NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN (có code)

NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN (có code) NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN (có code) NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN (có code) NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN (có code)

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG

VÔ TUYẾN

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VII CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÀ

TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN 1

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG 1

1.2 MẠNG KHÔNG DÂY 4

1.2.1 Giới thiệu mạng không dây 4

1.2.2 Ưu và nhược điểm của mạng không dây 4

1.2.3 Hướng phát triển của mạng không dây trong tương lai 4

1.2.4 Giới thiệu kênh truyền 5

1.2.4.1 Đặc điểm của kênh truyền không dây 5

1.2.4.2 Mô hình của kênh truyền 5

1.2.4.3 Một số mô hình kênh truyền phổ biến 8

1.3 TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 10

1.3.1 Quá trình phát triển của truyền thông hợp tác 11

1.3.2 Các phương thức chuyển tiếp 11

1.3.2.1 Phương thức Giải mã – Chuyển tiếp (Decode and Forward – DF) 11

1.3.2.2 Phương thức Khuếch đại – Chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF) 12

1.3.2.3 Phương thức Nén – Chuyển tiếp (Compress and Forward – CF) 13

1.3.2.4 Phương thức Ước lượng – Chuyển tiếp (Estimate and Forward – EF) 14

1.4 CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ MẠNG KHÔNG DÂY 14

1.4.1 Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability – OP) 14

1.4.2 Xác suất lỗi trung bình (Average Error Probability) 15

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN 16

2.1 GIỚI THIỆU CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN 16

2.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ KÊNH TRUYỀN 18

2.3 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG 25

3.1 GIỚI THIỆU CÔNG CỤ MÔ PHỎNG 27

3.1.1 Phần mềm Mathematica 27

3.1.2 Phần mềm MatLab 27

3.1.3 Phương pháp mô phỏng 28

3.1.3.1 Nền tảng của phương pháp Monte-Carlo 28

3.1.3.2 Các thành phần của phương pháp Monte-Carlo 28

3.1.4 Quá trình thử nghiệm 29

3.2 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 29

3.2.1 Ảnh hưởng của tham số thời gian thu năng lượng ( α ) 30

3.2.2 Ảnh hưởng của tham số vị trí nút chuyển tiếp (d1) 33

3.2.3 Ảnh hưởng của Gamma ( γ ) 36

3.3 ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 38

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 39

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 40

4.1 KẾT LUẬN 40

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 40

TÀI LIỆU THAM KHẢO 41

PHỤ LỤC… ………42

HÌNH 1-1: KẾT NỐI KHÔNG DÂY 1

HÌNH 1-2: MÔ HÌNH MẠNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY RF 3

HÌNH 1-3: MÔ HÌNH MẠNG HỢP TÁC 4

HÌNH 1-4: MÔ HÌNH KÊNH CHUYỂN TIẾP 11

HÌNH 1-5: PHƯƠNG THỨC GIẢI MÃ – CHUYỂN TIẾP DF 12

HÌNH 1-6: PHƯƠNG THỨC KHUẾCH ĐẠI – CHUYỂN TIẾP AF 13

HÌNH 2-1: MÔ HÌNH KÊNH CHUYỂN TIẾP 16

HÌNH 2-2: HIỆU NĂNG CỦA MẠNG HỢP TÁC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP VỚI VIỆC LỰC CHỌN MÁY CHUYỂN TIẾP QUA KÊNH FADING RAYLEIGH 17

HÌNH 2-3: MẠNG CHUYỂN TIẾP DF SỬ DỤNG NHIỀU NÚT RELAY 17

HÌNH 2-4: MÔ HÌNH HỆ THỐNG MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG 18

HÌNH 2-5: MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỬ DỤNG PHÂN TẬP HỢP TÁC………… 18

