PHÂN TÍCH và SO SÁNH mô HÌNH PSR và TSR TRONG hệ THỐNG bán SONG CÔNG có THU NĂNG LƯỢNG

1.4 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động 1.1.1 Hệ thống thông tin di động 1G Hệ thống thông tin di động 1G là mạng điện thoại di động đầu tiên, ứng dụng cáccông nghệ truyề

PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH MÔ HÌNH PSR VÀ TSR TRONG HỆ THỐNG BÁN SONG CÔNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT IX

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

1.1 GIỚI THIỆU 1

1.2 MỤC TIÊU 1

1.3 NHIỆM VỤ 1

1.4 QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1

1.4.1 Hệ thống thông tin di động 1G 1

1.4.2 Hệ thống thông tin di động 2G 2

1.4.3 Hệ thống thông tin đi động 2.5G 2

1.4.4 Hệ thống thông tin di động 3G 3

1.4.5 Hệ thống thông tin di động 4G 3

1.4.6 Hệ thống thông tin di động 5G 4

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG 5

2.1 GIỚI THIỆU 5

2.2 KĨ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP (AF) 7

2.3 GIAO THỨC TSR 7

2.4 GIAO THỨC PSR 10

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 12

3.1 ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ RELAY 12

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU SUẤT THU NĂNG LƯỢNG 13

3.3 ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU 14

3.4 ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ TRUYỀN 15

3.5 ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ SỐ PHÂN CHIA THỜI GIAN VÀ HỆ SỐ PHÂN CHIA NĂNG LƯỢNG16 CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

PHỤ LỤC A 19

HÌNH 2-2: KĨ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP AF 7

HÌNH 2-3: TSR PROTOCOL 7

HÌNH 2-4: PSR PROTOCOL 10

HÌNH 3-1: ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ RELAY 12

HÌNH 3-2: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU SUẤT THU NĂNG LƯỢNG 13

HÌNH 3-3: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU 14

HÌNH 3-4: ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ TRUYỀN 15

HÌNH 3-5: ẢNH HƯỞNG CỦA ANPHA VÀ ρ 16

BẢNG 4-1: TÓM TẮT KẾT QUẢ 17

TSR Time Switching – based Relaying

PSR Power Splitting-based Relaying

RF Radio Frequency

FDMA Frequency Division Multiple Access

TDMA Time Division Multiple Access

CDMA Code Division Multiple Access

WCDMA Wideband Code Division Multiple AccessUMTS Universal Mobile Telecommunication SystemCCI Co-Channel Interference

ACI Adjacent Channel Interference

GSM Global System for Mobile CommunicationsGPRS General Packet Radio Service

EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution

AF Amply and Forward

PDF Probability density function

CDF Cumulative distribution function

NMT Nordic Mobile Telephone

TACS Total Access Communications System

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay, nhu cầu truyền tải dữliệu nhanh chóng, dung lượng truyền tải lớn và ít tiêu tốn năng lượng là một nhucầu cần thiết Từ việc nghe nhạc, xem video, cho tới chia sẻ thông tin hay cập nhậtcác mạng xã hội đều cần phải kết nối liên tục với nhiều người hiện nay

Các thế hệ hệ thống di động như 1G, 2G, 3G, 4G phát triển từ thấp lên cao, khôngthể đáp ứng được nhu cầu ngày càng lớn của người sử dụng với lượng dữ liệu ngàymột lớn như hiện nay, hệ thống cần được phát triển, mạnh mẽ hơn nhằm đáp ứngkịp nhu cầu sử dụng

1.4 Quá trình phát triển của hệ thống thông tin di động

1.1.1 Hệ thống thông tin di động 1G

Hệ thống thông tin di động 1G là mạng điện thoại di động đầu tiên, ứng dụng cáccông nghệ truyền dẫn tương tự để truyền tín hiệu thoại, sử dựng phương thức đatruy nhập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế tần số FM

Hệ thống thông tin di động 1G có băng tần khoảng 150 MHz, sử dụng kĩ thuậtchuyển mạch tương tự, dịch vụ đơn thuần chỉ là thoại

Hạn chế: phân bố tần số rất hạn chế, dung lượng nhỏ, không có tính bảo mật cao,chất lượng thấp, vùng phủ sóng hẹp

