TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG sử DỤNG GIAO THỨC KHUẾCH đại và CHUYỂN TIẾP PSR

TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG sử DỤNG GIAO THỨC KHUẾCH đại và CHUYỂN TIẾP PSR TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG sử DỤNG GIAO THỨC KHUẾCH đại và CHUYỂN TIẾP PSR TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG sử DỤNG GIAO THỨC KHUẾCH đại và CHUYỂN TIẾP PSR

TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TÌM HIỂU MƠ HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG SỬ DỤNG GIAO THỨC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP PSR Người hướng dẫn: Th.S NGUYỄN NHẬT TÂN Người thực hiện: HỒ TÂY Lớp: 13040201 Khố : DH17 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2017 TỔNG LIÊN ĐOÀN LAO ĐỘNG VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TÌM HIỂU MƠ HÌNH CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG SỬ DỤNG GIAO THỨC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP PSR Người hướng dẫn: Th.S NGUYỄN NHẬT TÂN Người thực hiện: HỒ TÂY Lớp: 13040201 Khoá : DH17 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2017 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PSR Power Splitting-Based Relaying AF Amplify-and-forward SNR Signal-to-Noise Ratio RF Radio Frequency ĐỒ ÁN Trang 6/19 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MƠ HÌNH CHUYỂN TIẾP CHẶNG 1.1 Giới thiệu Trong năm gần đây, việc thu hoạch lượng việc thơng qua tín hiệu tần số vô tuyến (RF) ngày quan tâm nghiên cứu phát triền ngành viễn thông Ý tưởng đưa để kéo dài tuổi thọ mạng không dây thông qua việc thu hoạch lượng thay phương pháp nạp lại lượng thơng thường Các phương pháp nạp lượng khác mặt trời, gió hiệu ứng nhiệt điện nạp lượng cho node Tuy nhiên, kỹ thuật thơng thường khơng đáng tin cậy lượng thu hoạch biến đổi lớn Ưu điểm việc thu hoạch lượng thơng qua tín hiệu RF tần số vô tuyến mang thông tin lượng lúc Vì vậy, node nguồn cần công suất thấp để lúc thu hoạch lượng xử lý thông tin 1.2 Mục tiêu đề tài Trong mạng chuyển tiếp hai chiều điển hình, hai node trao đổi liệu thơng qua node chuyển tiếp lượng bị suy giảm Trong đề tài này, phân tích hiệu hệ thóng Theo đề tài sử dụng giao thức khuếch đai chuyển tiếp (AF) sử dụng PSR Trong hệ thống này, hai node A B trao đổi liệu thông qua node chuyển tiếp R Sau đó, xác định biểu thức cho xác suất dừng thông lượng đạt hai node A B giao thức PSR Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 7/19 Hình 1-1: Mơ hình mạng truyền thơng đơn chặng hai chặng Mục đích đề tài trình bày mơ hình hệ thống xét trên, giải thích việc thu hoạch lượng xây dựng công thức để đánh giá xác suất dừng thông lượng hoạt động hệ thống - 1.3 Yêu cầu đề tài Tìm hiểu mơ hình bán song cơng hệ thống chuyển tiếp hai chặng Xây dựng công thức xác suất dừng thông lượng hệ thống Mô matlab đánh giá kết Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 8/19 CHƯƠNG NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 1.4 Mơ hình hệ thống chuyển tiếp hai chặng d1, g1 A AF Relay R d2, g2 B Chặng 1: Từ node đến Relay Chặng 2: Từ Relay đến node Hình 2-1: Mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp 1.1.1 Cấu trúc Xét mạng lưới truyền thông hợp tác bao gồm hai node A, B node relay R A B node truyền nhận liệu Giả sử khơng có liên kết node A B Tỉ số tín hiệu nhiễu SNR thấp mức tối thiểu so với ngưỡng cho phép để truyền hiệu Node chuyển tiếp trung gian R hỗ trợ truyền node Node relay R có nhiệm vụ thu hoạch lượng từ node để khuếch đại chuyển tiếp tín hiệu nhận tới đích Trong mơ hình chuyển tiếp chặng d1, g1 d2, g2 khoảng cách độ lợi kênh node S node chuyển tiếp R, khoảng độ lợi kênh node B node chuyển tiếp R 1.1.2 Sự hoạt động mơ hình Tồn q trình chuyển giao thông tin thu hoạch lượng chia thành hai bước Bước 1, node A B truyền tín hiệu đến node chuyển tiếp R Bước 2, sau thu hoạch lượng từ tín hiệu thu được, node chuyển tiếp R khuếch đại phát tín hiệu đến node đích tương ứng Điện