Nghiên cứu kỹ thuật SSC (switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng (tt)

Nghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượngNghiên cứu kỹ thuật SSC (Switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG - NGUYỄN THANH TÂM NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SSC ( SWITCH AND STAY COMBINNING) TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THU THẬP NĂNG LƢỢNG Chuyên Ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã Số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH- 2016 Luận văn hoàn thành tại: HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo Phản biện 1:……………………………………… Phả biện 2:………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Vào lúc: …… giờ……ngày ……tháng……….năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: -Thư viện Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong thời đại nay, thiết bị di động dần thay thiết bị cố định Do đó, hệ thống truyền thông phải đáp ứng nhu cầu ngày tăng thiết bị di động Để đáp ứng nhu cầu này, hệ thống truyền thông không dây phải triển khai rộng khắp trì hoạt động liên tục Tuy nhiên, hệ thống truyền thông không dây hầu hết sử dụng nguồn lượng cung cấp điện lưới, pin, acquy Điều khó khăn cho việc trì hoạt động liên tục triển khai hệ thống nơi có địa hình phức tạp, khó khăn [1] Để cung cấp khả thu thập lượng cho hệ thống không dây, hệ thống vô tuyến thu thập lượng từ thiên nhiên lượng mặt trời, nhiệt, gió, điện từ, hóa học…hoặc người tạo [2] Ưu điểm giải pháp ứng dụng để triển khai mạng vùng nông thôn xa xôi thúc đẩy phát triển y tế, môi trường, giáo dục [2] Tuy nhiên, nhược điểm thu thập lượng từ thiên nhiên không ổn định phụ thuộc vào thời điểm Để tăng tính ổn định nguồn lượng thu thập, hệ thống vô tuyến thu thập lượng từ sóng vô tuyến môi trường xung quanh mà tín hiệu vô tuyến dung để cung cấp đồng thời thông tin lượng cho máy thu [2] Một vấn đề khó khăn mạng thu thập lượng khó nhận lượng thu thông tin tín hiệu lúc Bên cạnh đó, công nghệ thu thập lượng có hiệu suất lượng thu thập thấp dẫn đến nút mạng sử dụng lượng có vùng phủ sóng nhỏ [4] Việc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp cho mạng thu thập lượng vô tuyến giải pháp tiềm Trong luận văn này, đề xuất sử dụng kỹ thuật phân bố giữ (SSC) để: - Mở rộng vùng phủ sóng mạng sử dụng nút chuyển tiếp thu thập lượng Cải thiện hiệu suất phổ tần mạng 2 Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu mạng vô tuyến chuyển tiếp, mạng truyền thông cộng tác - Tìm hiểu kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp mạng vô tuyến chuyển tiếp - Tìm hiểu kỹ thuật giải mã chuyển tiếp mạng vô tuyến chuyển tiếp - Tìm hiểu kỹ thuật chuyển tiếp kết hợp mạng thu thập lượng Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu - Xét mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng với nút nguồn S, nút chuyển tiếp R nút đích R R S D - Kỹ Thuật thu thập lượng phân chia theo thời gian (TS) - Kỹ Thuật thu thập lượng phân chia theo công suất (PS) - Kỹ thuật giải mã chuyển tiếp - Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp Phƣơng pháp nghiên cứu - Khảo sát luận văn báo có hướng nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết mạng vô tuyến chuyển tiếp, mạng truyền thông cộng tác, mạng vô tuyến thu thập lượng - Xây dựng mô hình toán học để tính toán hiệu với nút chuyển tiếp thu thập lượng nút đích sử dụng kỹ thuật SSC - Đánh giá hiệu hệ thống qua phần mềm mô Matlab Cấu trúc luận văn Nội dung luận văn thực cụ thể gồm chương: Chương – Tổng quan mạng thu thập lượng, giới thiệu mạng thu thập lượng, kỹ thuật thu thập lượng, kỹ thuật chuyển tiếp, thông số mạng Chương – Đề xuất kỹ thuật kết hợp SSC mạng thu thập lượng, giới thiệu kỹ thuật SSC, trình bày mô hình hệ thống nghiên cứu Khảo sát, phân tích đưa kết tính toán để đánh giá hiệu