Nghiên cứu giải pháp phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến

1 BỘTHƠNGTINVÀTRUYỀNTHƠNG HỌCVIỆNCƠNGNGHỆBƢUCHÍNHVIỄNTHƠNG NGUYỄNANH TUẤN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁHIỆUNĂNGHỆTHỐNGTHƠNGTINVƠTUYẾNTHẾHỆMỚI SỬ DỤNGKỸTHUẬT THU THẬP NĂNGLƢỢNGVƠTUYẾN LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT HàNội-2020 BỘTHƠNGTIN VÀTRUYỀNTHƠNG HỌCVIỆNCƠNGNGHỆBƢUCHÍNHVIỄNTHƠNG - NGUYỄNANH TUẤN NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆUNĂNGHỆTHỐNGTHƠNGTINVƠTUYẾNTHẾHỆ MỚISỬDỤNGKỸTHUẬTTHUTHẬPNĂNGLƢỢNG VƠTUYẾN LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT CHUNNGÀNH:Kỹthuậtviễnthơng MÃSỐ: 9.52.02.08 NGƢỜIHƢỚNGDẪNKHOAHỌC: PGS.TS.VõNguyễnQuốc Bảo TS.TrƣơngTrungKiên HàNội -2020 LỜICAMĐOAN Nghiên cứu sinh xin cam đoan nội dung nghiên cứu trình bày trongLuận án cơng trình nghiên cứu nghiên cứu sinh dƣới hƣớng dẫn cácgiáo viên hƣớng dẫn Các số liệu, kết trình bày luận án hoàn toàn trungthực chƣa đƣợc công bố tác giả hay cơng trình trƣớcđây.Cáckếtquảsửdụngđềuđãđƣợctríchdẫnvàtrìnhbàytheođúngquyđịnh HàNội,ngày tháng năm2020 Tácgiả NguyễnAnhTuấn LỜI CẢMƠN Trong trình nghiên cứu, nghiên cứu sinh nhận đƣợc nhiều giúp đỡquýgiá.Đ ầ u t i ê n , n g h i ê n c ứ u s i n h x i n g i l i c ả m n s â u s ắ c t i P G S T S VõNguyễnQuốcBảovàTS.TrƣơngTrungKiênđãhƣớngdẫn,địnhhƣớngnghi êncứukhoahọc,giúpđỡtácgiảtrongqtrìnhnghiêncứuvàhồnthànhLuậnán.Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thành viên PhịngThínghiệmthơngtinvơtuyến- HọcviệnCơngnghệbƣuchínhviễnthơngđãgópýkhoahọcchonộidungluậnán Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn tới Lãnh đạo Học viện công nghệ bƣuchính viễn thơng, Hội đồng khoa học, Hội đồng Tiến sĩ, Khoa Quốc tế đào tạosau đại học, Khoa Viễn thơng- Học viện Cơng nghệ bƣu viễn thơng tạođiềukiệnthuậnlợicho tácgiảhoànthànhluậnánnày Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp lnủnghộ,độngviên, chiasẻ,giúpđỡtácgiảhoànthànhluậnán HàNội,Ngàyt h n g năm2020 Tácgiả NguyễnAnhTuấn MỤCLỤC LỜICAMĐOAN .i LỜICẢMƠN ii DANHMỤCCÁCTỪVIẾTTẮT v DANHMỤCHÌNHVẼ vii DANHMỤCKÝ HIỆUTOÁNHỌC ix MỞĐẦU CHƢƠNG1.TỔNGQUANNHỮNGVẤNĐỀCHUNG .6 1.1 Hệthốngvôtuyến chuyểntiếp 1.2 Mơhìnhtốn họckênhtruyền Nakagami-m 1.3 Xácsuấtdừnghệthốngvôtuyến 1.4 Tổngquankỹthuậtthuthậpnănglƣợngvôtuyến 1.4.1 Kiếntrúcvậtlýmáythunănglƣợngvôtuyến 10 1.4.2 Nguồnnănglƣợngvôtuyến 12 1.4.3 Giaothứcthunhậnnănglƣợngtrongmạngchuyểntiếp 12 1.5 Tổngquantìnhhìnhnghiêncứuvềkỹthuậtthuthậpnănglƣợng 16 1.6 Nhữngnghiêncứuliênquanvàhƣớngnghiêncứucủaluậnán .17 1.7 Kếtluậnchƣơng .20 CHƢƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾNCHUYỂN TIẾP MỘT CHIỀU SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNGLƢỢNG 21 2.1 Giớithiệu .21 2.2 Phân tích hiệu hệ thống vô tuyến chuyển tiếp chiều với kênh truyềnƣớclƣợngkhơnghồnhảo 22 2.2.1 Mơ hìnhhệthống 23 2.2.2 Phântíchxácsuấtdừnghệthống 28 2.2.3 Kết quảmơ phỏngvàphântích 31 2.3 Phân tích hiệunăng hệ thốngvơ tuyến chuyển tiếpmột chiềusửdụng kỹthuậtđaanten 33 2.3.1 Mơ hìnhhệthống 34 2.3.2 Phântíchhiệunănghệ thống .36 2.3.3 Kết quảmơ phỏngvàphântích 41 2.4 Hệthốngvôtuyến chuyểntiếp mộtchiều songcông 45 2.4.1 Mơ hìnhhệthống 46 2.4.2 Phântíchhiệunănghệ thống .49 2.4.3 Kết quảmơ phỏngvàphântích 51 2.5 Kếtluậnchƣơng .54 CHƢƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG VƠ TUYẾNCHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNGLƢỢNGVÔTUYẾN .56 3.1 Giớithiệu .56 3.2 HệthốngchuyểntiếphaichiềuvớikênhtruyềnfadingRayleigh 57 3.2.2 Mơ hìnhhệthống 57 3.2.3 Phântíchhiệunănghệ thống .59 3.2.4 Kết quảmơ phỏngvàphântích 62 3.3 Hệthốngchuyểntiếphaichiều vớikênhtruyềnNakagami-m .67 3.3.1 Phântíchxácsuấtdừnghệthống 68 3.3.2 Kết quảmơ phỏngvàphântích 70 3.4 Kếtluậnchƣơng .72 CHƢƠNG PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG THÔNG TINVÔ TUYẾN NHẬN THỨC SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNG LƢỢNGVÔTUYẾN 74 4.1 Giớithiệu .74 4.2 Mơhìnhhệ thống 76 4.3 Phântíchhiệu nănghệthốngthứcấp 79 4.4 Kếtquảmơphỏng vàphântích 86 4.5 Kếtluậnchƣơng .90 KẾTLUẬNVÀHƢỚNGNGHIÊNCỨUTIẾPTHEO .92 DANHMỤCCÁCCƠNGTRÌNHCƠNGBỐ 97 TÀILIỆU THAMKHẢO .98 DANHMỤCCÁCTỪVIẾTTẮT AF AmplifyandForward Khuếchđạivàchuyểntiếp AWGN Additive WhiteGaussianNoise Nhiễutrắng Gausscộngtính BER BitErrorRate Tỉlệlỗibit CDF Cumulativedistributionfunction Hàmphânbốxácsuấttích lũy CMN ConventionalMultihopNetwork Mạngtruyềnthơng đa chặngtruyềnthống CR Cognitiveradio Vôtuyếnnhậnthức CSI ChannelStateInformation Thôngtin trạngtháikênh DF Decode-and-Forward Giảimãvàchuyểntiếp DT DirectTransmission Truyềntrựctiếp EH EnergyHarvesting Thuthậpnănglƣợng FD FullDuplex Songcông HP HaftDuplex Đơncông IoT InternetofThings Kếtnốivạnvật MIMO MultipleInputMultipleOutput Nhiềuđầu vàonhiềuđầura MRC MaximalRatioCombining Kếthợptỷsốcựcđại OP OutageProbability Xácsuấtdừnghệthống PB PowerBeacon Nguồnnănglƣợngngoài PDF ProbabilityDensityFunction Hàmmậtđộphânbốxácsuất PS PowerSplitting Phânchiatheocôngsuất PSK PhaseShiftKeying Điềuchếpha PT PrimaryTransmitter Máyphátsơcấp PU PrimaryUser Máythu sơ cấp SE SpectralEfficiency Hiệusuấtphổtần SER SymbolErrorRate Tỷlệlỗisymbol SI Self-Interference Nhiễunội SIC Self-InterferenceCancellation Loạibỏnhiễunội SNR Signal-to-NoiseRatio Tỷsốcơngsuấttínhiệutrêncơngsuấtn hiễu RF RadioFrequency Tầnsốvơtuyến RSI