ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG VÀ ERGODIC CAPACITY THÔNG QUA GIAO THỨC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP

ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG VÀ ERGODIC CAPACITY THÔNG QUA GIAO THỨC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG VÀ ERGODIC CAPACITY THÔNG QUA GIAO THỨC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG VÀ ERGODIC CAPACITY THÔNG QUA GIAO THỨC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG VÀ ERGODIC CAPACITY THÔNG QUA GIAO THỨC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP

ERGODIC CAPACITY THÔNG QUA GIAO THỨC KHUẾCH ĐẠI VÀ

CHUYỂN TIẾP

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU IX DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT X

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1G, 2G, 3G, 4G 1

1.2.1 Mạng không dây thế hệ đầu tiên 1

1.2.2 Mạng 2G 1

1.2.3 Mạng 3G 2

1.2.4 Mạng 4G 2

1.3 TÓM TẮT 3

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI 4

2.1 MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG 4

2.1.1 Cấu trúc 4

2.1.2 Sự hoạt động của mô hình 4

2.1.3 Bán song công (Half duplex) 5

2.1.4 Giao thức khuếch đại và chuyển tiếp 5

2.2 ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG VÀ ERGODIC CAPACITY 5

2.2.1 Mạng di động thế hệ kế tiếp 5

2.2.2 Xây dựng công thức theo giao thức TSR 6

2.2.3 Xây dựng công thức theo giao thức PSR 10

2.2.4 Xây dựng công thức theo giao thức HPTSR 12

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 15

3.1 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG GIAO THỨC TSR 15

3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA GIAO THỨC PSR 19

3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CỦA GIAO THỨC HPSR 22

5.1 KẾT LUẬN 33 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 PHỤ LỤC A 35

HÌNH 2-2: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP PHÂN CHIA THEO TSR 6

HÌNH 2-3: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP PHÂN CHIA THEO PSR 9

HÌNH 2-4: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP PHÂN CHIA THEO HPTSR 12