hệ thống Chương – Mô đánh giá kết 4 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG THU THẬP NĂNG LƢỢNG 1.1 Giới thiệu mạng thu thập lƣợng 1.2 Mạng chuyển tiếp thu thập lƣợng 1.2.1 Mô hình hệ thống S R D Hình 1: Mô hình mạng chuyển tiếp thu thập lƣợng Xét hình 1.1, mô hình gồm nút : nút nguồn S, nút chuyển tiếp R nút đích D Nút nguồn S truyền thông tinh đến D thông qua nút chuyển tiếp R Đối với mạng chuyển tiếp thông thường nút R cung cấp lượng Tuy nhiên mạng thu thập lượng, nút R tự thu thập lượng từ sóng vô tuyến truyền từ nút nguồn Nút R sử dụng phương pháp: thu thập lượng phân chia theo thời gian thu thập lượng phân chia (TS) theo công suất (PS) để thu thập lượng Tại nút R sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp: kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp kỹ thuật giải mã chuyển tiếp 1.2.2 Thu thập lƣợng phân chia theo thời gian (TS) Energy Harvesting RX TX (1  )T / (1  )T / Hình 2: Thu thập lƣợng phân chia theo thời gian Trong hình 1.2 mô tả cách thức thu thập lượng xử lý thông tin kỹ thuật thu thập lượng phân chia theo thời gian [5] Trong đó, T tổng thời gian truyền từ nút nguồn đến nút đích phần tổng thời gian truyền để nút chuyển tiếp thu thập lượng với , tức khoảng thời gian đầu nút nguồn truyền lượng vô tuyến đến nút chuyển tiếp để nút chuyển tiếp thu thập lượng, ) phần lại , ( dùng để truyền thông tin từ nguồn đến nút ) chuyển tiếp ( dùng dể truyền thông tin từ nút chuyển tiếp đến đích Tất lượng thu thập giai đoạn thu thập lượng tiêu thụ nút chuyển tiếp chuyển tiếp tín hiệu nguồn đến đích[5] 1.2.3 Thu thập lƣợng phân chia theo công suất (PS) Energy Harvesting R Truyền thông tin từ Truyền thông tin từ T /2 T /2 Hình 3: kỹ thuật thu thập lƣợng phân chia theo công suất Hình 1.3 mô tả kỹ thuật thu thập lượng phân chia theo công suất [5] Trong đó, P công suất truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp, T tổng thời gian truyền, với nửa thời gian dùng cho việc truyền tải thông tin lượng từ S đến R, nửa lại dùng để truyền truyền thông tin từ R đến D Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (AF) Kỹ thuật nút chuyển tiếp đơn giản khuếch đại nhận từ nút nguồn Quá trình khuếch đại tương ứng với biến đổi tuyến tính xảy nút chuyển tiếp AF gọi mô hình chuyển tiếp không tái tạo thực phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu [6],[7] 1.2.5 Kỹ thuật giả mã chuyển tiếp (DF) Kỹ thuật chuyển tiếp biết đến kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, thực phương thức xử lý số tín hiệu Ở mô hình này, nút chuyển tiếp hoạt động trạm lặp (repeater) thông minh giải mã/ giải điều chế tín hiệu nhận từ nút nguồn khe thời gian truyền thứ hay pha truyền thứ Quá trình loại bỏ diện nhiễu [8],[9] 1.3 Mạng thu thập lƣợng sử dụng kỹ thuật kết hợp truyền thống 1.3.1 Mô hình hệ thống 1.2.4 R S D Hình 1.4: Mạng thu thập lƣợng sƣ dụng kỹ thuật kết hợp 1.3.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông cộng tác Mỗi thiết bị di động thường có anten riêng lẽ tạo thành phân tập không gian Tuy vậy, giả sử thiết bị di động nhận liệu từ thiết bị di động khác, truyền liệu với liệu Và kênh truyền fading thiết bị di động khác độc lập thống kê với nhau, nên việc đạt phân tập không gian hoàn toàn khả thi Việc truyền nhiều tín hiệu góp phần tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng fading [10] Đó ý tưởng khái niệm truyền thông cộng tác (Cooperative Communication) 1.3.1.2 Ưu nhược điểm mạng truyền thông cộng tác + Ưu điểm - Giảm thiểu công suất truyền cần thiết - Nâng cao dung lượng kênh Shanon - Nâng cao độ tin cậy truyền dẫn, nâng cao vùng phủ sóng mạng - Cân chất lượng dịch vụ QoS - Tiết kiệm sở hạ tầng xây dựng mạng + Nhược điểm - Tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến so với truyền trực tiếp - Truyền thông cộng tác thường bao gồm bước tiếp