PHÂN TÍCH THÔNG LƯỢNG và xác SUẤT DỪNG CHO hệ THỐNG MẠCH CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG bán SONG CÔNG

PHÂN TÍCH THÔNG LƯỢNG và xác SUẤT DỪNG CHO hệ THỐNG MẠCH CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG bán SONG CÔNG .............. PHÂN TÍCH THÔNG LƯỢNG và xác SUẤT DỪNG CHO hệ THỐNG MẠCH CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG bán SONG CÔNG ..............

MỤC LỤC

Hình 1-1: Sự phát triển từ 1G đến 4G

12 Mạng thông tin đi động, 1G, 2G, 3G, 4G

12.1 Mạng không dây thế hệ đầu tiên

1G là mạng không dây cơ bản đầu tiên, được giới thiệu vào những năm 1980 và chủyếu phục vụ cho thoại mạng di động thế hệ thứ nhất sử dụng công nghệ tương tự và đatruy cập phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multile Access Các điệnthoại di động đầu tiên có kích thước khá to thô và cồng kềnh,

Hình 1-2: Điện thoại di động 1G

• AMPS (Advanced Mobile Phone Services) được triển khai tại Mỹ

• TACS (Tatal Access Communications Systems) được phát triển ở Anh dựa trêncác tiêu chuẩn của AMPS

• N.M TNordic Mobile Telephone là chuẩn dành cho các nước Bắc Âu

Ưu nhược điểm dịch vụ đơn thuần chỉ là thoại với chất lượng thấp bảo mật kém dễ bị nhiễu vùng phủ sóng hẹp

12.2 Mạng, 2G

Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải tiến cũng như khác hoàn toàn so vớithế hệ đầu tiên 2G sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số, thay cho tín hiệu anolog của thế hệ1G Mạng 2G mang tới cho người sử dụng di động 3 lợi ích mã hóa dữ liệu theo dạng

kỹ thuật số phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện tin nhắn dạng vănbản đơn giản-SMS (Short Message Sevices

Hình 1-3: Đ,iện thoại di động 2G

Mạng 2G chia thành hai nhánh nền TDAM (Time Division Multiple Access) và nềnCDMA (Code Division Multiple Access ) cùng nhiều dạng kết nối mạng tùy theo yêucầu sử dụng từ thiết bị cũng như hạ tầng từng phân vùng quốc gia,

 GSM (dựa trên TDMA) khơi nguồn áp dụng tại Phần Lan và sau đó trở thànhchuẩn phố biến, trên toàn 6 Châu lục Và hiện nay vẫn đang được sử dụng bởihơn 80% nhà cung cấp mạng di động toàn cầu

 C,DMA2000 - tần số 450 MHz cũng là nền tảng di động tương tự GSM nhưng

nó dựa trên nền CDMA và hiện cũng đang được cung cấp bởi 60 nhà mạngGMS trên toàn thế giới

 I.S-95 (Interim Standard-95) hay còn gọi, CDMAOne dựa trên nền tảng CDMA.được sử dụng rộng rãi tại Hoa Kỳ và một số nước Châu Á và chiếm gần 17%các mạng toàn cầu tuy nhiên tính đến thời điểm này thì có khoảng 12 nhà mạngđang chuyển dịch dần từ chuẩn mạng này sang GS.M

Ư.u điểm chất lượng thoại được cải tiến dung lượng tăng bảo mật và chống nhiễu tốthơn so với 1G

Nhượcđiểm tuy đã hỗ trợ dịch vụ số liệu nhưng vẫn còn rất hạn chế không thể xử lýcác dữ liệu phức tạpv

B, ước chuyển trung gian giữa 2G và 3G là 2;5G (GPRS - General Packet RadioService) và 275G (EDGE - Enhanced Data Rates for GSM Evolution), 2p5G và 2p75Gdùng phương thức chuyển mạch gói giúp tăng tốc độ dữ liệu nên các dịch vụ đaphương tiện được mở rộng

12.3 Mạng 3G

.Là thế hệ truyền thông thứ ba tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó Nó cho phépngười dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại tải dữ liệu., gửie.mail, tin nhắn nhanh., hình ảnh., âm thanh., video clips

Nh.ược điểm: đòi hỏi băng tần rộng, chi phí cao

,3G hứa hẹn có tốc độ lên tới 2 Mbps trong điều kiện lý tưởng tuy nhiên trong thực tếtốc độ này chỉ là 348 Kbps, Do vậy HSDPA và HSUPA ra đời nhằm tăng tốc độ 3G,bước đệm tiến đến 4G

− Tốc độ 100 Mbit/s cho vùng rộng và 1 Gbit/s cho vùng hẹp.

