Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)

Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (tt)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - VÕ VĂN THẮNG ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN NGẪU NHIÊN ĐA NGƯỜI DÙNG TRÊN CÁC KÊNH TRUYỀN FADING TỔNG QUÁT 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- 2017 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Trung Duy Phản biện 1:……………………………………… Phản biện 2:………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Vào lúc: …… giờ……ngày ……tháng……….năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: -Thư viện Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Đầu tiên, truyền thơng vơ tuyến với tính linh hoạt di động, giúp cho kỹ thuật nhận quan tâm đặc biệt từ nhà nghiên cứu Trong vài thập kỷ gần đây, tốc độ phát triển truyền thơng vơ tuyến tăng trưởng nhanh chóng, đặc biệt nhu cầu truyền thông di động băng rộng Thứ hai, để đạt độ lợi phân tập thiết bị thu đơn ănten, kỹ thuật chọn lựa người dùng đề xuất Trong kỹ thuật này, tận dụng độc lập kênh truyền máy phát thiết bị thu (người dùng), thiết bị thu có kênh truyền tốt đến máy phát chọn để phục vụ Như vậy, hệ thống đạt hiệu phân tập mà khơng cần trang bị nhiều ănten phía máy thu Thứ ba, mạng truyền thông vô tuyến, người dùng xuất cách ngẫu nhiên Bởi tính ngẫu nhiên này, khoảng cách người dùng thiết bị phát (trạm gốc) biến ngẫu nhiên Gần đây, việc nghiên cứu hiệu mạng ngẫu nhiên hướng nghiên cứu mới, nhận quan tâm nhà khoa học nước Thứ tư, lượng vấn đề cấp thiết nghiên cứu mạng truyền thông vô tuyến Các thiết bị điện thoại di động thiết bị cảm biến thiết bị có lượng giới hạn Do đó, thu thập lượng vơ tuyến (Radio frequency energy harvesting) trở thành kỹ thuật tiềm nhằm giải vấn đề giới hạn lượng cho thiết bị truyền thông vô tuyến Bằng cách thu thập lượng vô tuyến từ thiết bị phát vơ tuyến khác, thiết bị vơ tuyến có thêm lượng để trì hoạt động Đây hướng nghiên cứu mới, thu hút nhiều chuyên gia hàng đầu nước quốc tế tham gia Để góp phần giải tốn trên, em xin chọn đề tài “Đánh giá hiệu mạng vô tuyến ngẫu nhiên đa người dùng kênh truyền fading tổng quát” Mục đích nghiên cứu Mục đích đề xuất kỹ thuật chọn lựa người dùng để nâng cao hiệu mạng ngẫu nhiên ,đưa biểu thức toán học đánh giá hiệu xác suất dừng lượng thu thập trung bình cho mơ hình đề xuất Cấu trúc luận văn tập trung chủ yếu đến nội dung sau: Chương – Lý thuyết tổng quan Chương – Mơ hình nghiên cứu Chương – Đánh giá hiệu Chương – Kết mô lý thuyết Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Mạng vô tuyến ngẫu nhiên - Kỹ thuật chọn người dùng - Kỹ thuật thu thập lượng - Các mơ hình kênh truyền fading tổng quát 3 3.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi đề tài tập trung vào nội dung sau: - Nâng cao hiệu xác suất dừng (Outage Probability) độ lợi phân tập (độ lợi mã hố) cho mạng truyền thơng ngẫu nhiên đa người dùng tác động kênh truyền fading - Sử dụng kỹ thuật thu thập lượng để trì lượng hoạt động cho thiết bị - Đề xuất phương pháp chọn lựa người dùng so sánh hiệu xác suất dừng, lượng thu thập trung bình mơ hình 4 CHƯƠNG : LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Mạng vô tuyến Trong năm gần hệ thống thông tin vô tuyến phát triển cách