Nghiên cứu kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến trong mạng truyền thông song công

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  CAO THỊ THU SƯƠNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2017 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN LÊ HÙNG TS BÙI THỊ MINH TÚ Phản biện 1: Phản biện 2: Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp Trường Đại học Bách khoa vào ngày 15 tháng 07 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Trong mạng không dây thông thường, mạng cảm biến hay mạng di động, thiết bị trang bị pin thay pin sạc Thời gian hoạt động loại pin có giới hạn Mặc dù thay hay sạc pin định kỳ lựa chọn khả thi bất tiện (đối với mạng cảm biến với hàng ngàn nút cảm biến phân phối), nguy hiểm (đối với thiết bị nằm môi trường độc hại), hay chí khơng thể (đối với cảm biến cấy ghép thể người) Trong tình vậy, việc thu nhận lượng, với khả cung cấp nguồn lượng lâu dài, trở thành phương pháp hấp dẫn để kéo dài tuổi thọ mạng khơng dây Nguồn điển hình cho việc thu lượng bao gồm lượng mặt trời gió Gần tín hiệu vơ tuyến xung quanh nhận quan tâm nghiên cứu nhiều nguồn hữu hiệu cho việc thu nhận lượng, hỗ trợ lợi mà tín hiệu khơng dây mang theo lượng thơng tin Bên cạnh đó, nhu cầu truyền dẫn liệu không dây ngày tăng lên, ước đốn tăng gấp 10 lần từ đến năm 2020 Xu IoT (Internet of Things) có tỷ nút mạng đầu cuối khả tăng đến 20 tỷ vào năm 2020 Phổ tần ngày trở nên đắt đỏ hơn, đấu giá vào năm 2015 FCC bán băng tần 65MHz với giá 44,9 tỷ đô la Bởi vây, việc tăng hiệu suất phổ tần quan trọng kỹ sư khơng dây để từ ngày tăng tốc độ liệu Tuy nhiên, hệ thống truyền thông khơng dây thường hoạt động theo mơ hình bán song công, làm tiêu tốn nguồn tài nguyên phổ tần Nếu chúng hoạt động theo mơ hình song cơng dung lượng tăng gấp đơi truyền nhận tồn băng thơng, cải thiện phổ tần cho hệ thống mạng khơng dây Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu việc hệ thống truyền thông song công băng Nghiên cứu việc kỹ thuật thu lượng vô tuyến mạng truyền thông vô tuyến Nghiên cứu đánh giá hiệu mơ hình đề xuất với mơ hình truyền thống tham số ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Đối tượng phạm vi nghiên cứu Kiến thức tổng quan mạng truyền thông song công băng Kiến thức thu nhận lượng vô tuyến Việc thu nhận lượng hệ thống song công Đánh giá kết thực hiện, đề xuất hướng phát triển đề tài Phương pháp nghiên cứu Phương pháp xuyên suốt luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết mô để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể là:  Nghiên cứu lý thuyết hệ thống song công  Nghiên cứu lý thuyết thu nhận lượng vô tuyến  Nghiên cứu việc thu nhận lượng vô tuyến hệ thống song công  Nghiên cứu hiệu tham số ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Song công vấn đề hiệu khơng phủ nhận dung lượng, hiệu suất phổ tần toán nhược điểm q nan giải nên bị chìm thời gian dài Ngày nay, với nghiên cứu mới, công nghệ phần cứng phần khắc phục nhược điểm đó, đưa mơ hình song cơng trở thành cơng nghệ mạng thứ (5G) Bên cạnh đó, dịch vụ viễn thông ngày đa dạng, nhu cầu sử dụng người ngày tăng cao với xu IoT với hàng tỷ sensor nhiều loại mạng không đồng kết nối với đòi hỏi băng thơng, tốc độ kết nối phải bền vững chuyển mạng linh hoạt Việc kết hợp thu nhận lượng vào hệ thống song công giúp cho sensor ln trì nguồn lượng mà phụ thuộc vào sạc pin, đặc biệt sensor lĩnh vực y tế, xây dựng Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, luận văn gồm có chương: Chương – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG Chương – TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT THU NHẬN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN Chương – XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG Chương – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG 1.1 Giới thiệu chương 1.2 Giới thiệu hệ thống truyền dẫn song công 1.2.1 Viễn cảnh hệ thống truyền thông không dây 1.2.2 Khái niệm ưu nhược điểm truyền thông song công Khái niệm cấu trúc truyền song công (IBFD) sử dụng tài nguyên thời gian quang phổ để trao đổi thông tin, tức truyền nhận đồng thời liệu băng tần Ngược lại với hệ thống tại, hoạt động chế độ bán song công (giao tiếp đơn hướng) chế độ song cơng ngồi băng (kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian tần số), cách tiếp cận cho phép thiết bị đầu cuối hoạt động cách đồng thời băng tần, tăng gấp đôi hiệu quang phổ hệ thống 1.2.2.1 Ưu điểm IBFD 1.2.2.2 Nhược điểm IBFD Nhiễu nội (SI): Nhược điểm lớn IBFD xuất nhiễu nội, nhiễu loạn tín hiệu phát gây ăng-ten thu đầu cuối (Hình 1.1) Do đó, thiết bị đầu cuối gây nhiễu cho phát tín hiệu dải tần với tín hiệu mà cố gắng lắng nghe Khoảng cách ăng-ten phát ăng-ten thu trạm (chứ khoảng cách hai trạm) ngắn nên công suất nhiễu nội lớn nhiều so với cơng suất tín hiệu mong muốn Sự chênh lệch cơng suất tín hiệu mong muốn nhiễu nội tăng lên theo cấp số nhân khoảng cách dài Vì lý này, cách không nhiều năm, cộng đồng mạng viễn thông cho thiết bị vô tuyến nhận truyền băng tần Tuy nhiên, nhu cầu luồng kết nối liệu nhanh phân bổ phổ tần giảm khuyến khích nghiên cứu IBFD suốt – năm qua, khiến trở thành ý tưởng với tiềm to lớn để tích hợp cơng nghệ tương lai Hình 1.1 Sơ đồ khối trạm IBFD 1.2.3 Quá trình khử nhiễu nội truyền thơng song cơng Thơng thường, q trình triệt tiêu nhiễu nội chia thành làm ba giai đoạn lĩnh vực khác Thứ nhất, truyền dẫn không dây, có khả kết hợp kỹ thuật hướng ăng-ten, phân cực chéo điều hướng chùm sóng Thứ hai bao gồm việc lấy tín hiệu thu trừ tín hiệu phát, điều chỉnh độ lợi, pha độ trễ mạch tần số vô tuyến Mặc dù ứng dụng phương pháp đề cập đạt mức yêu cầu mối liên quan lượng nhiễu để truyền tin cậy kiểm tra tính đến ảnh hưởng mơi trường thực khơng đủ Để xử lý biến đổi kênh tình vậy, lọc miền số sử dụng để xử lý tín hiệu Hơn nữa, kỹ thuật phân bổ lượng tối ưu, lọc thích nghi, điều hướng chùm sóng thích nghi…, sử dụng để cải thiện việc giảm thiểu nhiễu nội SI Do vậy, thiết bị đầu cuối IBFD cần kết hợp