nhận xử lý gói tin nút chuyển tiếp trước truyền tiếp Khi xét tới dịch vụ nhạy với trễ thoại, dịch vụ truyền thông đa phương tiện phổ biến trễ bước xử lý nút chuyển tiếp rõ ràng lợi - Việc lập lịch phức tạp 1.3.1.3 Kỹ thuật kết hợp - Kỹ thuật lựa chọn kết hợp SSC 7 Kỹ thuật phân tập SC hoạt động nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) tốt số tất tín hiệu nhận từ nhánh khác đưa vào xử lý[11],[12] - Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC) Kỹ thuật sử dụng tín hiệu thu từ tất nhánh để đưa vào xử lý Trong kỹ thuật MRC, SNR ngõ kết hợp tổng SNR nhánh thành phần [10],[13] SNR tín hiệu thu tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập - Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân (EGC) Về chất EGC giống MRC, sử dụng tất tín hiệu thu nhánh để đưa vào xử lý, nhiên, tỉ số SNR đầu phương pháp EGC thoả điều kiện công suất nhiễu nhánh - Kỹ thuật SSC Với SSC, máy thu chọn anten chất lượng giảm xuống ngưỡng xác định trước Khi đó, máy thu chuyển đến anten khác giữ trạng thái khe thời gian tiếp theo,mặc dù chất lượng anten hay ngưỡng xác định trước [15] 1.3.1.4 Các kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp - Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần: nút chuyển tiếp tốt lựa chọn dựa tỷ lệ tín hiệu nhiễu đơn phần tức thời kênh truyền nguồn đích [18] đích nút chuyển tiếp [6] - Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần: nút chuyển tiếp tốt lựa chọn dựa vào tỷ lệ tín hiệu nhiễu hai kênh truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp từ nút chuyển tiếp đến đích [19] 1.3.2 Các thông số mạng 1.3.2.1 Xác suất dừng 1.3.2.2 Xác suất lỗi bit 1.3.2.3 Hiệu suất trải phổ 1.4 Tổng quan đề tài chọn đề tài 1.5 nghiên cứu liên quan 1.6 Đóng góp luận văn CHƢƠNG KỸ THUẬT KẾT HỢP SSC TRONG MẠNG THU THẬP NĂNG LƢỢNG 2.1 Giới thiệu kỹ thuật SSC Giả sử mạng truyền thông cộng tác gồm nút: nút nguồn S, nút chuyển tiếp R nút đích D Nút nguồn truyền liệu đến nút đích với trợ giúp nút chuyển tiếp Đặc biệt, nút đích nhận trực tiếp tín hiệu từ nguồn gián tiếp thông qua nút chuyển tiếp [32] Với kỹ thuật SSC, nút đích lựa chọn hai tín hiệu nhận để giải mã Tỉ số tín hiệu nhiễu D chặng S – D: 1 Tỉ số tín hiệu nhiễu D chặng S – R – D:   min( SR ,  RD ) Trong đó,  SR  RD (2.4) tỉ số tín hiệu nhiễu tương hứng chặng S-R R – D Giả sử, tín hiệu nhận từ nguồn có tỉ số tín hiệu nhiễu 1 lớn ngưỡng  th cho trước nút đích chọn tín hiệu để giải mã Đến khi, tỉ số tín hiệu nhiễu hiệu lại có tỉ số tín hiệu nhiễu 1 2 nhỏ ngưỡng lớn ngưỡng  th  th tín nút đích chọn tín hiệu lai để giải mã 2.2 Mô hình hệ thống R γ1[...]... tiếp thu thập năng lượng sử dụng kỹ thu t thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PS) 2.3.2.5 Tối ưu mô hình đề xuất sử dụng kỹ thu t thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PS) 2.3.2.6 Xác suất dừng với đa nút chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng kỹ thu t thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PS) RM Rb R1 S D Hình 2 3: Mô hình mạng thu thập năng lƣợng sử dụng kỹ thu t SSC với... chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng kỹ thu t thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TS) RM Rb R1 S D Hình 2 2: Mô hình mạng thu thập năng lƣợng sử dụng kỹ thu t SSC với đa nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thu t thu thập năng lƣợng phân chia theo thời gian Hệ thống hoạt động tương tự như mô hình đề xuất ở trên tuy nhiên kênh liên kết gián tiếp thông qua nút R được chọn dựa trên kỹ thu t lựa chọn... thêm hiệu năng của mô hình đề xuất thì ta có thể tăng thêm số lượng nút chuyển tiếp để giúp đỡ kênh truyền trực tiếp Số lượng nút chuyển tiếp càng tăng thì hiệu năng của hệ thống càng tăng 2R o 22 KẾT LUẬN Trong luận văn này, Tôi nghiên cứu kỹ thu t Switch and Stay Combining trong