có sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán và hướng dẫn chi tiết về ảnh hưởng của tỷ số mục tiêu trong hệ thống TSR energy haveting bán song công .........................................................................................................
ĐỒ ÁN _ Mô đánh giá ảnh hưởng tỷ số mục tiêu hệ thống TSR energy havesting bán song công DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AF : Amplify-and-forward RF : Radio frequency TSR : Time Switching-Based Relaying PSR : Power Splitting-Based Relaying TS : Time switching PS : Power splitting D : Distance AWGN : Additive white Gaussian noise MIMO : Multiple-input-multiple-output S : Source R : Relay D : Destination 1G – 4G : 1st – 4th Generation MAC : Media Access Control ĐỒ ÁN _ DANH MỤC HÌNH ẢNH ĐỒ ÁN _ MỤC LỤC ĐỒ ÁN Trang 4/16 _ CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích nghiên cứu: Với phát triển mạnh mẽ khoa học kỹ thuật ngày nay, nhu cầu truyền tải liệu nhanh chóng, dung lượng truyền tải lớn tiêu tốn lượng nhu cầu thiết Từ việc nghe nhạc, xem video, chia thông tin hay cập nhật mạng xã hội Facebook, Twitter,… cần phải kết nối liên tục với nhiều người Các hệ hệ thống di động 1G, 2G, 3G, 4G phát triển từ thấp lên cao, đáp ứng nhu cầu ngày lớn người sử dụng với lượng liệu ngày phình to ra, hệ thống cần phát triển tiếp, mạnh mẽ nhằm đáp ứng kịp nhu cầu sử dụng 1.2 Lí chọn đề tài: Tuy có nhiều phương hướng phát triển hệ di động tiếp theo, hệ thống thông tin hợp tác hệ thống đáp ứng số nhu cầu tối thiểu hệ tiết kiệm lượng, đáp ứng nhanh,… Do đó, đề tài này, em chọn nghiên cứu “Mô đánh giá ảnh hưởng tỷ số mục tiêu hệ thống TSR energy havesting bán song công” ĐỒ ÁN Trang 5/16 _ CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN HỢP TÁC 2.1 Các giao thức mạng: Những tiến hệ thống thông tin hợp tác tập trung vào hai mục tiêu: • Tăng tốc độ truyền qua mạng • Tăng độ tin cậy thông tin mạng Những tiến thường chứng minh toán học (lý thuyết) phân tích chiến lược truyền tín hiệu mô hình truyền thông Các chiến lược truyền tín hiệu thường liên quan đến truyền phối hợp nhiều node mạng, có trình gần đây, rào cản lớn cho việc áp dụng kết vào phát triển giao thức mạng thực tế Lấy ví dụ như, nhiều kết lý thuyết dựa độ dài khối lớn thường bỏ qua chi phí cần thiết để thiết lập trì truyền dẫn hợp tác Tuy nhiên thực tế, mạng di động không dây, biến thời gian kênh truyền đòi hỏi thay đổi chiến lược truyền tín hiệu Do đó, thiết lập trì tín hiệu trở thành phí tổn hao định kỳ Ta sử dụng điều kiện giao thức mạng cho phân phối thuật toán thực node mạng cấu hình, thực thi cấu hình lại chiến lược truyền tín hiệu để đáp ứng với biến thời gian Một giao thức mạng hợp tác phải kết hợp phương pháp để phí tổn hao định kì không ảnh hưởng đến hiệu đạt chiến lược truyền tín hiệu hợp tác Một giao thức mạng đáng giá cách cung cấp dung lượng định toàn mạng, chí điều làm hạn chế việc giảm hiệu suất Trong phần này, phát triển giao thức hợp tác thực tế tạo điều kiện cách xác định khái niệm trừu tượng đơn giản, có chiến lược truyền dẫn hợp tác 2.2 Các vấn đề hợp tác vô tuyến: Ở mạng truyền thống quy định trình tự node trung gian truyền tuyến/đường truyền Một cách để hiểu hệ thống thông tin hợp tác để xem node tham gia việc cung cấp gói liệu từ nguồn đến đích ĐỒ ÁN Trang 6/16 _ thiết bị đầu cuối đa liên kết Ta