giai đoạn xử lý mơ tả hình 1.2 Hình 1.2 Cấu trúc miền giảm nhiễu nội truyền thông song công 1.2.3.1 Miền lan truyền 1.2.3.2 Miền tương tự 1.2.3.3 Miền xử lý tín hiệu số 1.2.4 Các mơ hình mạng truyền dẫn song công 1.2.4.1 Mạng truyền dẫn song công hai chiều Nút IBFD a Nút IBFD b (liên kết)ab (liên kết)ba Hình 1.5 Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng hai chiều Trong hình 1.5, mơ hình hai chiều gồm hai trạm a b muốn trao đổi tín hiệu với để giao tiếp hai chiều Gọi đường truyền từ trạm a đến trạm b (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 từ trạm b đến trạm a (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 Với truyền dẫn bán song cơng (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 sử dụng tài nguyên thời gian hay tần số riêng biệt cho truyền trực giao, điều làm giảm hiệu quang phổ Trong với truyền dẫn IBFD, cặp trạm truyền nhận tín hiệu đồng thời với dải tần số nhất, mặt lý thuyết tăng gấp đôi hiệu suất quang phổ so với truyền dẫn bán song công (liên kết) rd (liên kết) sr 1.2.4.2 Mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp Nút IBFD r Nút HD d Hình 1.6 Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng chuyển tiếp Truyền dẫn chuyển tiếp thường bao gồm ba loại trạm, trạm nguồn s, trạm chuyển tiếp r trạm đích d Mỗi trạm nguồn muốn phát tín hiệu liệu đến trạm đích tương ứng thơng qua trạm chuyển tiếp chọn Đặt đường truyền từ s đến r (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 từ r đến d (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 Với truyền dẫn bán song cơng (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 sử dụng nguồn tài nguyên riêng biệt, trạm nguồn trạm chuyển tiếp truyền tín hiệu liệu theo thời gian tần số khác Còn với truyền dẫn IBFD, trạm nguồn trạm chuyển tiếp đồng thời truyền tín hiệu chúng thông qua (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 cách sử dụng băng tần số Tùy thuộc vào loại chuyển tiếp khuếch đại-chuyển tiếp (AF) hay giải mã-chuyển tiếp (DF), mơ hình chuyển tiếp mở rộng đến mơ hình truyền thơng tổng thể nơi mà tín hiệu liệu (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 khác cho loại Với hệ thống chuyển tiếp AF, trạm chuyển tiếp chuyển tiếp tín hiệu nhận tới trạm đích theo thời gian thực mà khơng xử lý tín hiệu (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 giống Mặt khác, với hệ thống chuyển tiếp DF, tín hiệu giải mã trạm chuyển tiếp chuyển tiếp nên tín hiệu (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 khác Do đó, hệ thống chuyển tiếp DF mở rộng đến mơ hình chung nơi mà trạm nguồn trạm chuyển tiếp có trạm đích khác 1.2.4.3 Mạng truyền dẫn song cơng di động Trạm gốc IBFD đường lên đường lên Các nút HD đường xuống Nút IBFD Hình 1.7 Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng di động Hình 1.7 mơ tả mơ hình di động, bao gồm trạm gốc (BS) nhiều trạm di động (MS) Trong mơ hình bày có hai loại đường truyền liệu đường lên đường xuống, trạm di động truyền tín hiệu liệu đến trạm gốc gọi đường lên trạm gốc truyền tín hiệu liệu cho nhiều trạm di động gọi đường xuống Với truyền dẫn bán song công, kênh đường lên đường 10 1.5.2 Hệ thống FDR với nhiều trạm chuyển tiếp 1.5.2.1 Hệ thống FDR với phối hợp 1.5.2.2 Hệ thống FDR với giao thoa trạm chuyển tiêp 1.5.2.3 Hệ thống FDR với lựa chọn trạm chuyển tiếp 1.5.2.4 Hệ thống FDR đa bước nhảy 1.5.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDR 1.6 Hệ thống IBFD với mơ hình di động 1.6.1 Hệ thống FDC với hai trạm 1.6.1.1 Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng 1.6.1.2 Hệ thống FDC với anten định hướng 1.6.2 Hệ thống FDC với nhiều trạm 1.6.2.1 Hệ thống FDC với tiền mã hóa cho đa người dùng 1.6.2.2 Hệ thống FDC với MIMO quy mô lớn 1.6.2.3 Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng từ nhiều trạm 1.6.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDC 1.7 Kết luận chương CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT THU NHẬN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN 2.1 Giới thiệu chương 2.2 Giới thiệu kỹ thuật truyền thu lượng Thu lượng q trình lượng từ nguồn bên lượng mặt trời, lượng nhiệt, lượng gió… thu thập lưu trữ cho thiết bị không dây nhỏ thiết bị điện tử mang mạng cảm biến khơng dây [39] Nguồn lượng xung quanh đến từ điện từ, từ trường sóng vơ tuyến từ thiết bị điện tử gần đó, ánh sáng, lượng 11 nhiệt động Hiệu suất chuyển đổi lượng thường thấp công suất thu thường mW µW đủ để nạp điện thiết bị công suất nhỏ cảm biến điều khiển từ xa Công nghệ phát triển để loại bỏ việc phải dùng pin sạc thiết bị khơng dây Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống điện không dây 2.3 Các loại vùng trường truyền lượng 2.3.1 Vùng tầm gần hay không xạ 2.3.1.1 Kỹ thuật ghép nối cảm ứng 2.3.1.2 Kỹ thuật ghép nối điện dung 2.3.2 Vùng tầm xa hay xạ 2.3.2.1 Sóng vi ba 2.3.2.2 Laser 2.4 Giới thiệu mạng thu lượng vô tuyến Gần đây, có nhiều quan tâm nghiên cứu kỹ thuật thu lượng vô tuyến (RF) [1], tức khả chuyển đổi tín hiệu vơ tuyến nhận thành tín hiệu điện Điều dẫn tương lai đầy hứa hẹn cho mạng khơng dây nhằm đạt tính bền vững hoạt động gần vĩnh viễn mà tuổi thọ mạng bị giới hạn thiết bị phần cứng khơng phụ thuộc vào khả lưu trữ lượng Thu lượng vô tuyến dự kiến giới thiệu số 12 thay đổi mạng khơng dây, ngồi lượng tự cấp hoạt động vĩnh viễn, lợi ích mong đợi bao gồm giảm việc sử dụng lượng thông thường kèm với “dấu chân cacbon”, thoát khỏi việc nạp pin truyền thống khả triển khai mạng không dây địa điểm khó tiếp cận vùng nơng thơn xa xôi, cấu trúc bê tông thể người Như vậy, thu lượng vô tuyến giúp phát triển ứng dụng hoạt động nguồn pin thông thường mạng cảm biến không dây, mạng nội không dây hệ thống sạc không dây lĩnh vực y tế, môi trường, giám sát an toàn 2.4.1 Cấu trúc mạng thu lượng vô tuyến Một kiến trúc tập trung điển hình mạng thu lượng vơ tuyến, Hình 2.1, có ba thành phần cổng thơng tin, nguồn lượng vô tuyến nút mạng hay thiết bị mạng Cổng thơng tin nói chung gọi trạm gốc, định tuyến khơng dây trạm