HÌNH 3-1: XÁC SUẤT DỪNG THEO  CHO GIAO THỨC TSR 16

HÌNH 3-2: THROUGHPUT THEO  CỦA GIÁO THỨC TSR 16

HÌNH 3-3: XÁC SUẤT DỪNG THEO PS CỦA GIAO THỨC TSR 17

HÌNH 3-4: THROUGHPUT THEO PS CỦA GIAO THỨC TSR 17

HÌNH 3-5: XÁC SUẤT DỪNG THEO R CỦA GIAO THỨC TSR 18

HÌNH 3-6: THROUGHPUT THEO R CỦA GIAO THỨC TSR 18

HÌNH 3-7: XÁC SUẤT DỪNG THEO Ρ CỦA GIAO THỨC PSR 19

HÌNH 3-8: THROUGHPUT THEO Ρ CỦA GIAO THỨC PSR 19

HÌNH 3-9: XÁC SUẤT DỪNG THEO PS CỦA GIAO THỨC PSR 20

HÌNH 3-10: THROUGHPUT THEO PS CỦA GIAO THỨC PSR 21

HÌNH 3-11: XÁC SUẤT DỪNG THEO R CỦA GIAO THỨC PSR 21

HÌNH 3-12: THROUGHPUT THEO R CỦA GIAO THỨC PSR 22

HÌNH 3-13: XÁC SUẤT DỪNG THEO PS CỦA GIAO THỨC HPTSR 22

HÌNH 3-14: THROUGHPUT THEO PS CỦA GIAO THỨC HPTSR 23

HÌNH 3-15: XÁC SUẤT DỪNG THEO PS CỦA GIAO THỨC HPTSR 23

HÌNH 3-16: THROUGHPUT THEO PS CỦA GIAO THỨC HPTSR 24

HÌNH 3-17: XÁC SUẤT DỪNG THEO  CỦA GIAO THỨC HPTSR 24

HÌNH 3-18: THROUGHPUT THEO  CỦA GIAO THỨC HPTSR 25

HÌNH 3-19: XÁC SUẤT DỪNG THEO Ρ CỦA GIAO THỨC HPTSR 25

HÌNH 3-23: THROUGHPUT DL THEO  HOẶC Ρ CỦA PSR, TSR, HPTSR 27

HÌNH 3-24: XÁC SUẤT DỪNG THEO  HOẶC Ρ CỦA PSR, TSR, HPTSR 28

HÌNH 3-25: DUNG LƯỢNG THEO PS CỦA PSR, TSR, HPTSR 28

HÌNH 3-26: THROUGHPUT DT THEO PS CỦA PSR, TSR, HPTSR 29

HÌNH 3-27: DUNG LƯỢNG THEO  HOẶC Ρ PSR, TSR, HPTSR 29

HÌNH 3-28: THROUGHPUT DT THEO  HOẶC Ρ CỦA PSR, TSR, HPTSR 30

HÌNH 3-29: THROUGHPUT THEO  HOẶC Ρ CỦA PSR, TSR, HPTSR 30

HÌNH 3-30: THROUGHPUT THEO PS CỦA PSR, TSR, HPTSR 31

BẢNG 3-1: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG 14

AMPS .Advanced.Mobile Phone Services

CDMA Code Division Multiple Access

CDF Cumulative.distribution function

DF Decode-and-Forward

DL .Delay limited

DT .Delay tolerant

FD Full-duplex

FDMA Frequency Division Multiple Access

GPRS General Packet Radio Service

GSM .Global System for Mobile

HD Half-duplex

IP .Internet Protocol

LTE .Long Term Evolution

OFDMA .Orthogonal.Frequency Division Multiple AccessPDF Probability density function

TACS .Total Access Communication Systems

TDMA Time Division Multiple Access

WCDMA Wideband.Code Division Multiple Access

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu

Thông.tin di động là một trong những lĩnh vực được quan tâm hiện nay.nó khôngngừng.được cải tiến qua từng giai đoạn nhằm đáp ứng nhu cầu tương tác, làm việc,giải trí, ngày càng.cao của người dùng Qua các thế hệ.từ 1G, 2G, 3G đến nay ViệtNam đã triển khai 4G và trên thế giới đang nghiên cứu 5G, điều này cho thấy tầmquan trọng.của mạng thông tin di động

1.2 Mạng.thông tin di động 1G, 2G, 3G, 4G

1.1.1 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

đa truy.cập phân chia theo tần số FDMA (Frequency Division Multile Access) Cácđiện.thoại di động đầu tiên có kích thước khá to, thô và cồng kềnh

Mạng.1G chia khá nhiều chuẩn: AMPS, TACS, NMT,

Ưu-nhược điểm:.Dịch vụ đơn thuần chỉ là thoại.với chất lượng thấp, bảo mật kém

dễ bị nhiễu, vùng phủ sóng hẹp

1.1.2 Mạng.2G

2G là.thế hệ kết nối thông tin di động mang tính.cải tiến cũng như khác hoàn toàn

so với thế.hệ đầu tiên Nó sử dụng các tín hiệu.kỹ thuật số thay cho tín hiệu analogcủa thế hệ 1G Mạng.2G mang tới cho người sử dụng 3 lợi ích:.Mã hóa dữ liệu theodạng kỹ thuật số,.phạm vi kết nối rộng hơn 1G và.đặt biệt là sự xuất hiện tin nhắndạng văn bản đơn giản-.SMS (Short Message Sevices)

Mạng.2G chia thành hai nhánh:.Nền TDMA (Time Division Multiple Access) vànền.CDMA (Code Division Multiple Access) cùng nhiều dạng kết nối mạng tùy theo.yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng.như hạ tầng từng vùng quốc gia

Ưu điểm:.Chất lượng thoại được cải tiến,.dung lượng tăng, bảo.mật và chống nhiễutốt hơn so với 1G

Nhược điểm: Tuy.đã hỗ trợ dịch vụ số liệu nhưng.vẫn còn rất hạn chế, không thể xử

lý các dữ liệu phức tạp

1.1.3 Mạng 3G

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 tất cả dữ liệu thoại.và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ liệu,gửi.email, tin nhắn.nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips, )

Công.nghệ 3G cũng được nhắc đến như.một chuẩn IMT-2000 của tổ chức viễnthông thế giới (ITU)

Ưu.điểm:.Bảo mật tốt, dung lượng lớn, hỗ trợ.thoại và dữ liệu tốt hơn, dịch vụ đaphương.tiện được mở rộng

