PHÂN TÍCH và SO SÁNH mô HÌNH AF và DF TRONG hệ THỐNG SONG CÔNG có THU NĂNG LƯỢNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH MƠ HÌNH AF VÀ DF TRONG HỆ THỐNG SONG CƠNG CĨ THU NĂNG LƯỢNG MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VIII CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TIN DI ĐỘNG .1 1.1 TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN DI ĐỘNG .1 1.2 HỆ THỐNG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG .2 1.2.1 Thế hệ mạng không dây .2 1.2.2 Thế hệ thứ hai mạng không dây 1.2.3 Mạng không dây hệ thứ ba 1.2.4 Thế hệ thứ tư mạng không dây CHƯƠNG THUẬT TOÁN KHUẾCH ĐẠI (AF) – GIẢI MÃ (AF) VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG .9 2.1 MẠNG TRUYỀN THÔNG VỚI KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP .9 2.1.1 Tổng quát 2.1.2 Mơ hình chuyển tiếp 2.2 CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP CỦA MẠNG TRUYỀN THÔNG 10 2.3 CÁC GIẢI PHÁP CHUYỂN TÍN HIỆU TRONG MẠNG TRUYỀN THƠNG 10 2.3.1 Mơ hình khuếch đại chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) 10 2.3.2 Mơ hình giải mã chuyển tiếp (DF: decode and Forward) 11 CHƯƠNG MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 12 3.1 MÔ TẢ HỆ THỐNG 12 3.1.1 Mơ hình khuếch đại chuyển tiếp 13 3.1.2 Pha chuyển tiếp thông tin .14 3.2 PHÂN TÍCH HỆ THỐNG XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG 15 3.2.1 Phân tích xác suất dừng 16 3.2.2 Phân tích thông lượng 17 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 18 4.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG .18 4.2 THIẾT LẬP HỆ THỐNG MÔ PHỎNG 18 4.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG KẾT LUẬN 22 5.1 KẾT LUẬN .22 5.2 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO .22 PHỤ LỤC 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 28 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH 1-1: CÁC THẾ HỆ MẠNG DI ĐỘNG HÌNH 1-2: CHIẾC ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ ĐẦU TIÊN HÌNH 1-3: ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ HAI HÌNH 1-4: ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ BA HÌNH 1-5: ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THẾ HỆ THỨ TƯ HÌNH 1-6: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN 4G HÌNH 2-1: MƠ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG MẠN TRUYỀN THƠNG HÌNH 2-2: CÁC LOẠI CHUYỂN TIẾP 10 HÌNH 2-3: MƠ HÌNH CHUYỂN TIẾP AF 10 HÌNH 2-4: MƠ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF 11 HÌNH 3-1: MƠ HÌNH MƠ TẢ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP SONG CƠNG 12 HÌNH 3-2: CÁC THAM SỐ CỦA GIAO THỨC TSR 13 HÌNH 4-1: XÁC SUẤT DỪNG TRONG HỆ THỐNG DÙNG KỸ THUẬT AF VÀ DF DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA L1 19 HÌNH 4-2: THƠNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG DÙNG KỸ THUẬT AF VÀ DF DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA L1 19 HÌNH 4-3: XÁC SUẤT DỪNG TRONG HỆ THỐNG DÙNG KỸ THUẬT AF VÀ DF DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA I .20 HÌNH 4-4:THƠNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG DÙNG KỸ THUẬT AF VÀ DF DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA I .20 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TSR Time-switching based relaying DF Decode-and-forward AF amplify-and-forward FD Full-Duplex AWGN Ađitive Wthite Gaussian Noise Trang 1/29 CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Tổng quan thông tin di động Một thành tựu lớn công nghệ thương mại năm gần “điện thoại di động” Từ đời, chiếm vị trí quan trọng thị trường, điện thoại di động phát triển vơ nhanh từ thiệt bị có tính chuyên biệt, để dần trở thành vật dụng thiếu kinh doanh sống người Các hệ thông tin di động phát triênt từ 1G – 2G – 3G – 4G – 5G Hình 1-1: Các hệ mạng di động 1.2 Hệ thống mạng thông tin di động 1.1.1 Thế hệ mạng không dây Thế hệ (1G) hệ thống thông tin di động khơi lên Nhật Bản năm 1979 công bố giới thiệu vào năm 1980 Thế hệ thứ kể cơng nghệ sau: Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 2/29  AMPS (Advanced Mobile Phone Service) năm 1978 sử dụng Bắc Mỹ với băng tần 800MHz, đến năm 1982 hầu giới triển khai  TACS (Total Access Communicatión Systems) năm 1985 người Anh sử dụng sau phát triển thành JTACS, phát triển khú vực Châu Á Thái Bình Dương  NMT (Nordic Mobile Telephone) năm 1981 với băng tần 450MHz sử dụng Bắc Âu, Tây Âu Nga Hình 1-2: Chiếc điện thoại di động hệ Hệ thống thông tin di động tương tự sử dụng hầu hết hệ thống điều khiển, phương pháp sử dụng phân chia theo tần số FDMA Các đặc điểm bật: - Thoại dịch cụ - Bị hạn chế phân bố tần số dung lượng thấp - Âm với chất lượng kém, không đáng tin cậy khả chuyển gọi rớt gọi với xác suất cao - Bên thứ dễ dàng nghe độ bảo mật thấp Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 3/29 - Trong môi trường fading nhiều tia, máy di động di chuyển dễ xảy nhiễu 1.1.2 Thế hệ thứ hai mạng không dây 2G với tốc độ 19.2kbps cho việc truyền tải hệ thống thông tin di động tế bào truyền vô tuyến số Năm 1987 bắt đầu Châu Âu với kĩ thuật TDMA, CDMA phố hợp với FDMA Mỗi kênh tần số chia cho nhiều user theo mã chia theo thời gian việc sử dụng chuyển mạch kênh Những ưu điểm bật: - Tần số sử dụng hiểu - So với 1G dung lượng lớn - Thoại với chất lượng cải thiện dịch vụ data sử dụng Hình 1-3: Điện thoại di động hệ thứ hai Hệ thơng gồm có chuẩn là: Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 4/29  GSM: Global System for Mobile Communication, sử dụng băng tần lên đến 900MHz đề xuất từ người Bắc Âu năm 1982, sử dụng kĩ thuật đa truy nhập theo thời gian TDMA  DECT: Digital European Cordless Telecoms đề xuất nước Châu Âu  PDC: Personal Digital Cellular, sử dụng công nghệ TDMA người Nhật sử dụng  IS-95: Interim Standard, năm 1990 cho mắt dùng kĩ thuật CDMA chia sẻ dãy tần chung Hệ thống thức triển khai Hàn Quốc Bắc Mỹ Tại Việt Nam, mạng Mobifone sử dụng GSM từ năm 1993 Nhà mạng Sfone vào tháng năm 2003 sử dụng công nghệ CDMA cho hệ thống di động nhà mạng EVNTelecom với CDMA 2000-1X Bên cạnh tiến hệ thống có hạn chế tốc độ hạn hẹp tài nguyên 1.1.3 Mạng khơng dây hệ thứ ba Vào năm 2004 3G đưa vào, chuẩn IMT-2000 (International Mobile Telecommunicatión 2000) ITU công bố Kĩ thuật đa truy nhập CDMA W-CDMA mạng 3G sử dụng Ưu điểm: - Dịch vụ thoại cung cấp với chất lượng tốt - Một số dịch vụ tin nhắn sử dụng: SMS, email, v.v… - Các dịch vụ đa phương tiện sử dụng internet như: Xem video, nghe nhạc, v.v… Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 5/29 Hình 1-4: Điện thoại di động hệ thứ ba 3G sử dụng hệ thống sau:  UMTS: Universal Mobile Telecommunition System, cơng nghệ W-CDMA sử dụng hệ 2G GSM 3GPP chuẩn hóa  Cơng nghệ CDMA sử dụng cho CDMA 2000 dựa hệ tiền nhiệm trước IS-95 quản lý 3GPP2 1.1.4 Thế hệ thứ tư mạng khơng dây 4G hay biết đến với tên gọi LTE (Long Term Evolution) Kết nối cung cấp khắp nơi, tốc độ liệu cao, chất lượng bảo mật, dịch vụ đa phương tiện nhanh với tốc độ max đạt độ lý tưởng lên đến 1Gbps-1.5Gbps mong muốn 4G Ưu điểm hệ thứ 4: - So với hệ trước (3G), tốc độ truyền tải cao nhiều - Thời gian trễ giảm phổ tăng hiệu tủa sử dụng Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 10/29 Hình 2-3: Mơ hình chuyển tiếp AF Mơ hình chuyển tiếp AF: Node Relay nhận tín hiều từ nguồn Node Source bị suy hao nên cần phải khuếch đại tín hiệu lên trước chuyển tiếp đến Node Destination 1.1.8 Mô hình giải mã chuyển tiếp (DF: decode and Forward) Hình 2-4: Mơ hình chuyển tiếp DF Mơ hình chuyển tiếp AF: Phương pháp thường sử dụng truyền tín hiệu số Khi tín hiệu nhận giải mã sau mã hóa, đó, nhiễu khơng khuếch đại tín hiệu nhận Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 11/29 CHƯƠNG MƠ TẢ VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG 1.6 Mô tả hệ thống f g1 g2 R l1 l2 S D Hình 3-1: Mơ hình mơ tả hệ thống chuyển tiếp song cơng Hình 3-1 minh hoạ mơ hình hệ thống chuyển tiếp song cơng gồm có node Nguồn kí hiệu S, điểm đến kí hiệu D relay node kí hiệu R, coi thiết bị với ăng ten, ăng ten dùng để truyền tín hiệu lại để thu nhận tín hiệu Relay giả sử thiết bị bị hạn chế lượng phải thu lượng từ nguồn, sử dụng nguồn lượng để chuuyển tiếp thơng tin đến điểm đích Với g,h hệ số kênh truyền; f hệ số nhiễu node Relay; l1 l2 khoảng cách từ nguồn đến Relay từ Relay đến điểm đích Giao thức TSR cho hệ thống minh họa hình 2.1.2 Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 12/29 T Energy Harvesting αT Full-duplex relaying Tx/Rx (1-α)T Hình 3-2: Các tham số giao thức TSR Q trình thơng tin chia làm giai đoạn Đầu tiên, lượng truyền từ nguồn đến relay khoảng thời gian  T , (0    1) Trong khoảng thời gian lại,     T , thời gian chuyển tiếp thông tin Với  hệ số chuyển mạch thời gian T khoảng thời gian chu kì 1.1.9 Mơ hình khuếch đại chuyển tiếp Trong suốt pha thu lượng, tín hiệu thu Relay mô tả bằng: Với m hệ số mũ Trong này, giả sử mơ hình tổn hao đường dẫn bình thường để hiển thị hiệu ứng suy giảm đường dẫn đến hiệu suất hệ thống Để đơn giản, nR nd AWGN với phương sai I Liên quan đến công suất vô tuyến nhận được, thu lượng relay Với  hiệu suất chuyển đổi lượng Với pha truyền thông tin, giả sử nguồn truyền tín hiệu xS đến R R chuyển tiếp tín hiệu xR đên đích Cả hai tín hiệu có đợ vị lượng zero-mean Ví dụ, với i  {S, R} Vì vậy, tín hiệu nhận relay nguồn tự can thiệp viết lại sau: Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 13/29 Với yếu tố tự can thiệp sót lại R 1.1.10 Pha chuyển tiếp thơng tin Trong này, nghiên cứu hai phương thức chuyển tiếp AF DF hệ thống song cơng Với AF, Relay khuếch đại tín hiệu với hệ số khuếch đại sau: Với DF, relay giải mã tín hiệu trước truyền Vì tín hiệu truyền từ relay mơ tả sau: � K y [i   ] withAF � � R xR (i )  � P � R xS [i   ]withDF � PS (5) Có thể thấy tốn thu lượng để hỗ trợ hoạt động chuyển trạng thái tiếp theo, Với  PR nâng cao tính    / (1   ) Vì vậy, tín hiệu nhận điểm đích yd (k)  g2 m l xr [k]  nd [k] (7) Đối với AF ta được: Đối với DF ta được: yD (t )  PR g2 xS (t   )  nd (t ) (9) Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 14/29 Trong kết trên, SINR nhận thời điểm xác định    E signal  E noise 2    E  RSI  (10) Chúng ta có: Chúng tối giả định lợi ích kênh g1 , g 2 biến ngẫu nhiên phân bố độc lập phân bố đồng 1.7 Phân tích hệ thống Xác suất dừng thông lượng Trong phần này, so sánh xác suất dừng thông lượng việc chuyển tiếp song cơng chiều hồn tồn với việc thu thập lượng truyền thông tin hai chế độ chuyển tiếp: AF DF Dựa biểu phân tích này, thấy số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống học cách triển khai tình khác 1.1.11 Phân tích xác suất dừng Xác suất dừng mạng chuyển tiếp song công mơ hình giới hạn tính sau: Pout  Pr   �H  (13) Giả sử nguồn truyền với tốc độ không đổi H Đặt =2 H-1 ngưỡng SINR Relay đích Trường hợp 1: Công suất dừng giao thức AF: Với giá trị trung bình biến ngẫu nhiên mũ Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 15/29 Hàm phân phối tích lũy tính  FX  a   Pr  X  a    a / s d K1 a / s d  (15) Y mô với chức phân phối xác suất fY  b    1/ r  e b / r  (16) Trường hợp 2: Công suất dừng giao thức DF: 1.1.12 Phân tích thơng lượng Trong trường hợp 2, xác suất dừng mơ hình xem xét là: relay thu lượng từ tín hiệu nguồn sử dụng lượng để chuyển tín hiệu nguồn đến đích hàm khoảng cách l1 hệ số tạp âm, I, tăng l1 tăng từ đến I tăng từ 0.1 đến Trong chế độ truyền giới hạn, máy phát truyền thông với tốc độ truyền dẫn R (bit / giây / Hz)     T khoảng thông tin hiệu Vì thế, thơng lượng tính bằng:     Pout  R 1  T T Tiếc rằng, khó để xác định thơng lượng tối ưu tính tốn trên, nhiên, ta xác định thơng lượng với giá trị tối ưu mơ Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 16/29 CHƯƠNG KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 1.8 Giới thiệu chương Trong chương trước chúng ta, đồ án trình bày kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp với kỹ thuật giải mã chuyển tiếp hệ thống song công Để nhìn nhận rõ ràng xác thực lý thuyết đề cập, chương giúp hiểu cách trực quan để đánh giá chất lượng hệ thống 1.9 Thiết lập hệ thống mô Để dễ dàng cho việc chạy mô phỏng, dựa vào viết gốc ta sử dụng số giá trị cho trước sau Hiệu suất chuyển đổi lượng Hệ số mũ m = Giá trị trung bình biến ngẫu nhiên mũ : Khoảng cách node (áp dụng cho hình 4-3, 4-4) giá trị nhiễu relay (áp dụng cho hình 4-1 4-2) Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 17/29 Hình 4-1: Xác suất dừng hệ thống dùng kỹ thuật AF DF ảnh hưởng l1 Hình 4-2: Thơng lượng hệ thống dùng kỹ thuật AF DF ảnh hưởng l1 Từ Hình 4-3 4-4, ta dễ dàng nhận thấy rằng, hệ thống song công ảnh hưởng khoảng cách từ nguồn đến Relay, xét mặt xác suất dừng kỹ thuật DF tốt xét thông lượng kỹ thuật DF khơng kỹ thuật AF Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 18/29 Hình 4-3: Xác suất dừng hệ thống dùng kỹ thuật AF DF ảnh hưởng I Hình 4-4:Thơng lượng hệ thống dùng kỹ thuật AF DF ảnh hưởng I Từ hình 4-1 hình 4-2, ta dễ dàng nhận thấy rằng, hệ thống song công ảnh hưởng nhiễu Relay (I) xét xác suất dừng, kỹ thuật DF tốt việc sử dụng kỹ thuật AF xét mặt thông lượng kỹ thuật DF không kỹ thuật AF 1.10 Kết luận chương Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 19/29 Chương trình bày kết mơ đánh giá hệ thống song công sử dụng kỹ thuật AF DF tác động hệ số hệ thống khoảng cách ảnh hưởng nhiễu trắng Gaussian Ta thấy dù bị ảnh hưởng tác động phân tích kỹ thuật DF ln có lợi tốt AF xét xác suất dừng Nhưng ngược lại, xét thơng lượng ngược lại, kỹ thuật AF tốt Tuy nhiên điểm khác biệt là, ảnh hưởng I, xác suất dừng thông lượng tăng dần giảm dần đến giá trị cực đại cực tiểu Còn hệ thống bị tác động nhiễu trắng Gaussian, yếu tố ta phân tích, chúng đạt đến giá trị max, chúng dần quay lại với trạng thái ban đầu trước CHƯƠNG KẾT LUẬN 1.11 Kết luận Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 20/29 Trong hệ thống vô tuyến, kỹ thuật truyền dẫn AF, DF công nghệ đem đến nhiều ưu điểm lợi ích cho ngành viễn thông Cụ thể với khu vực nằm ngồi rìa cell, nơi mà thu tín hiệu thấp, chất lượng với kỹ thuật đáp ứng nhu cầu hệ thống mạng Luận văn đưa ưu điểm việc sử dụng kỹ thuật truyền dẫn thông tin so với việc truyền trực tiếp tín hiệu Từ luận văn linh động sử dụng kỹ thuật để phù hợp với nhu cầu cần thiết Để đánh giá chất lượng hệ thống, luận văn phân tích kĩ thuật AF, DF Relay Qua đánh giá xác suất dừng thông lượng cho hệ thống Kết thực nghiệm cho thấy hệ thống sử dụng kỹ thuật AF DF có ưu nhược điểm riêng tùy thuộc vào ảnh hưởng tác động lên hệ thống Nếu giới hạn lý tưởng khoảng cách nhiễu Gaussian hiệu suất kỹ thuật phát huy tối đa 1.12 Hướng nghiên cứu Luận văn đem lại kết cho hệ thống truyền dẫn Nhưng việc đánh giá áp dụng hệ thống song công sử dụng giao thức TSR Cũng nhiều tác động khác ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Để đánh giá hệ thống tốt phát triển đề tài sau: So sánh phân tích mơ hình AF DF hệ thống bán song công sử dụng giao thức TSR So sánh phân tích mơ hình AF DF hệ thống song công sử dụng giao thức PSR Phân tích so sánh mơ hình chuyển tiếp AF & DF FD có thu lượng Trang 21/29 PHỤ LỤC Hệ số khuếch đại: Chứng minh cơng thức (11) Ta có: I