Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Phân Tích Mô Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHÂN TÍCH MƠ HÌNH PHÁT TRỰC TIẾP TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AF Amplify and Forward AWGN Additive White Gaussian Noise CDMA Code Divition Multiple Access FD Full Duplex FDMA Frequency Divition Multiple Access GSM Global System for Mobile Communication HD Half Duplex OFDM Orthogonal Frequency Divition Multiple Access PSR Power Splitting Based Relaying RF Radio Frequency RSI Random Self-Interference SNR Signal to Noise Ratio TDMA Time Divition Multiple Access TSR Time Switching Based Relaying Trang 6/20 CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung Hệ thống thông tin di động hệ thống liên lạc với nhiều điểm truy cập khác vùng địa lí, gọi cell Người sử dụng di chuyển vùng phủ sóng trạm Do nhu cầu ngày cao xã hội thông tin liên lạc, hệ thống thông tin di động ngày phát triển Các hệ hệ thống di động 1G, 2G, 3G, 4G, 5G đời với cải tiến đáng kể truyền tải liệu nhanh chóng, dung lượng truyền tải lớn tiêu tốn lượng 1.2 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Phân tích, so sánh thơng lượng tức thời hệ thống song công bán song công dựa kết mơ - 1.3 Nhiệm vụ Tìm hiểu tổng quan hệ thống thơng tin di động Tìm hiểu giao thức TSR kỹ thuật AF Tìm hiểu mơ hình hệ thống song cơng bán song cơng theo giao thức TSR, xây dựng công thức liên quan mô phần mềm Matlab 1.4 Tổng quan hệ thống thông tin di động Cuối năm 1970, Mỹ nhóm Bell LaBTS triển khai hệ thống di động AMPS (Advancedmobile Phone Service) Năm 1982, Liên minh Châu Âu Bưu Viễn thơng CEPT (Conference of European Postal and Telecommunications administrations) thành lập nhóm đặc trách di động GSM (Group Special Mobile) để phát triển chuẩn thống cho hệ thống thông tin di động sử dụng tồn Châu Âu Năm 1991, Qualcom triển khai hệ thống thông tin di động công nghệ CDMA chuẩn IS-95A (Interim Standard - 95A) Việt Nam sử dụng GSM từ năm 1993, triển khai hệ thống thông tin di động theo công nghệ CDMA đưa vào sử dụng vào tháng 7/2003 1.1.1 Thế hệ thứ 1G (First Generation) Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 7/20 Mạng di động 1G đời năm 1977 Chicago, hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA điều chế tần số FM Đặc điểm mạng 1G: - Phương thức truy nhập: FDMA Dịch vụ: thoại Chất lượng thấp Bảo mật Một số hệ thống mạng 1G điển hình: - NMT (Nordic Mobile Telephone) triển khai Bắc Âu vào năm 1981 TACS (Total Access Communication System) Anh vào năm 1985 AMPS (Advanced Mobile Phone System) Bắc Mỹ vào năm 1978 1.1.2 Thế hệ thứ hai 2G (Second Generation) Mạng di động 2G đời năm 1990, hệ thống thông tin di động số tế bào, dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ dịch vụ liệu đưa vào sử dụng Phần Lan năm 1991 Đặc điểm mạng 2G là: - Phương thức truy nhập: TDMA, CDMA băng hẹp Chuyển mạch: chuyển mạch kênh Các dịch vụ GSM 2G: - Dịch vụ thoại: tốc độ 13kbps, gọi khẩn Dịch vụ số liệu: tốc độ 9,6kbps, liệu thô,… Dịch vụ SMS: nhắn tin Dịch vụ WAP: truy cập có giới hạn vào trang web để xem thông tin Một số hệ thống 2G điển hình là: - GSM (Global System for Mobile Phone) – TDMA triển khai Châu Âu IS-95 (CDMA ONE) – CDMA Mỹ Hàn Quốc D-AMPS (IS-136-Digital Advanced Mobile Phone System) – TDMA triển khai Mỹ Mạng di động 2G tiền đề để phát triển lên mạng 2.5G 2.75G (Evolved Second Generation) với đặc điểm sau: - Các dịch vụ số liệu cải tiến: tốc độ bit data cao hơn, hỗ trợ kết nối internet Phương thức chuyển mạch: chuyển mạch gói Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 8/20 - Công nghệ GPRS, EDGE phát triển GPRS – General Packet Radio Services (2.5G): triển khai năm 2000, - nâng cấp từ mạng GSM tốc độ truyền liệu 171,2 kbps EDGE – Enhance Data Rate for GSM