yêu cầu mạch thu phát node chuyển tiếp R không đáng kể so với công suất truyền dẫn 1.1.3 Bán song cơng (half duplex) Trong hệ thống bán song cơng thơng tin truyền theo hướng không đồng thời Các hệ thống bán song cơng gọi hệ thống truyền tin Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 9/19 theo hai hướng thay đổi luân phiên Ở trậm truyền tin có máy phát máy thu không làm việc thời gian VD Trong đề tài dùng node chuyển tiếp R có chức phát thu không thời gian 1.1.4 Giao thức khuếch đại chuyển tiếp Giao thức khuếch đại chuyển tiếp (AF): Tính hiệu phát node nguồn bị suy yếu đến node chuyển tiếp khuếch đại lên bao gồm phần nhiễu tín hiệu Sau node chuyển tiếp truyền tín hiệu vừa khuếch đại đến node đích Hình 2-1: Giao thức chuyển tiếp AF  1.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền Suy hao truyền sóng khơng gian tự do: Suy hao không gian tự khoảng không gian mà sóng lan truyền bị suy hao Mức độ suy hao truyền từ trạm phát tới trạm thu tỉ lệ thuận với khoảng cách hai trạm tỉ lệ nghịch với độ dài bước sóng  Ảnh hưởng fading mưa: Fading tượng thay đổi cường độ tín hiệu sóng mang cao tần trạm thu thay đổi khí quyển, phản xạ phát đất nước mưa truyền sóng Trong thơng tin vơ tuyến tầm nhìn thẳng dải tần Ghz, ảnh hưởng fading đa đường mưa gây ảnh hưởng nhiều đến truyền sóng Suy hao fading đa Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 10/19 đường phụ thuộc vào tần số sóng mang ảnh hưởng nhiều khoảng cách truyền dẫn tăng Ngược lại, suy hao mưa tăng dần làm việc tần số cao Vậy đường truyền dài tần số thấp fading đa đường ảnh hưởng Còn mưa ảnh hưởng khoảng cách ngắn tần số cao chủ yếu  Sự can nhiễu sóng vơ tuyến: Thiết bị di động ngày tăng nên số lượng sóng vô tuyến truyền không gian tự nhiều Do chúng tác động lẫn khơng tránh khỏi Các sóng can nhiễu lẫn tần số khác tần số 1.5 Xây dựng công thức theo giao thức PSR T EH, ρP A R (1-ρ)P R T/2 B T/2 Giao thức PSR giao thức phân tách công suất để chuyển tiếp Tổng thời gian cho trình truyền nhận T chia thành phần T/2 Nửa thời gian đầu sử dụng để tu thập thông tin từ node nguồn S đến node chuyển tiếp R, nửa thời gian lại sử dụng để truyền thơng tin từ node chuyển tiếp R đến node B Đối với thu hoạch lượng, node R phân chia nhiệm vụ, thời gian T/2 giá trị ρ công suất tín hiệu nhận P sử dụng cho thu hoạch lượng, khoảng T/2 phần (1-ρ) công suất nhận để xử lý thơng tin Tín hiệu nhận node R y R, giả sử khoảng cách node 1km thì: ρ yR = g1 ρ xA + g ρ xB + nR Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 11/19 Năng lượng thu node chuyển tiếp là: 2 EH R = (ηρ PS g1 + ηρ PS g ) T Công suất phát node chuyển tiếp là: PR = EH R 2 = ηρ PS g1 + ηρ PS g T /2 (1) Tín hiệu thu được chuyển đổi node chuyển tiếp là: − ρ yR = g1 − ρ xA + g − ρ xB + nR (2) Tín hiệu khuếch đại truyền từ node chuyển tiếp: xR = G (1 − ρ ) yR Trong đó, G độ khuếch đại Có thể biểu diễn: G= G= E { xR } E { yR2 } PR 2 (1 − ρ ) PS g1 + (1 − ρ ) PS g + n0 (3) Tín hiệu mà node B nhận là: yB = g xR + nB = g 2G (1 − ρ ) yR + nB Thay (2) vào phương trình ta tín hiệu yD: yB = g1 g 2G (1 − ρ ) x A + g 22G (1 − ρ ) xB + g 2GnR + nB Lưu ý rằng, xD tín hiệu phát từ node B, tự triệt tiêu Tín hiệu yB đơn giản lại: yB = g1 g G (1 − ρ ) x A + g 2GnR + nB Trong tín hiệu nhận node B bao gồm phần nhiễu tín hiệu Xác định hệ số SNR: SNR = Signal Noise 2 = g1 g G (1 − ρ ) PS g2 G N0 + N0 Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 12/19 Ta có G xác định phương trình (3), nên SNR viết lại: SNR = g1 g (1 − ρ ) PS PR 2 g N PR + N g1 (1 − ρ ) PS + N g (1 − ρ ) PS + N 02 Từ phương trình công suất phát PR node chuyển tiếp (1), SNR biểu diễn: 2 2 ηρ (1 − ρ ) PS2 g1 g ( g1 + g ) SNR = 2 PS ( g1 + g )  N 0ηρ g + N (1 − ρ )  + N 02   Với trường hợp gần nhiễu N 02 không đáng kể so với SNR lớn, nên SNR đơn giản là: SNR = ηρ (1 − ρ ) PS g1 g 2 N 0ηρ g + N (1 − ρ ) Để xét xác suất dừng hệ thống: Ta có: C = log (1 + SNR) < R ⇒ SNR < R − Sự gián đoạn node xuất SNR node nhận thấp