ResidualSelf-Interference Nhiễunộidơidƣ TAS TransmitAntenna Selection Lựachọnăngtenphát TS TimeSwitching Phânchiatheothờigian WPT WirelessPower Transfer Truyềnnănglƣợngvôtuyến DANHMỤC HÌNHVẼ Hình1.1.M hìnhhệthốngvơtuyếnchuyểntiếp mộtnútchuyển tiếp .7 Hình1.2.M hìnhhệthốngchuyểntiếpnhiều nútchuyển tiếp .7 Hình1.3.Mơhìnhtruyềnvàthuthậpnănglƣợngvơtuyến 10 Hình1.4.Sơđồkhốithiếtbịthuthậpnănglƣợngvơtuyến .11 Hình1.5.Giaothứcthuthậpnănglƣợngtheothờigian 13 Hình1.6 Mơhình máythusử dụng giaothứcphânchiatheothờigian 13 Hình1.7.Giaothứcphânchiatheongƣỡngcơngsuất .14 Hình1.8 Mơhình máythuvớikỹthuật phânchiatheocơngsuất 15 Hình2.1 Mơhìnhhệthốngchuyểntiếptruyềngiatăng 24 Hình2.2 Xácsuất dừnghệthống theotỷsốtín hiệutrênnhiễu .31 Hình 2.3 Ảnh hƣởng củalên xác suất dừng hệ thống TS vàlên xác suất dừnghệthốngPS .32 Hìnhìnhnh2.4 4.Sosánhánhnhxácánhcsánhuấtất tdừngất nghất thất ngTSvàPSvất igiánhtấttấtiất uấtcất v  33 Hình2.5 Mơhìnhlựachọnnútchuyểntiếptừngphần 34 Hình2.6 Khung thời giantruyền bánsongcơng .36 Hình2.7 Miềntíchphâncủacơngthức2.45 .38 Hình2.8.Sosánhkỹthuậtxấpxỉđềxuấtvàkỹthuậtxấp xỉtruyềnthống 42 Hình2.9.Tỷsốxácsuấtdừngxấpxỉvàxácsuấtdừngmơphỏng 43 Hình 2.10 Xác suất dừng theo hệ số thời gian thu thập lƣợng với trƣờnghợptỷsốtínhiệu nhiễukhácnhau .43 Hình 2.11 Xác suất dừng hệ thống theo hệ số thời gian thu thập lƣợng với cấuhìnhnútnguồnvànút đíchkhácnhau 44 Hình 2.12 Xác suất dừng hệ thống theo tỷ số tín hiệu nhiễu với cấu hìnhkhácnhaucủanútnguồnvànútđích .45 Hình2.13.Mơhìnhhệthốngchuyểntiếpsongcơngthuthậpnănglƣợng 46 Hình2.14.KhảosátOPtheoSNRvớithamsốphađinhmkhácnhau 51 Hình2.15.KhảosátảnhhƣởngcủaSICtớihiệunănghệthống 52 Hình2.16.KhảosátảnhhƣởngcủamđếngiátrịOPcủahệthốngkhiSNR=15dB 53 Hình2.17.KhảosátOP theoαkhithaykhithayđổiSNRcủa hệthống 54 Hình 3.1 Hệ thống chuyển tiếp hai chiều thu thập lƣợng sử dụng kỹ thuậtchuyểntiếp DFvới mộtnguồnphátnănglƣợng 57 Hình3.2.Khảosátxác suấtdừnghệthốngtheo PPB 63 Hình3.3.Khảosátxácsuấtdừnghệthốngtheoαkhithay 63 Hình3.4.XácsuấtdừnghệthốngtheoPPB:ảnhhƣởngcủavịtríPB 64 Hình3.5 Xácsuất dừnghệthống theoαkhithay:ảnhhƣởngcủavịtríPB 65 Hình3.6 Xácsuất dừnghệthống theoPPB:ảnhhƣởngcủavịtríR 66 Hình3.7 Xácsuấtdừnghệthốngtheo: ảnhhƣởngcủavịtríR .67 Hình3.8.KhảosátảnhhƣởnghệsốkênhtruyềnNakagami-mtới OP .71 Hình3.9 Khảosátảnh hƣởnghệsốαkhithaytớiOPkhithayđổigiátrịm 71 Hình3.10 KhảosátảnhhƣởnggiátrịαkhithaytớiOPkhithayđổigiátrịSNR 72 Hình4.1.M hìnhhệthốngvơtuyếnnhậnthứcthuthậpnănglƣợngvơtuyến 76 Hình4.2.Xácsuấtdừng hệthốngtheoP T vàP B 87 Hình4.3.XácsuấtdừnghệthốngtheoIp(dB) .88 Hình4.4.Xácsuấtdừnghệthốngtheohệsốαkhithay .89 Hình4.5.Xácsuất dừnghệthốngtheovịtrícủaPBvàPT .90