HÌNH 2-6: MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG 19

HÌNH 3-1: GIAO DIỆN PHẦN MỀM MATHEMATICA 28

HÌNH 3-2: GIAO DIỆN MATLAB 28

HÌNH 3-3: XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG (OP) THAY ĐỔI THEO THỜI GIAN THU NĂNG LƯỢNG ( α ) VỚI γ = 10DB, η = 0.8, D 1 = 0.5, D 2 = 1, D 0 = √d12+d22 , K = 2, R = 3, σ1= 2, σ2 = 3, σ3 = 3 31

HÌNH 3-6: XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG THEO KHOẢNG CÁCH MÁY NGUỒN

VÀ MÁY CHUYỂN TIẾP (D 1 ) VỚI γ = 10DB, η = 0.8, D 2 = 0.5, D 0 =

√d12+d22 , K = 2, R = 3, σ1= 2, σ2 = 3, σ3 = 2 34

HÌNH 3-7: THÔNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO KHOẢNG CÁCH MÁY NGUỒN

VÀ MÁY CHUYỂN TIẾP (D 1 ) VỚI γ = 10DB, η = 0.8, D 2 = 1, D 0 = √d12+d22 ,

ASEP Average Symbol Error Probability

BPSK Binary Phase Shift Keying

CDF Cumulative Distribution Function

EF Estimate and Forward

MIMO Multi-Input Multi-Output

OP Outage Probability

PDF Probability Destiny Function

QPSK Quadrature Phase Shift Keying

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP

TÁC VÀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

1.1 Giới thiệu chung

Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, việc các thiết bị không dây ra đời (điệnthoại di động, laptop, máy tính bảng,…) đã khiến cho cuộc sống của con ngườingày càng nâng cao hơn và nó trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sốngcủa mỗi con người vì nó đem lại các lợi ích to lớn cho người sử dụng ở mọi lúc mọinơi với các mục đích như: điện thoại (gọi điện, nhắn tin,quay phim, chụp ảnh, mạng

xã hội,…), thương mại (mua, bán trực tuyến), thanh toán online, tra cứu thông tingiao thông, thời tiết, hoặc đơn giản hơn là phục vụ các nhu cầu giải trí (chơi game,nghe nhạc, đọc báo,…) Do đó, nhu cầu kết nối của các thiết bị không dây giữa cácthiết bị hay người sử dụng với nhau đã trở nên cần thiết nên người ta đã cho ra đờimạng không dây như wifi, hồng ngoại, bluetooh,…

Hình 1-1: Kết nối không dây

Với việc mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến hơn trên thế giới kéo theoviệc sử dụng của người tiêu dùng ngày càng tăng đã kéo theo những thử tháchkhông hề nhỏ về tốc độ truy cập, phạm vi phủ sóng và đặc biệt hơn nữa là chấtlượng của đường truyền Để giải quyết các vấn đề đó các nhà khoa học đã đưa ra

một biện pháp tối ưu hóa nhằm khác phục các tình trạng này đó là dùng đến hệthống mạng chuyển tiếp.

Đây là hệ thống tuy còn khá mới mẻ nhưng hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiềm năng tolớn cho người dùng trong tương lai Hướng sử dụng của mạng chuyển tiếp là sửdụng các nút trung gian (nút chuyển tiếp) để chuyển tiếp dữ liệu từ trạm nguồn đếntrạm đích, qua đó nó giúp kéo dài khoảng cách chuyển tiếp giúp phạm vi phủ sóngđược tăng lên đáng kể đồng thời làm giảm các hiện tượng nhiễu đến hệ thống.Khi các thiết bị sử dụng mạng kết nối không dây đòi hỏi phải đảm bảo được dunglượng pin được ổn định Ngày nay, các thiết bị ngày càng phát triển về cấu hình,hình dáng, tính năng nhưng vẫn chưa có một công nghệ nào về pin đáp ứng đượcnhu cầu người tiêu dùng khi điện thoại, laptop,… ngày càng tiêu hao nhiều nănglượng hơn khiến người dùng phải cắm sạc thường xuyên gây ra nhiều phiền phức