Một số hệ thống 1G điển hình: NMT, TACS…

1.1.2 Hệ thống thông tin di động 2G

Hệ thống thông tin di động 2G áp dụng công nghệ chuyển mạch kỹ thuật số Thôngtin di động 2G sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA và

đa truy nhập phân chia theo mã CDMA

Đặc điểm: sử dụng đa truy nhập TDMA và CDMA băng hẹp, sử dụng chuyển mạchkênh, dung lượng tăng, chất lượng thoại tốt hơn, hỗ trợ các dịch vụ số liệu (data)

Ưu điểm: sử dụng kỹ thuật điều chế số tiên tiến nên hiệu suất sử dụng phổ tần caohơn, hệ thống số chống nhiễu kênh cùng tần số và chống nhiễu kênh kề hiệu quảhơn, làm tăng dung lượng hệ thống, đảm bảo chất lượng thông tin, điều khiển truynhập và chuyển giao tốt hơn, dung lượng tăng

Nhược điểm: độ rộng dải thông băng tần của hệ thống còn nhỏ nên các dịch vụ ứngdụng cũng bị hạn chế

Một số hệ thống thông tin di động 2G điển hình: GSM 900, GSM 1800, IS-95

1.1.3 Hệ thống thông tin đi động 2.5G

Hệ thống thông tin di động 2,5G được nâng cấp từ hệ thống thông tin di động 2G,

có tốc độ bit cao hơn, hỗ trợ kết nối internet, hỗ trợ thêm chuyển mạch gói

Ưu điểm: cung cấp các dịch vụ mạng mới và cải thiện các dịch vụ liên quan đếntruyền số liệu, chuyển mạch kênh tốc độ cao, dịch vụ vô tuyến gói đa năng, cảithiện các dịch vụ liên quan đến SMS, tăng cường công nghệ SIM, hỗ trợ các dịch vụmạng thông minh…

Một số hệ thống thông tin di động 2,5G: GPRS, EDGE.

1.1.4 Hệ thống thông tin di động 3G

Hệ thống di động 3G đáp ứng nhu cầu sử dụng thông tin di động ngày càng tăng cả

về số lượng, tốc độ lẫn chất lượng của người sử dụng, nhằm nâng cao tốc độ truynhập, mở rộng nhiều loại hình dịch vụ, đồng thời tương thích với các hệ thốngthông tin di động hiện có

Các hệ thống này đều sử dụng công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Một số hệ thống 3G điển hình:

 UMTS (Universal Mobile Telecomunications System) sử dụng kỹ thuật đatruy nhập phân chia theo mã băg rộng W-CDMA, phát triền lền từ GSM vàGPRS.

 CDMA 2000: CDMA 2000 là công nghệ 3G được lựa chọn bởi các nhà cungcấp mạng sử dụng CDMA One

1.1.5 Hệ thống thông tin di động 4G

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ tư (4G) với tên gọi IMT – Advanced và đápứng được các yêu cầu sau: xây dựng dựa hệ thống mạng IP chuyển mạch gói, cảithiện về dịch vụ dữ liệu với tốc độ bit 20-100 Mb/s, có thể linh hoạt trong việc sửdụng và chia sẻ tài nguyên mạng để hỗ trợ số lượng lớn người sử dụng đồng thờitrong một Cell, dễ dàng thực hiện chuyển giao, khả năng cung cấp các dịch vụ chấtlượng cao cho thế hệ đa phương tiện tiếp theo

4G cung cấp QoS và tốc độ phát triển hơn nhiều so với 3G hiện hành, không chỉ làtruy cập băng rộng, dịch vụ tin nhắn đa phương tiện (MMS), chat video, các dịch

vụ tối thiểu như thoại, dữ liệu và các dịch vụ khác, bảo mật cao, tỷ lệ chuyển giao

bị và bảo mật cực tốt Để làm được điều này, cần phải có những nền tảng kỹ thuậtmới để nâng cấp quá trình xử lý và truyền dữ liệu của hệ thống di động hiện nay