nhanh chóng ngày trở nên phổ biến đời sống người Do việc nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ tiên tiến để đáp ứng nhu cầu cấp thiết Hình 1.1: Mơ hình mạng ngẫu nhiên 1.2 Mạng vô tuyến ngẫu nhiên Trong mạng truyền thơng vơ tuyến, người dùng xuất cách ngẫu nhiên, ví dụ xuất ngẫu nhiên thuê bao di động xung quanh trạm gốc Bởi tính ngẫu nhiên này, khoảng cách người dùng thiết bị phát (trạm gốc) giá trị ngẫu nhiên [5]-[6] Đây mơ hình thường gặp thực tế, mạng việc xem xét hiệu mạng khảo sát cách lấy theo giá trị trung bình tất yếu tố mang tính ngẫu nhiên 5 1.3 Mạng đa người dùng Hình 1.2: Mơ hình mạng đa người dùng 1.4 Thu thập lượng sóng vơ tuyến Đối với thiết bị vơ tuyến nhỏ nút cảm biến, vấn đề lượng trở thành vấn đề cấp thiết Việc hoạt động thường xuyên làm lượng thiết bị suy giảm nhanh chóng, rút ngắn thời gian sống mạng hoạt động dựa thiết bị Để trì hoạt động cho nút mạng, gần phương pháp thu thập lượng vô tuyến (Radio frequency (RF) energy harvesting (EH)) [8]-[10] thu hút ý nhà nghiên cứu nước 6 CHƯƠNG : MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Mơ hình hệ thống R US1 R0 USN BS  n dn USn Hình 2.1 : Mơ hình hệ thống khảo sát Mơ hình nghiên cứu luận văn phát thảo hình vẽ 2.1 Trong hình vẽ này, trạm gốc (Base Station (BS)) phục vụ N người dùng (US: User) dải tần xác định Ta đặt tên N người dùng US1 , US2 , …, USN Giả sử số lượng người dùng lớn  N   mật độ người dùng số khoảng thời gian quan sát Hơn nữa, giả sử, BS sử dụng 01 ănten phát để phục vụ người dùng US, người dùng US trang bị với 01 ănten đơn Do đó, khe thời gian, BS phục vụ 01 người dùng 2.2 Truyền nhận thông tin lượng đồng thời Đối với thiết bị vô tuyến nhỏ nút cảm biến, vấn đề lượng trở thành vấn đề cấp thiết Việc hoạt động thường xuyên làm lượng thiết bị suy giảm nhanh chóng, rút ngắn thời gian sống mạng hoạt động dựa thiết bị Để trì hoạt động cho nút mạng, gần phương pháp thu thập lượng vô tuyến (Radio frequency (RF) energy harvesting (EH)) [8]-[10] thu hút ý nhà nghiên cứu nước 2.3 Phân phối khoảng cách Do đó, khoảng cách d n BS USn biến ngẫu nhiên có hàm phân phối tích luỹ (CDF) sau: Fdn  x   2.4 x  R 02 ,  R  x  R  R  R 02 (2.4) Mơ hình kênh truyền fading Trong luận văn đề tài khảo sát kênh truyền fading tổng quát kênh truyền fading Rayleigh, Rician, Nakagami-m kênh Weibull 2.5 Kỹ thuật chọn lựa người dùng 2.5.1 Chọn lựa người dùng ngẫu nhiên (NNN) Trong mơ hình này, trạm gốc BS chọn ngẫu nhiên người dùng để phục vụ Ta đặt tên cho mơ hình NNN (viết tắt từ Người dùng Ngẫu Nhiên) Ta ký hiệu USa  a  1, 2, , N  người dùng chọn cho phương pháp Sau chọn để phục vụ, BS gửi liệu mong muốn đến USa người dùng lại cố gắng thu thập lượng từ BS 8 Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR BS viết :  a  SNR T a (2.31) Tổng lượng thu thập đơn vị thời gian là:  QNNN  N  n 1, n  a Qn  N  n 1, n  a  N   P n   P    n   a   n 1  (2.32) 2.5.2 Chọn lựa người dùng gần (NGN) Tiếp theo, ta khảo sát kỹ thuật chọn lựa người dùng dựa theo khoảng cách với tên gọi chọn lựa người dùng có khoảng cách ngắn đến BS, ký hiệu NGN (viết tắt từ Người dùng Gần Nhất) Tương tự trên, tỷ số SNR nhận USb tổng lượng thu thập đơn vị thời gian đưa sau:  b  SNR T b  N   QNGN   P   n   b   n 1  (2.34) (2.35) 2.5.3 