Do đó, các nhà khoa học đã nỗ lực rất nhiều để tìm ra một công nghệ pin có thể đápứng được các thiết bị hiện nay

Có nhiều cách để nạp năng lượng cho các thiết bị nhưng nạp không dây vẫn là tiệnlợi và an toàn nhất Các dạng năng lượng không dây phổ biến như năng lượng mặttrời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển và đặc biệt là nạp năng lượng thông quasóng vô tuyến là công nghệ mới nhất hiện nay

Xung quanh chúng ta có rất nhiều loại sóng vô tuyến mà chúng ta không nhìn thấynhư sóng điện thoại, wifi,… có thể hoàn toàn được tận dụng để sạc năng lượng chocác thiết bị không dây giúp chúng kéo dài thời gian hoạt động lâu hơn Đây là mộtướng đi hoàn toàn mới đang được nghiên cứu và được hy vọng sẽ hoàn thiện trongtương lai gần

Ngày nay người ta dùng một kỹ thuật để cung cấp năng lượng cho mạng vô tuyến là

kỹ thuật truyền và thu năng lượng sóng vô tuyến RF (Radio Frequency) cho phépcung cấp năng lượng thông qua trạm năng lượng vô tuyến chuyên dụng cố địnhhoặc từ các thiết bị không dây khác

Hình 1-2: Mô hình mạng truyền năng lượng không dây RF

Ngày nay, việc sử dụng năng lượng vô tuyến cho các mục đích như truyền thông tincũng như truyền năng lượng đang được sử dụng phổ biến Hệ thống này có ưu điểm

là ít tốn chi phí và không cần chỉnh sửa nhiều phần cứng của máy phát Tuy nhiên,cũng phát sinh một số vấn đề là chất lượng thông tin được quyết định bởi tín hiệu

vô tuyến Do đó, phải thiết kế lại hệ thống mạng không dây hiện có

Việc tìm kiếm một giải pháp mới giúp tăng tốc độ và nâng cao chất lương hệ thống

đã cho ra đời phương pháp mạng hợp tác truyền năng lượng vô tuyến Mạng nàygồm một trạm nguồn, một máy chuyển tiếp thu năng lượng từ trạm nguồn và mộtmáy đích

Relay

Source Destination

Hình 1-3: Mô hình mạng hợp tác

1.2 Mạng không dây

1.1.1 Giới thiệu mạng không dây

Mạng không dây là một hệ thống cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhaubằng cách sử dụng một giao thức chuẩn và giao tiếp thông qua sóng vô tuyến màkhông cần kết nối vật lý với nhau

1.1.2 Ưu và nhược điểm của mạng không dây

 Ưu điểm:

 Tiện lợi và linh động, có thể kết nối với internet ở bất cứ nơi nào nằm trongvùng phủ sóng

 Loại bỏ được sự phức tạp từ việc sử dụng dây cáp

 Có thể sử dụng được với bất cứ thiết bị nào hiện nay, tiết kiệm được chi phí

 Dễ sửa chữa, đáp ứng được một số lượng lớn người truy cập cùng một lúc

 Nhược điểm:

 Phạm vi hoạt động nhỏ hẹp chỉ nằm trong vùng phủ sóng

 Dễ bị nhiễu do thời tiết hoặc bị chắc bởi các công trình

1.1.3 Hướng phát triển của mạng không dây trong tương lai

Trong những năm trở lại đây, mạng vô tuyến đã có những tiến bộ đáng kể vàđược dự đoán sẽ phát triển mạnh mẽ hơn trong tương lai gần Các mạng 4G, 4GLTE đã được áp dụng rộng rãi ở một số nước trên thế giới và hiện nay các nhà khoahọc đang nghiên cứu thử nghiệm mạng di động 5G dự kiến sẽ được áp dụng vàothực tế vào năm 2020