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

3G.hứa hẹn có tốc độ lên đến 2 Mbps trong điều.kiện lý tưởng, tuy nhiên trong thực

tế tốc độ này chỉ đạt được 348Kbps .Do vậy HSDPA và HSUPA ra đời nhằm tăngtốc độ 3G, bước đệm tiến đến 4G

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

Ưu.điểm:.Dung lượng lớn,.tốc độ cao hơn nhiều so với 3G, phục.vụ mọi lúc mọinơi

Nhược.điểm:.Tiêu hao pin của thiết bị nhanh, đòi hỏi thiết bị hiện đại

ThirdGeneration

FourthGeneration

Hệ thống AMPS, NMT,

TACS GSM, IS-95

UMTS,CDMA 2000 LTE, WiMAX

Công nghệ

số Tăng tốc độ Tăng tốc độ

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG CỦA ĐỀ TÀI1.4 Mô.hình hệ thống chuyển tiếp hai chặng

Hình 2-1: Mô hình chuyển tiếp hai chặng

Chặng 1:.Từ các node đến Relay

Chặng 2:.Từ Relay đến các node

1.1.5 Cấu.trúc

Xét.một mạng lưới truyền thông hợp tác bao gồm.cả hai node A, B và 1 node relay

R A và B là 2 node truyền nhận dữ liệu Giả sử không có sự liên.kết nào giữa node

A và B Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR thấp hơn mức tối thiểu so với ngưỡng chophép để truyền hiệu quả Node chuyển tiếp trung gian R hỗ trợ truyền giữa cácnode Node.relay R có nhiệm vụ thu hoạch năng.lượng từ các node để khuếch đại vàchuyển tiếp các tín hiệu nhận được tới các đích Trong.mô hình chuyển tiếp haichặng.thì d , 1 g và 1 d ,2 g lần lượt là khoảng cách2 và độ lợi kênh giữa node A vànode chuyển tiếp R, và là khoảng cách,.độ lợi kênh giữa node B và node chuyểntiếp R

1.1.6 Sự.hoạt động của mô hình

Toàn.bộ quá trình chuyển tiếp thông tin và.thu hoạch năng lượng được chia thànhhai bước chính

Bước 1: Node.A và node B truyền tín hiệu đến node chuyển tiếp R

Bước 2: Sau.khi thu hoạch năng lượng từ các tín hiệu thu được,.node chuyển tiếp Rkhuếch đại và phát tín hiệu đến các node đích tương ứng Điện năng yêu cầu ởmạch thu phát của node chuyển tiếp.R không đáng kể so với công suất truyền dẫncủa nó

1.1.7 Bán.song công (Half duplex)

B

AFRelayR

A

Trong.hệ thống bán song công.thông tin có thể được truyền theo hai hướng nhưngkhông đồng thời Các hệ thống bán song công còn được gọi là hệ thống truyềnthông.tin theo hai hướng thay đổi luân phiên nhau Ở một trạm truyền tin có cả máyphát và máy thu nhưng nó không làm việc cùng thời gian.

1.1.8 Giao.thức khuếch đại và chuyển tiếp

Giao.thức khuếch đại và chuyển tiếp AF:.Tín hiệu phát tại node nguồn bị suy yếuđến.node chuyển tiếp được khuếch đại lên bao gồm phần nhiễu và tín hiệu Sau đónode.chuyển tiếp truyền tín hiệu vừa khuếch đại đến node đích

1.5 Đánh.giá thông lượng và Ergodic Capacity

1.1.9 Mạng.di động thế hệ kế tiếp

Mạng.5G là thế hệ di động kế tiếp sau.4G 5G cũng sẽ có.những tính năng vượt trộihơn nhằm.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 nhau,

Mục.tiêu chính của 5G là cung cấp kết nối mọi lúc,.mọi nơi, mọi thời điểm màkhông có sự cản trở nào.nên mong muốn sẽ có các đặc tính sau:

 Tốc.độ truyền tải lớn hàng Gbps, việc.lướt web hay tải một bộ phim hầu nhưlập tức,.người sử dụng không phải dùng hàng giờ để chờ tải một bộ phimhay

 Phủ.sóng tốt hơn

 Sẽ là.mạng di động.“Internet of Things”, đòi.hỏi liên kết truyền thông phảiđáng tin cậy, độ.trễ thấp để cho việc điều khiển từ xa

 Cung.cấp các dịch vụ hiện đại ứng dụng trong cuộc.sống (nhà thông minh,

xe thông minh, ), công việc (giám sát từ xa, điều khiển từ xa, ), ứng dụngtrong y tế (theo dõi nhịp tim, huyết áp, )

 Các.dịch vụ giải trí đa phương tiện:.Video 3D chất lượng, chat video sẽ chohình ảnh.mượt mà mang đến cảm giá.c thực tế hơn,

 Có.thể phục vụ cho điều khiển giao thông, theo.dõi tình trạng ô nhiễm,

 Bảo mật tốt

1.1.1 Xây.dựng công thức theo giao thức TSR

Hình 2-2: Mô hình chuyển tiếp phân chia theo TSR

Quá trình truyền thông tin trong hệ thống chia thành hai gia đoạn

Giai.đoạn 1: Relay.thu năng lượng từ nguồn trong thời gian T

Giai.đoạn 2: Truyền.thông tin trong khoảng thời gian (1-)T Do trong hệ thống bánsong.công không thể truyển nhận đồng thời nên giai đoạn truyền thông tin đượcchia ra (1-)T/2 dùng truyền thông.tin từ nguồn đến relay và (1-)T/2 dùng đểtruyền thông tin từ relay đến đích

1.1.1.1 Thu hoạch năng lượng

Tín.hiệu thu tại nút chuyển tiếp:

11Equation Section (Next)y R  P s t g s   1 P d t g s   2n R 212\*

42Equation Section (Next)Khi.đó công suất tại relay:

s R

E P

Ta đặt

63Equation Section (Next)

21

y y : Tín.hiệu nhận tại relay và đích

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

1,g2

g : Hệ số kênh truyền.

, :.Nhiễu tạp âm Gaussian (AWGN) ở relay và.đích với trung bình bằng 0

: Hệ.số chuyển đổi thời gian, 0<<1

T : Thời.gian của một khung tín hiệu truyền từ A đến B

: Hiệu.suất chuyển đổi năng lượng, 0<≤1

S

P : Công.suất của nguồn

1.1.1.2 Quá trình truyền thông tin

Hệ.số khuếch đại:

Relay.nhận tín hiệu từ y và dùng năng lượng thu R hoạch được truyềnx đến đích R

Hệ số.khuếch đại G được xác định như sau:

R R

x G y

Tỉ.số SNR của hệ thống bán song công

167Equation Section (Next)

Xác suất.dừng là xác suất mà tỉ số SNR bé hơn ngưỡng  2R  cho trước1

209Equation Section (Next)P out P SNR r  2109\*

MERGEFORMAT (.)

Công.thức P cuối cùng sau chứng minh và rút gọn out

2210Equation Section (Next)

A mục 2 trong phần xây dựng công thức TSR

Thông.lượng của hệ thống là lượng dữ liệu được truyền.thông suốt trong một đơn vịthời gian (đơn vị: bps/Hz)

Dung lượng Ergodic

2612Equation Section (Next)   2 

0

log 1

C��f   d

27012\*MERGEFORMAT (.)

2813Equation Section (Next)

0 2

Phần chứng mình (2.15) được trình bày trong phụ lục A mục 3 trong phần xây dựngcông thức TSR.

1.1.2 Xây dựng công thức theo giao thức PSR

Hình 2-3: Mô hình chuyển tiếp phân chia theo PSR

1.1.2.1 Thu hoạch năng lượngTín.hiệu nhận được tại R

3215Equation Section (Next) y R g1 x Ag2 x B  33015\*n R

MERGEFORMAT (.)

Năng.lượng thu được tại relay

3416Equation Section (Next)

Công.suất phát tại node chuyển tiếp

3617Equation Section (Next)

Tín hiệu.được khuếch đại và truyền từ node chuyển tiếp

3818Equation Section (Next)y R g1 1x Ag2 1x Bn R 39018\*

R R

E x G

E y



41019\*MERGEFORMAT (.)

4220Equation Section (Next)

)(1 S (1 ) S

R

P g

P G



43020\* MERGEFORMAT (.)





45021\* MERGEFORMAT (.)