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG

Một phương pháp mới cho việc kéo dài tuổi thọ của các node relay hạn chế nănglượng trong mạng không dây là sử dụng tín hiệu vô tuyến (RF) ở xung quanh vàđồng thời thu năng lượng và xử lý thông tin Trong đề tài này, ta sẽ xem xét hệthống khuếch đại và chuyển tiếp (AF) nơi mà các node relay hạn chế năng lượngthu năng lượng từ tín hiệu RF và sử dụng năng lượng thu được để chuyển tiếp thôngtin từ nguồn đến đích Nút nguồn truyền năng lượng và thông tin tới relay thông quahai cơ chế, chuyển tiếp dựa trên chuyển mạch thời gian (TSR) và chuyển tiếp dựatrên phân chia năng lượng (PSR) Để xác định thông lượng, xác suất dừng cho chế

độ truyền delay-limited Thông qua phân tích, chúng tôi nghiên cứu hiệu năng thônglượng tối ưu của toàn bộ mạng lưới với các yếu tố khác nhau, chẳng hạn như thờigian thu năng lượng, tỷ lệ phân chia năng lượng, tốc độ truyền, khoảng cách giữanguồn và relay, nhiễu, trong quá trình thu năng lượng không dây và xử lý thông tinbằng cách sử dụng các node relay Đặc biệt thông lượng tối ưu của mô hình TSR và

PSR được khảo sát và chúng ta có thể triển khai quyết định triển khai mô hình cónhững lợi ích tốt nhất.

1.5 Giới thiệu

Kéo dài tuổi thọ của một mạng không dây thông qua việc thu năng lượng đang đượcquan tâm phát triển Mặc dù có thể thay thế hay sạc pin thay cho việc thu nănglượng nhưng chi phí rất cao và còn có thể bất tiện hoặc nguy hiểm Trong trườnghợp như vậy, lựa chọn an toàn và tiện lợi là thu năng lượng từ môi trường Ngoàicác phương pháp thu năng lượng thông thường như năng lượng mặt trời, gió…Mộtphương pháp mới đó là sử dụng tín hiệu RF xung quanh Ưu điểm của phương phápnày là tín hiệu RF có thể mang năng lượng và thông tin cùng lúc Như vậy các noderelay hạn chế năng lượng có thể đồng thời thu năng lượng và xử lý thông tin

Trong hệ thống hợp tác, các node relay có thể có trữ một lượng pin hạn chế và cầnphải dựa trên một số cơ chế sạc bên ngoài để duy trì hoạt động trong mạng Do đó,việc thu năng lượng trong các mạng như vậy là đặc biệt quan trọng vì nó cho phépchuyển tiếp thông tin đến đích

Trong đề tài này, ta đang quan tâm vấn đề về việc thu năng lượng không dây và xử

lý thông tin dựa trên mô hình khuếch đại và chuyển tiếp bán song công theo giaothức TSR và PSR

Trong giao thức TSR, relay sẽ dành một khoảng thời gian để thu năng lượng vàphần thời gian còn lại để xử lý thông tin

Trong giao thức PSR, relay sẽ sử dụng một phần năng lượng nhận được để thu nănglượng và phần năng lượng còn lại để xử lý thông tin

Ta thiết kế và nghiên cứu cho cả giao thức TSR và PSR với chế độ truyền trễ giớihạn (delay-limited)

h g

d1 d2

R

D S

HÌNH 2-1: MÔ HÌNH HỆ THỐNG BÁN SONG CÔNG AF.

Hệ thống mạng không dây, thông tin được truyền từ node nguồn (S) đến node đích(D) thông qua node relay (R), h và g là độ lợi kênh giữa kết nối S-R và R-D, d1 và

d2 là khoảng cách giữa S-R và R-D

Quá trình truyền thông tin và thu hoạch năng lượng được chia thành 2 giai đoạn.Giai đoạn 1, node S truyền tín hiệu đến node R Giai đoạn 2 là sau khi thu nănglượng từ tín hiệu nhận được thì node R sẽ khuếch đại tín hiêu và truyền tín hiệu đếnnode đích D

1.6 Kĩ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Tín hiệu được phát từ node S bị suy giảm khi đến node R sẽ được khuếch đại lêngồm tín hiệu và nhiễu Sau đó sẽ được truyền tiếp đến node D

HÌNH 2-2: KĨ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP AF

1.7 Giao thức TSR

HÌNH 2-3: TSR PROTOCOL

Hệ thống truyền 2 chặng sử dụng giao thức TSR có node nguồn(S), (R), đích(D).Giả sử không có kết nối trực tiếp giữa (S) và (D) do khoảng cách giữa (S) và (D) làrất lớn, relay chuyển tiếp trong mô hình TSR sử dụng năng lượng thu được đểtruyền thông tin đến đích (HÌNH 2-1)

T là chu kỳ thời gian nhất định của thông tin được truyền từ node nguồn đến nodeđích và α là hệ số phân chia thời gian, trong đó 0 ≤ α ≤ 1

Đầu tiên, năng lượng truyền từ S đến R với chu kì thời gian của αT, thời gian cònlại (1-α)T dùng để truyền bá thông tin, (1-α)T/2 dùng để truyền thông tin từ nguồnđến relay, (1-α)T/2 dùng để truyền thông tin từ relay đến đích

Thông qua chặng đầu tiên, relay nhận được tín hiệu:

y r= 1

√d1m√P s h × x s+n r (1)Trong đó: P s là công suất truyền từ nguồn, m là hệ số suy hao đường truyền,

x s là tín hiệu từ nguồn, n r nhiễu Gaussian tại R

Năng lượng thu, E h trong thời gian thu năng lượng αT được tính bởi:

E h=η P s|h|2

d1m αT (2)Trong đó: 0 < η < 1 là hiệu suất thu năng lượng

Công suất phát tại R được tính bởi:

P r= E h

(1−α )T / 2=2 k × Ps|h|

2

d1m (3)Trong đó: k=1−α αη

Với chế độ AF, ta có:

x r=G × y r (4)Trong đó G là hệ số khuếch đại được tính bởi:

Trong đó : λ h là giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên mũ |h|2

λ g là giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên mũ |g|2

Thông lượng:

Ở đây, xác suất dừng tại node đích khi relay thu năng lượng từ nguồn tín hiệu và sửdụng năng lượng thu được để chuyển tiếp tín hiệu từ nguồn đến đích Xác suấtdừng, là một hàm của hệ số phân chia thời gian α và giảm khi α tăng từ 0 đến 1.Điều này là bởi vì khi giá trị của α càng lớn thì càng nhiều năng lượng truyền hơntại relay, do đó làm giảm cơ hội bị dừng Giả sử bộ phát có R bits/sec/Hz và

thì thông lượng, τ tại đích được tính bởi:

P là năng lượng của tín hiệu nhận tại relay y r, T là chu kì thời gian với T/2 là dùng

để truyền thông tin từ nguồn đến relay, và T/2 thời gian còn lại dùng để truyền

thông tin từ relay đến đích Trong nửa khoảng thời gian đầu tiên, sự phân chia năng

lượng tín hiệu nhận được, ρP được sử dụng để thu năng lượng và năng lượng thuđược còn lại, (1-ρ)P được đùng để truyền thông tin từ nguồn đến relay trong đó

0 ≤ ρ≤ 1

Tất cả năng lượng thu được được dùng hết bởi relay trong quá trình truyền thông tin

từ nguồn đến đích Năng lượng thu, E h tại relay được tính bởi:

E h=η × ρ× P s|h|2

d1m (

T

2)

Trong đó : T/2, là thời gian thu năng lượng tại relay và 0 ≤ η ≤1 là hiệu suất thu nănglượng.

Công suất phát tại relay:

τ =(1−P out)× R T /2

T =

(1−P out)× R

2

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

1.9 Ảnh hưởng của vị trí Relay

Ta đặt: α= 0.3, ρ= 0.6, R = 3, η= 0.4, λ h=λ g= 1, m = 3

n r2¿n d2=0.1, P s = 10, d2= 2 – d1

HÌNH 3-1: ẢNH HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ RELAY.

Ta đặt, d1+d2= 2 và d1 thay đổi từ 0 đến 2 Ta có thể thấy, thông lượng giảm khi d1

tăng Điều này là vì khi d1 tăng, năng lượng thu hoạch E h(của TSR và PSR) và tínhiệu nhận tai relay y r(của TSR và PSR) giảm do duy hao đường truyền lớn d1m Do

đó, tin hiệu nhận tại đích không tốt dẫn đến thông lượng τ giảm Tuy nhiên, thônglượng τ không có thay đổi nhiều khi ta tăng d1 vướt quá 1.2 Điều này bởi vì, relaygần hơn với đích (d2 < 0.8) mặc dù năng lượng thu hoạch E hít nhưng do suy haođường truyền thấp d2m nên đủ để truyền tin cậy giữa relay và node đích

Khi d1< 1.2 thì thông lượng của PSR tốt hơn TSR và khi d1>1.2 thì ngược lại

1.10 Ảnh hưởng của hiệu suất thu năng lượng

HÌNH 3-2: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU SUẤT THU NĂNG LƯỢNG.

Với các giá trị nhỏ của η thì thông lượng của TSR luôn lớn hơn thông lượng củaPSR vì khi η càng lớn thì năng lượng thu hoạch càng nhiều và dễ dàng truyền thôngtin đến đích, không bị ảnh hưởng bởi thời gian Còn khi η nhỏ thì relay thu được ítnăng lượng, điều này làm cho thông lượng của PSR nhỏ hơn của TSR

1.11 Ảnh hưởng của nhiễu

Ta đặt: α= 0.3, ρ= 0.6, R= 3, η= 0.4, λ h=λ g= 1, m = 3

n r2¿n d2=0.1 :0.1 :1, P s = 10, d2= d1=1

HÌNH 3-3: ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU.

Ta có thể thấy khi σ2càng lớn thì thông lượng càng nhỏ Tại đây, thông lượng củaTSR tốt hơn của PSR Điều này chứng minh rẳng nhiễu ảnh hưởng đáng kể đếnthông lượng (dựa trên công thức xác suất dừng)

HÌNH 3-4: ẢNH HƯỞNG CỦA TỐC ĐỘ TRUYỀN.

Thông lượng tăng khi R tăng lên một giá trị nhất định nhưng sau đó bắt đầu giảmcho các giá trị lớn hơn của R Điều này là do thông lượng phụ thuộc vào R Mặtkhác, khi R quá lớn, node đích sẽ không kịp giải mã chính xác một lượng lớn dữliệu trong giới hạn thời gian (vì ta đang khảo sát chế độ truyền delay-limited có

p out=p(γ TSR<γ0) với γ0=2R−1) do đó xác suất dừng tăng và thông lượng giảm

Khi R < 3.5 và thông lượng của PSR tốt hơn của TSR và khi R > 3.5 thông lượngcủa TSR tốt hơn của PSR

1.13 Ảnh hưởng của hệ số phân chia thời gian và hệ số phân chia năng lượng

Ta đặt: α= ρ= 0.1:0.1:0.9, R= 3, η= 0.4, λ h=λ g= 1, m = 3

n r2¿n d2=0.1, P s = 10, d2=d1=1

HÌNH 3-5: ẢNH HƯỞNG CỦA ANPHA VÀ ρ.

Thông lượng của TSR tăng khi α tăng từ 0 đến một giá trị α tối ưu (α=0.3) sau đóbắt đầu giảm khi α tăng từ giá trị α tối ưu Điều này là do khi α nhỏ hơn α tối ưu sẽ

có ít thời gian thu năng lượng hơn, do đó nặng lượng thu được ít và thông lượng tạiđích thấp do xác suất dừng lớn (α nhỏ thì p out lớn) Mặt khác, khi α lớn hơn giá trị α

tối ưu thì tốn thời gian để thu hoạch năng lượng và ít thời gian để truyền thông tinđến đích, do đó thông lượng nhỏ tại node đích

Thông lượng của PSR tăng khi ρ tăng từ 0 đến một số ρ tối ưu (ρ=0.7) nhưng sau

đó bắt đầu giảm khi ρ lớn hơn giá trị tối ưu Điều này là do khi ρ nhỏ hơn giá trị tối

ưu thì có ít năng lượng dùng cho việc thu năng lượng, do đó công suất phát tại relay

Pr ít dẫn đến thông lượng nhỏ vì xác suất dừng lớn Mặt khác, khi ρ lớn hơn giá trịtối ưu thì tốn nhiều năng lượng để thu năng lượng và ít năng lượng để truyền thôngtin từ nguồn đến relay Kết quả là, tín hiệu tại relay kém và khi relay khuếch đại vàchuyển tiếp tín hiệu nhiễu đến đích sẽ gây ra một sự gián đoạn lớn, khiến cho thônglượng giảm

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN

BẢNG 4-1: TÓM TẮT KẾT QUẢ