chuyển tiếp Hình 2.4 Cấu trúc chung mạng thu lượng vô tuyến dựa hạ tầng 13 Các nguồn lượng vơ tuyến thiết bị phát lượng vô tuyến chuyên dụng nguồn vô tuyến xung quanh (ví dụ tháp truyền hình) Các nút mạng thiết bị di động giao tiếp với cổng thơng tin 2.4.2 Các mơ hình truyền lượng vô tuyến Trong kỹ thuật thu lượng vô tuyến, lượng lượng thu phụ thuộc vào công suất phát, bước sóng tín hiệu vơ tuyến khoảng cách nút nguồn nút thu lượng vô tuyến Thu lượng vô tuyến từ máy phát khơng gian tự tính tốn dựa công thức Friis sau: 𝐺𝑇 𝐺𝑅 λ2 𝑃𝑅 = 𝑃𝑇 (4𝜋𝑑)2 𝐿 đó:  𝑃𝑅 công suất thu  𝑃𝑇 công suất phát  L hệ số tổn hao đường truyền  𝐺𝑇 độ lợi ăng-ten phát  𝐺𝑅 độ lợi ăng-ten thu  λ bước sóng phát  d khoảng cách ăng-ten phát ăng-ten thu (2.1) Mơ hình khơng gian tự có giả định lý tưởng có đường dẫn máy phát máy thu Tuy nhiên, tán xạ phản xạ sóng vơ tuyến, máy thu thu tín hiệu vơ tuyến từ máy phát từ nhiều đường Hiện tượng mơ tả mơ hình hai tia mặt đất, xem xét tín hiệu vơ tuyến nhận qua hai đường, đường trực tiếp đường phản xạ Mơ hình cho kết xác với khoảng cách lớn so với mơ hình khơng gian tự Thu lượng vô tuyến từ máy phát theo mơ hình hai tia mặt đất cho bởi: 14 𝐺𝑇 𝐺𝑅 ℎ𝑡2 ℎ𝑟2 (2.2) 𝑑4 𝐿 ℎ𝑡 ℎ𝑟 tương ứng chiều cao ăng-ten phát ăng𝑃𝑅 = 𝑃𝑇 ten thu Hai mô hình xác định mơ tả truyền sóng vơ tuyến dựa tham số xác định Ngược lại, mơ hình xác suất có tham số từ thuật tốn phân bố, cho phép mơ hình hóa thực tế Mơ hình xác suất áp dụng rộng rãi thực tế mơ hình Rayleigh [25], mơ tả tình khơng có đường truyền trực tiếp máy phát máy thu Trong mô hình Rayleigh, có: 𝑃𝑅 = 𝑃𝑅𝑑𝑒𝑡 𝑥 10𝐿 𝑥 |𝑟|2 (2.3) đó,  𝑃𝑅𝑑𝑒𝑡 lượng vơ tuyến nhận tính mơ hình xác định  Hệ số tổn thất đường truyền L định nghĩa 𝐿 = − α log10  𝑑 𝑑0 , 𝑑0 khoảng cách tham chiếu r số ngẫu nhiên tạo theo phân bố Gauss 2.4.3 Kỹ thuật thu lượng vô tuyến 2.4.3.1 Các nguồn vô tuyến chuyên dụng 2.4.3.2 Các nguồn vô tuyến xung quanh 2.4.4 Các ứng dụng thu lượng vô tuyến 2.5 Kết luận chương CHƯƠNG - XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG 3.1 Giới thiệu chương 3.2 Mơ hình truyền dẫn 15 3.2.1 Kênh nhiễu AWGN 3.2.2 Kênh fading Rayleigh 3.2.3 Điều chế giải điều chế BPSK 3.2.4 Tính tốn xác suất lỗi bit 3.3 Đánh giá hiệu hệ thống mơ 3.3.1 Mơ hình – Truyền thơng tin mạng bán song cơng Tín hiệu thu trạm đích trường hợp là: 𝑟𝐴.𝐻𝐷 [𝑛] = ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + 𝑛𝐴 [𝑛] Trạm A hAB nA rB + x rA + nB x sA (3.31) sB Trạm B hBA Tx Rx T/2 T/2 3.3.2 Mơ hình – Truyền thơng tin lượng mạng bán song cơng Tín hiệu thu trạm đích trường hợp bao gồm: 𝑟𝐼𝑃.𝐸𝐻𝐻𝐷 [𝑛] = (1 − 𝛼)(ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛]) + 𝑛𝐴 [𝑛] 𝑟𝐸𝐻.𝐸𝐻𝐻𝐷 [𝑛] = 𝛼ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + 𝑛𝐴 [𝑛] (3.34) 16 sA Trạm A 1a a hAB nA rB + x rA + x nB EH sB Trạm B 1-a h BA Tx bT a Rx (1-b)T/2 (1-b)T/2 Hình 3.5 Mơ hình truyền thơng tin lượng mạng bán song cơng 3.3.3 Mơ hình – Truyền thơng tin mạng song cơng Tín hiệu thu trạm đích trường hợp là: 𝑟𝐴.