Nâng cao hiệu năng toàn trình cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến bằng giải pháp định tuyến cộng tác (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao hiệu năng toàn trình cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến bằng giải pháp định tuyến cộng tác (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao hiệu năng toàn trình cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến bằng giải pháp định tuyến cộng tác (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao hiệu năng toàn trình cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến bằng giải pháp định tuyến cộng tác (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao hiệu năng toàn trình cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến bằng giải pháp định tuyến cộng tác (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao hiệu năng toàn trình cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến bằng giải pháp định tuyến cộng tác (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao hiệu năng toàn trình cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến bằng giải pháp định tuyến cộng tác (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao hiệu năng toàn trình cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến bằng giải pháp định tuyến cộng tác (Luận văn thạc sĩ)
MỞ ĐẦU Ngày nay, gia tăng nhanh chóng thiết bị vô tuyến, xuất phát từ nhu cầu ngày tăng người dùng, vấn đề lượng trở nên cấp thiết xét đến các thiết bị nhỏ điện thoại di động, thiết bị cảm biến, v.v Bởi hạn chế nguồn lượng, việc hoạt động thường xuyên làm lượng thiết bị suy giảm cách nhanh chóng, rút ngắn thời gian sống mạng hoạt động dựa thiết bị Khi số lượng thiết bị lớn, triển khai khu vực có diện tích rộng, việc nạp lượng cho thiết bị toán cần giải Trong mạng thông tin vô tuyến ngày nay, việc tăng cường mở rộng phạm vi phủ sóng giảm chi phí vận hành mục tiêu nhà quản lý mạng viễn thông Một số kỹ thuật để nâng cao dung lượng mở rộng phạm vi phủ sóng giới thiệu giải pháp đa anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp Vì thế, nhà nghiên cứu tiến hành phát triển mạng chuyển tiếp (relay network) để mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy cho việc truyền liệu thông qua truyền/nhận thông tin khoảng cách ngắn, giảm công suất phát so sánh với việc truyền trực tiếp nguồn đích Luận văn nghiên cứu vấn đề thu thập lượng truyền liệu hiệu cho mạng chuyển tiếp đa chặng giới hạn công suất phát tác động fading kênh truyền Để giải vấn đề lượng, thiết bị mạng cần thu thập lượng sóng vô tuyến để phục vụ cho việc truyền liệu Đối với vấn đề truyền liệu hiệu điều kiện giới hạn mặt lượng, giải pháp truyền thông cộng tác đa chặng áp dụng Luận văn trình bày theo bốn chương, cụ thể sau: - CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN - CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HỆ THỐNG - CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG - CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan thu thập lượng Vệc nạp lượng cho thiết bị toán cần giải Nếu sử dụng nguồn điện lưới chỉnh lưu hạ áp nút cảm biến cấp nguồn ổn định, lại tính “khơng dây” việc lắp đặt sở hạ tầng để cấp nguồn cho thiết bị không khả thi khu vực hẻo lánh có địa hình khắc nghiệt Một giải pháp khác xem xét thiết bị cấp lượng pin, nhiên lượng dự trữ pin cạn kiệt cần phải thay Một giải pháp hiệu khác để trì nguồn lượng cho thiết bị thu thập lượng từ bên (năng lượng mặt trời, lượng gió, v.v.) Tuy nhiên kỹ thuật phải phụ thuộc nhiều vào môi trường Khác với nguồn lượng từ mặt trời, gió phụ thuộc nhiều vào môi trường, kỹ thuật thu thập lượng tần số vô tuyến (Radio Frequency Energy Harvesting) đạt ổn định cao (không phụ thuộc nhiều vào môi trường xung quanh) thực đồng thời qua việc phát sóng vơ tuyến P Nguồn lượng sóng vơ tuyến R Thiết bị thu lượng Hình 1.1: Mơ hình thu thập lượng sóng vơ tuyến 1.2 Tổng quan mạng truyền thông chuyển tiếp Trong mạng thông tin vô tuyến ngày nay, việc tăng cường mở rộng phạm vi phủ sóng giảm chi phí vận hành mục tiêu nhà quản lý mạng viễn thơng Vì thế, nhà nghiên cứu tiến hành phát triển mạng chuyển tiếp (relay network) để mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy cho việc truyền liệu thông qua truyền/nhận thông tin khoảng cách ngắn, giảm công suất phát so sánh với việc truyền trực tiếp nguồn đích S R D Hình 1.2: Mơ hình mạng vơ tuyến chuyển tiếp hai chặng • Nút nguồn (S): nút gửi liệu tới nút đích • Nút chuyển tiếp (R): nút có nhiệm vụ chuyền tiếp liệu từ nút nguồn gửi tới, xử lý liệu nhận gửi liệu sau xử lý đến đích Nút chuyển tiếp dùng kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (Amplify-and-forward (AF)) giải mã chuyển tiếp (Decode-and-forward (DF)) • Nút đích (D): nút nhận liệu từ nút chuyển tiếp Trong số trường hợp, nút đích nhận liệu từ nguồn, trường hợp này, nút đích kết hợp liệu nhận kết hợp Mơ có tên gọi truyền thơng cộng tác (cooperative communication) S D Hình 1.3: Mơ hình mạng chuyển tiếp thơng tin di động Mơ hình truyền thơng cộng tác (cooperative communication) Điểm khác biệt mơ hình truyền thơng cộng tác mơ hình chuyển tiếp thơng thường chỗ: mơ hình truyền thơng cộng tác khai thác đường liên kết trực tiếp nguồn đích R S D Hình 1.4: Mơ hình truyền thơng cơng tác • Nếu đích giải mã thành cơng liệu: ACK R S D ACK Hình 1.5: Mơ hình truyền thơng cộng tác tăng cường: đích giải mã thành công liệu khe thời gian phản hồi thơng điệp ACK • Trong trường hợp nút đích khơng thể giải mã thành cơng liệu nguồn: R S NACK D NACK Hình 1.6: Mơ hình truyền thơng cộng tác tăng cường: đích khơng giải mã thành công liệu khe thời gian phản hồi thông điệp NACK để yêu cầu giúp đỡ từ nút chuyển tiếp Nk,2 Nk,1 S Nk,3 N k , Lk D Hình 1.7: Mơ hình mạng vơ tuyến chuyển tiếp đa chặng Hình 1.7 miêu tả mạng chuyển tiếp đa chặng nguồn S phải gửi liệu đến đích D thông qua nhiều nút chuyển tiếp trung gian Khi nút chuyển tiếp sử dụng DF, nút phải giải mã, mã