− Kết nối mạng hoàn toàn là IP

− Thông tin rộng lớn và liên tục ngay cả khi di chuyển

− Độ trễ thấp hơn 3G

− Trễ kết nối thấp hơn 500 ms

− Trễ truyền dẫn thấp hơn 5ms

− Giá thành thấp hơn thế hệ trước

.Quá trình nghiên cứu và phát triển của 3G có 2 hướng:

o Tiến hành bời 3GPP tiến lên 4G thông qua 3G LTE

o Tiến lên 4G từ nền tản WiMAX

Hình 1-5: S.ự phát triển từ 3G lên 4G

W.iMAX (Worldwide Interoperabilitity for Microwave Access) là công nghệ dựa trênchuẩn IEEE 802.16 cho phép cung cấp các dịch vụ truy nhập không dây mọi lúc mọinơi Các sản phẩm của WiMAX có thể sử dụng trong các loại hình cố định hoặc diđộng Chuẩn IEEE 802.16 được phát triển để cung cấp các kết nối không nằm trongtầm nhìn thẳng (NLoS) giữa các thuê bao và các trạm phát với bán kính phủ sóng củamột Cell có thể tứ 3 đến 10 km

WiMAX có các chuẩn như sau IEEE 802.16/ IEEE 802.16a/ IEEE 802.16b, IEEE802.16c,…

WiMAX sẽ cung cấp các kết nối băng rộng mọi lúc mọi nơi cho mọi loại thiết bị vàtrên bất kỳ hệ thống mạng nào

L TE là công nghệ được chuẩn hóa bởi 3GPP (The Third Generation PartnershipProject)

Cả WiMAX và LTE đều dùng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trựcgiao OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) Lợi thế của LTE sovới WiMAX là phát triển từ hạ tầng của GSM có sẵn, còn WiMAX là một mạng lướimới hoàn toàn

Ưuđiểm: dung lượng lớn, tốc độ cao hơn nhiều so với 3G, phục vụ mọi lúc mọi nơi,Nhược điểm: tiêu hao pin của thiết bị nhanh đòi hỏi thiết bị hiện đại

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 2.1 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền và các loại kênh truyền

2.1.1 C.ác hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền

 H.iệu ứng Doppler

H.iệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy thu Bảnchất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê lệch đi so với tần số trungtâm một khoảng gọi là tần số Doppler

 H.iện tượng đa đường

T.rong một hệ thống thông tin vô tuyến, các bước sóng bức xạ điện từ thường khôngbao giờ được truyền trực tiếp đến anten thu Điều này xảy ra là do giữa nơi phát vànơi thu luôn tồn tại các vật thể cản trở sự truyền sóng trực tiếp Do vậy, sóng nhậnđược chính là sự chồng chập của các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ,khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà cây cối và các vật thể khác Hiện tượng này được gọi là

sự truyền sóng đa đường

 Suy hao trên đường truyền

Sự suy giảm công suất trung bình của tín hiệu khi truyền từ máy phát đến máy thu

Sự giảm công suất do hiện tượng che chắn và suy hao có thể khác phục bằng cácphương pháp điều khiển công suất

 Hiệu ứng bóng râm

D o ảnh hưởng của các vật cản trên đường truyền như các toà nhà cao tầng các ngọnnúi đồi làm cho biê.n độ tín hiệu bị suy giảm Tuy nhiên hiện tượng này chỉ xảy ra trênmột khoảng cách lớn nên tốc độ biến đổi chậm vì vậy, nó được gọi là fading chậm

2.1.2 Các d.ạng kênh truyền

• Kênh c.học lọc tần số

• Kênh ch.ọn lọc thời gian

• Kênh không ch.ọn lọc tần số

• Kênh k.hông chọn lọc thời gian

2.2 Hệ t.hống truyền thông hợp tác

2.2.1 Giới thiệu

T.rong truyền thông không dây, tín hiệu thường bị suy yếu do chất lượng kênh truyềnkhông đảm bảo bởi ảnh hưởng của các yếu tố như: pha-đinh đa đường, hiệu ứng bóngrâm,… Một trong những giải pháp có tính khả thi cao để tăng tốc độ truyền dẫn và cảithiện chất lượng kênh truyền là hệ thống truyền thông hợp tác