Evolved (2.75G): triển khai năm 2003, nâng cấp từ GPRS tốc độ truyền liệu 384 kbps 1.1.3 Thế hệ thứ ba 3G (Third Generation) Mạng di động 3G nhắc đến chuẩn IMT-2000 tổ chức Viễn thông Thế giới ITU Vào năm 2001, NTT Docomo công ty mắt phiên thương mại mạng W-CDMA Mạng 3G chia thành chuần thương mại sau: - W-CDMA (3GPP): tảng hệ thống UMTS (Universal Mobile - Telecommunication System), dựa kỹ thuật CDMA trải phổ dãy trực tiếp CDMA 2000 (3GPP2): hệ chuẩn 2G CDMA IS-95 TD-CDMA (Time Division – CDMA, 3GPP): chuẩn thương mại áp dụng - hỗn hợp TDMA CDMA TD-SCDMA (Time Division Synchronous Code Division Multiple Access): phát triển Trung Quốc Đặc điểm hệ thống di động 3G: - Hỗ trợ dịch vụ số liệu gói tốc độ cao: 144 kbps – Macro cell, 384 kbps – - Micro cell Mbps – Pico cell Các dịch vụ đa phương tiện như: âm nhạc, hình ảnh, video chất lượng cao - truyền hình số Các dịch vụ định vị toàn cầu GPS, email,… Hai hướng tiêu chuẩn phổ biến cho mạng 3G: sử dụng công nghệ WCDMA công nghệ CDMA 2000 1.1.4 Thế hệ thứ tư 4G (Fourth Generation) Mạng di động 4G hệ công nghệ 3G với đặc điểm: - Cải tiến dịch vụ liệu: tốc độ bit 20-100 Mb/s Phương thức điểu chế: OFDM, MC-CDMA Xu hướng kết hợp: mạng lõi IP với mạng truy nhập di động 3G truy nhập - vô tuyến Wifi, Wimax Wifi (Wireless Fidelity): • Là hệ thống mạng khơng dây sử dụng sóng vơ tuyến Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 9/20 • Dựa tiêu chuẩn IEEE 802.11 • Cho phép truy cập internet khu vực có sóng hệ thống - mà khơng cần đến cáp nối WiMAX: • Là kỹ thuật viễn thông cung cấp truyền dẫn không dây khoảng cách lớn nhiều cách khác nhau, từ kiểu kết nối điểm-điểm kiểu - truy nhập tế bào • Dựa tiêu chuẩn IEEE 802.16 • Năm 2007, WiMAX bổ sung vào IMT2000 3GPP LTE (The Third Generation Partnership Project Long Term Evolution): công nghệ phát triển chuẩn hóa bới 3GPP, sử dụng kỹ thuật OFDMA MIMO thay CDMA mạng di động 3G 1.1.5 Thế hệ thứ năm 5G (Fifth Generation) Theo lý thuyết, mạng di động 5G đạt tốc độ 10Gbps Mạng di động 5G sử dụng bước sóng milimét, quang phổ tín hiệu RF tần số cao 20GHz 300GHz Các bước sóng truyền tải khối lượng lớn liệu với tốc độ cao, không truyền xa khó xuyên qua tường, vượt ngại vật bước sóng tần số thấp mạng di động 4G Có thể mạng 5G sử dụng trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platfỏm Stations) hoạt động vệ tinh thay anten để giúp cho đường truyền tín hiệu mạng khơng dây thẳng, vùng phủ sóng rộng, ổn định hơn, đồng thời khơng bị hạn chế thiết kế kiến trúc cao tầng Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 10/20 CHƯƠNG MƠ HÌNH PHÁT TRỰC TIẾP TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG 1.5 Giới thiệu chung Truyền lượng thơng qua sóng vơ tuyến RF giải pháp nhằm kéo dài thời gian hoạt động thiết bị hệ thống không dây Ưu điểm giải pháp tín hiệu RF mang lượng thơng tin lúc Do đó, hạch lượng thu lượng xử lý thông tin lúc Cho đến ngày hôm nay, việc sử dụng tín hiệu RF để truyền lượng truyền thơng tin ứng dụng rộng rãi, điển hình hệ thống thông tin hợp tác với trạm nguồn vừa phát lượng RF, vừa truyền thông tin, máy chuyển tiếp máy đích dựa vào giao thức chuyển tiếp thời gian Time SwitchingBased Relaying (TSR) giao thức chuyển tiếp phân chia lượng Power Splitting-Based Relaying (PSR) cho phép lưu trữ lượng xử lý thông tin máy chuyển tiếp Bài báo cáo này, ta tập trung nghiên cứu mơ hình hệ thống bán song công song công với kết hợp giao thức TSR kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp AF Trong giao thức TSR, nút Relay dành khoảng thời gian để thu lượng phần thời gian lại để xử lý thơng tin Đồng thời nút Relay, tín hiệu nhiễu khuếch đại lên dựa vào kỹ thuật AF 1.6 Mô hình hệ thống Hình 2-1: Mơ hình hệ thống bán song cơng song cơng Xét mơ hình mạng gồm: nút nguồn S, nút chuyển