1.1.4 Giới thiệu kênh truyền

Kênh truyền là môi trường truyền giữa máy phát và máy thu (hữu tuyến hoặc vôtuyến) Kênh truyền vô tuyến có thể thay đổi từ đơn giản đến phức tạp và có ảnhhưởng lớn đến hiệu quả trong việc truyền tín hiệu

1.1.1.1 Đặc điểm của kênh truyền không dây

Có hai loại môi trường truyền là: vô tuyến (không dây) và hữu tuyến (có dây).Môi trường truyền dẫn quyết định chất lượng của kênh truyền đặc biệt là kênhtruyền vô tuyến, có nhiều môi trường truyền dẫn vô tuyến khác nhau như đồi núi,thành thị gây ra những ảnh hưởng nhất định cho sự lan truyền giữa máy thu và máyphát bởi các vật che chắn như núi, tòa nhà,…

Trong một kênh truyền lý tưởng tín hiệu thu được là tín hiệu đi thẳng từ máy phátđến máy thu nhưng trong thực tế tín hiệu thu được không được như mong muốn mà

nó sẽ bao gồm các thành phần suy hao, khúc xạ, phản xạ và của các tín hiệu khác.Trong thông tin vô tuyến, đặc tính kênh truyền vô tuyến rất quan trọng vì chúng ảnhhưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn và dung lượng

Sóng lan truyền trong môi trường có thể theo hướng trực tiếp nhưng cũng có thể bịnhiễu xạ khi gặp các vật có góc cạnh chắn, hoặc tán xạ khi gặp phải các tòa nhà Do

đó, sóng lan truyền được mô tả bằng các hiện tượng như suy hao, đa đường

1.1.1.2 Mô hình của kênh truyền

Đặc trưng của kênh truyền không dây là ngẫu nhiên Do đó, có rất nhiều mô hìnhkênh truyền khác nhau, phụ thuộc vào các điều kiện như: thời tiết, vật cản (đồi núi,tòa nhà cao tầng,…) và đặc biệt là khoảng cách truyền dẫn của sóng vô tuyến

Biến ngẫu nhiên

Biến ngẫu nhiên (Random Variable – RV) được kí hiệu là X, là đại lượng biến đổi

mà giá trị của nó phụ thuộc vào các kết quả của phép thử ngẫu nhiên Có hai loạibiến ngẫu nhiên: biến ngẫu nhiên rời rạc và biến ngẫu nhiên liên tục

 Biến ngẫu nhiên rời rạc:

Đại lượng X được gọi là một biến ngẫu nhiên rời rạc nếu ta có thể liệt kê được tất cảcác giá trị của biến ngẫu nhiên đó

Ví dụ: số học sinh trong một lớp, số hoa quả bị hỏng trong một hộp 5 quả,…

Phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên rời rạc là tập hợp các giá trị có thể có của cácxác suất tương ứng và biến X Đôi lúc nó còn được biết đến với tên gọi hàm tậptrung xác suất hoặc hàm phân bố xác suất

Giả sử biến ngẫu nhiên X nhận được n các giá trị khác nhau, X = xi được định nghĩaP(X = xi) = pi(i = 1…n) Các xác suất pi phải thỏa mãn các điều kiện sau:

 Biến ngẫu nhiên liên tục:

Đại lượng X được gọi là biến ngẫu nhiên liên tục khi tập hợp các giá trị của X làmột khoảng trên trục số

Ví dụ: cân nặng, chiều cao của một người,…

Biến ngẫu nhiên liên tục không được xác định trong một giá trị cụ thể mà nó đượcxác định trong một khoảng giá trị được thể hiện bằng diện tích đường cong (tíchphân)

Đường cong đại diện cho hàm p(x) phải thỏa mãn các điều kiện:

 Đường cong không có giá trị âm ( p(x) ≥ 0, ∀ x).

