hình 4.2 cho thấy xác suất dừng đạt giá trị bảo hòa ràng buộc cơng suất can nhiễu đạt dBW điều thể SS SR phát với cơng suất cao mà can nhiễu gây ảnh hưởng đến người dùng thứ cấp Công suất can nhiễu ràng buộc PUrx tăng đến vơ lớn cơng suất phát SS SR khơng cịn bị giới hạn mức ngưỡng Do cơng suất phát SS SR phụ thuộc vào lượng mà nút thu thập Thơng lượng hệ thống phụ thuộc vào số lượng máy phát PUtx, số lượng máy phát nhiều thơng lượng giảm Hình 4.7 cho thấy thơng lượng dạng truyền Delay – Tolerant cao thông lượng dạng truyền Delay – Sensitive Hình 4.9 cho thấy PPutx(0,1) có xác suất dừng thấp PPutx(1,1), chứng tỏ máy phát PU di chuyển gần nút SS cách xa nút SR SD hiệu suất hệ thống tăng Khi cơng suất can nhiễu ràng buộc tăng hiệu suất hệ thống cải thiện công suất phát PPU tăng làm cho SS SR nhận nhiều lượng tx nên công suất cao dẫn đến hiệu suất hệ thống cải thiện 45 Luan van Chương 5: Kết luận hướng phát triển đề tài 5.2 Hướng phát triển đề tài Hướng mở rộng đề tài nghiên cứu phân tích mở rộng số lượng người dùng sơ cấp từ hữu hạn đến lớn vơ cùng, nhằm tìm số lượng người dùng tối đa mà hệ thống hoạt động với hiệu suất tối ưu Bên cạnh đó, khảo sát thông lượng hệ thống số lượng người dùng thay đổi lớn, phân tích đánh giá hiệu suất hệ thống theo thời gian thu thập lượng Ngoài hướng nghiên cứu sử dụng mơ hình ngẫu nhiên để mơ hình vị trí người dùng sơ cấp phân tích, đánh giá mối quan hệ mật độ người dùng sơ cấp hiệu suất người dùng thứ cấp 46 Luan van Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J Mitola and G Q Maguire, “Cognitive radio: Making software radios more personal,” Softw Radio Technol Sel Readings, pp 413–418, 2001 [2] S Sudevalayam and P Kulkarni, “Energy harvesting sensor nodes: Survey and implications,” IEEE Commun Surv Tutorials, vol 13, no 3, pp 443–461, 2011 [3] P Cheng, S He, F Jiang, Y Gu, and J Chen, “Optimal scheduling for quality of monitoring in wireless rechargeable sensor networks,” IEEE Trans Wirel Commun., vol 12, no 6, pp 3072–3084, 2013 [4] C Song, C Ling, J Park, and B Clerckx, “MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer: Weighted MMSE approaches,” 2014 IEEE Globecom Work GC Wkshps 2014, vol 12, no 5, pp 1151–1156, 2014 [5] L Liu, R Zhang, and K C Chua, “Wireless information transfer with opportunistic energy harvesting,” IEEE Trans Wirel Commun., vol 12, no 1, pp 288–300, 2013 [6] X Zhou, R Zhang, and C K Ho, “Wireless information and power transfer: Architecture design and rate-energy tradeoff,” IEEE Trans Commun., vol 61, no 11, pp 4754–4767, 2013 [7] A A Nasir, X Zhou, S Durrani, and R A Kennedy, “Relaying protocols for wireless energy harvesting and information processing,” IEEE Trans Wirel Commun., vol 12, no 7, pp 3622–3636, 2013 [8] K Lee and A Yener, “Outage Performance of Cognitive Wireless Relay Networks,” Commun Soc., pp 0–4, 2006 [9] J Lee, H Wang, J G Andrews, and D Hong, “Outage probability of cognitive relay networks with interference constraints,” IEEE Trans Wirel Commun., vol 10, no 2, pp 390–395, 2011 [10] T Q Duong, P L Yeoh, V N Q Bao, M Elkashlan, and N Yang, “Cognitive 47 Luan van Tài liệu tham khảo relay networks with multiple primary transceivers under spectrum-sharing,” IEEE Signal Process Lett., vol 19, no 11, pp 741–744, 2012 [11] S Lee, R Zhang, and K