mạng thu thập năng lượng trên kênh truyền Fading Rayleigh, kết hợp với kỹ thu t giải mã và chuyển tiếp và kỹ thu t lựa... hình đề xuất sử dụng kỹ thu t thu thập năng lượng phân chia theo công suất Với các hình mô phỏng xác suất dừng của hệ thống được thể hiện ở trên ta có kết luận: o o Mô hình đề xuất có hiệu năng cao hơn hẳn so với mô hình truyền trực tiếp Trong đó, mô hình đề xuất sử dụng cả hai kỹ thu t thu thập năng lượng: thu thập năng lượng phân chia theo thời gian và phân chia theo công suất Hiệu năng của mô hình đề... thu t SSC với đa nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thu t thu thập năng lƣợng phân chia theo thời gian Hình 2.3 được đề xuất hoạt động tương tự như mô hình trong phần 2.3.2.2 với đa nút chuyển tiếp và sử dụng kỹ thu t lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần Tuy nhiên, điểm khác biệt so với mô hình được đề xuất trong phần 2.3.2.2 là nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thu t thu thập năng lượng phân chia theo công suất 2.3.2.7... SRD  T ,  SD  2  1)  2 Rth Gọi   2Rth  1 và  0  22 Rth  1 là các ngưỡng dừng của các liên kết trực tiếp và gián tiếp 11 2.3.2.1 Xác suất dừng với nút chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng kỹ thu t thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TS) + Trường hợp 1: T        T   T  1  2 SR RD  K1  2 SR RD      OPTS    1  exp( T )   1  2 SRRDT  K  2 SD... biệt về hiệu năng của hệ thống khi sử dụng kỹ thu t Switch and stay combining với một nút chuyển tiếp thu thập năng lượng và hệ thống chỉ sử dụng một đường 19 truyền trực tiếp theo công thức (2.64) Mặc dù, các giá trị khác nhau của ngưỡng chuyển T thì giá trị xác suất dừng của mô hình truyền trực tiếp đều lớn hơn các giá trị xác suất dừng của mô hình đề xuất với một nút chuyển tiếp nên hiệu năng của mô... mô hình đề xuất 15 CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KÉT QUẢ 3.1 Tham số hệ thống và kênh truyền Trong các mô phỏng Monte Carlo, để xác định các giá trị xác suất dừng thì số lượng phép thử được sử dụng là 5x10^6 3.2 Mô phỏng hiệu năng hệ thống và đánh giá 3.2.1 Mô phỏng hiệu năng hệ thống với kỹ thu t thu thập năng lƣợng phân chia theo thời gian 0 10 -1 10 -2 10 -3 OP 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 10 -10 MP...  6 Hình 3.7 ta cũng có nhận xét tương tự như hình 3.4, xác suất dừng của mô hình được đề suất sẽ giảm khi ta tăng số lượng nút chuyển tiếp Do đó, hiệu năng của hệ thống sẽ tăng khi ta tăng số lượng nút chuyển tiếp Ta có cùng kết luận với mô hình sử dụng với kỹ thu t thu thập năng lượng phân chia theo thời gian 21 0 10 -1 10 -2 OP 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -10 DL(LT T=1) DL(MP T=1) MP(T=1) LT(T=1)... được giải mã được truyền từ nút chuyển tiếp đến đích Trong mô hình này, điểm khác biệt với mô hình truyền thống là nút chuyển tiếp không sử dụng năng lượng từ pin, hoặc điện lưới mà phải tự thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến từ nút nguồn 2.3 Phân tích hiệu năng hệ thống 2.3.1 Hàm phân phối tích lũy (CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF) Giả sử kênh truyền từ nút nguồn S đến nút đích D ( hSD ), kênh truyền ... lượng, kỹ thu t thu thập lượng, kỹ thu t chuyển tiếp, thông số mạng Chương – Đề xuất kỹ thu t kết hợp SSC mạng thu thập lượng, giới thiệu kỹ thu t SSC, trình bày mô hình hệ thống nghiên cứu Khảo... tiếp thu thập lượng sử dụng kỹ thu t thu thập lượng phân chia theo thời gian (TS) RM Rb R1 S D Hình 2: Mô hình mạng thu thập lƣợng sử dụng kỹ thu t SSC với đa nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thu t thu. .. tiếp thu thập lượng sử dụng kỹ thu t thu thập lượng phân chia theo công suất (PS) RM Rb R1 S D Hình 3: Mô hình mạng thu thập lƣợng sử dụng kỹ thu t SSC với đa nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thu t thu