hoá lại gửi liệu đến nút tiếp theo, nút chuyển tiếp kỹ thuật AF đơn giản khuếch đại tín hiệu nhận từ nút phía trước gửi đến nút N2 N1 N n −1 Nn Hình 1.8: Truyền thông cộng tác đa chặng Như thể Hình 1.8, mơ hình truyền thơng cộng tác đa chặng, nút truyền tín hiệu, tất nút chặng nhận tín hiệu, sau nút lưu trữ tín hiệu nhận sử dụng kết hợp để giải mã liệu Các nút chuyển tiếp tham gia vào q trình truyền liệu chúng giải mã thành công liệu nguồn Phương pháp nâng cao đáng kể hiệu cho mạng chuyển tiếp đa chặng Luận văn nghiên cứu mơ hình mạng chuyển tiếp đa chặng cộng tác sử dụng kỹ thuật DF kỹ thuật thu thập lượng sóng vơ tuyến từ nguồn bên ngồi 1.3 Lý chọn đề tài nghiên cứu liên quan 1.3.1 Lý chọn đề tài Đầu tiên, chuyển tiếp mơ hình thường áp dụng để nâng cao chất lượng dịch vụ cho hệ thống truyền thông vô tuyến Trong mạng tự quản mạng cảm biến vô tuyến, mạng adhoc, v.v chuyển tiếp vô tuyến thường sử dụng giới hạn công suất phát lượng hạn chế thiết bị Cuối cùng, lượng vấn đề cấp thiết cho thiết bị vô tuyến Tuy nhiên, kỹ thuật thu thập lượng bên phổ biến ( thu thập lượng gió, thu thập lượng mặt trời, rung động, v.v…) đối mặt với số khó khăn phụ thuộc vào môi trường xung quanh Cho nên, kỹ thuật thu thập lượng sóng vơ tuyến đề xuất nhằm giải toán 1.3.2 Các nghiên cứu liên quan Trong tài liệu tham khảo số [31], tác giả nghiên cứu mơ hình chuyển tiếp đa chặng với lượng thu thập từ nguồn giao thoa ngồi Trong cơng trình [32], mơ hình chuyển tiếp đa chặng mạng vơ tuyến nhận thức dạng đề xuất Trong mơ hình này, nút nguồn tất nút chuyển tiếp nguồn đích thu thập lượng từ trạm báo hiệu (Beacon) lắp đặt mạng Trong đề tài này, Học viên phát triển mơ hình mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập lượng từ Beacon đề xuất [32] Mơ hình đề xuất [32] xét mơ hình chuyển tiếp đa chặng thông thường, cụ thể liệu chuyển chặng để đến đích Mặc dù mơ hình đơn giản dễ thực hiện, nhiên hiệu mơ hình khơng cao khơng đạt độ lợi phân tập Xuất phát từ điểm này, Học viên nghiên cứu mơ hình chuyển tiếp đa chặng cộng tác, nút tuyến cộng tác với để đạt tin cậy việc chuyển tiếp liệu Mơ hình đề xuất giớithiệu phần CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Mơ hình khảo sát B R1 R2 RN S D Hình 2.1: Mơ hình hệ thống Hình 2.1 miêu tả mơ hình hệ thống khảo sát Trong hình vẽ này, nút nguồn S muốn truyền liệu đến nút đích D Giả sử nút nguồn S nút đích D cách xa nút nguồn khơng thể gửi liệu trực tiếp đến nút D mà nhờ vào nút chuyển tiếp R1 , R2 , , RN Các nút chuyển tiếp đánh số theo khoảng cách chúng nút nguồn Ví dụ: nút chuyển tiếp R1 gần nguồn nút nghe RN xa nguồn Ta giả sử tất nút biết vị trí vị trí nút khác Giả sử tất nút bao gồm nguồn S, đích D tất nút chuyển tiếp có nguồn lượng hạn chế, chúng phải thu thập lượng từ nguồn lượng bên Ta ký hiệu nguồn B, với B trạm triển khai mạng nhằm cung cấp lượng cho thiết bị Giả sử tất nút có 01 ănten hoạt động theo chế bán song công (halfduplex) Gọi T tổng thời gian dành cho