tiếp R nút đích D, khơng có liên kết nút nguồn S với nút đích D khoảng cách chúng Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 11/20 xa giao tiếp chúng thông qua nút chuyển tiếp R Mỗi nút thiết lập với anten, ngoại trừ nút R hoạt động chế độ song công trang bị hai anten, cho truyền cho tiếp nhận Khoảng cách từ nút nguồn S tới nút chuyển tiếp R d1 với độ lợi công suất kênh truyền h, tương tự khoảng cách từ nút chuyển tiếp R tới nút đích d2 với độ lợi công suất kênh truyền g Ngồi chế độ song cơng, ta có thêm f nhiễu vòng từ ngõ R tới đầu vào chuyển tiếp R Nút nguồn S ln có liệu để truyền tải Nút chuyển tiếp R thu lượng từ nút nguồn S cách sử dụng giao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian TSR giúp nút nguồn S truyền thông tin đến nút đích D theo phương thức khuếch đại, chuyển tiếp AF Hoạt động thu lượng truyền thông tin tổ chức khung thời gian đơn vị thời gian T α hệ số biểu thị tỉ lệ thời gian T( 0< α≤ 1) Bảng 2-1: Giao thức TSR cho mơ hình FD HD Mơ hình bán song cơng Mơ hình song công Thu lượng Nhận thông Truyền αT αT tin (1-α)T/2 (1-α) T thơng tin (1-α)T/2 1.7 Mơ hình bán song công Nút chuyển tiếp R thu lượng từ nút nguồn khoảng thời gian αT là: Trong đó, cơng suất truyền nút nguồn, hệ số suy hao đường truyền, hiệu suất chuyển đổi lượng Như vậy, công suất phát từ nút chuyển tiếp R là: Trong thời gian , tín hiệu nhận nút chuyển tiếp R là: Với , băng tần sở bổ sung nhiễu trắng Gaussian anten nhận nút chuyển tiếp R; mẫu AWGN băng tần RF để chuyển đổi tín hiệu băng tần Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 12/20 sở Tương ứng ta có phương sai nhiễu Gaussian trắng nút chuyển tiếp R Tại R, tín hiệu khuếch đại với hệ số khuếch đại: Lúc này, tín hiệu truyền R là: Tín hiệu nhận nút đích D là: Với nhiễu Gaussian trắng nút đích D phương sai Bằng phép tính đơn giản, ta có: Từ biểu thức trên, ta xác định SNR nút đích D là: Suy ra: 1.8 Mơ hình song cơng Tương tự mơ hình bán song cơng, tín hiệu nút chuyển tiếp R nhận là: Năng lượng truyền từ nút nguồn S tới nút chuyển tiếp R là: Tuy nhiên mơ hình song cơng, nút chuyển tiếp R có thêm nguồn tự tạo nhiễu ngẫu nhiên , nên ta có tín hiệu nhận là: Tại nút chuyển tiếp R, tín hiệu phát là: Với hệ số khếch đại H: Trong đó, cơng suất truyền R là: Như vậy, tín hiệu nhận nút đích D là: Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 13/20 Bằng vài phép tính đơn giản, ta được: Từ biểu thức trên, ta xác định SNR nút đích D là: Suy ra: 1.9 Thơng lượng hệ thống Bài báo cáo ta xét thông lượng tức thời hệ thống bán song công song công với tốc độ truyền trạm nguồn Thời gian truyền hiệu dụng từ nút nguồn S tới nút đích D nên ta có thơng lượng hệ thống bán song cơng là: Tương tự ta có thơng lượng hệ thống song cơng là: Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 14/20 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 1.10 Ảnh hưởng nhiễu nút Relay tới hệ thống Ta thiết lập thông số sau: Tốc độ truyền trạm nguồn , hệ số biểu thị tỉ lệ thời gian Hiệu suất chuyển đổi lượng Hệ số suy hao đường truyền Để đơn giản ta cho khoảng cách và , Hình 3-1: Thơng lượng hệ thống HD FD thay đổi Từ hình 3-1, ta thấy tăng thơng lượng hệ thống song cơng tăng lên, thơng lượng hệ thống bán song công không đổi Điều cao ảnh hưởng đến hiệu hệ thống song cơng hệ thống bán song cơng khơng có yếu tố có nhiễu, thơng lượng bất biến thay đổi 1.11 Ảnh hưởng vị trí Relay tới hệ thống Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 15/20 Ta thiết lập thông số sau: Tốc độ truyền hệ số biểu thị tỉ lệ thời gian Hiệu suất chuyển đổi lượng Hệ số suy hao đường truyền Để đơn giản ta cho khoảng cách và , Hình 3-2: Thơng lượng hệ thống HD FD thay đổi Hình 3-2 cho ta thấy ảnh hưởng vị trí Relay thơng lượng tức thời hai hệ thống Thông lượng hệ thống bán song công cao hệ thống song công gần nút nguồn, từ giá trị thông lượng hệ thống song công cao hệ thống bán song công 1.12 Ảnh hưởng hiệu suất chuyển đổi lượng tới hệ thống Ta thiết lập thông số sau: Tốc độ truyền hệ số biểu thị tỉ lệ thời gian Hiệu suất chuyển đổi lượng Hệ số suy hao đường truyền Để đơn giản ta cho khoảng cách và , Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 16/20 Hình 3-3: Thông lượng hệ thống HD FD η thay đổi Hình 3-3 cho ta thấy ảnh hưởng hiệu suất chuyển đổi lượng hoạt động hai hệ thống Thông lượng tức thời hệ thống song công tốt so với hệ thống bán song công 1.13 Ảnh hưởng hệ số biểu thị thời gian tới hệ thống Ta thiết lập thông số sau: Tốc độ truyền hệ số biểu thị tỉ lệ thời gian , α = 0.4, α = 0.5 Hiệu suất chuyển đổi lượng Hệ số suy hao đường truyền Để đơn giản ta cho khoảng cách và , Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 17/20 Hình 3-4: Thông lượng hệ thống FD HD α thay đổi Hình 3-4 cho ta thấy ảnh hưởng α hai hệ thống Ta thấy lượng thơng tin truyền đến điểm đích nhiều giá trị α giảm, điều tương ứng với thời gian thu lượng 1.14 Ảnh hưởng tốc độ truyền tới hệ thống Ta thiết lập thông số sau: Tốc độ truyền trạm nguồn hệ số biểu thị tỉ lệ thời gian Hiệu suất chuyển đổi lượng Hệ số suy hao đường truyền Để đơn giản ta cho khoảng cách , , Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 18/20 Hình 3-5: Thơng lượng hệ thống FD HD thay đổi Hình 3-5 cho ta thấy ảnh hưởng giá trị hai hệ thống Ta thấy giá trị lớn thơng lượng tức thời lớn Thêm vào đó, ta thấy thơng lượng hệ thống bán song công ba giá trị khác gần nhỏ thông lượng hệ thống song cơng CHƯƠNG KẾT LUẬN Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 19/20 Trong báo cáo này, khảo sát mơ hình chuyển tiếp hai chặng có thu lượng chế độ truyền tức thời với giao thức TSR kỹ thuật khuếch đại, chuyển tiếp AF hai mơ hình bán song cơng song cơng Thơng lượng hai mơ hình xác định cách mô phần mềm Matlab Qua kết mô , ta thấy mô hình song cơng hồn tồn vượt trội so với mơ hình bán song cơng Hiệu hai hệ thống phụ thuộc vào yếu tố vị trí Relay, nhiễu Relay, tốc độ truyền tín hiệu,… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Relaying Protocols for Wireless Energy Harvesting and Information Processing Ali A Nasir, Student Member, IEEE, Xiangyun Zhou, Member, Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 20/20 IEEE, Salman Durrani, Senior Member, IEEE, and Rodney A Kennedy, Fellow, IEEE [2] Wireless Information and Power Transfer with Full Duplex Relaying Caijun Zhong, Senior Member, IEEE, Himal A Suraweera, Member, IEEE, Gan Zheng, Senior Member, IEEE, Ioannis Krikidis, Senior Member, IEEE, and Zhaoyang Zhang Member, IEEE, [3] A Performance Analysis of Two Hops Model in the TSR and PSR Energy harvesting Relaying Network Nguyen Quoc Bao , Long Nguyen Ngoc-Ton Duc Thang University, 19 Nguyen Huu Tho St., 7th Dist., Ho Chi Minh City, Viet Nam Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 21/20 PHỤ LỤC A  Full Duplex System Ta có: Suy ra: SNR xác định: Mà Suy ra: Suy ra: SNR xác định là:  Half Duplex: Ta có: Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 22/20 SNR xác định: Chia tử mẫu cho , ta được: Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng ... cao tầng Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 10/20 CHƯƠNG MƠ HÌNH PHÁT TRỰC TIẾP TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG... Ta có: Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 22/20 SNR xác định: Chia tử mẫu cho , ta được: Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống. .. , Phân Tích Mơ Hình Phát Trực Tiếp Trong Hệ Thống Chuyển Tiếp Hai Chặng Có Thu Năng Lượng Trang 17/20 Hình 3-4: Thơng lượng hệ thống FD HD α thay đổi Hình 3-4 cho ta thấy ảnh hưởng α hai hệ thống