 Tổng diện tích dưới đường cong bằng 1

 Các hàm của biến ngẫu nhiên

Hàm mật độ phân bố xác suất (Probability density function –PDF): chỉ có biến

ngẫu nhiên liên tục mới có hàm này PDF của X , fx(x) được định nghĩa là đạo hàmcủa FX(x):

Hàm phân bố tích lũy (Cumulative distribution function - CDF): Tất cả các

biến ngẫu nhiên (rời rạc và liên tục) đều có hàm phân bố tích lũy CDF của một biếnngẫu nhiên (RV) X, FX(x), được định nghĩa là xác suất mà X nhỏ hơn hoặc bằngmột giá trị x cho trước:

o Fx(x) là hàm tăng, Fx(x1) ≤ Fx(x2), x1 ≤ x2

1.1.1.3 Một số mô hình kênh truyền phổ biến

Kênh truyền Rayleigh

Khi môi trường có nhiều thành phần phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ do các vật chắn ta

sử dụng kênh truyền Rayleigh Với hai biến Gauss ngẫu nhiên có trung bình bằng 0

và phương sai là σ2 thì Z = √X2+Y2 có phân bố Rayleigh Z2 có phân bố hàmmũ

Trong đó, Pr = 2 σ2 là công suất trung bình của tín hiệu nhận được

Z2 có phân bố hàm mũ như sau:

Kênh truyền Rician

Kênh truyền Rician là kết quả của sự kết hợp của hiện tượng đa đường và đườngtruyền trực tiếp LOS (Line of Sight)

* 2 σ2 là công suất trung bình của thành phần không chứa đường trực tiếpLOS

* v2 là công suất của thành phần đường trực tiếp

Hàm phân bố xác suất Rician phụ thuộc vào tỉ số của năng lượng thành phần trực

tiếp và năng lượng thành phần tán xạ K Với K =

Kênh truyền Nakagami

Trong một số trường hợp, có một mô hình bao gồm cả hai mô hình trên đó là môhình Nakagami-m

Hàm mật độ đường bao được biểu diễn:

P z (z) =

2m m z 2 m−1 Γ( m)P r m exp [−mz 2

P r ] , m ≥ 0.5, (1.9)

Với Γ(.) là hàm Gamma.

Khi m ≥ 0.5 phân bố Nakagami có dạng một nửa phân bố Gauss

Khi m = 1, phân bố Nakagami trở thành phân bố Rayleigh

Khi m > 1, phân bố Nakagami trở thành phân bố Rician

Do vậy, phân bố Nakagami là tổng quát cho phân bố Rayleigh và Rician

Hàm phân bố công suất Nakagami fading như sau:

để tạo thành một hệ thống phân tập không gian Do đó, tín hiệu tại phía thu có độ tincậy cao hơn nếu so với kỹ thuật phân tập MIMO truyền thống thì không cần phảichú ý quá nhiều vào việc tích hợp nhiều anten vào thiết bị, giúp giảm thiểu chi phí,kích thước thiết bị và sự phức tạp về phần cứng, công nghệ

Trong truyển thông hợp tác, máy chuyển tiếp được đặt ở giữa trạm nguồn và máyđích Máy chuyển tiếp đặt cách trạm nguồn bằng nhiều lần bước sóng có chức năng

xử lý, chuyển tiếp tín hiệu từ trạm nguồn đến máy đích

1.1.5 Quá trình phát triển của truyền thông hợp tác

Truyền thông hợp tác dựa trên mô hình của kênh truyền chuyển tiếp nhưng nó

có nhiều cải tiến đáng kể ở nhiều mặt Đầu tiên, nó được áp dụng trong các kênhfading có tác dụng làm giảm fading đa đường Tiếp theo mỗi thiết bị đầu cuối hoạtđộng như một nút chuyển tiếp vừa giúp các nút nguồn truyền tin vừa truyền thôngtin của riêng nó Các nhà khoa học đã kết hợp các lợi thế của kỹ thật phân tập và kỹthuật truyền chuyển tiếp giúp khắc phục những hạn chế về khoảng cách truyền giúpcho nó có thể ngang với các thiết bị dùng nhiều anten mà không cần dùng thêmanten Trong đó, các máy đích nhận được tín hiệu truyền từ trạm nguồn lẫn nútchuyển tiếp giúp nó đạt được độ lợi phân tập và cải thiện đáng kể tốc độ truyền dữliệu

