ĐÁNH GIÁ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG SONG CÔNG THÔNG QUA GIAO THỨC GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP

ĐÁNH GIÁ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG SONG CÔNG THÔNG QUA GIAO THỨC GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP ĐÁNH GIÁ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG SONG CÔNG THÔNG QUA GIAO THỨC GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP ĐÁNH GIÁ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG SONG CÔNG THÔNG QUA GIAO THỨC GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP ĐÁNH GIÁ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG SONG CÔNG THÔNG QUA GIAO THỨC GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP

ĐÁNH GIÁ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG SONG CÔNG THÔNG QUA GIAO THỨC

GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP

AF Amplify and Forward

AMPS Advanced Mobile Phone System

CDMA Code Division Multiplex Access

D-AMPS Digital Advanced Mobile Phone System

DF Decode and Forward

FDMA Frequency Division Multiplex Access

FM Frequency Modulation

GSM Global System for Mobile Phone

IEEE Institude of Electrical and Electronics Engineers LTE Long Term Evolution

NMT Nordic Mobile Telephone

OFDM Orthogonal Frequency Division MultiplexingPDC Personal Digital Cellular

PSR Power Splitting based Relaying

SMS Short Message Services

SNR Signal to Noise Ratio

WiMAX Worldwide Interoperabilitity for Microwave Access

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN SỰ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN

Sau nhiều năm.phát triển, thông tin di động trải qua rất nhiều giai đoạn phát triểnquan trọng Từ hệ thống di động tương tự thế hệ thứ.nhất.đến hệ thống thông tin di động

số thế hệ thứ hai kế tiếp là hệ thống thông tin di.động băng rộng thế hệ thứ ba và pháttriển lên hệ thống thông tin di động đa phương.tiện thế hệ thứ tư đang được triển khai.trênphạm vi toàn cầu và thế hệ thông tin di động thế hệ thứ năm đang được nghiên cứu tạimột số nước

Với sự bùng nổ.tốc độ.của hệ thống di động 5G, thì hệ thống di động 5G sẽ đượcứng dụng rộng rãi cho.rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống Việc triển khai hệ thống di động5G là vấn đề trong.tương lai gần Nhưng trước xu hướng phát triển về công nghệ.viễnthông và đặc biệt là công nghệ thông tin di động, thì việc nghiên cứu và.tìm.hiểu về hệthống thông tin di động 5G là cần thiết

Trong bài này, xem xét một mạng chuyển tiếp Decode and Forward (DF) dựa trênviệc thu hoạch năng lượng không dây Node chuyển tiếp thu năng lượng thông qua các tín

hoạch được để chuyển tiếp thông tin nguồn đã giải mã đến đích Node nguồn chuyển nănglượng và thông tin tới nút chuyển tiếp thông qua hai cơ chế: Chuyển mạch dựa trênchuyển mạch thời gian (Time Switching Relay) và chuyển mạch theo phân chia công suất(Power Slittping Relay) Xét việc thu năng lượng tại nút chuyển tiếp, ta sẽ thu được cácbiểu thức phân tích chính xác về công suất, thông lượng và dung lượng của mạng chuyểntiếp DF cho cả TSR và PSR Thông qua phân tích số, ta nghiên cứu thông lượng của hệthống bởi các thông số hệ thống khác nhau, chẳng hạn như thời gian thu hoạch nănglượng, tỉ lệ phân chia công suất và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)

1.2 Hệ thống thông tin di động tương tự 1G

1G là mạng di động không dây đầu tiên, nó sử dụng các anten thu và phát sóng gắnngoài, kết nối tín hiệu analog tới các trạm thu phát và nhận xử.lí các.tín hiệu thoại thôngqua module gắn trong di động. Là hệ thống di động tương tự sử dụng phương pháp đatruy nhập phân chia theo tần số FDMA và theo phương.pháp điều chế tần số FM

- TACS: Total Access Communication System triển khai tại Anh vào năm 1985, là

hệ thống thông tin truy cập tổng thể

Ưu – nhược điểm: Dịch vụ đơn giản là thoại với chất.lượng thấp, có tính bảo.mật kém, dễ

bị nhiễu và vùng phủ sóng hẹp

1.3 Hệ thống di động số 2G

Hệ thống mạng 2G được đặc trưng bởi công.nghệ.chuyển mạch kĩ thuật số (DigitalCircuit Switched), kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn Dịch vụ của 2G cũng được cải tiến hơn

trước, ngoài dịch vụ thoại còn có dịch.vụ nhắn.tin đơn giản gọi là SMS Phương thức.truycập chủ yếu là TDMA và CDMA.