đề cập cách khái quát liên kết hợp tác, đơn giản liên kết Liên kết L tập hợp node sử dụng phối hợp hành động để cung cấp tin đáng tin cậy từ nguồn đến nhiều điểm đích Giả sử node đích d nơi nhận cuối gói liệu Nếu node d relay cho liên kết khác, ta giả định việc chuyển gói tin cho liên kết thứ hai đến node d đại diện cho điểm nối “mới” trình chuyển mạch gói Nghĩa node d nguồn liên kết hợp tác L’ khác để cung cấp gói tin để có điểm đến d’ khác Tuy nhiên, việc phân phối gói tin đến node d’ liên kết L’ không sử dụng truyền liên quan đến liên kết L Trong trường hợp này, đường truyền trở thành chuỗi gồm nhiều liên kết (hợp tác) Sự hợp tác qua liên kết qua lớp mạng, có khác kiến trúc mạng để thực nhiệm vụ sau: • Giải mã tin tức: sử dụng tất gói tin thu để giải mã • Thiết lập liên kết hợp tác: định phương thức để phối hợp trình truyền nhiều node với mục tiêu thu tin tức giải mã đáng tin cậy đích hay nhiều đích • Định tuyến hợp tác: cấu hình chuỗi liên kết hợp tác thành tuyến truyền 2.3 Các giao thức đa dạng hợp tác đề xuất: Nhiều chiến lược hợp tác đề xuất theo lý thuyết phần lớn chiến lược số kiểm tra Tuy nhiên, có số đề xuất xem xét để truyền tín hiệu hợp tác mạng lưới thực tế dựa tiêu chuẩn báo hiệu lớp vật lý có hỗ trợ đa đường liệu từ nguồn đến đích Ở phần này, ta xem xét bốn giao thức hợp tác Mỗi giải pháp ứng cử đặt để giải vấn đề giải mã tin tức, thiết lập liên kết hợp tác định tuyến hợp tác Mặc dù giải pháp dựa chế đa dạng hóa hợp tác, đại diện khác có tính phức tạp khác nhau, có khả tương thích với chuẩn 802.11 MAC, hiệu suất ĐỒ ÁN Trang 7/16 _ Ba đề xuất (CoopMAC, HARBINGER VMISO) sử dụng chuyển tiếp đáng tin cậy để tiếp nhận Trong việc truyền tải tin tức gói nguồn hỗ trợ nhiều relay mà gói liệu mã hóa truyền đích Đặc biệt, gói tin mã hóa gửi relay dựa gói tin tức từ nguồn Gói giải mã không đáng tin cậy tin tức giải mã dựa kết hợp mềm gói tin Chúng ta mô tả giao thức theo trình tự tăng dần độ phức tạp Giao thức thứ tư, COPE, sử dụng mạng lưới mã hóa tiếp cận node trung gian nhận gói tin đáng tin cậy mã hóa có kết hợp nhiều gói tin tức, thường từ nhiều nguồn Cách tiếp cận cần lớp vật lý đơn giản kết hợp với giải mã cứng gói tin riêng nhận Đa dạng độ lợi phát sinh từ phát tới nhiều thu Quá trình xử lí gói tin tức mã hóa kết hợp nhiều gói tin tức, việc giải mã phụ thuộc vào gói tin tức trước nhận giải mã 2.4 Tổng quan: Ta thấy hệ thống thông tin hợp tác mang nhiều triển vọng Một số đề xuất triển vọng minh chứng Tuy nhiên, nhiều thứ phải làm Ví dụ, số đề xuất không bao gồm nhiều ý tưởng Hợp tác đòi hỏi việc thiết kế lại hoàn chỉnh việc kết hợp giao thức mạng Một nghiên cứu mang tính trừu tượng cho thấy thu lợi ích đáng kể kết hợp chặt chẽ lớp mạng với lớp MAC, liên kết, lớp vật lý Cụ thể, việc tiếp cận có khả mang lại linh hoạt lớn việc tối ưu hóa sử dụng toàn cầu tài nguyên mạng vô tuyến Tuy nhiên, phương pháp đòi hỏi phát triển đáng kể chức lớp mạng thiết bị phương diện tốc độ cao, phức tạp lớp vật lý phần mềm lớp mạng Đòi hỏi việc cấu hình lại ngăn cản việc thực thực tế kỹ thuật hợp tác Đó việc đòi hỏi phải có lớp mạng phức tạp hơn, đại diện cho rào cản việc chấp thuận giao thức hợp tác vô tuyến Giá trị thực ĐỒ ÁN Trang 8/16 _ tiễn hệ thống thông tin hợp tác khả phụ thuộc vào việc đạt lợi ích gắn liền với việc hợp tác mà không đòi hỏi nhiều từ lớp mạng ĐỒ ÁN Trang 9/16 _ CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG 3.1 Giới thiệu chung: Một giải pháp cho việc kéo dài tuổi thọ node relay hạn chế lượng mạng không dây tận dụng môi trường xung quanh tần số tín hiệu vô tuyến (RF) đồng thời thu lượng xử lý thông tin Trong đề tài này, ta xem xét hệ thống chuyển tiếp khuếch đại hồi tiếp (AF – amplify-and-forward), nơi node relay hạn chế lượng thu lượng từ tín hiệu RF nhận sử dụng lượng lưu trữ để chuyển tiếp thông tin từ nguồn đến đích Căn vào mô hình phân chia thời gian phân chia lượng, hai giao thức đặt tên, cụ thể giao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian (time switching-based relaying – TSR) giao thức chuyển tiếp phân chia theo lượng (power splitting-based relaying – PSR) cho phép thu lượng xử lý thông tin relay Để xác định thông lượng, biểu thức cho xác suất dừng dung lượng hệ thống bắt nguồn cho truyền dẫn chế độ delay-limited delay-tolerant tương ứng Các phân tích số cung cấp hiểu biết thực tế ảnh hưởng thông số hệ thống khác nhau, chẳng hạn thời gian thu lượng, tỷ lệ phân chia lượng, tốc độ truyền dẫn nguồn, khoảng cách nguồn relay, công suất nhiễu, hiệu suất thu lượng, trình thu lượng không dây xử lý thông tin cách sử dụng node chuyển tiếp AF Cụ thể giao thức TSR nhanh so với giao thức PSR thông lượng SNR tốc độ truyền cao Kéo dài tuổi thọ mạng không dây thông qua việc thu lượng nhận ý đáng kể gần Tuy thay hay sạc pin thay cho việc thu lượng phải có chi phí cao bất tiện, nguy hiểm (ví dụ: môi trường độc hại) không mong muốn (ví dụ: ảnh hưởng đến cấu trúc bên thể người) Trong tình vậy, lựa chọn an toàn thuận tiện để thu lượng từ môi trường Ngoài phương pháp thu lượng thông thường, chẳng hạn lượng mặt trời, gió, độ rung, hiệu ứng nhiệt điện hay tượng vật lý khác giải pháp lên để tận dụng tín hiệu vô tuyến (RF) Ưu điểm giải pháp tín hiệu RF mang lượng ĐỒ ÁN Trang 10/16 _ thông tin lúc Như vậy, node hạn chế lượng thu lượng xử lý thông tin lúc Thu lượng không dây cách sử dụng tín hiệu RF, thời gian gần hệ thống kết nối điểm-điểm phân loại thành hai cách tiếp cận Tiếp cận thứ xem xét thiết kế thu mà đồng thời quan sát trích xuất lượng từ tín hiệu thu Tuy nhiên, giả thiết không thực tế, bo mạch thực tế cho việc thu lượng từ tín hiệu RF chưa thể giải mã thông tin mang theo cách trực tiếp Cách tiếp cận thứ hai xem xét thiết kế máy thu thực tế thực đồng thời giải mã thông tin riêng biệt thu lượng từ thu thu lượng áp dụng rộng rãi Đối với hệ đầu máy thu, ý tưởng truyền tải thông tin lượng đồng thời lần đề xuất, nơi mà tác giả [1] sử dụng lượng lượng để nghiên cứu cân hiệu suất cho đồng thời thông tin chuyển giao lượng Công việc mở rộng để lựa chọn tần số kênh với AWGN (additive white Gaussian noise) Một hệ thống thông tin liên lạc hai chiều cho phép thu lượng truyền tải thông tin nghiên cứu Đối với hệ thứ hai máy thu, giới hạn hiệu suất ba node multiple-input-multiple-output (MIMO) hệ thống phát sóng, với việc tách riêng việc thu lượng giải mã thông tin nhận được nghiên cứu Việc áp dụng thu lượng không dây mạng vô tuyến xem xét, nơi mà thông lượng mạng thứ cấp tối ưu hóa mức độ cho mạng phụ Phần lớn nghiên cứu gần việc thu lượng không dây xử lý thông tin xem xét hệ thống mạng điểm-điểm Trong mạng lưới hợp tác cảm biến không dây, node relay cảm biến có trữ lượng pin hạn chế cần phải