Kênh 1

Hình 1-4: Mô hình kênh chuyển tiếp

1.1.6 Các phương thức chuyển tiếp

1.1.1.4 Phương thức Giải mã – Chuyển tiếp (Decode and Forward – DF)

Đây là cách tiếp cận đầu tiên của truyền thông hợp tác truyền thống được đềxuất bởi Sendonaris và cộng sự Nút chuyển tiếp sử dụng phương pháp tái sinh, giải

mã thông tin của nút nguồn và tái mã hóa trước khi chuyển tiếp thông tin đến nútđích Nhưng do lỗi đường truyền, thông tin có khả năng bị giải mã sai ở nút chuyểntiếp làm suy giảm hiệu năng của hệ thống nên phương pháp này được giả định làcác nút chuyển tiếp chỉ hỗ trợ truyền thông trực tiếp nếu tín hiệu từ nút nguồn đượcgiải mã một cách chính xác Điều này được thực hiện bằng cách dùng mã kiểm traCRC (Cyclic Redundancy Check)

Tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào các nút chuyển tiếp cũng nhận được tínhiệu chính xác từ nút nguồn nên các nhà khoa học đã nghĩ ra phương pháp DF cố

B

định giúp nút chuyển tiếp luôn luôn chuyển tiếp thông tin đến nút đích mà khôngcần quan tâm đến chất lượng của tín hiệu nhận được.

Hơn nữa, phương pháp DF thông thường có nhược điểm bị giới hạn bởi thời giantruyền do bị cố định ở mức ưu tiên khiến cho nó bị trễ đến một nửa thời gian trướckhi nút chuyển tiếp có thể truyền làm lãng phí tài nguyên

Hình 1-5: Phương thức Giải mã – Chuyển tiếp DF

1.1.1.5 Phương thức Khuếch đại – Chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF)Phương thức này được đề xuất bởi Laneman gồm ba giai đoạn:

 Giai đoạn 1: Nút nguồn phát sóng truyền tín hiệu và hai nút còn lại nhận tínhiệu

 Giai đoạn 2: Nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ nút nguồn sau đó khuếch đạicông suất và chuyển tiếp các tín hiệu đến nút đích

 Giai đoạn 3: Nút đích kết hợp và giải mã tín hiệu nhận được từ nút nguồn ởgiai đoạn 1 và nút chuyển tiếp ở giai đoạn 2 để khôi phục thông tin ban đầu

Phương thức AF được đánh giá là đơn giản nhất so với các phương thức khác Bên

đó, nút đích vừa nhận tín hiệu từ nút nguồn vừa từ nút chuyển tiếp giúp đạt được độ

lợi phân tập và hiệu suất tốt nhất nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do nút chuyểntiếp khuếch đại cả nhiễu ở kênh nguồn – chuyển tiếp.

Hình 1-6: Phương thức Khuếch đại – Chuyển tiếp AF

1.1.1.6 Phương thức Nén – Chuyển tiếp (Compress and Forward – CF)

Phương thức Nén – Chuyển tiếp – CF khác với phương thức AF và DF ở chổtrong quá trình truyền tin giữa nút nguồn và nút đích, nút chuyển tiếp truyền mộtbản sao của bản tin nhận được Ban đầu nút nguồn lượng tử hóa và nén bản tintruyền đến nút chuyển tiếp, sau đó nút đích sẽ khôi phục thông tin nhận trực tiếp từnút nguồn và phần tin đã được lượng tử hóa và nén từ nút chuyển tiếp