𝐹𝐷 [𝑛] = ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + ℎ𝑆𝐼 𝑠𝐵 [𝑛] + 𝑛𝐴 [𝑛] sA hAB nA rB + x hSI x x hSI rA + x Trạm A (3.38) sB Trạm B hBA nB Tx/Rx T Hình 3.6 Mơ hình truyền thơng tin mạng song cơng 3.3.4 Mơ hình – Truyền thông tin lượng mạng song công 17 Tín hiệu thu trạm đích trường hợp bao gồm: 𝑟𝐼𝑃.𝐸𝐻𝐹𝐷 [𝑛] = (1 − 𝛼)(ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + ℎ𝑆𝐼 𝑠𝐵 [𝑛]) + 𝑛𝐴 [𝑛] (3.41) 𝑟𝐸𝐻.𝐸𝐻𝐹𝐷 [𝑛] = 𝛼(ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + ℎ𝑆𝐼 𝑠𝐵 [𝑛]) + 𝑛𝐴 [𝑛] hAB sA 1-a a nA rB + x hSI x rA + x Trạm A x hSI nB EH hBA a sB Trạm B 1-a Tx/Rx T Hình 3.7 Mơ hình truyền thơng tin lượng mạng song công 3.4 Kỹ thuật ước đốn nhiễu nội 3.4.1 Thơng tin trạng thái kênh truyền hồn hảo 3.4.2 Thơng tin trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo Trong trường hợp thơng tin trạng thái kênh truyền hồn hảo hệ số fading kênh biết đến ăng-ten phát Tuy nhiên, điều kiện ứng dụng thực tế có nhiều biến cố xảy kênh vô tuyến khiến cho thông tin trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo lỗi ước lượng kênh, độ trễ phản hồi, kênh biến thiên theo thời gian Lúc này, hệ số fading kênh khơng ℎ mà ℎ̂, với ℎ̂ [59] tính sau: ℎ̂ = 𝜌ℎ + √1 − 𝜌2 𝜀 3.5 Kết luận chương (3.52) 18 CHƯƠNG - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Giới thiệu chương 4.2 Kết mô phòng đánh giá 4.2.1 So sánh hiệu mơ hình khảo sát Hình 4.1 So sánh hiệu mơ hình khảo sát truyền không truyền lượng, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 5, a = 0.3 Hình 4.1 so sánh hiệu đạt từ thấp đến cao mơ hình khảo sát bao gồm (1) mơ hình song cơng có truyền lượng (đường màu đen); (2) mơ hình song cơng (đường màu xanh cây); (3) mơ hình bán song cơng có truyền lượng (đường màu đỏ); (4) mơ hình bán song công (đường màu xanh da trời) Ta thấy mơ hình (4) có BER thấp nên hiệu đạt cao Mơ hình (3) hiệu giảm phần phần cơng suất phát dành để truyền lượng, phần lượng nạp trực tiếp cho thiết bị hoạt động mà khơng cần đến pin hay sạc Hai mơ hình (1), (2) có hiệu đạt thấp tệ giá trị SNR, 19 hai mơ hình truyền dẫn song cơng, nhiễu nội sinh tỷ lệ với bình phương khoảng cách làm ảnh hưởng lớn đến hiệu tính khả thi hệ thống Tuy nhiên hệ thống song cơng có ưu điểm băng tần cao gấp đôi so với hệ thống bán song công, nên việc nghiên cứu để khử nhiễu nội quan trọng việc điều hồn tồn 4.2.2 Ảnh hưởng tham số 𝝆 đến hiệu hệ thống Hình 4.2 Ảnh hưởng tham số 𝜌 đến hiệu hệ thống, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 100, a = 0.3 Với < 𝜌 < hệ số tương quan trình khử nhiễu nội Hình 4.2 mô tả mối quan hệ tỉ lệ bit lỗi tỉ số tín hiệu nhiễu hệ thống khử nhiễu nội mơ hình song cơng có truyền lượng với giá trị 𝜌 thay đổi từ đến Ta thấy rằng, 𝜌 tăng tỉ lệ bit lỗi giảm, dẫn đến hiệu hệ thống tăng Đặc biệt 𝜌 = 0, tỉ lệ bit lỗi cao nhất, lúc việc ước lượng để khử nhiễu nội thực được, hiệu hệ thống 20 tệ lúc chưa khử nhiễu nội, đường biểu diễn hiệu hệ thống (đường màu xanh da trời đậm) trùng với đường hiệu mơ hình song công (đường màu đen) Khi 𝜌 = 1, tỉ lệ bit lỗi thấp