dựa số chế sạc bên để trì hoạt động mạng Vì vậy, việc thu lượng mạng đặc biệt quan trọng cho phép chuyển tiếp thông tin Trong đề tài này, ta quan tâm đến vấn đề việc thu lượng không dây xử lý thông tin chế độ AF hợp tác không dây mạng cảm biến Ta ĐỒ ÁN Trang 11/16 _ xem xét kịch nơi mà node relay hạn chế lượng thu lượng từ tín hiệu RF phát node nguồn sử dụng lượng thu để chuyển tiếp tín hiệu nguồn đến node đích Chúng ta áp dụng thời gian chuyển đổi (TS – time switching) phân chia lượng (PS – power splitting) vào hệ thống máy thu đề xuất Dựa thu biết giao thức AF, ta đề xuất hai giao thức chuyển tiếp giao thức chuyển tiếp phân chia thời gian (time switching-based relaying – TSR) giao thức chuyển tiếp phân chia lượng (power splitting-based relaying – PSR) để xử lý riêng biệt thông tin thu lượng node relay hạn chế lượng Trong giao thức TSR, relay dành khoảng thời gian để thu lượng phần thời gian lại để xử lý thông tin Trong giao thức PSR, relay sử dụng phần lượng nhận để thu lượng phần lượng lại để xử lý thông tin Những số liệu thông lượng, định nghĩa số bit giải mã thành công cho đơn vị thời gian đơn vị băng thông node đích Ta thiết kế nghiên cứu cho giao thức TSR PSR với chế độ truyền trễ giới hạn (delay-limited) trễ không giới hạn (delay-tolerant) tương ứng S g h R d1 d2 D Hình 3.1 Mô hình hệ thống [1] Thu lượng R Truyền tín hiệu từ S => R αT Hình 3.2 Mô hình TSR [1] Truyền tín hiệu từ R => D ĐỒ ÁN Trang 12/16 _ khối thời gian, khối định thông tin truyền từ node nguồn đến node đích tỉ số phân chia thời gian, thu lượng từ nguồn tín hiệu, Hình 3.3 Mô hình phân chia thời gian [1] 3.2 Thu lượng: Tín hiệu RF, thu node relay được gửi đến thu lượng (trong khoảng thời gian ) sau đến thu thông tin (khoảng ) bị ảnh hưởng nhiễu Gaussian hẹp, , biết qua ăng-ten nhận Năng lượng thu từ tín hiệu RF sử dụng cho việc sạc pin Tín hiệu thu node relay, , tính bởi: Trong độ lợi từ nguồn đến relay, khoảng cách từ nguồn đến relay, công suất truyền từ nguồn, hệ số suy hao đường truyền, tín hiệu thông tin bình thường hóa từ nguồn, ví dụ, , với phép toán kỳ vọng giá trị tuyệt đối Năng lượng thu, trình thu lượng tính bởi: Với hiệu suất chuyển đổi lượng, phụ thuộc vào trình phân chia bo mạch thu lượng ĐỒ ÁN Trang 13/16 _ 3.3 Truyền lượng hạn chế: Bộ thu thông tin - chuyển đổi tín hiệu RF kiểu băng gốc xử lý tín hiệu băng gốc, nhiễu phụ xuất từ trình chuyển đổi băng RF sang tín hiệu băng gốc Sau chuyển đổi, tín hiệu băng gốc lấy mẫu node relay, , tính bởi: Với số biểu tượng, tín hiệu lấy mẫu chuẩn hóa thông tin từ nguồn, nhiễu phụ băng gốc kiểu Gauss trắng (AWGN) ăng-ten thu node relay, AWGN lấy mẫu trình biển đổi băng RF sang tín hiệu băng gốc Bộ relay khuếch đại tín hiệu nhận tín hiệu truyền từ relay, tính bởi: Với mẫu số, hệ số hạn chế công suất relay, phương sai AWGN, , tương ứng, công suất truyền từ node relay, phụ thuộc vào lượng lượng thu thời gian thu lượng Lưu ý node relay có hệ số hạn chế công suất từ công suất tín hiệu thu Việc lấy mẫu tín hiệu nhận điểm đến, tính bởi: Trong ăng-ten chuyển đổi AWGN node đích, tương ứng, độ lợi từ relay đến đích Ta có: Cuối cùng, ta có: Sử dụng công thức , tính bởi: Từ đó, ta có: ĐỒ ÁN Trang 14/16 _ 3.4 Phân tích thông lượng: SNR node đích tính bởi: Trong phần này, thông lượng, , tính node đích, SNR, , dùng cho chế độ truyền delay-limited (trễ giới hạn) delay-tolerant (trễ không giới hạn) Ở chế độ delay-limited, thông lượng xác định cách đánh giá xác suất dừng, , với tốc độ truyền tải nguồn cố định, tức là, bits/sec/Hz, ngưỡng giá trị SNR để xác định liệu xác đích tính bởi: Với Xác suất dừng node đích dành cho giao thức TSR tính bởi: Với, , , , , giá trị trung bình hàm mũ biến ngẫu nhiên tương ứng Và hàm Bessel loại thứ ĐỒ ÁN Trang 15/16 _ Ở đây, xác suất dừng đích relay thu lượng từ nguồn tín hiệu sử dụng lượng thu để chuyển tiếp tín hiệu từ nguồn đến đích Xác suất dừng, hàm thời gian thu lượng giảm tăng từ đến Điều giá trị lớn nhiều lượng truyền relay, làm giảm hội bị dừng Giả sử phát có bits/sec/Hz thời gian trao đổi hiệu từ node nguồn đến node đích khối thời gian giây, thông lượng, τ đích tính bởi: Với thông lượng, , phụ thuộc vào , , , , , , CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Mô phỏng: Ta thực mô đánh giá ảnh hưởng tỷ số mục tiêu hệ thống TSR energy havesting bán song công, với thay đổi từ Phần này, ta đưa kết mô phân tích từ công thức chương trước Từ đó, ta so sánh rút giá trị tối ưu từ biến số xét Nhằm mục đích đơn giản, ta chuẩn hóa biến số khác thông số thực tiễn Khoảng cách từ nguồn đến relay, từ relay đến đích Hệ số phân chia thời gian , hiệu suất thu lượng Công suất nguồn , công suất đích , hệ số suy hao đường truyền Giả sử giá trị phương sai nhiễu phương sai nhiễu ăngten Sau có thông số, ta đưa công thức thông số vào MATLAB để mô Ta có hai đồ thị: ĐỒ ÁN Trang 16/16 _ Hình 4.1 Đồ thị thông lượng Hình 4.2 Đồ thị xác suất dừng 4.2 Đánh giá: Qua hai biểu đồ thông lượng xác suất dừng, ta quan sát được: - Khi , thông lượng đạt mức tối đa, xác suất dừng tăng, xác xuất dừng lớn, thông lượng ngày giảm Tại , xác suất dừng , có nghĩa truyền dẫn bị ngắt hoàn toàn, quan sát tương ứng với thông lượng Qua hai biểu đồ, ta thấy rõ tăng thông lượng giảm mạnh rõ rệt, xác suất dừng tăng nhanh chóng ĐỒ ÁN Trang 17/16 _ Do đó, có điểm hệ thống đạt giá trị tối ưu Ta quan sát hai đồ thị, đường phân tích gần trùng với mô Ta phân tích ĐỒ ÁN Trang 18/16 _ CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN Hệ thống thông tin hợp tác hướng phát triển cho hệ thống di động, ta vừa truyền liệu nhanh mà thu lượng lượng từ tín hiệu vô tuyến Từ đó, việc kết nối thiết bị cách xa thông qua relay trung gian trở nên tốt hơn, nhanh tiết kiệm lượng tốt hơn, thuận lợi cho nhu cầu truyền tải liệu ngày lớn người dùng Từ đó, ta thỏa mãn nhu cầu sử dụng, cập nhật tin tức, tham gia mạng xã hội, giải trí, v.v… cách nhanh chóng, lúc nơi Qua phân tích mô phỏng, ta quan sát điểm tối ưu dành cho hệ thống, từ áp dụng để xây dựng mô hình thí nghiệm, cải tiến ngày tốt Và hi vọng tương lai không xa ta áp dụng vào thực tế ... lượng, , phụ thuộc vào , , , , , , CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Mô phỏng: Ta thực mô đánh giá ảnh hưởng tỷ số mục tiêu hệ thống TSR energy havesting bán song công, với thay đổi từ... thống đáp ứng số nhu cầu tối thiểu hệ tiết kiệm lượng, đáp ứng nhanh,… Do đó, đề tài này, em chọn nghiên cứu Mô đánh giá ảnh hưởng tỷ số mục tiêu hệ thống TSR energy havesting bán song công ĐỒ... Với mẫu số, hệ số hạn chế công suất relay, phương sai AWGN, , tương ứng, công suất truyền từ node relay, phụ thuộc vào lượng lượng thu thời gian thu lượng Lưu ý node relay có hệ số hạn chế công