Quá trình lượng tử hóa và nén tại nút chuyển tiếp là quá trình mã hóa nguồn, nghĩa

là biểu diễn lại mỗi thông tin nhận được như là một chuỗi kí tự Tại nút đích sẽ giải

mã các chuỗi kí tự nhận được từ bản tin lượng tử hóa và nén từ nút chuyển tiếp

1.1.1.7 Phương thức Ước lượng – Chuyển tiếp (Estimate and Forward – EF)Đối với phương thức này, sau khi nhận tín hiệu từ nút nguồn, nút chuyển tiếp sẽ ướclượng tín hiệu sau đó chuyển tiếp tín hiệu tới nút đích

1.4 Các tiêu chí đánh giá mạng không dây

Việc đánh giá hiệu năng γ s (SNR – Signal Noise Ratio) dựa trên ba tiêu chí:

o Xác suất dừng hệ thống.

o Xác suất lỗi trung bình

o Xác suất lỗi trung bình kết hợp với dừng hệ thống

1.1.7 Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability – OP)

Xác suất dừng hệ thống là một tiêu chí hiệu năng quan trọng dùng để miêu tả hệthống thông tin không dây và được định nghĩa là xác suất mà tỉ số công suất tín hiệutrên nhiễu tức thời đầu cuối – đầu cuối SNR γ s thấp hơn giá trị ngưỡng cho trước

γ o được tính bởi công thức:

1.1.8 Xác suất lỗi trung bình (Average Error Probability)

Xác suất lỗi ký tự trung bình (Average Symbol Error Probability – ASEP) là mộttham số quan trọng dùng để đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến và được tính theocông thức:

 f γ

s ( γ ) là PDF của γ s .

 P S ( γ ) là xác suất lỗi ký tự với tỉ số công suất tín hiệu/nhiễu SNR là γ

Với α M , βM là hằng số phụ thuộc loại điều chế

Ví dụ, đối với điều chế QPSK ( α M = 2, βM = 1), điều chế BPSK ( α M = 1, βM =2)

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG

DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

1.5 Giới thiệu các nghiên cứu liên quan

Vào năm 1979, El Gamal và Cover cho ra đời mô hình kênh chuyển tiếp gồm cómột nút nguồn A, nút chuyển tiếp B và nút đích C cho thấy năng lực của kênhchuyển tiếp tốt hơn so với kênh nguồn – đích

Kênh 2 Kênh 3

Kênh 1

B

CA

Hình 2-1: Mô hình kênh chuyển tiếp

Hiệu năng mạng hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp với cơ chế lựa chọn nút chuyểntiếp qua kênh truyền fading Rayleigh gồm một trạm nguồn, nhiều nút chuyển tiếp

và một máy đích

:

Hình 2-2: Hiệu năng của mạng hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp với việc lực chọn máy

chuyển tiếp qua kênh fading Rayleigh

Mô hình mạng giải mã và chuyển tiếp (DF) gồm một trạm nguồn, nhiều nút chuyểntiếp và một máy đích Mô hình này sử dụng phương thức giải mã và chuyển tiếp với

Hình 2-3: Mạng chuyển tiếp DF sử dụng nhiều nút Relay

Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng cũng được cácnhóm nghiên cứu trong nước đưa ra

Relay

Destination

Kênh chuyển tiếp

chuyền đổi năng lượng

Hình 2-4: Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng

Mô hình này bao gồm một trạm nguồn (S) vừa truyền thông tin vừa truyền nănglượng, một máy đích (D) và một máy chuyển tiếp (R) hoạt động trong môi trườngfading không đồng nhất (kênh truyền giữa S – R và R – D được giả sử lần lượt làRician và Rayleigh)

Ngoài ra, các nhà khoa học còn đề xuất một ý tưởng xây dựng một mạng Ad-hoc,trong đó trạm nguồn có thể hợp tác với các trạm trung gian cho mục đích chuyểntiếp

Relay

hsr hrd Destination

hsd

Source

Hình 2-5: Mô hình truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân tập hợp tác