Nhược điểm: Không xử lý được các.dữ liệu phức tạp và độ khó cao, đồng bộ phức tạp,cần nhiều mạch xử lý số

1.4 Hệ thống di động 3G

3G là thế hệ chuẩn công.nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liêu thoạivới chất.lượng tốt và ngoài chức năng thoại như là: Tải dữ liệu, gửi mail, tin nhắn nhanh,hình ảnh, internet, video, định vị vị trí GPS

3G bao gồm cả hai hệ thống là chuyển mạch gói.và chuyển mạch kênh, 3G sửdụng kỹ thuật đa truy cập CDMA và W-CDMA với băng thông rộng

Các chuẩn thương mại của mạng 3G:

- W-CDMA (3GPP): Nền tảng của hệ thống UMTS, dựa trên kỹ thuật CDMA trảiphổ dãy trực tiếp (trước đây gọi là UTRA FDD)

- CDMA 2000 (3GPP2): Thế hệ kế tiếp của các chuẩn 2G CDMA và IS-95

- TD-CDMA (Time Division CDMA, 3GPP): Chuẩn thương mại áp dụng hỗ hợpcủa TDMA và CDMA.

- TD-SCDMA: Đang được phát triển ở Trung Quốc bởi công ty Datang và Siemens

Ưu điểm: Hỗ trợ các gói tốc độ dữ liệu cao, dịch vụ định vị toàn cầu GPS, tăng hiệu quả

sử.dụng phổ tần, dung lượng mở.rộng và lớn, hỗ trợ dữ liệu và thoại tốt hơn, dịch vụđa.phương tiên được mở rộng

Nhược điểm: Đòi hỏi băng.tần rộng và cần chi phí cao

1.5 Hệ thống mạng 4G

4G là mạng di động thế hệ thứ tư hay.được gọi là LTE do 3GPP phát triển 4G làchuẩn hiện tại của thiết.bị không dây, cung cấp kết nối mọi lúc mọi nơi, dịch vụ tốc độ dữliệu cao, công nghệ vô tuyến hỗ.trợ băng.thông một cách linh hoạt, phục vụ đa phươngtiện nhanh và đa dạng Phương thức điều chế gồm: OFDM, MC-CDMA Tốc độ bit: 20-

100 Mb/s, tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng đạt tới 1-1,5 Gb/s

WiMAX (Worldwide Interoperabilitity for Microwave Access) là công nghệ dựatrên chuẩn IEEE 802.16 và được.ITU-R công nhận là một chuẩn của 3G WiMAX cungcấp băng thông và phạm vi phủ sóng rộng hơn so với Wi-fi, hứa hẹn tạo ra kết nối tốc độcao cho cả thuê bao di động và thuê bao cố định WiMAX có các chuẩn như sau: IEEE802.16/ IEEE 802.16a/ IEEE 802.16b, IEEE 802.16c…

LTE là công nghệ chuẩn hóa.bởi 3GPP, trước đó 3GPP cũng đã cho ra đời HSPAtrên nền tảng W-CDMA của 3G nhằm tăng tốc độ dữ liệu

Cả WiMAX và LTE đều dùng phương thức đa truy cập phân chia theo tần số trựcgiao OFDMA Lợi thế của LTE so với WiMAX là phát triển từ nền tảng của GSM có sẵn,còn WiMAX là một mạng lưới mới hoàn toàn

Ưu điểm: Tốc độ cao hơn nhiều so với mạng 3G, dung lượng lớn hơn và phục vụ mọi lúc,

mọi nơi

Nhược điểm: Đòi hỏi cần phải có thiết bị hiện đại, tiêu hao pin của thiết bị nhanh.