việc truyền liệu khe thời gian Trước truyền liệu, tất nút gồm nguồn S nút chuyển tiếp Rn , n = 1,2, , N , dành khoảng thời gian T để thu thập lượng, với ( 1) phần thời gian dành cho việc thu thập lượng Do đó, sử dụng cơng thức (1.2), lượng thu thập nguồn nút chuyển tiếp Rn tính sau: ES = P | hBS |2 T= PBS T, (2.1) ERn = P | hBR n |2 T= PBRn T (2.2) Trong công thức (2.1) (2.2), ký hiệu định nghĩa sau: • ( 1) hiệu suất chuyển đổi lượng (từ sóng vơ tuyến nhận chuyển đổi thành dòng chiều) • P cơng suất phát trạm phát lượng sóng vơ tuyến B • hBS hệ số kênh truyền fading Rayleigh B S Trong luận văn, giả sử tất kênh truyền kênh fading Rayleigh • hBR n hệ số kênh truyền fading Rayleigh B Rn , với n = 1,2, , N • BS =| hBS |2 , BR =| hBR |2 độ lợi kênh truyền B S, B Rn , với n n n = 1,2, , N Sau pha thu thập lượng với thời gian T , khoảng thời gian lại dành cho việc truyền liệu (1 − ) T Ở đây, ta thấy nguồn S đích D có tất N + chặng, nên tất nút chuyển tiếp sử dụng để gửi liệu đến đích, hệ thống phải sử dụng tất N + khe thời gian trực giao Giả sử khe thời gian có thời gian nhau, thời gian dành cho khe thời gian là: = (1 − ) T (2.3) N +1 Hơn nữa, từ công thức (2.1) (2.2), ta đưa biểu thức tính cơng suất phát trung bình nguồn S nút chuyển tiếp Rn khe thời gian sau: QS = QR n = ES ERn = = PBS T P = ( N + 1) , (1 − ) T (1 − ) BS N +1 PBR T P = ( N + 1) , (1 − ) T (1 − ) BR N +1 n n (2.4) (2.5) Tiếp theo, nguyên lý hoạt động giao thức đề xuất mô tả Đầu tiên, nguồn S sử dụng khe thời gian thứ để quảng bá liệu đến đích tất nút chuyển tiếp Bởi cơng suất phát nguồn QS , tỷ số SNR nhận đích tính sau: SD QS | hSD |2 = N0 P = ( N + 1) (1 − ) N0 BS SD (2.6) Trong công thức (2.6), ta định nghĩa: • hSD hệ số kênh truyền fading Rayleigh S D • SD =| hSD |2 độ lợi kênh truyền fading Rayleigh S D • N phương sai nhiễu cộng Giả sử phương sai nhiễu cộng tất đầu thu N Để đơn giản cho việc trình bày, ta sử dụng ký hiệu sau: = ( N + 1) P (1 − ) N0 (2.7) Do đó, ta viết lại cơng thức (2.6) đơn giản sau: SD = BSSD (2.8) Rồi thì, dung lượng kênh đạt nguồn đích là: CSD = log (1 + SD ) = (1 − ) T log N +1 (1 − ) T Trong công thức (2.9), hệ số = N +1 (1 + BSSD ) (2.9) khoảng thời gian sử dụng để gửi liệu khe thời gian Tương tự, tỷ số SNR đạt nút Rn nhận liệu từ nguồn SR = n QS | hSR n |2 N0 = BSSR n Trong đó, • hSR n hệ số kênh truyền fading Rayleigh S Rn • SR =| hSR |2 độ lợi kênh truyền S D n n (2.10) Tương tự (2.9), dung lượng kênh nguồn S nút chuyển tiếp Rn tính sau: ( CSR n = log + SR n (1 − ) T log = N +1 ) (1 + (2.11) SR ) BS n Sau đó, đích nút chuyển tiếp giải mã liệu Ta giả sử rằng, đích nút chuyển tiếp Rn giải mã liệu thành công dung lượng kênh đạt CSD CSR n lớn giá trị cho trước Ta ký hiệu giá trị Cth , xác suất mà đích nút chuyển tiếp Rn giải mã thành cơng liệu nguồn là: Pr ( CSD Cth ) ( ) Pr CSR n Cth Ngược lại, CSD Cth CSR n Cth , ta giả sử nguồn nút chuyển tiếp Rn giải mã thành công liệu nhận từ nguồn R1 R2 RN ACK ACK ACK