Chọn lựa người dùng tốt (NTU) Mặc dù phương pháp NGN nâng cao hiệu hệ thống, nhiên môi trường fading Rayleigh, nút gần BS chưa nút có hệ số kênh truyền lớn Trong môi trường fading, việc chọn người dùng theo tỷ số tín hiệu nhiễu tối phương pháp tối ưu Do đó, luận văn nghiên cứu phương pháp chọn lựa nút nhận theo tỷ số tín hiệu nhiễu tối đa, kỹ thuật có tên gọi NTU (viết tắt từ Người dùng Tối Ưu) 9 Tỷ số SNR nhận USc tổng lượng thu thập đơn vị thời gian đưa sau:  c  SNR T c  N   QNTU   P   n   c   n 1  (2.37) (2.38) 2.6 Hiệu hệ thống 2.6.1 Xác suất dừng (Outage Probability (OP)) Xác suất dừng (Outage Probability (OP)) tham số hiệu quan trọng cho hệ thống thông tin vô tuyến nào, cho phép đánh giá hiệu hệ thống vô tuyến mà không cần biết cụ thể kiểu điều chế hệ thống Xác suất dừng xác suất mà tỷ số tín hiệu nhiễu nhận nút thu chọn nhỏ ngưỡng xác định trước Gọi  th ngưỡng dừng (  th số dương), ta đưa biểu thức tính xác suất dừng cho phương pháp đề xuất sau: OPNNN  Pr  a   th  , OPNGN  Pr  b   th  , (2.39) OPNTU  Pr  c   th  2.6.2 Tổng lượng thu thập trung bình Trong lúc chờ đợi phục vụ, người dùng thu thập lượng từ sóng vơ tuyến phát BS Tổng lượng thu thập trung bình phương pháp đề xuất là: 10   N  ENNN  Q NNN   P   n   a ,  n 1    N  ENGN  Q NGN   P   n   b ,  n 1  (2.41)   N  ENTU  Q NTU   P   n   c ,  n 1  với X giá trị trung bình biến ngẫu nhiên X Hơn nữa, sử dụng nguyên lý giá trị trung bình tổng biến ngẫu nhiên tổng giá trị trung bình, ta viết lại (2.41) sau:  N   ENNN   P    n     a   ,  n 1    N   ENGN   P    n     b   ,  n 1    N   ENTU   P    n     c    n 1   (2.42) 11 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG 3.3 Các hiệu mơ hình NNN 3.3.1 Xác suất dừng (OP) Từ cơng thức (2.40), xác suất dừng mơ hình NNN tính: OPNNN  Pr  a      R   R0 f da  y  f a  x  dxdy (3.6) a) Kênh fading Rayleigh: OPNNN   1   R 2 1   R0  z exp  z dz  z exp   z  dz      2 2/  0   R  R     2  2    2 2/    ,  R     ,  R0    R  R          (3.10) b) Kênh fading Rician OPNNN   f da  y  F a    dy R R0 1 R yQ1 2 R R  R0   K , 1  K   y dy (3.11) c) Kênh fading Nakagami-m m 1 m R  t 1 OPNNN   2 z exp   z  dz   R  R   m 2/ t 0 t !mR0  2  1 2 1 2   t , m R      t , m R0   2/        R  R   m  t 0 t !    m 1 (3.14) 12 d) Kênh Weibull OPNNN   1 3.3.2    R R  R 02     R 02          R0 1 (3.16)              ,   R     ,   R          R   z  exp   z  dz    Năng lượng thu thập a) Kênh fading Rayleigh   N  1 P  R  ln   ,  =2  2  R0   R  R0 ENNN     N  1 P    ,        R  R   R0  R      (3.18) b) Kênh fading Rician, kênh Nakagami-m kênh Weibull ENNN  2 P  N  1 R  R 02  R R0 f d  y  dy y n   N  1 P  R  ln    ,  =2 2  R0   R  R0    N  1 P        R  R   R0  R    (3.19)   ,    13 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT Hình 4.2: Xác suất dừng mơ hình NNN kênh truyền fading Rayleigh Trong hình vẽ 4.2, xác suất dừng (OP) mơ hình NNN kênh truyền fading Rayleigh vẽ theo thay đổi giá trị SNR T  dB SNR T  P /   giá trị bán kính nhỏ R Nhìn vào hình vẽ ta thấy giá trị OP mơ hình NNN giảm SNR T tăng Hơn nữa, OP nhỏ với giá trị nhỏ R Điều giải thích sau: R lớn khoảng cách trung bình BS US lớn theo, điều làm giảm SNR nhận US, làm tăng giá trị OP hệ thống Cuối cùng, ta quan sát kết mô lý thuyết trùng khớp