ngưỡng γ=2R-1.Xác suất dừng pout node đích xác định: pout = p( SNR < γ )  ηρ (1 − ρ ) PS g1 g 2  ⇒ pout = p  < γ ÷  N ηρ g + N (1 − ρ ) ÷     N (1 − ρ )γ = p  g2 < ÷  g1 η Ps ρ (1 − ρ ) − N 0γηρ ÷   Đặt a = N (1 − ρ )γ , b = η Ps ρ (1 − ρ ) c = N 0γηρ biểu thức Pout biểu diễn lại:   a Pout = p  g < ÷  g1 b − c ÷      a  p  g2 < ÷ g1 b − c ÷    =    a p  g > ÷= 1,   2 g1 b − c ÷    Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR g1 < c / b g1 > c / b SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 13/19 ⇒ pout ∫ c/b Trong đó:  ( ) ( y ) p  g f g1  f g ( y) <  ∞ ÷ dy + f g1 ∫ c/b g1 b − c ÷  Fg ( y)  ( ) ( y ) p  g a  >  ÷ dy g1 b − c ÷  (4) a hàm mật độ xác xuất (pdf) hàm xác suất 2 tích lũy (cdf) kênh truyền ngẫu nhiên g1 g −y Ω2 f g ( y) = e Ω g1 Fg ( y ) = p( g < y ) = − e 2 −y Ω2 Thay hàm (pdf) (cdf) vào pout (4) ta được: pout = 1− Ω g1 ∫ ∞ y =c /b e −y a − Ω g1 ( by − c ) Ω g2 dy Thay biến z=by-c, pout viết lại: − pout c bΩ g1 e = 1− Ω g1 ∫ ∞ z =0 e −a z − zΩ g2 bΩ g1 dz (5) Ta áp dụng hàm Bessel loại 2: ∫ ∞ τ= Đặt ∫ ∞ e bΩ g1 a z − − zΩ g2 bΩ g1 v= , dz = 4a Ω g2 e − v −τ z 4z dz = v K1 τ ( vτ ) (6) thay vào hàm Bessel (6) ta được: 4a  Ω g2 4a K1   bΩ g Ω g  bΩ g1  4abΩ g1  4a ÷= K1  ÷  bΩ g Ω g Ω g2    ÷ ÷  (7) Thay hàm Bessel (7) vào pout (5) ta được: Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 14/19 − pout = − c bΩ g1 e Ω g1 4abΩ g1 Ω g2  4a K1   bΩ g Ω g   ÷ ÷  Thơng lượng hệ thống (Throughput) lượng liệu truyền thông suốt đơn vị thời gian (đơn vị: bps): Throughput = R (1 − pout ) Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 15/19 CHƯƠNG KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Kết mơ mô từ công thức xác suất dừng thông lượng xây dựng chương phần mềm Matlab 1.6 Mơ hình mơ Hình 3-1: Sơ đồ thuật tốn 1.7 Kết mơ 1.1.6 Khi cơng suất (Ps) thay đổi Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 16/19 Hình 3-2: Mơ xác suất dừng Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 17/19 Hình 3-2: Mơ thông lượng (throughput) 1.1.7 Hệ số biến đổi công suất ( ρ ) thay đổi Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 18/19 Hình 3-3: Mơ xác suất dừng ρ thay đổi Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 19/19 Hình 3-4: Mô thông lượng ρ thay đổi 1.1.8 Khi tốc độ bit (R) thay đổi Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 20/19 Hình 3-5: Mơ xác suất dừng R thay đổi Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 21/19 Hình 4-6: Mơ thơng lượng R thay đổi Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 22/19 CHƯƠNG KẾT LUẬN 1.8 Kết luận − Kết quả mô với lý thuyết đề tài yêu cầu − Thực mục tiêu đề tài xây dựng công thức mô đánh giá chất lượng hệ thống − 1.9 Hướng phát triển Từ mơ hình chuyển tiếp hai chặng bán song cơng phát triển lên hệ thống song cơng − Từ mơ hình khuếch đại chuyển tiếp AF phát triển thành giải mã chuyển tiếp kết hợp hai kỹ thuật này, kết hợp giao thức PSR TSR Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 23/19 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt: [1] TS Nguyễn Phạm Anh Dũng (2001), Thông Tin Di Động, Giáo trình, Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng, Nhà xuất Bưu điện Tiếng Anh: [2] Syed Tariq Shah, Kae Won Choi, Syed Faraz Hasan, Min Young Chung, Throughput analysis of two-way relay networks with wireless energy harvesting capabilities, Ad Hoc Networks Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 24/19 PHỤ LỤC A Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ... Networks Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 24/19 PHỤ LỤC A Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại. .. dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 20/19 Hình 3-5: Mơ xác suất dừng R thay đổi Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR. .. đổi Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp PSR SVTH: Hồ Tây ĐỒ ÁN Trang 18/19 Hình 3-3: Mơ xác suất dừng ρ thay đổi Tìm hiểu mơ hình chuyển tiếp hai chặng