S D ACK Hình 2.2: Nút đích nhận liệu từ nguồn thành công nên không cần trợ giúp từ nút chuyển tiếp Ta xét trường hợp đầu tiên: Đích giải mã thành cơng liệu nguồn ( CSD Cth ), trường hợp này, đích gửi thơng điệp ACK để thơng báo đến tất nút Bởi truyền liệu thành công, tất nút chuyển tiếp khơng sử dụng (xem Hình 2.2), nút nguồn S bắt đầu truyền liệu đến đích D Ta xét trường hợp thứ hai: Đích khơng thể giải mã liệu nguồn thành cơng ( CSD Cth ), trường hợp này, đích gửi thông điệp NACK để yêu cầu giúp đỡ từ nút chuyển tiếp 14 CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG 3.1 Xác suất dừng giải mã thành cơng cho mơ hình truyền điểm - điểm B U V Hình 3.1: Mơ hình truyền điểm - điểm Trong mơ hình này, nút phát U gửi liệu đến nút thu V, U V nút S, R1 , R2 , …, RN D Ví dụ: S gửi liệu trực tiếp đến R1 U S V R1 , RN gửi liệu trực tiếp đến D U RN V đích D Tương tự công thức (2.11), dung lượng kênh đạt U V là: CUV = (1 − ) T log N +1 (1 + BUUV ) (3.1) Giả sử rằng, kênh truyền hai nút kênh fading Rayleigh nên độ lợi kênh truyền BU UV có phân phối mũ Thật vậy, hàm CDF BU UV FBU ( x ) = − exp ( −BU x ) , FUV ( x ) = − exp ( −UV x ) , (3.2) với BU UV thông số đặc trưng BU UV , hàm theo khoảng cách B U, U V sau (tham khảo tài liệu [33]): BU = ( dBU ) , UV = ( dUV ) , (3.3) với d BU d UV khoảng cách vật lý B U, U V, hệ số suy hao đường truyền có giá trị từ đến tuỳ thuộc vào môi trường truyền Từ hàm CDF, hàm PDF đạt cách đạo hàm: 15 fBU ( x ) = BU exp ( −BU x ) , fUV ( x ) = UV exp ( −UV x ) (3.4) Tiếp theo, xác suất dừng (Outage Probability (OP)) liên kết U V định nghĩa sau: OP ( U,V ) = Pr ( CUV Cth ) , (3.5) với Cth ngưỡng xác định trước định nghĩa Chương Thay công thức (3.1) vào (3.5), sau biến đổi, ta có: (1 − ) T OP ( U,V ) = Pr log (1 + BUUV ) Cth N +1 ( N + 1) Cth 2^ −1 (1 − ) T = Pr BUUV = Pr (BUUV th ) (3.6) Trong công thức (3.6), ta ký hiệu th sau: ( N + 1) Cth 2^ −1 (1 − ) T th = (3.7) Tiếp tục biến đổi công thức (3.6), ta + OP ( U,V ) = FBU th fUV ( x ) dx x (3.8) Sử dụng cơng thức (3.2) (3.4), ta có: FBU th = − exp −BU th , x x fUV ( x ) = UV exp ( −UV x ) Thay (3.9) (3.10) vào (3.8), sau phép biến đổi, ta có: (3.9) (3.10) 16 + OP ( U,V ) = 1 − exp −BU th UV exp ( −UV x ) dx x = 1− + exp −BU th UV exp ( −UV x ) dx x (3.11) Để tính tích phân cơng thức (3.11), ta sử dụng công thức (3.324.1) tài liệu [34], ta đạt được: ( ) OP ( U,V ) = − BUUV th K1 BUUV th , (3.12) với K1 (.) hàm Bessel biến đổi loại 2, bậc [34] Ngược lại với xác suất dừng (OP) xác xuất giải mã thành công liệu (Decoding Probability (DP)) định nghĩa sau: DP ( U,V ) = Pr ( CUV Cth ) = − Pr ( CUV Cth ) (3.13) = − OPUV ( ) = BU UV th K1 BU UV th 3.2 Xác suất dừng giải mã thành công cho mơ hình truyền điểm - đa điểm Mơ hình truyền điểm – đa điểm biểu diễn Hình 3.2, nút phát U gửi liệu đến tập có L nút thu V1 , V2 , ,VL , U V1 , V2 , ,VL nút hệ thống S, R1 , R2 , …, RN D Ví dụ: S gửi liệu đến đích D khe thời gian thứ U S tập nút thu