Huang, “Opportunistic wireless energy harvesting in cognitive radio networks,” IEEE Trans Wirel Commun., vol 12, no 9, pp 4788–4799, 2013 [12] X Lu, W Xu, S Li, J Lin, and Z He, “Simultaneous information and power transfer for relay-assisted cognitive radio networks,” 2014 IEEE Int Conf Commun Work., vol 38, no 5, pp 331–336, 2014 [13] Z Wang, Z Chen, L Luo, Z Hu, B Xia, and H Liu, “Outage Analysis of Cognitive Relay Networks with Energy Harvesting and Information Transfer,” IEEE ICC, Signal Process Commun Symp., pp 4359–4364, 2014 [14] L Sibomana, H.-J Zepernick, and H Tran, “Wireless information and power transfer in an underlay cognitive radio network,” 2014 8th Int Conf Signal Process Commun Syst., pp 1–7, 2014 [15] X Lu, P Wang, D Niyato, D I Kim, and Z Han, “Wireless networks with rf energy harvesting: A contemporary survey,” IEEE Commun Surv Tutorials, vol 17, no 2, pp 757–789, 2015 [16] Y Liu, S A Mousavifar, Y Deng, C Leung, and M Elkashlan, “Wireless Energy Harvesting in a Cognitive Relay Network,” IEEE Trans Wirel Commun., vol 15, no 4, pp 2498–2508, 2016 [17] S Singh, S Modem, and S Prakriya, “Optimization of Cognitive Two-Way Networks with Energy Harvesting Relays,” IEEE Commun Lett., vol 21, no 6, pp 1381–1384, 2017 [18] N H Ph and M Lu, “Phân tích hiệu mạng vơ tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập lượng,” 2017 [19] I S Gradshteĭn and I M Ryzhik, Table of Integrals, Series, And Products (Google eBook), vol 1, no 11 2007 [20] A Goldsmith, “Wireless communications,” 9780521837, pp 1–644, 2005 48 Luan van Wirel Commun., vol Tài liệu tham khảo [21] Y Kun, H Vina, H Noi, and V Nam, “Đánh giá hiệu giao thứ c truyền đa chặng cộng tác vô tuyến nhận thức dạng nền,” no NOVEMBER 2014, 2016 [22] Y Han, S H Ting, and A Pandharipande, “Secondary User Selection,” IEEE Trans Wirel Commun., vol 9, no 9, pp 2914–2923, 2010 [23] T L Thanh, V Nguyen, and Q Bao, “Outage Performance with Selection Decode and Forward in Cognitive Radio with Imperfect CSI,” no October 2015, pp 156–161, 2014 [24] T T Duy and H Y Kong, “On performance evaluation of hybrid decodeamplify-forward relaying protocol with partial relay selection in underlay cognitive networks,” J Commun Networks, vol 16, no 5, pp 502–511, 2014 [25] P L Yeoh, M Elkashlan, K J Kim, T Q Duong, and G K Karagiannidis, “Transmit antenna selection in cognitive MIMO relaying with multiple primary transceivers,” IEEE Trans Veh Technol., vol 65, no 1, pp 483–489, 2016 [26] E Biglieri, J Proakis, and S Shamai, “Fading channels: Information-theoretic and communications aspects,” IEEE Trans Inf Theory, vol 44, no 6, pp 2619–2692, 1998 49 Luan van S K L 0 Luan van ... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THU? ??T THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG MINH ĐƠNG PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI THU THẬP NĂNG... hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập lượng bao gồm mạng sơ cấp thứ cấp, phân tích đánh giá hiệu mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập lượng thông qua xác suất dừng sử dụng giao thức phân. .. công suất để thu thập lượng truyền thông tin Từ nghiên cứu luận văn chọn nghiên cứu vấn đề ? ?Phân tích xác suất dừng thơng lượng mạng vô tuyến nhận thức dạng với thu thập lượng? ?? Phân tích cơng suất