Truyền thông hợp tác được ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến như mạng

di động tế bào, mạng cảm biến không dây

Hình 2-1: Mạng truyền thông hợp tác 2.2.2 M.ô hình kênh chuyển tiếp

M ạng truyền thông hợp tác hoạt động dựa trên các kênh chuyển tiếp (relay) và cácđầu-cuối Mô hình kênh chuyển tiếp được giới thiệu lần đầu vào năm 1971 bởiEdward van der Meulen, mô hình cơ bản của kên.h chuyển tiếp gồm 3 nút: nút nguồn(S), nút đích (D), nút relay (R)

2.2.3 Phân loại

Theo số chặng chuyển tiếp giữa nút nguồn và nút đích:

S R D

 Chu yển tiếp hai chặng: chỉ dùng một relay để chuyển tiế p thông tin từ nguồnđến đích

Hình 2-2: Chu.yển tiếp hai chặng

 Chuyển tiếp đa chặng: dùng từ hai relay trở lên để thực hiện chuyển tiếp

Hình 2-3: C huyển tiếp đa chặng

Theo hướng chuy ển tiếp:

 Chuyển t.iếp đơn hướng

 Chuyển tiế.p song hướng

2.2.4 Gi.ao thức hoạt động của nút chuyển tiếp

.Khi nút chuyển tiếp tiếp nhận thông tin từ nút nguồn chúng sẽ được tiếp nhận và xử

lý trước khi truyền đến nút đích hai kỹ thuất chuyển tiếp phổ biến thường được sửdụng n,hiều trong các hệ thống truyền thông hợp tác là kỹ thuật chuyển tiếp cố định(fixed ralaying) và kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi (adaptive relaying)

T,,rong kỹ thuật chuyển tiếp cố định có hai giao thức được sử dụng phổ biến là khuếchđại và chuyển tiếp (Amplify and Forward-AF) và giải mã và chuyển tiếp (Decode andForward-DF)

T.a tiều hiểu giao thức AF

 A mplify and Forward (AF)

G iao thức Amplify and Forward là giao thức khuếch đại và chuyển tiếpTín hiệu truyền từ nguồn đến relay được khuếch đại lên, sau đó relay sẽ truyền tín hiệu đã được khuếch đại này đến đích

R

D

Hình 2-4: Giao thức AF

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG VÁ XÁC SUẤT DỪNG

3.1 M.ạng di động thế hệ kế tiếp

3.1.1 Mạ.ng 5G

4 G với tốc độ cao đã triển khai trên thế giới nhưng với nhu cầu sử dụng ngày càngcao cùng với xu hướng tiếp cận và hướng đến công nghệ mới việc nghiên cứu và pháttriển thế hệ mạng tiếp theo là tất yếu

H iện nay, 5G đang được nghiên cứu bởi nhiều tổ chức khác nhau, chưa có một chuẩn

cụ thể nào được công bố Tuy nhiên có thể hiểu theo dòng phát triển của các thế hệmạng di động 5G là thế hệ di động kế tiếp sau 4G5G cũng sẽ có những tính năng vượttrội hơn nhắm đáp ứng nhu cầu về tốc độ dữ liệu dịch vụ đa phương tiện và các dịch vụtiện ích thông minh trong nhiều lĩnh vực khác nhaunnn

31.2 Mục tiêu của 5G

M ục tiêu chính của 5G là cung cấp kết nối mọi lúc, mọi nơi, mọi thời điểm mà không

có sự cản trở nào nên mong muốn sẽ có các đặc tính saukkk

 T ốc độ truyền tải lớn hàng Gbpsviệc lướt web hay tải một bộ phim hầu như lậptức, người sử dụng không phải dùng hàng giờ chờ tải một bộ phim hay

tế (theo dõi nhịp tim, huyết áp, )

 Cá c dịch vụ giải trí đa phương tiện: video 3D chất lượng 4K, chat video sẽ cho hình ảnh mượt mà mang đ ến cảm giác thực tế hơn,

 Có thể phục vụ cho điều khiển giao thông, theo dõi tình trang ô nhiễm,

 Bã o mật tốt

RRelay

xR yR

Hình 3-1: Mô hình hệ thống bán song công

D ựa trên mô hình hệ thống, tín hiệu nh ận ở relay và đích như sau:

Tí.n hiệu thu tại nút chuyển tiếp:

(3.1)

(3.2)Tr.ong đó:

, : tín hiệu n.hận tại relay và tại đích

, : tín hiệu ph.át đi tại nguồn và tại relay

,: hệ số kênh truyền

, : nhiễ u tạp âm Gaussian (AWGN) ở relay và đích với trung bình bằng 0, phương sai

 Q uá trình truyền thông tin:

Hình 3-2: Truyền thông tin trong hệ thống bán song công

Quá trìn h truyền thông tin trong hệ thốn g chia thành hai giai đoạn:

 Giai đo.ạn 1: Relay thu năng lượng từ nguồn trong thời gian αT

 Giai đo.ạn 2: truyền thông tin trong k.hoảng thời gian (1-α)T Do trong hệ thốngbá.n song công không thể tr uyền nhận đồng thời, nên giai đ oạn truyền thôngtin được chia ra (1-α)T/2 dùng truyền t hông tin từ ngồn đến relay và (1-α)T/2dùng để truyền thông tin từ rela y đến đích

Năng lượng th u được tại relay có công thức:

α: hệ số thời gian chuyển đổi, với 0 α 1

T: th ời gian của một khung tín hiệu truyền từ S đến D.

: hi ệu suất chuyển đổi năng lượng, với 0 η 1

công suất của nguồn

(3.9)

Tỷ số S NR của hệ thống bán song công chyển tiếp AF:

(3.10)Hay

(3.11)Phần rút gọn 3.11 trình bày tron, g phụ lục A mục 1

 Xác suất dừng

(3.12)Công thức cuối cùng sa u chứng minh và rút gọn:

 Thông lượng

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 4.1 Mô hình m.ô phỏng

Hình 4-1: Mô hình mô phỏng 4.2 Kết q uả mô phỏng và nhận xét

4.2.1 Mô phỏng theo

Bảng 4-1: Thông số mô phỏng theo

Công suất phát tại nguồn 0:1:30

NgưỡngGiá trị trung bình của biến ngẫu

Hình 4-3: Th ông lượng hệ thống HD chuyển tiếp AF theo 4.2.2 Mô phỏng theo α

Bảng 4-2: Mô phỏng theo α

Công suất phát tại nguồn 20

NgưỡngGiá trị trung bình của biến ngẫu

Giá trị trung bình của biến ngẫu

nhiên

0.5Giá trị trung bình của biến ngẫu

Hình 4-4: Xác s uất dừng của hệ thống HD chuyển tiếp AF theo α

Hình 4-5: Th.ông lượng hệ thống HD chuyển tiếp AF theo α

4.2.3 Mô phỏng theo R

Bảng 4-3: Mô phỏng theo R

Công suất phát tại nguồn 20

NgưỡngGiá trị trung bình của biến ngẫu

nhiênGiá trị trung bình của biến ngẫu

nhiênGiá trị trung bình của biến ngẫu

nhiên

Hình 4-6: X.ác suất dừng của hệ thống HD chuyển tiếp AF theo R

Hình 4-7: Th ông lượng hệ thống HD chuyển tiếp AF theo R

 N hận xét:

.Dựa trên các kết quả mô phỏng được, ta thấy hệ thống làm việc tốt, đường mô phỏngtheo simulation và analytical gầ n như trùng khớp với nhau, điều này cho thấy việc tìmhiểu và xây dựng từ mô hình đến công thức là đúng

Qua các kết quả mô phỏ.ng ta thấy AF với phương pháp xử lý đơn giản, tiết kiệm thờigian tính toán, nhưng cũng có khuyế t điểm là khuếch đại cả thành phần nhiễu trongtín hiệu nên được dùng trong trường hợp khoảng cách truyền ngắn

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 5.1 K.ết luận:

− Tìm hiểu mạng truyền thông hợp tác

− Tì.m hiểu mô hình, xây dựng công thức của hệ thống bán song công

− M.ô phỏng, đánh giá được thông lượng và xác suất dừng của hệ thống bán songcô.ng chuyển tiếp AF theo α và

5.2 Hư.ớng phát triển

• Ư.u điểm

Tìm hiểu được hệ thống HD với kênh tự nhiễu ở chuyển tiếp AF

Tìm hiể u được phần nhiễu Gaussian trong hệ thống HD

• N hược điểm

V iệc tìm hiểu, xây dựng, đánh giá hệ thống chỉ dựa trên t.rạng thái kênh hoàn hảo,khô ng có những thành phần nhiễu phát sinh nào khác trên đư.ờng truyền

Chưa xé t nhiễu trên phần cứng

Chỉ đánh g iá dựa trên TSR (Time Wwitching based Relaying)

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt:

[1] TS Nguyễn Phạ.m Anh Dũng, Lộ tr.ình phát triển Thông Tin Di Động 3G lên 4G,Giáo trình, Học viện Công nghệ Bưu c.hính Viễn thông, Nhà xuất bản thông tin vàtruyền thông

PHỤ LỤC A Mục 1: Rút gọn