R1 , R2 , …, RN D B V1 U V2 VL Hình 3.2: Mơ hình truyền điểm – đa điểm 17 Tương tự công thức (2.11), dung lượng kênh đạt U Vl ( l = 1,2, , L ) là: CUVl = (1 − ) T log N +1 (1 + UV ) BU l (3.14) Đối với mơ hình truyền điểm – đa điểm, xảy xác suất mà vài nút nhận nhận liệu thành công vài nút nhận không nhận liệu thành cơng Để khảo sát phân tích xác suất dừng giải mã thành cơng cho mơ hình truyền điểm – đa điểm này, ta giả sử W1 = V1 ,V2 , ,Vt tập nút thu nhận thành công liệu U, W2 = Vt +1 ,Vt +2 , ,VL tập nút thu nhận không thành công, với t nhận giá trị từ đến L Do đó, xác suất xuất tập W1 W2 tính sau: CUV1 Cth , CUV2 Cth , , CUVt Cth , OP (U ,W1 ,W2 ) = Pr CUV Cth , CUV Cth , , CUV Cth t +1 t +2 L (3.15) Tương tự cơng thức (3.6), ta viết (3.15) sau: BUUV1 th , BUUV2 th , , BUUVt th , OP (U ,W1 ,W2 ) = Pr BUUV th , BUUV th , , BUUV th t +1 t +2 L (3.16) Để tính xác suất (3.16), ta cần viết lại dạng sau: th th th , , , , UV UV UV t + x x x OP (U ,W1 ,W2 ) = Pr f ( x ) dx th th th BU , UVt + , , UVL UVt +1 x x x Hơn nữa, xác suất cơng thức (3.17) tính sau: (3.17) 18 th th th UV1 x , UV2 x , , UVt x , Pr th th th , UVt + , , UVL UVt +1 x x x t th L th = Pr UVu Pr UVv x v =t +1 x u =1 t L = 1 − FUV th FUV th u v x v =t +1 x u =1 (3.18) Sử dụng công thức (3.2) cho (3.18), ta đạt được: th th th UV1 x , UV2 x , , UVt x , Pr th th th , UVt + , , UVL UVt +1 x x x (3.19) th L th t L = exp − UVu 1 − exp − UVv x v =t +1 x u =1 v =t +1 Để sử dụng cơng thức (3.19) cho tính tốn phía sau, ta cần biểu diễn (3.19) dạng sau: th th th UV1 x , UV2 x , , UVt x , Pr th , UVt + th , , UVL th UVt +1 x x x L r th L −t t th r = exp − UVu exp − UVl 1 + ( −1) u x r =1 l1 =l2 = =lr =t +1, u =1 u =1 x l1 l2 lr L r th L −t t th r = exp − UVu + − exp − + ( ) UV UV x u lu x r =1 l1 =l2 = =lr =t +1, u =1 u =1 ( (3.20) ) l1 l2 lr Sử dụng công thức (3.4), ta có: fBU ( x ) = BU exp ( −BU x ) Thay công thức (3.20) (3.21) vào (3.17), ta có: (3.21) 19 + t OP (U ,W1 ,W2 ) = exp − UVu th BU exp ( −BU x ) dx x u =1 L −t + ( −1) r =1 L r l1 =l2 = =lr =t +1, l1 l2 lr + r exp − UVu + UVl th BU exp ( −BU x ) dx u x u =1 ( ) (3.22) Sử dụng công thức (3.324.1) tài liệu [34], ta đạt được: t t OP (U ,W1 ,W2 ) = BU UVu th K1 BU UVu th + u =1 u =1 L −t ( −1) r =1 r ( BU UVu + UVl u l1 =l2 = =lr =t +1, u =1 L r l1 l2 lr ) r K + th BU UV UV th u lu u =1 ( ) (3.23) Trong số trường hợp đặc biệt t = hay t = L , ta viết lại công thức (3.23) bên dưới: Nếu t = , tức khơng có nút thu nhận liệu từ U, W1 = W2 = V1 ,V2 , ,VL Trong trường hợp này, ta viết lại công thức (3.19) (3.20) sau: L Pr UV1 th , UV2 th , , UVL th = 1 − exp −UVr th x x x r =1 x (3.24) r = + ( −1) exp − UVl th u r =1 l1 =l2 = =lr =1, x u =1 L r L l1 l2 lr Từ công thức (3.24), xác suất OP (U ,W1 ,W2 ) t = tính sau: OP (U , W1 ,W2 ) = OP (U , 1 ,W2 ) + = Pr UV1 th , UV2 th , , UVL th BU exp ( −BU x ) dx x x x L L r r r = + ( −1) BU UVl th K1 BU UVl th u u r =1 l1 =l2 = =lr =1, u =1 u =1 l1 l2 