với 14 Hình 4.3: Xác suất dừng mơ hình NGN kênh truyền fading Rician Trong hình vẽ 4.3, xác suất dừng (OP) mơ hình NGN kênh truyền fading Rician thể Nhìn vào hình vẽ ta thấy giá trị OP mơ hình NGN giảm số lượng người dùng tăng Một lần nữa, ta quan sát kết mô lý thuyết trùng khớp với Hình vẽ 4.5 so sánh hiệu xác suất dừng phương pháp đề xuất kênh truyền Nakagami - m Từ hình vẽ, ta thấy mơ hình NTU đạt hiệu cao hiệu mơ hình NNN thấp Như nhận xét trên, giá trị OP mơ hình NTU giảm nhanh tăng giá trị SNR T , giảm giá trị OP hai mơ hình NGN NTU gần tuyến tính Các kết mơ 15 lý thuyết khớp với nhau, điều kiểm chứng xác cho cơng thức tốn học đạt Chương Hình 4.5: Xác suất dừng mơ hình NTU, NGN NNN kênh truyền fading Nakagami-m Hình vẽ 4.7 so sánh tổng lượng thu thập giao thức NTU, NGN NNN Từ hình vẽ, ta thấy lượng thu thập mơ hình NNN lớn nhất, tiếp đến mơ hình NGN cuối mơ hình NTU Hơn nữa, giá trị SNR T lớn, lượng thu thập mơ hình NNN tăng nhanh hai mơ hình lại Ta quan sát hình vẽ 4.7 kết mơ lý thuyết hai mơ hình NNN NGN trùng khớp với Riêng với mơ hình NTU, có kết mơ thể 16 Hình 4.7: Tổng lượng thu thập (EH) giao thức NTU, NGN NNN kênh truyền fading Rayleigh 17 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận Theo định hướng đề cương Khoa học, luận văn hoàn thành mục tiêu đặt ra, nghiên cứu mạng truyền thơng vơ tuyến, đặc biệt mạng vô tuyến ngẫu nhiên Luận văn nghiên cứu đề xuất phương án chọn người dùng hiệu để nâng cao chất lượng dịch vụ Hơn nữa, luận văn đề xuất phương án thu hoạch lượng cho thiết bị không chọn để phục vụ Như vậy, mạng vừa đạt hiệu mong muốn, vừa đảm bảo lượng cho việc hoạt động Luận văn đề xuất 03 phương pháp chọn lựa người dùng chọn người dùng ngẫu nhiên, chọn người dùng gần trạm gốc chọn lựa người dùng tốt theo chất lượng kênh truyền người dùng trạm gốc Hiệu 03 phương pháp đánh giá thơng qua phân tích tốn học mô theo hai thông số: xác suất dừng người dùng chọn lượng thu thập người dùng lại Các kết cho thấy có đánh đổi xác suất dừng lượng thu thập Cụ thể, mơ hình đạt giá trị xác suất dừng thấp lượng thu thập nhỏ mơ hình lại Luận văn nghiên cứu mơ hình kênh truyền fading tổng quát kênh Nakagami-m, Rician kênh WeiBull Do đó, kết đạt luận văn áp dụng cho nhiều trường hợp mơ hình khác thực tế 18 Hướng phát triển Trong tương lai, luận văn phát triển theo hướng sau:  Đánh giá thông số hiệu quan trọng khác mạng tỷ lệ lỗi bit (BER), tỷ lệ lỗi ký tự (SER), dung lượng kênh trung bình, v.v  Nghiên cứu mơ hình mạng ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật khác chuyển tiếp phân tập, kỹ thuật truyền thông MIMO,  Nghiên cứu mơ hình mà mật độ người dùng không cố định  ... hình mạng ngẫu nhiên 1.2 Mạng vơ tuyến ngẫu nhiên Trong mạng truyền thông vô tuyến, người dùng xuất cách ngẫu nhiên, ví dụ xuất ngẫu nhiên thuê bao di động xung quanh trạm gốc Bởi tính ngẫu nhiên. .. toán trên, em xin chọn đề tài Đánh giá hiệu mạng vô tuyến ngẫu nhiên đa người dùng kênh truyền fading tổng quát Mục đích nghiên cứu Mục đích đề xuất kỹ thuật chọn lựa người dùng để nâng cao hiệu. .. thơng vơ tuyến, người dùng xuất cách ngẫu nhiên Bởi tính ngẫu nhiên này, khoảng cách người dùng thiết bị phát (trạm gốc) biến ngẫu nhiên Gần đây, việc nghiên cứu hiệu mạng ngẫu nhiên hướng nghiên