nhất, nhiễu nội gần khử hoàn toàn, đường biểu diễn hiệu hệ thống (đường màu xanh da trời nhạt) trùng với đường hiệu mơ hình bán song cơng (đường màu đỏ) Kết mơ hồn tồn với phân tích tính tốn lý thuyết chương 4.2.3 Đánh giá hiệu theo tham số 𝝆 Hình 4.3 Hiệu hệ thống song công theo tham số 𝜌, 𝑃 = 10𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 100, a = 0,3 Hình 4.3 biểu diến hiệu hệ thống song cơng theo tham số 𝜌 q trình khử nhiễu nội Ta thấy tỉ lệ bit lỗi tỉ lệ nghịch với tham số 𝜌 hay nói cách khác hiệu hệ thống tỉ lệ thuận với giá trị 𝜌 Giá trị 𝜌 tăng hiệu hệ thống tăng, giá trị 𝜌 tiến hiệu tăng nhanh Tuy nhiên thay đổi giá trị 𝑆𝑁𝑅 hay a hiệu hệ thống tăng hình dạng đường biểu diễn có thay đổi độ dốc Còn thay đổi giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛 đường biểu diễn không thay đổi 21 4.2.4 Ảnh hưởng tham số a đến hiệu hệ thống Hình 4.4 Ảnh hưởng tham số a đến hiệu hệ thống, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 1000, 𝜌 = 0,8 Với < a < hệ số lượng phát Hính 4.2 mơ tả mối quan hệ tỉ lệ bit lỗi tỉ số tín hiệu nhiễu hệ thống tham số a thay đổi bao gồm (1) mơ hình bán song cơng; (2) mơ hình song cơng chưa khử nhiễu; (3) mơ hình song cơng khử nhiễu Ta thấy rằng, mơ hình (1) tham số a tăng tỉ lệ bit lỗi tăng, hiệu hệ thống giảm; phần lượng truyền nhiều phần liệu truyền liệu thu hơn, hiệu giảm đương nhiên Ở mơ hình (2) giá trị a lớn hay nhỏ không ảnh hưởng đến hiệu hệ thống; theo cơng thức tính tín hiệu thu trạm đích (3.41) thấy đáp ứng kênh nhiễu nội ℎ𝑆𝐼 lớn (> 1000) so với đáp ứng kênh tín hiệu mong muốn ℎ𝐴𝐵 dù a tăng hay giảm tín hiệu thu khơng ảnh hưởng Ở mơ hình (3), nhiễu nội SI khử giá trị a ảnh hưởng đến hiệu hệ thống tương tự mơ hình (1), a tăng hiệu hệ thống giảm Để ý, giá trị 𝜌 thay đổi mơ hình (3) bị ảnh hưởng, với giá trị 22 𝜌 tối ưu trình khử nhiễu đạt kết tối ưu, hiệu hệ thống đạt tốt 4.2.5 Đánh giá hiệu theo tham số a Hình 4.5 Hiệu hệ thống theo tham số a, 𝑃 = 10 𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 1000, 𝜌 = 0,8 Hình 4.5 biễu diễn hiệu hệ thống theo tham số a Ta thấy tỉ lệ bit lỗi tăng tuyến tính với tăng giá trị a mơ hình (1) (3), tức hiệu hệ thống giảm giá trị a tăng Trong mơ hình (2) giá trị a thay đổi không ảnh hưởng đến hiệu hệ thống, nhiễu nội lớn so với tín hiệu mong muốn 4.2.6 Đánh giá hiệu theo tham số 𝒈𝒂𝒊𝒏 Hình 4.6 Hiệu hệ thống theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛, 𝑃 = 10 𝑑𝐵, 𝛼 = 0,3, 𝜌 = 0,8 23 Hình 4.6 mô tả hiệu hệ thống theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛 Giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛 lớn đáp ứng kênh truyền tín hiệu nhiễu nội lớn cách biệt so với đáp ứng kênh truyền tín hiệu truyền Ở mơ hình (1) truyền dẫn song cơng chưa khử nhiễu nội, khoảng 𝑔𝑎𝑖𝑛 ∈ [1,100] tỉ lệ bit lỗi tăng nhanh, hiệu hệ thống giảm nhanh theo giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛, 𝑔𝑎𝑖𝑛 > 100 hiệu hệ thống đạt giá trị bão hòa khơng phụ thuộc vào giá trị theo giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛 Đối