lr (3.25) Trong trường hợp t = L, tức tất nút nhận thành cơng liệu từ U, W1 = V1 ,V2 , ,VL W2 = Trong trường hợp này, công thức (3.19) (3.20) viết lại dạng sau: 20 Pr UV1 th , UV2 th , , UVL th x x x = exp −UVu th x u =1 L = exp − UVu th x u =1 L (3.26) Từ công thức (3.26), xác suất OP (U ,W1 ,W2 ) t = L tính sau: OP (U ,W1 ,W2 ) = OP (U ,W1 , ) L = exp − UVu th BU exp ( −BU x ) dx x u =1 L L = BU UVl th K1 BU UVl th u u u =1 u =1 + (3.27) 3.3 Xác suất dừng mơ hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (MHTT) Sử dụng lại Hình 2.4, ta thấy mơ hình này, liệu gửi từ nguồn đến đích thành cơng liệu qua tất chặng phải thành cơng Với lập luận này, xác suất đích nhận thành cơng liệu mơ hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (ta đặt tên cho mô hình MHTT) là: DPMHTT N = DP (S,R1 ) DP ( R n−1 ,R n ) DP ( R N ,D ) n=2 (3.28) Áp dụng công thức (3.13) cho (3.28), ta có: ( ) DPMHTT = BSSR1 th K1 BSSR1 th ( N ) BR n−1 R n−1R n th K1 BR n−1 R n−1R n th n=2 BR N R N D th K1 ( ) BR R D th N Do đó, xác suất dừng MHTT tính sau: N (3.29) 21 OPMHTT = − DPMHTT ( ) = − BSSR1 th K1 BSSR1 th ( N ) (3.30) BR n−1 R n−1R n th K1 BR n−1 R n−1R n th n=2 BR N R N D th K1 ( ) BR R D th N N 3.4 Xác suất dừng mơ hình chuyển tiếp đa chặng công tác (MHCT) Xác suất dừng mô hình đề xuất (được đặt tên MHCT) tính cơng thức đệ quy Thật vậy, ta tính xác suất dừng mơ hình khe thời gian thứ v (1 v N + 1) Ta nhắc lại rằng, khe thời gian nguồn phát Sv −1 gửi liệu đến đích nút chuyển tiếp nằm Sv −1 đích D Rồi thì, nút đích khơng giải mã liệu nhận từ Sv −1 , U v = Riv ,1 , Riv ,2 , , Riv ,t v V = R v iv ,tv +1 , Ri1,t + , , Riv ,t + m v v v tập nút giải mã thành công liệu từ Sv −1 không giải mã thành công liệu Sv −1 Do đó, xác suất dừng khe thời gian thứ v đưa dạng sau: ( ) OP Sv−1 ,U v ,Vv+ = U v +1 ,Vv +1 ( ) OP Sv ,U v +1 ,Vv++1 (3.31) Đầu tiên, ta lưu ý xác suất dừng khe thời gian thứ v tổng tất trường hợp xuất tập U v +1 Vv +1 Thứ hai, đích phải nằm tập nút không giải mã thành công khe thời gian thứ v nên ta định nghĩa tập nút giải mã không thành công sau: Vv+ = Riv ,t +1 , Ri1,t + , , Riv ,t + m , D (3.32) (3.33) Vv++1 = Riv +1,t v +1 +1 v v , Riv +1,t v +1 + v , , Riv +1,t v v +1 + mv +1 ,D ( ) + Kế tiếp, áp dụng công thức (3.23), (3.25) (3.27), ta tính OP Sv , U v+1 ,Vv +1 Hơn nữa, công thức (3.31) cho ta thấy xác suất dừng khe thời gian thứ v tính xác suất dừng khe thời gian v + Do đó, cơng thức tính xác suất dừng MHCT cơng thức có dạng đệ quy 22 Do đó, xác suất dừng MHCT là: ( ) OPMHCT = OP S0 ,U1 ,V1+ , (3.34) với ( ) OP ( S ,U ,V ) OP S0 ,U1 ,V1+ = + (3.35) U ,V2 3.5 Phân tích độ lợi phân tập Ta xét ví dụ mơ hình MHTT MHCT với N = Hình 3.3 Hình 3.4 Trong Hình 3.3 minh hoạ đường mà liệu đến đích B R2 R1 S D Hình 3.3: Mơ hình MHTT với N = B R1 R2 S D Hình 3.4: Mơ hình MHCT với N = Trong Hình 3.4 minh hoạ đường đường liệu từ nguồn đến đích Ta kể đường liệu như: đường trực tiếp S → D , đường chuyển tiếp hai