Truyền dẫn thoại vàdịch vụ đa phương

tiện

W-CDMA, băng rộng,chuyển mạch gói, tốc độ

2Mbps

Truyền dẫn thoại, sốliệu, đa phương tiệntốc độ cực cao

OFDMA, tốc độ cao,chuyển mạch gói, tốc độ

dữ liệu 100Mbps

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP

2.1 Các hiện tượng ảnh hưởng tới kênh truyền

- Hiện tượng đa.đường (Multiparth):

Hình 2-1: Hiện tượng đa đường [1]

- Hiệu ứng Doppler:

Hình 2-2: Mật độ phổ của tín hiệu thu

- Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

2.2 Truyền thông hợp tác

2.2.1 Tổng quát

Truyền thông hợp tác đã được ứng.dụng nhiều trong các hệ.thống thông tin vôtuyến như mạng di động tế bào và mạng cảm biến không dây

2.2.2 Giao thức truyền thông hợp tác

Một hệ thống truyền thông hợp.tác đặc trưng được thiết kế bởi hai bước:

Bước 1: Một nguồn phát thông tin cho đích.đến nó, và thông.tin đó cũng nhận được tạinút chuyển tiếp cùng thời gian

Bước 2: Nút chuyển tiếp có thể giúp nguồn bằng cách truyền đi hoặc truyền lại.thông tintới đích

2.2.3 Mô hình kênh chuyển tiếp

Mạng truyền thông hợp tác hoạt.động thông qua các kênh chuyển tiếp và các thiết

bị đầu cuối Mô hình kênh chuyển tiếp gồm có 3 nút: Nút nguồn (S), nút relay (R), nútđích (D)

2.2.4 Phân loại mô hình chuyển tiếp

- Chuyển tiếp hai chặng: Dùng một nút relay để chuyển.thông tin từ nguồn đến đích

Hình 2-3: Chuyển tiếp hai chặng

- Chuyển tiếp đa chặng: Dùng hai hay nhiều nút relay để chuyển thông.tin từ nguồnđến đích

Hình 2-4: Chuyển tiếp đa chặng

2.3 Các cơ chế truyền dẫn chuyển tiếp

Giao thức khuếch đại và chuyển tiếp cố định AF (Amplify and Forward)

Giao thức AF: Là giao thức khuếch đại và chuyển tiếp cố định Tín hiệu truyền từnguồn đến nút relay được khuếch đại lên và sau đó nút relay sẽ.truyền tín hiệu đã đượckhuếch đại này đến đích

Hình 2-5: Giao thức AF

Giao thức giải mã và chuyển tiếp DF (Decode and Forward)

Giao thức DF: Là giao thức giải mã và chuyển tiếp cố định, tín hiệu truyền từnguồn đến nút relay và sau đó sẽ.được giải mã sau.đó mã hóa lại và truyền tới đích

Hình 2-6: Giao thức DF

CHƯƠNG 3 ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG

3.1 Hệ thống mạng 5G

Hiện nay, hệ thống mạng 4G đang triển khai trên thế giới nhưng với nhu cầu ngàycàng cao của con người nên cần phải nghiên cứu, tìm hiểu và phát triển một thế hệ mạngmới Mạng 5G là thế hệ di động thế hệ kế.tiếp sau mạng 4G và hiện nay đang đượcnghiên.cứu bởi nhiều nước khác nhau trên thế giới 5G sẽ có nhiều tính năng vượt trộihơn hẳn 4G, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của con người

Mục tiêu của mạng 5G:

- Một mạng di động siêu hiệu quả và mang.lại một mạng lưới hiệu suất tốt hơn chochi phí thấp hơn

- Một mạng di.động siêu nhanh

- Một mạng lưới sợi dây hội tụ, phủ sóng và bảo mật tốt hơn

- Tốc độ truyền.tải lớn hàng Gbps, cung cấp các ứng dụng đa phương.tiện và nhiềuứng dụng hiện đại phục vụ cho cuộc sống

3.2 Chế độ truyền dẫn

- Đơn công (Simplex): Thông tin chỉ truyền theo một hướng

- Bán song công (Half-duplex): Thông tin truyền theo được hai chiều nhưng.khôngđồng thời và tại mỗi thời điểm thông tin chỉ truyền theo một hướng

- Song công (Full-duplex): Thông tin có thể truyền theo được hai.chiều tại một.thờiđiểm trên tuyến dữ liệu

xS h g

d2 d1

RRelay

f

xR yR

và thông tin sẽ được.truyền từ nút nguồn đến nút đích thông qua nút relay

Hình 3-1: Mô hình hệ thống song công

Quá trình truyền thông tin

T

T/2 T/2

Hình 3-2: Quá trình truyền thông tin

Dựa vào mô hình hệ thống, giả sử rằng d1 và d2 là 1 Km, tín hiệu nhận được ở relay:

(3.1)

Trong đó:

- , : Tín hiệu nhận.tại nút relay và nút đích

- , : Tín hiệu phát đi.tại nút nguồn và nút relay

- ,: Hệ số kênh truyền, : Kênh tự nhiễu tại nút relay

- , : Nhiễu AWGN ở nút relay và nút đích với phương sai

- : Hệ số chuyển đồi công suất

Quá trình truyền chia thành hai giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Relay thu năng lượng từ nút nguồn trong thời gian T/2

- Giai đoạn 2: Truyền thông tin đến đích trong khoảng thời gian T/2 còn lại

Năng lượng Eh thu được tại nút relay:

(3.2)Khi đó công suất tại relay được tính như sau:

(3.3)

Trong đó:

- T: Thời gian tín hiệu truyền từ S đến D.

- : Hiệu suất chuyển đổi năng lượng

- Công suất nguồn

Dựa vào mô hình hệ thống, giả sử rằng d1 và d2 là 1 Km, tín hiệu nhận được ở relay:

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống song công với chuyển tiếp DF:

Xác suất dừng

(3.9)(3.10)

(3.15)Ergodic capacity của TSR được tính bởi công thức:

(3.7)(3.8)

(Phần chứng minh công thức từ (3.5) đến (3.15) trong Phụ Lục A mục 1)

3.3.2 Mô hình hệ thống song công phân chia theo thời gian

T

Thu năng lượng (Energy

αT (1-α)T

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

Quá trình truyền thông tin giữa nút nguồn và nút đích được chia thành hai giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Relay thu năng lượng từ nút nguồn trong thời gian αT.

- Giai đoạn 2: Truyền thông tin đến nút đích trong.khoảng thời gian (1 – α)T còn lại

Delay-Limited-Transmission:

Dựa vào mô hình hệ thống, giả sử rằng d1 và d2 là 1 Km, tín hiệu nhận được ở relay:

(3.16)

Trong đó:

- , : Tín hiệu nhận.tại nút relay và nút đích

- , : Tín hiệu phát đi.tại nút nguồn và nút relay

- ,: Hệ số kênh truyền

- : Kênh tự nhiễu tại nút relay

- , : Nhiễu AWGN ở nút relay và nút đích với phương sai

Năng lượng thu được tại nút relay:

(3.17)Khi đó công suất tại relay được tính như sau:

(3.18)(3.19)Suy ra

Trong đó:

- α: Hệ số thời gian chuyển đổi, với 0<α<1

- T: Thời gian tín hiệu truyền từ nút nguồn đến nút đích.

- : Hiệu suất

- Công suất của nguồn

Dựa vào mô hình hệ thống, giả sử rằng d1 và d2 là 1 Km, tín hiệu nhận được ở nút đích:

(3.21)

Tỉ số SNR

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu dùng trong hệ thống giải.mã và chuyển tiếp được chia làm

2 chặng trong quá trình truyền và để lấy tỷ số nhiễu SNR ta chọn tỷ.số nào nhỏ nhất tronghai tỷ số và cho toàn chặng chuyển tiếp Từ tín hiệu , nhận tại relay và đích ta suy ra ,như sau:

Dung lượng tại

(3.28)Dung lượng tại

(3.29)Ergodic capacity của TSR được tính bởi công thức:

(Phần chứng minh công thức từ (3.22) đến (3.29) trong Phụ Lục A mục 2)

-CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT

4.1 Kết quả mô phỏng hệ thống song công phân chia theo công suất

Bảng 4-1: Thông số mô phỏng phân chia theo công suất

Hệ số chuyển đổi công suất 0:0.05:1

Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên f 0.5

Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên h 0.8

Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên g 0.8

4.1.1 Mô phỏng xác suất dừng và thông lượng của PSR theo P S

Hình 4-1: Xác suất dừng hệ thống theo Ps với nhiều giá trị ρ

Hình 4-2: Thông lượng hệ thống theo Ps với nhiều giá trị ρ

Nhật xét: Dựa vào hình 4-1, ta thấy xác xuất dừng của hệ thống giảm khi tỉ số Ps/No

tăng, ta thấy xác suất dừng tỉ lệ thuận với ρ Hình 4-2, thông lượng tỉ lệ thuận với Ps và ρ,