1.6 Mô hình hệ thống và kênh truyền

Mô hình hệ thống mạng hợp tác không dây truyền năng lượng vô tuyến được mô

tả như hình

hSR hRD

hSD

Kênh truyền năng lượng S: Trạm nguồn

Kênh truyền thông tin chuyển tiếp D: Máy đíchKênh truyền thông tin trực tiếp R: Máy chuyển tiếp

 Quá trình truyền tín hiệu của hệ thống gồm hai chặng Ở chặng đầu tiên, trạmnguồn S truyền năng lượng đến máy chuyển tiếp R đồng thời truyền thông tin đến

cả máy chuyển tiếp R lẫn máy đích D Ở chặng cuối cùng, máy chuyển tiếp Rkhuếch đại tín hiệu và truyền kết quả đến máy đích D Các kênh truyền S-D, S-R,R-D có hệ số kênh truyền là hds, hsr, hrd tuân theo các phân bố Rayleigh, Rician,Rayleigh

 Tất cả các máy phát và máy thu được trang bị một anten duy nhất

 Máy chuyển tiếp R thu năng lượng từ trạm nguồn S bằng cách sử dụng cácgiao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian TSR (Time Switching – based

R

DS

Relaying) và giúp trạm nguồn S truyền thông tin đến máy đích D theo phương thứckhuếch đại chuyển tiếp AF (Amplify and Forward).

 So với năng lượng được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy chuyển tiếp R đếnmáy đích D, các năng lượng dùng cho các việc truyền/nhận tín hiệu không đáng kểnên được bỏ qua

 Trạm nguồn S truyền năng lượng và thông tin đến máy chuyển tiếp R trênkênh truyền fading Rician sau đó máy chuyển tiếp R khuếch đại tín hiệu nhận được

và truyền thông tin đến máy đích D thông qua kênh truyền fading Rayleigh

Trong giao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian TSR, trong một chu kì T quátrình hoạt động của hệ thống được chia làm ba giai đoạn:

 Giai đoạn một, trạm nguồn truyền năng lượng đến máy chuyển tiếp với

khoảng thời gian αT

 Giai đoạn hai, trạm nguồn truyền tín hiệu x(t) đồng thời đến máy chuyển tiếp

và máy đích, khoảng thời gian

(1−α )T

 Giai đoạn ba, máy chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu y(t) nhận được và truyền

tín hiệu đến máy đích trong khoảng thời gian

(1−α )T

Trong khoảng thời gian αT , máy chuyển tiếp thu năng lượng từ trạm nguồn.

Công suất truyền từ máy chuyển tiếp là:

là năng lượng thu được tại máy chuyển tiếp R

o 0 < η ≤ 1 là hiệu suất chuyển năng lượng

o PS là công suất truyền của trạm nguồn

o | hsr|2 là độ lợi công suất kênh truyền từ trạm nguồn đến máy chuyển tiếp.

o α là hệ số thể hiện tỉ lệ của thời gian khối (0 < α < 1)

o T là thời gian khối trong đó thông tin khối được truyền từ trạm nguồn đếnmáy đích

 d1 và σ1 là khoảng cách và hệ dố suy hao đường truyền từ máy nguồn đếnmáy chuyển tiếp.

Trong khoảng thời gian còn lại

(1−α )T

2 , máy chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu từtrạm nguồn và truyền đến máy đích Giả sử hsr được biết trước ở máy chuyển tiếp,tín hiệu thu được ở máy đích là:

 E( ¿ ) là toán tử kỳ vọng của biến ngẫu nhiên

 Giả sử N0 = N1 = N2 để đơn giản biểu thức

Từ (2.4) ta có thể viết lại z(t) như sau:

Vì máy đích dùng cơ chế thu lựa chọn do đó tỉ số tín hiệu trên nhiễu tức thời SNRtại máy đích được tính bởi công thức:

γ e2 e = max( γ r , γ d ).

Trong đó: