Nghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng

Nghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng

-

NGUYỄN ĐĂNG QUANG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN GIA TĂNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THU THẬP NĂNG LƯỢNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

-

NGUYỄN ĐĂNG QUANG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN GIA TĂNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THU THẬP NĂNG LƯỢNG

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô công tác tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, những người đã truyền đạt các kiến thức quý báo, các phương pháp nghiên cứu cho tôi trong thời gian học tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông

Tôi xin chân thành cám ơn Thầy PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo đã trực

tiếp hướng dẫn khoa học để tôi hoàn thành tốt luận văn này

Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, cùng với bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn

TP.HCM, ngày 5 tháng 7 năm 2016

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đăng Quang

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP.HCM, ngày 5 tháng 7 năm 2016

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đăng Quang

MỤC LỤC

Lời cảm ơn i

Lời cam đoan ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt vi

Danh mục các hình viii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG 2

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 2

1.2 Tổng quan mạng thu thập năng lượng 3

1.3 Các phương pháp thu thập năng lượng 4

1.3.1 Thu thập sử dụng (HU) 4

1.3.2 Thu thập lưu trữ sử dụng (HSU) 4

1.3.3 Thu thập sử dụng lưu trữ (HUS) 4

1.4 Mạng truyền thông hợp tác truyền gia tăng 5

1.5 Kết luận 6

Chương 2 - KỸ THUẬT TRUYỀN GIA TĂNG SỬ DỤNG MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG 8

2.1 Mô hình hệ thống 8

2.1.1 Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật truyền thông cộng tác gia tăng 8

2.1.2 Mô hình sử dụng kỹ thuật SSC (Switch and Stay Combining) 9

2.2 Kỹ thuật chuyển tiếp tín hiệu 10

2.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) 11

2.2.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) 13

2.3 Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp 14

2.3.1 Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần 14

2.3.2 Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần 15

2.4 Kỹ thuật phân tập thu 16

2.4.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SelectionCombining) 18

2.4.2 Kỹ thuật kết hợp tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combining) 19

2.5 Kỹ thuật phân chia năng lượng 21

2.5.1 Phương pháp phân chia năng lượng theo thời gian 21

2.5.2 Phương pháp phân chia năng lượng theo công suất 24

2.6 Phân tích và đánh giá hiệu năng hệ thống 28

2.6.1 Phân tích xác suất dừng mô hình truyền thông cộng tác gia tăng 31

2.6.1.1 Xét mô hình một nút chuyển tiếp 31 2.6.1.1.1Mô hình một nút chuyển tiếp, nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SC) 31 2.6.1.1.2Mô hình một nút chuyển tiếp, nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp tỷ số tối đa (MRC) 33 2.6.1.2 Mô hình hệ thống sử dụng nhiều nút chuyển tiếp 36 2.6.1.2.1Mô hình hệ thống nhiều nút chuyển tiếp, nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp lựa chọn(SC) 37 2.6.1.2.2Mô hình hệ thống nhiều nút chuyển tiếp, nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp tỷ số tối đa (MRC) 38 2.6.2 Phân tích xác suất dừng mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật SSC 41

2.7 So sánh hiệu năng hoạt động của mô hình truyền thông cộng tác tăng cường với các mô hình khác 48

2.7.1 Mô hình truyền thông cộng tác thông thường 48

2.7.2 Mô hình chuyển tiếp hai chặng 48

2.7.3 Mô hình truyền trực tiếp 49

2.8 Số khe thời gian sử dụng trung bình 50

2.9 Kết luận chương 50

Chương 3 - MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 51

Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 61

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 62

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp

HSU Harvest-store-use Thu thập lưu trữ sử dụng

HUS Harvest-use-store Thu thập sử dụng lưu trữ

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân bố xác suất tích lũy

PDF Probability Density Function Hàm mật độ phân bố xác suất SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tính hiệu trên nhiễu

SC Selection Combining Kết hợp lựa chọn

MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất

OP Outage Probability Xác suất dừng MIMO Multi-Input Multi-Output

ACK Acknowledgement

NACK Negative Acknowledgement

SSC Swith and Stay Combining

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.Mô hình thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến 4

Hình 2.1.Mô hình truyền thông cộng tác gia tăng 8

Hình 2.2.Các giai đoạn cộng tác trong mạng chuyển tiếp gia tăng 9

Hình 2.3 Mô hình kỹ thuật SSC 10

Hình 2.4 Mô hình kênh truyền ba đầu cuối 11

Hình 2.5 Mô hình nút chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp 11

Hình 2.6 Mô hình giải mã và chuyền tiếp 14

Hình 2.7 Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần trênh kênh S-R 15

Hình 2.8 Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần 16

Hình 2.9.Bộ phân tập thu tuyến tính[54] 17

Hình 2.10 Kỹ thuật SC 18

Hình 2.11 Kỹ thuật MRC 19

Hình 2.12 Kỹ thuật phân chia năng lượng theo thời gian tại nút chuyển tiếp 21

Hình 2.13 Quá trình thu thập và phân chia năng lượng theo thời gian ở nút chuyển tiếp 22

Hình 2.14 Kỹ thuật phân chia năng lượng theo công suất tại nút chuyển tiếp 25

Hình 2.15.Quá trình thu thập và phân chia năng lượng theo công suất ở nút chuyển tiếp 25

Hình 2.16 Mô hình truyền trực tiếp 49

Hình 3.1 Xác suất dừng mô hình 1 nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật TS, D sử dụng kỹ thuật SC: th  4;d sr  0.4;d rd  0.6; 0.25 52

Hình 3.2 Xác suất dừng mô hình 1 nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật SP, D sử dụng kỹ thuật SC với các giá trị   4; 0.25; 1 53

Hình 3.3 Xác suất dừng của hệ thống khi cùng một công suất phát ở nút R trong hai kỹ thuật phân chia năng lượng khác nhau Với các giá trị   0.2;th  4; 0.25

54Hình 3.4 Xác suất dừng mô hình nhiều chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật TS, D sử dụng kỹ thuật SC: th  4;  0.25; 0.2 55Hình 3.5 Xác suất dừng mô hình nhiều chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật PS, D sử dụng kỹ thuật SC: th  4; 0.25; 1;  0.2 55Hình 3.6 Xác suất dừng mô hình một nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật TS, D sử dụng kỹ thuật MRC: th  4; 0.2; 0.25 56Hình 3.7 Xác suất dừng mô hình một nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật PS, D sử dụng kỹ thuật MRC với các giá trị th  4;  0.2;  0.25 56Hình 3.8 Xác suất dừng mô hình nhiều nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật TS, D

sử dụng kỹ thuật MRC:   0.2;  0.25;th  4 57Hình 3.9 Xác suất dừng mô hình nhiều nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật PS, D

sử dụng kỹ thuật MRC:   0.2; 0.25; 1;th  8 57

Hình 3.10 Xác suất dừng mô hình kỹ thuật SSC nút R dùng kỹ thuật phân chia năng lượng theo thời gian với các giá trị  0.25;C th  2; 0.1 58Hình 3.11 Xác suất dừng mô hình SSC, nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân chia năng lượng theo công suất với các giá trị;  0.2; 1;C th  2;  0.25 58Hình 3.12 Số khe thời gian sử dụng trong kỹ thuật truyền thông cộng tác gia tăng với các giá trị: th  2, 4,8 59Hình 3.13 Xác suất dừng của các mô hình khác nhau, với các giá trị:

      60

MỞ ĐẦU

Truyền thông vô tuyến là lĩnh vực đang được phát triển mạnh mẽ và có khả năng ứng dụng rộng rãi Đây cũng là lý do ngày càng có nhiều tác giả quan tâm đến việc thiết kế, cải tiến các giao thứ mạng nhằm nâng cao chất lượng hoạt động Để đạt được vấn đề này, hướng đi mới là truyền thông cộng tác

Trong mạng truyền thông cộng tác, các thiết bị đầu cuối chia sẻ anten với nhau để tạo thành một chuỗi anten ảo Điều này giúp mạng truyền thông cộng tác có được độ lợi phân tập cao mà không cần phải trang bị nhiều anten Truyền thông cộng tác giải quyết được vấn đề hiệu năng của hệ thống, nhưng số khe thời gian luôn sử dụng là 2 Điều này làm giảm hiệu quả phổ kém đi một nữa khi so sánh với

mô hình truyền trực tiếp giữa hai nút nguồn và đích Gần đây truyền thông cộng tác gia tăng đã được đề xuất để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ trong các mô hình

truyền thông cộng tác

Thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến là một hướng nghiên cứu mới trong các hệ thống viễn thông Trạm nguồn sẻ truyền đi đồng thời dữ liệu và năng lượng đến các thiết bị chuyển tiếp Điều này làm tăng thời gian và hiệu quả hoạt động hệ thống vô tuyến

Luân văn tập trung nghiên cứu vấn đề kết hợp giữa hai kỹ thuật thu thập năng lượng và kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến Luận văn sẽ được chia thành các chương như sau:

- Chương 1: tổng quan về mạng thu thập năng lượng

- Chương 2: kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng thu thập năng lượng

- Chương 3: mô phỏng và đánh giá

- Chương 4 : kết luận

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀMẠNG THU THẬP

NĂNG LƯỢNG

Trong vài năm gần đây, truyền thông hợp tác là một hướng nghiên cứu ở lớp vật lý cho phép các nút mạng đơn anten hợp tác với nhau hình thành nên mạng MIMO ảo để cung cấp độ lợp phân tập [1, 2] Ưu điểm của truyền thông hợp tác so với hệ thống truyền trực tiếp là:

- Mở rộng vùng phủ sóng

- Cải thiện hiệu năng của hệ thống

Bên cạnh đó, độ lợi phân tập của hệ thống truyền thông hợp tác sẽ tỷ lệ với

số lượng nút chuyển tiếp tham gia vào quá trình hợp tác [3]

Mô hình cơ bản của truyền thông hợp tác gồm ba nút: nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích Cho đến nay, truyền thông hợp tác có ba giao thức cơ bản: truyền

cố định, truyền lựa chọn và truyền gia tăng [4-6] Trong ba giao thức trên, truyền gia tăng có ưu điểm là cải thiện hiệu suất phổ tần và hạn chế quá truyền chuyển tiếp của nút chuyển tiếp Khi xung quanh nút nguồn và nút đích có nhiều nút chuyển tiếp rảnh, các nút này có thể tham gia vào qua trình hợp tác theo các giao thức: truyền lặp lại [7-10], lựa chọn từng phần [11-16], và lựa chọn toàn phần [17-20]

Bên cạnh truyền thông hợp tác, thu thập năng lượng vô tuyến để cung cấp năng lượng truyền phát cho mạng vô tuyến cũng là một hướng nghiên cứu nhận được sự quan tâm gần đây [21-28] Với thu thập năng lượng, các nút thu có thể vừa thu thập năng lượng và thu thập thông tin Điều này đặc biệt hữu dụng cho mạng chuyển tiếp hai chặng mà nút chuyển tiếp hoàn toàn hoạt động dựa vào năng lượng thu thập [29-31]

Như vậy, việc kết hợp ưu điểm của hai kỹ thuật : thu thập năng lượng cho nút chuyển tiếp và kỹ thuật truyền gia tăng đem lại cái ưu điểm sau:

- Giảm tải lên nút chuyển tiếp

- Cải thiện hiệu suất phổ tần của mạng

- Cải thiện độ lợi phân tập của mạng

Ngày nay, các thiết bị không dây như từ điện thoại di động thường đến điện thoại thông minh (smart phone), iPad, máy tính xách tay… đã trở nên không còn xa

lạ với cuộc sống hàng ngày của con người Đi đôi với sự phát triển của các thiết bị không dây là nhu cầu về năng lượng cho các thiết bị này Các ứng dụng trên các thiết bị không dây ngày càng nhiều cộng thêm việc yêu cầu màn hình ngày càng nâng cao làm cho sự tiêu hao năng lượng ngày càng lớn

Mặt khác, xu hướng phát triển của các thiết bị vô tuyến ngày càng nhỏ gọn

về mặt kích thước vật lý Trong các mạng thông tin như vậy, do tính chất liên tục của nguồn năng lượng, năng lượng ở một số thiết bị chuyển tiếp có thể giảm một cách đáng kể.Hệ thống hoạt động bằng năng lượng lưu trữ thông thường chỉ hoạt động trong một thời gian nhất định và phải cần có một định kỳ thay thế nguồn năng lượng Cần phải có một có chế để thích nghi theo sự thay đổi của mô hình mạng và cần có một sự chuyển đổi năng lượng để kéo dài thời gian sống của mạng vô tuyến

Có nhiều cách để nguồn năng lượng có thể cung cấp cho sự hoạt động của hệ thống như : năng lượng mặt trời, năng lượng sự vận động, năng lượng của sóng vô tuyến xung quanh…, nhưng nạp không dây vẫn là cách thuận tiện và dễ dàng nhất Trong

đó, công nghệ thu thập năng lượng (EH) bằng sóng vô tuyến (RF) là công nghệ mới nhất hiện nay và đang trong quá trình nghiên cứu để hoàn thiện, nó cho phép các thiết bị không dây nạp năng lượng từ các trạm vô tuyến Sự phát triển của các thiết

bị chuyển hóa sóng vô tuyến thành điện năng và công nghệ truyền năng lượng không dây [32] tạo điều kiện cho việc hợp tác,chia sẽ năng lượng trong cùng một hệ thống

Giả sử nút nguồn va nút đích không có liên kết trực tiếp Khi đó, trạm nguồn

sẽ truyền dữ liệu và năng lượng sóng vô tuyến đến các nút chuyển tiếp[33, 34] Nút chuyển tiếp thực hiện việc thu thập năng lượng và chuyển tiếp dữ liệu đến phía thu Nút R phân chia năng lượng theo hai kỹ thuật sau:

- Kỹ thuật phân chia năng lượng theo thời gian (TS)

- Kỹ thuật phân chia năng lượng theo công suất (PS)

Năng lượng sóng vô tuyến

Dữ liệu truyền đi

Hình 1.1 Mô hình thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến

1.3.1 Thu thập sử dụng (HU)

Nút chuyển tiếp thu thập năng lượng trực tiếp từ hệ thống, năng lượng được

sử dụng ngay sau khi thu thập mà không có lưu trữ đê sử dụng trong tương lai Năng lượng dùng trong phương pháp này phải được duy trì ở một mức tối thiểu, nếu năng lượng không đủ để nút chuyển tiếp hoạt động thì nút chuyển tiếp sẽ bị vô hiệu hóa[35]

1.3.2 Thu thập lưu trữ sử dụng (HSU)

Năng lượng được lưu trữ khi năng lượng thu thập lớn hơn so với năng lượng hoạt động của hệ thống Sau khi thu thập sẽ được lưu trữ một phần trong bộ đệm cho đến khi đáp ứng được nhu cầu hoạt động của hệ thống[35, 36]

1.3.3 Thu thập sử dụng lưu trữ (HUS)

Năng lượng thu thập tạm thời được lưu trữ tại các tụ điện, có thể dùng một cách ngay lập tức Năng lượng còn lại được xử lý bằng cách lưu vào các bộ đệm năng lượng để sử dụng cho lần sau [36]

Tóm lại, việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dây trong mạng vô tuyến ngày càng được quan tâm để tăng cường thời gian hoạt động của mạng vô tuyến, qua đó nâng cao được chất lượng hoạt động, giúp cải thiện các vấn đề của hệ thống như: tạo ra được tính bền vững trong hoạt động, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng điện hoạt năng lượng pin Ngoài ra, công nghệ thu thập năng lượng tạo ra tính bền vững và tạo ra thời gian hoạt động gần như vĩnh viễn trong mạng vô tuyến thông qua việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị phần cứng [37]

Trong mô hình truyền thông cộng tác[38], việc truyền dữ liệu diễn ra trên hai khe thời gian trực giao Trong khe thời gian thứ nhất, nút chuyển tiếp và nút đích nhận dữ liệu từ nút nguồn Trong khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp tín hiệu về nút đích Cuối cùng, nút đích sẽ sử dụng các kỹ thuật phân tập như Selection Combining (SC), Maximal Combining (MRC), Equal Gain Combining (EGC) để giải mã tín hiệu nhận được

Kỹ thuật truyền gia tăng với mô hình cơ bản được đề xuất bởi Lanemen trong bài báo kinh điển [4], trong đó Laneman đã đề xuất phương pháp tính xác xuất dừng của hệ thống Tiếp theo sau đó, Ikki trong bài báo đã đề xuất phương pháp tính tỷ lệ lỗi bit trung bình của hệ thống [39, 40] Sau đó, Bảo và Ikki đã đề xuất phương pháp truyền gia tăng cho mạng lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần [41, 42] và bán phần [43]

Gần đây, kỹ thuật truyền gia tăng được chuyển hóa thành kỹ thuật chuyển tiếp và giữ và được nghiên cứu trong các bài báo sau [44, 45]

Một số nghiên cứu chỉ ra rằng phương pháp truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng hiệu suất lỗi phụ thuộc vào giá trị ngưỡng ở phí thu Các giá trị ngưỡng này phụ thuộc vào ứng dụng của mạng vô tuyến [46, 47]

Ý tưởng cơ bản của phương pháp truyền gia tăng là ngoài việc sử dụng đường truyền từ nút nguồn qua nút chuyển tiếp, còn sử dụng một đường truyền trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích Nút đích sau khi nhận thông tin trực tiếp từ nút nguồn sẽ so sánh tín hiệu nhận được với giá trị ngưỡng, nếu tín hiệu nhận đủ tốt để giải điều chế thì nút đích sẽ hồi tiếp cho nút nguồn tiếp tục với ký hiệu dữ liệu tiếp theo Ngược lại nút đích sẽ hồi tiếp cho nút chuyển tiếp để nút chuyển tiếp chuyển tiếp dữ liệu mà nó nhận được từ nút nguồn sử dụng năng lượng thu thập Tại cuối khe thời gian thứ hai, nút đích sẽ kết hợp tín hiệu mà nó nhận được trực tiếp từ nút nguồn và gián tiếp từ nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp lựa chọn hoặc tối ưu[48]

Truyền thông cộng tác gia tăng được sử dụng tại mỗi chặng để tăng cường hiệu năng cũng như độ lợi phân tập mỗi chặng Ứng dụng của phương pháp truyền gia tăng sẽ giúp hệ thống cải thiện được hai tín năng sau:

- Thứ nhất: hạn chế quá trình chuyển tiếp, tránh việc lãng phí khe thời gian

- Thứ hai: đạt được độ lợi phân tập cao mà không bị mất hiệu quả quang phổ, chỉ chọn ra một nút chuyển tiếp tốt nhất để truyền tín hiệu [49]

Thông tin liên lạc một lĩnh vực không thể thiếu trong đời sống xã hội Nhu cầu của các dịch vụ thông tin liên lạc như dịch vụ thoại, video, tin nhắn qua kênh truyền vô tuyến ngày càng phát triển Để đáp ứng được những yêu cầu trên, hệ thống thông tin luôn được phát triển cải tiến, năng lượng trong mạng vô tuyến phải đáp ứng đầy đủ quá trình hoạt động của mạng Hệ thống ra đời sau được kế thừa những ưu điểm của hệ thống trước, các kỹ thuật công nghệ tiên tiến được tích hợp nhằm khắc phục các nhược điểm trong một hệ thống

Trong luận văn này, tôi sẽ nghiên cứu công nghệ thu thập năng lượng kết hợp với mạng truyên thông cộng tác gia tăng Qua đó đánh giá, so sánh các ưu điểm của mô hình hệ thống cộng tác gia tăng với mô hình truyền thông cộng tác thông thường

Chương 2 - KỸ THUẬT TRUYỀN GIA TĂNG SỬ DỤNG

MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG

Hình 2.1 Mô hình truyền thông cộng tác gia tăng

Trong mô hình khảo sát, chúng ta xem xet mô hình có một nút nguồn (Source), N nút chuyển tiếp (Relay), một nút đích (Destination)

Như đã thảo luận trong Chương 1, truyền thông cộng tác [38] đã trở thành một chủ đề nổi bậc để nghiên cứu và ứng dụng nhằm tăng cường hiệu quả truyền dữ liệu Để nâng cao chất lượng hơn nữa, mô hình truyền thông công tác gia tăng được

đề xuất (incremental cooperation)[4].Nhiều nút chuyển tiếp sẵn sàng giúp nút nguồn

truyền tín hiệu đến đích Tuy nhiên, để sử dụng phổ hiệu quả, hệ thống chọn một nút chuyển tiếp tốt nhất để chuyển tiếp tín hiệu đến phía thu

Hệ thống hoạt đông theo nguyên tắc sau:

Trong quá trình truyền dữ liệu từ S D diễn ra trong hai pha thời gian:

bời nút R, D Nếu D giả mã thành công, D sẽ gửi ACK(acknowledgment) đến S để thông báo không cần đến nút R để truyền dữ liệu Ngược lại nếu D không giải mã được dữ liệu từ S, D sẽ gửi tín hiệu NACK(negative acknowledgment) đến S thông báo là cần sử dụng nút R để truyền dữ liệu

Nút D giải mã chính xác dữ liệu, nó sẽ giử tín hiệu ACK đến nút R Vì vậy giai đoạn chuyển tiếp thành công Ngược lại,nếu nút D giải mã không được, nút D sẽ phát tín hiệu NACK đến R( được mô tả trong hình 2.2)

Nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF và DF để chuyển tiếp tín hiệu

Nút D sử dụng kỹ thuật phân tập thu để kết hợp tính hiệu

AC k

Hình 2.2 Các giai đoạn cộng tác trong mạng chuyển tiếp gia tăng.

2.1.2 Mô hình sử dụng kỹ thuật SSC (Switch and Stay Combining)

Trong quá trình nút S quảng bá dữ liệu đến nút D D so sánh tỷ số tín hiệu trên nhiễu với một giá trị T cho trước Nếu tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn T thì giữ nguyên nhánh hiện tại để giải mã tín hiệu Ngược lại, chuyển qua nhánh khác để giải mã tín hiệu

Có hai nhánh được sử dụng để giải mã tín hiệu Nút D sẽ sử dụng chuyển đổi qua lại giữa hai nhánh:

- Nhánh 1: đường trực tiếp (direct link)

- Nhánh 2 : đường gián tiếp qua nút chuyển tiếp (relay link)

2.2 Kỹ thuật chuyển tiếp tín hiệu

Kênh truyền 3

Hình 2.4.Mô hình kênh truyền ba đầu cuối

Trong truyền thông cộng tác, kênh truyền chuyển tiếp (relay channel) và các thiết bị đầu cuối là cơ sở để nghiên cứu Với vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền tín hiệu mang thông tin để cải thiện hiệu năng của hệ thống Trong khoảng thời gian đầu tiên, các nguồn phát tín hiệu của nó để các nút nguồn và nút chuyển tiếp Quá trình chuyển tiếp tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích diễn ra trên hai khe thời gian

Có hai kỹ thuật chuyển tiếp tín hiệu:

- Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward)

- Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward)

2.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Nút chuyển tiếp nhận tín hiệu trước đó và khuếch đại tín hiệu trước khi phát đến nút tiếp theo Quá trình khuếch đại tương ứng với một biến đổi tuyến tính xảy

ra tại nút chuyển tiếp[51].Nhược điểm của kỹ thuật này là nhiễu trắng cũng được khuếch đại được chuyển tiếp trong quá trình truyền dữ liệu đến nút đích

S

R

D

2 1 1

Hình 2.5.Mô hình nút chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp

Tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp và nút đích tại khe thời gian thứ nhất:

Sau nhận được tín hiệu từ nguồn, tại khe thời gian thứ hai nút chuyển tiếp thực hiên khuếch đại tín hiệu và chuyển đến nút đích Do đó, tín hiệu nhận được tại nút đích:

y  P h Gy n

Trong đó :G là hệ số khuếch đại

Theo như bài báo [4] năng lượng trung bình    2

E x t P Vì vậy, để đảm bảo năng lượng trung bình bằng với công suất phát của nguồn, nút chuyển tiếp phải khuếch đại tín hiệu nhận được theo hệ số:

2 0

r s

rd sr

r s rd sd srd

 

min ;

2.2.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)

DF là kỹ thuật mà các nút chuyển tiếp sau khi nhận tín hiệu từ nút trước đó

sẽ giải điều chế, giải mã rồi mã hóa và điều chế lại trước khi chuyển đến nút tiếp theo Trong mô hình này, nút chuyển tiếp đóng vai trò như một trạm lặp (repeater)

Để giải mã và chuyển tiếp dữ liệu, các nút chuyển tiếp sử dụng các thuật toán phát hiện hoặc giải mã tín hiệu và tái mã hóa thông tin vào các tín hiệu truyền đi, quá trình giải mã và mã hóa tương ứng với một biến đổi phi tuyến của các tín hiệu nhận được

Ưu điểm của kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp là giảm nhiễu, tuy nhiên nó làm hạn chế hiệu suất của hệ thống vì hiệu ứng fading [48] Đối với hệ thống có lựa chọn, sau khi giải điều chế và kiểm tra lỗi nếu tín hiệu giải mã đúng thì phát tới nút tiếp theo, ngược lại nếu giải mã sai thì tín hiệu này sẽ không được phát tiếp, mô hình kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp đơn giản như sau

R giải mã và chuyển tiếp

Hình 2.6.Mô hình giải mã và chuyền tiếp

Nút chuyển tiếp dùng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp có lợi thế hơn khuếch đại và chuyển tiếp là giảm được nhiễu Gaussian tại nút chuyển tiếp nhưng do việc giải mã và mã hóa mà làm hiệu suất hệ thống giảm đi Để đơn giản trong việc khảo sát và tính toán nếu hệ thống có nhiều chặng thì ta chọn chặng yếu nhất sẽ quyết định vào hiệu suất cũng như chất lượng hệ thống, khi ấy công thức (2.8) thường được sử dụng

Truyền thông cộng tác là một giải pháp truyển thông đầy hứa hẹn trong môi trường fading Gần đây giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất [52]-[53] được

đề xuất như là một giải phát để nâng cao chất lượng hoạt động của hệ thống Có hai giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp:

- Lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần

- Lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần

2.3.1 Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần

Trong phương pháp này, việc lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên thông tin đơn phần tức thời của kênh giữa nguồn và nút chuyển tiếp

Hình 2.7.Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần trênh kênh S-R

Nút chuyển tiếp trên kênh S-R được chọn lựa thỏa mãn điều kiện:

2.3.2 Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần

Trong kỹ thuật này, việc lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hai kênh truyền S R R; Dnhư sau:

R R

R

R

Hình 2.8.Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần

Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần có độ lợi phân tập toàn phần, nâng cao hiệu năng đáng kể so với kỹ thuật chọn lựa đơn phần.Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thông tin trạng thái kênh truyền của cả hai chặng Do đó, dẫn đến việc cần nguồn năng lượng lớn hơn để thực hiện việc xác định trạng thái thông tin kênh truyền ở mỗi nút chuyển tiếp Ngoài ra, cũng cần có sự đồng bộ cao giữa các nút chuyển tiếp trong quá trình chọn lựa[18]

Kỹ thuật phân tập là một trong những phương pháp được dùng để hạn chế ảnh hưởng của fading Trong hệ thống vô tuyến, kỹ thuật phân tập dùng để lảm giảm ảnh hưởng cùa fading đa tia, tăng độ tin cậy của việc truyền dữ liệu mà không phải tăng công suất phát hoặc tăng băng thông.Kỹ thuật phân tập cho phép bộ thu (receiver) thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền đi Các bản sao này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng có ít sự tương quan về fading Tín hiệu thu bao gồm một sự kết hợp của các phiên bản tín hiệu khác nhau sẽ ít bị ảnh hưởng fading hơn so với việc nhận từng tín hiệu riêng lẻ [54]

Mô hình bộ phân tập thu như sau:

r N

Hình 2.9.Bộ phân tập thu tuyến tính[54]

Đây là mô hình bộ phân tập thu cho trường hợp tách sóng kết hợp nên khi tín hiệu vào được nhân với các hệ số j i

   trên từng nhánh để loại bỏ pha của tín hiệu trước khi đưavào phân tập thu (a ilà giá trịthực, ilà pha của tín hiệu vào trên từng nhánh cần đượcloại bỏ) Tín hiệu ngõ ra từ bộp hân tập thu tương đương với tín hiệu được truyền ban đầu ( )s t nhân với hệ số biên độ phức ngẫu

Nếu xác địnhcó hàm phân bố xác suất CDF là F( ) thì bằngcáchlấy đạo hàm theo  ta thu được hàm mật độ phân bố xác suất PDF là f( ) , từ hàm phân

bố ta tính được xác suất lỗi symbol P cũng như xác suất dừng P outcủa hệ thống lần lượt như sau:

với P s( ) là xác suất lỗi sympol do điều chế ( )s t trong kênh truyền nhiễu trắng

2.4.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SelectionCombining)

Trong kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SC) bộ kết hợp tạo ra tín hiệu của nhánh có công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) lớn nhất Trên mỗi nhánh phải có bộ theo dõi SNR đồng thời và lien tục và chỉ có một nhánh được sử dụng tại một thời điểm, kỹ thuật SC thường yêu cầu chỉ một bộ thu để lấy tín hiệu mạnh nhất từ các tín hiệu thu được[55, 56] Tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính là giá trịcực đại của SNR trên tất cả các nhánh

SECLECT MAXIMAL SIGNAL

Reciver

Hình 2.10.Kỹ thuật SC

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ở ngõ ra:

Trong đó: M là số nhánh nhận được tại bộ thu

Khi đó, hàm phân bố xác suất (CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF) của tỷ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống là:

d dF

CHANNEL N

RECIVER

X X

Trong bộ kết hợp tỷ số tối đa (MRC) [57, 58]ngõ ra là tổng trọng số của tất

cả các nhánh Bởi vì những tín hiệu được kết hợp pha (cophased), j i

 Giả sử rằng nhiễu trên mọi nhánh là như nhau có công suất là N0, có

tổng nhiễu trên N nhánh là N totở ngõ ra bộ kết hợp 2

0 1

N i i

a N tot

N



  Vì vậy, SNR ở ngõ ra bộ kết hợp[54] là

1

2 1

2 2

Kỹ thuật phân chia năng lượng

Trong mỗi chu kỳ truyền dữ liệu, khung thời gian T được chia thành những

khe thời gian (sub block) thu thập năng lượng, truyền và chuyển tiếp dữ liệu Nút chuyển tiếp thu thập năng lượng theo hai phương pháp: phân chia theo thời gian, phân chia theo công suất

Chúng ta sẻ phân tích mô hình sử dụng kỹ thuật lựa chọn toàn phân.Chúng ta giả sử rằng nút R i được lựa chọn đê chuyển tiếp tín hiệu đến đích

2.4.3 Phương pháp phân chia năng lượng theo thời gian

Khung thời gian T được chia theo tỷ lệ  Khoảng thời gian  dùng để thu T

thập năng lượng Khoảng thời gian 1T dùng cho việc truyền dữ liệu Trong đó, thời gian dành cho việc truyền dữ liệu từ S đến R là 1T/ 2, thời gian để R chuyển tiếp dữ liệu đến D là 1T/ 2 Như vậy, trong phương pháp phân chia

năng lượng theo thời gian, khung thời gian T sẽ được chia thành ba khe thời gian:

- Khe thời gian 1 : dùng để thu thập năng lượng

- Khe thời gian 2 : S truyền dữ liệu đến R

- Khe thời gian 3: R chuyển tiếp dữ liệu đến D

Energy Harvesting Receiver

RF to Baseband Conversion

Gọi P S là công suất phát của nguồn

Tại nút chuyển tiếp sử dụng khe thời gian thứ nhất để thu thập năng lượng Năng lượng thu thập được:

2

i

với là hệ số chuyển đổi

Thời gian để nút chuyển tiếp truyền tín hiệu đến nút đích:1  T / 2.Công

suất phát tại nút chuyển tiếp R :

trong đó: h SR;h RD lần lượt là hệ số kênh truyền trên kênh S R R;  D

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu của chặng SR:

2 2 0

s P N

sr r d th i

2 1

sr th

   

2 2

2

1 0

1 0

1 1

i N

sr r d sr r d i

2.4.4 Phương pháp phân chia năng lượng theo công suất

Khung thời gian T được chia thành hai phần Khoảng thời gian T/2 dùng để truyền dữ liệu từ S đến R Phần thời gian còn lại T/2 dùng cho việc chuyển tiếp dữ

liệu từ R đến D Trong nữa khoảng thời gian thứ nhất, phần công suất tín hiệu

S

P (P S là công suất nguồn phát ) nhận được tại R sẽ được sử dụng như sau: P Sdùng

để lưu trữ, 1P S dùng cho việc chuyển tiếp dữ liệu từ R đến D

Như vậy, trong phương pháp phân chia năng lượng theo công suất Khung

thời gian T được chia thành hai khe thời gian:

- Khe thời gian 1: dùng để thu thập năng lượng

- Khe thời gian 2: dùng cho việc giải mã và chuyển tiếp tín hiệu

Information Transmission

Hình 2.14.Kỹ thuật phân chia năng lượng theo công suất tại nút chuyển tiếp

sr r d i

sr th sr r d th i

2 1

sr

N

r d

h i

Tương tự như trường hợp nút R sử dụng kỹ thuật phân chia theo thời gian, khi

   , biểu thức (2.34) tương đương :

TSEH S

2 2

/ 2

1

s sr PSEH s sr

S sr TSEH

Tuy nhiên, xét về mặt thời gian truyền tín hiệu ta thấy:

Thời gian để chuyển tiếp tín hiệu trong kỹ thuật TS là 1T/ 2.Trong kỹ thuật PS, thời gian để chuyển tiếp tín hiệu là T/ 2 Như vậy, sử dụng kỹ thuật PS sẽ

có độ trễ về thời gian truyền tín hiệu lơn hơn so với kỹ thuật TS

Dữ liệu phát đi nút S và nút D bị ảnh hưởng bởi hiện tượng Fading với hệ số kênh truyền h SD, dữ liệu đến nút đích thông qua nút chuyển tiếp được chia thành hai chặng với các hệ số kênh truyền là h SR,h RD Giả sử nhiễu trắng trên các kên

,

SD SR, R có mật độ công suất như nhau D  N0 và các hệ số kênh truyền là các biến ngẫu nhiên độc lập

Nút đích nhận được bản sao của tín hiệu x qua hai kênh truyền

S D,SR i D Nút D sử dụng các kỹ thuật phân tập thu để giải mã tín hiệu