4.1.2 Mô phỏng xác suất dừng và thông lượng của PSR theo R

Hình 4-3: Xác suất dừng hệ thống theo R với nhiều giá trị Ps

Hình 4-4: Thông lượng hệ thống theo R với nhiều giá trị Ps

Nhận xét: Từ hình 4-3 ta thấy xác suất dừng của hệ thống tỉ lệ thuận với R, hệ thống sẽ

hoạt động tối ưu trong khoảng R từ 0 đến 3 Hình 4-4, cho thấy khi R và Ps tăng thì thông lượng sẽ giảm, thông lượng sẽ đạt cực đại tại R=1, qua ngưỡng R=1 thì sẽ giảm dần về 0

4.1.3 Mô phỏng xác suất dừng và thông lượng của PSR theo ρ

Hình 4-5: Xác suất dừng hệ thống theo ρ với nhiều giá trị Ps

Hình 4-6: Thông lượng hệ thống theo ρ với nhiều giá trị Ps

Nhận xét: Dựa vào hình 4-5, ta thấy hệ thống hoạt động tốt trong khoảng ρ từ 0.1 đến 0.2

tối ưu với Ps càng lớn Hình 4-6, thông lượng đạt cực đại bằng 0.75 khi ρ=0.1 và Ps=25

dB, khi ρ tăng dần thì thông lượng bắt đầu giảm và bằng 0 khi ρ=1.

4.2 Kết quả mô phỏng hệ thống song công phân chia theo thời gian

Bảng 4-2: Thông số phân chia theo thời gian

Hệ số chuyển đổi công suất 0.1:0.05:0.9

Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên f 0.05

Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên h 0.3

Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên g 0.3

4.2.1 Mô phỏng xác suất dừng và thông lượng của TSR theo Ps

Hình 4-7: Xác suất dừng hệ thống theo Ps với nhiều giá trị α

Hình 4-8: Thông lượng hệ thống theo Ps với nhiều giá trị α

Nhận xét: Hình 4-7, ta thấy hệ thống không hoạt động khi Ps/No trong khoảng từ 0 đến

10 dB, khi Ps/No tăng thì hệ thống hoạt động tốt hơn Dựa vào hình 4-8, ta thấy hệ thống

4.2.2 Mô phỏng xác suất dừng và thông lượng của TSR theo R

Hình 4-9: Xác suất dừng hệ thống theo R với nhiều giá trị Ps

Hình 4-10: Thông lượng hệ thống theo R với nhiều giá trị Ps

Nhận xét: Kết quả hình 4-9 cho thấy, hệ thống hoạt động tốt trong khoảng R từ 0 đến 5 và

Ps càng lớn càng tốt Hình 4-10, thông lượng đạt cực đại tại R=2, và giảm dần về 0 khi R

tăng, Ps càng lớn thì thông lượng càng tốt.

4.2.3 Mô phỏng xác suất dừng và thông lượng của TSR theo α

Hình 4-11: Xác suất dừng hệ thống theo α với nhiều giá trị Ps

Hình 4-12: Thông lượng hệ thống theo α với nhiều giá trị Ps

Nhận xét: Nhìn hình 4-11, xác suất dừng và α tỉ lệ nghịch với nhau, tại α=0.85 thì xác

suất dừng đạt cực tiểu Hình 4-12, ta thông lượng tăng dần khi α từ 0.1 đến 0.7, α=0.7

4.3 So sánh công suất và thông lượng hai hệ thống

Bảng 4-3: Thông số mô phỏng toàn hệ thống

Hệ số chuyển đổi công suất 0.1:0.05:0.09

Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên f 0.06

Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên h 0.3

Giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên g 0.3

4.3.1 Công suất mô phỏng theo Ps

Hình 4-13: Xác suất dừng hệ thống theo Ps

Hình 4-14: Thông lượng DL hệ thống theo Ps

Nhận xét: Dựa vào hình 4-13, cả PSR và TSR cùng không hoạt động trong khoảng từ 5

đến 10 dB, hệ thống TSR hoạt động tốt hơn PSR Hình 4-14, tại Ps/No=15 dB thì TSR có