Xác.suất dừng của hệ thống là sự gián.đoạn của một node xuất hiện khi SNR củanode đang nhận thấp hơn ngưỡng cho trước  2R  Xác suất dừng của hệ thống1được xác định

4823Equation Section (Next)P out P SNR(  ) 49023\*MERGEFORMAT (.)

5024Equation Section (Next)

Thông lượng DL

5225Equation Section (Next)

(1 )2

out

53025\*MERGEFORMAT (.)

Dung lượng Ergodic của hệ thống được xác định như sau

5426Equation Section (Next)   2 

0

log 1

C��f   d

55026\*MERGEFORMAT (.)

5627Equation Section (Next)

0 2

Phần chứng minh (2.29) được trình bày trong phụ lục A mục 3 trong phần xây dựngcông thức PSR.

1.1.3 Xây dựng công thức theo giao thức HPTSR

Hình 2-4: Mô hình chuyển tiếp phân chia theo HPTSR

1.1.3.1 Thu hoạch năng lượngNăng lượng thu được tại node chuyển tiếp là

6029Equation Section (Next)

Công suất phát của hệ thống

6230Equation Section (Next)

R

P EH

Tín hiệu thu được tại relay

6431Equation Section (Next)y R  g1 (1)P x s Ag2 (1)P x s Bn R

65031\* MERGEFORMAT (.)1.1.3.2 Truyền thông tin

Hệ số khuếch đại được xác định bằng công thức

6632Equation Section (Next)

P G





67032\*MERGEFORMAT (.)

Tỉ số SNR của hệ thống được xác định như sau

6833Equation Section (Next)

Phần chứng minh công thức (2.38) được trình hày trong phụ lục A mục 2 trong phầnxây dựng công thức HPTSR

Dung lượng Ergodic của hệ thống được xác định như sau

7838Equation Section (Next)   2 

0

log 1

C��f   d

79038\*MERGEFORMAT (.)

8039Equation Section (Next)

       

2 2

Phần chứng minh công thức (2.41) được trình bày trong phụ lục A mục 3 trong phầnxây dựng công thức HPTSR

Thông lượng DT

8240Equation Section (Next)Throughput  (1 )C 83040\*MERGEFORMAT (.)

CHƯƠNG 2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

2.1 Kết quả mô phỏng giao thức TSR

Bảng 3-1: Thông số mô phỏng

 Hệ số chuyển đổi thời gian 0.5

ρ Hệ số chuyển đổi công suất 0.5

Hình 3-1: Xác suất dừng theo  cho giao thức TSR

Hình 3-2: Throughput theo  của giáo thức TSR

Nhận xét:Các kết quả từ hình 3-1 cho thấy giá trị  càng tăng thì xác suất dừng càng giảm ứng 3 giá trị của Ps Trong hình 3-2 khi Ps=10 dB throughput đạt giá trị cao nhất tại =0.6, Ps=20 dB throughput đạt giá trị cao nhất tại =0.55, Ps=20 dB throughput đạt giá trị cao nhất tại =0.5

Hình 3-3: Xác suất dừng theo Ps của giao thức TSR

Hình 3-4: Throughput theo Ps của giao thức TSR

Nhận xét: Từ hình 3-3 ta thấy xác suất dừng càng giảm khi Ps càng tăng ứng với 3

giá trị  Trong hình 3-4 ta thấy throughput tăng khi giá trị Ps tăng Từ kết quả mô phỏng cho ta thấy hệ thống hoạt động tốt

Kết quả mô phỏng rất gần với các kết quả khảo nghiệm.

Hình 3-5: Xác suất dừng theo R của giao thức TSR

Hình 3-6: Throughput theo R của giao thức TSR

Nhận xét: Kết quả mô phỏng từ hình 3-5 ta thấy xác suất dừng tăng theo giá trị R

tăng Trong hình 3-6 throughput đạt giá trị cao nhất tại R=2 bps/Hz khi Ps=10 dB, khi Ps=20dB throughput đạt giá trị cực đại tại R=2.5 bps/Hz, khi Ps=30 dB

throughput đạt giá trị cực đại tại R=3.5 bps/Hz Ta thấy hệ thống hoạt động ổn định

2.2 Kết quả mô phỏng của giao thức PSR