với mơ hình (2), hiệu hệ thống không ảnh hưởng đến thay đổi giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛 4.3 Kết luận chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trên sở nghiên cứu ưu nhược điểm mơ hình truyền dẫn song công công nghệ thu lượng vô tuyến, luận văn đạt mục tiêu nghiên cứu ban đầu đề kết hợp việc thu lượng vô tuyến vào mạng truyền thông song công, hai số kỹ thuật ứng dụng mạng hệ 5G Cụ thể đề tài hoàn thành khối lượng nghiên cứu sau:  Nghiên cứu cấu trúc ăng-ten hiệu suất hoạt động mơ hình hệ thống truyền thơng song cơng so với truyền thông bán song công chất lượng mạng, dung lượng mạng, độ tin cậy… Đồng thời, nghiên cứu kỹ thuật khử nhiễu nội hệ thống truyền thông song công  Nghiên cứu kỹ thuật truyền thu lượng vô tuyến để truyền đồng thời với tín hiệu mạng truyền thơng song cơng  Xây dựng mơ hình tính tốn hiệu hệ thống vô tuyến truyền dẫn song công bán song công hai chiều thu lượng kênh truyền fading Rayleigh Xây dựng phân tích 24 hiệu hệ thống truyền thông song công trường hợp khử hồn tồn khơng hồn tồn nhiễu nội  Phân tích tham số ảnh hưởng hiệu mơ hình hệ thống vơ tuyến thu lượng tham số lượng, tham số suy hao, tham số tương quan… Bên cạnh đó, giới hạn thời gian hoàn thành luận văn kinh nghiệm tác giả lĩnh vực chưa nhiều nên luận văn dừng lại mơ hình mạng hai nút với kênh truyền fading Rayleigh Do vậy, dựa kết đạt được, tác giả xin đề xuất số hướng phát triển luận văn sau:  Nghiên cứu tính tốn với nhiều ăng-ten phát nhiều ăng-ten thu (MIMO)  Nghiên cứu tính tốn với kênh truyền Nakagami-m  Nghiên cứu tính tốn với mơ hình mạng song cơng có chuyển tiếp  Tính tốn ước lượng nhiễu nội tối ưu Cuối cùng, tác giả mong nhận giúp đỡ đóng góp ý kiến tất thầy cô hội đồng bảo vệ bạn quan tâm để luận văn hoàn thiện Tác giả xin gởi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến người hướng dẫn khoa học Thầy giáo Nguyễn Lê Hùng cô giáo Bùi Thị Minh Tú, người gợi ý hướng đề tài, cung cấp tài liệu tham khảo, hướng dẫn cho phương pháp làm việc khoa học tận tình giúp đỡ động viên tơi suốt q trình thực luận văn Xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Tập thể Thầy Cô giáo khoa Điện Tử Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa, thuộc Đại học Đà Nẵng giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả suốt trình học tập hoàn thành luận văn ... hình truyền dẫn song công công nghệ thu lượng vô tuyến, luận văn đạt mục tiêu nghiên cứu ban đầu đề kết hợp việc thu lượng vô tuyến vào mạng truyền thông song công, hai số kỹ thu t ứng dụng mạng. .. cậy… Đồng thời, nghiên cứu kỹ thu t khử nhiễu nội hệ thống truyền thông song công  Nghiên cứu kỹ thu t truyền thu lượng vô tuyến để truyền đồng thời với tín hiệu mạng truyền thơng song cơng  Xây... hợp nghiên cứu lý thuyết mô để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể là:  Nghiên cứu lý thuyết hệ thống song công  Nghiên cứu lý thuyết thu nhận lượng vô tuyến  Nghiên cứu việc thu nhận lượng vô tuyến