chặng S → R1 → D S → R2 → D , đường chuyển tiếp hai chặng (trường hợp giống mơ hình chuyển tiếp truyền thống) S → R1 → R2 → D 23 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 Kết lý thuyết mơ Giả sử tất nút gồm nguồn S , nút chuyển tiếp Rn ( n = 1,2, , N ) , nút đích D nằm đường thẳng hai nút gần kề cách khoảng Hơn nữa, nút nguồn S nằm gốc toạ độ nút đích nằm vị trí (1,0) Với cách xếp này, khoảng cách hai nút kề 1/ ( N + 1) Ta giả sử nguồn lượng B đặt cố định vị trí (0.5, 0.25) Trong kết mô phỏng, ta cố định hệ số suy hao đường truyền ( = 3) , giá trị T 1, hiệu suất chuyển đổi công suất 0.5 ( = 0.5) Xac Suat Dung 10 -1 10 -2 10 Mo Phong - MHTT (Cth = 0.75) Mo Phong - MHCT (Cth = 0.75) Mo Phong - MHTT (Cth = 1.25) Mo Phong - MHCT (Cth = 1.25) -3 10 -5 Ly Thuyet - MHTT Ly Thuyet - MHCT Hình 4.1: Xác suất dừng vẽ theo 10 P/N0 (dB) 15 20 P / N0 N = = 0.2 Hình 4.1 so sánh hiệu xác suất dừng mơ hình đề xuất MHCT mơ hình truyền thống MHTT Ta thấy MHCT đạt giá trị OP nhỏ MHTT, OP hai mơ hình giảm tăng giá trị P / N0 Hơn nữa, giá trị P / N0 lớn OP mơ hình MHCT giảm nhanh MHTT Lý MHCT đạt độ lợi phân tập (độ dốc) cao MHTT, bàn luận Ta thấy OP hai mơ hình giảm Cth nhỏ Cuối cùng, ta thấy kết mô trùng với kết lý thuyết, điều kiểm chứng tính xác kết lý thuyết 24 Xac Suat Dung 10 -1 10 Mo Phong - MHTT (N=1) Mo Phong - MHCT (N=1) Mo Phong - MHTT (N=3) Mo Phong - MHCT (N=3) Ly Thuyet - MHTT Ly Thuyet - MHCT -2 10 -3 10 -5 10 15 20 P/N0 (dB) Hình 4.2: Xác suất dừng vẽ theo P / N0 Cth = = 0.1 Hình 4.2 so sánh hiệu xác suất dừng mơ hình đề xuất MHCT mơ hình truyền thống MHTT với số lượng nút chuyển tiếp khác nguồn đích Cũng vậy, ta thấy MHCT đạt giá trị OP nhỏ MHTT, OP hai mơ hình giảm tăng giá trị P / N0 Một lần OP MHCT lại giảm nhanh MHTT P / N0 tăng Tron Hình 4.2, OP hai mơ hình giảm tăng số lượng nút chuyển tiếp Để thấy rõ độ lợi phân tập mơ hình, Hình 4.3 vẽ giá trị xác suất dừng vùng P / N0 lớn Chú ý Hình 4.3 vẽ kết lý thuyết tất hệ số Hình vẽ giống với Hình 4.2, khác giá trị P / N0 Hình 4.3 lớn Ta thấy rằng, thay đổi số lượng nút chuyển tiếp đường thẳng biểu diễn xác suất dừng MHTT hai trường hợp N = N = gần song song với Đối với MHCT, ta thấy đường thằng xác suất dừng mơ hình có độ dốc lớn MHTT Do đó, ta nói MHCT đạt độ lợi phân tập lớn MHTT 25 10 -1 Xac Suat Dung 10 -2 10 -3 10 -4 10 Ly Ly Ly Ly -5 10 Thuyet Thuyet Thuyet Thuyet - MHTT (N=1) - MHCT (N=1) - MHTT (N=3) - MHCT (N=3) -6 10 10 15 20 25 30 35 40 45 50 P/N0 (dB) Hình 4.3: Xác suất dừng vẽ theo P / N0 Cth = = 0.1 10 -1 Xac Suat Dung 10 -2 10 -3 10 -4 Ly Ly Ly Ly Ly Ly 10 -5 10 Thuyet Thuyet Thuyet Thuyet Thuyet Thuyet - MHTT (N=2) - MHCT (N=2) - MHTT (N=3) - MHCT (N=3) - MHTT (N=6) - MHTT (N=6) -6 10 10 15 20 25 30 35 40 45 50 P/N0 (dB) Hình 4.4: Xác suất dừng vẽ theo P / N0 Cth = = 0.1 Tương tự Hình 4.3, Hình 4.4 khảo sát độ lợi phân tập mơ hình số lượng nút chuyển tiếp chạy từ đến Tương tự Hình 4.3, ta thấy độ dốc đường biểu thị xác suất dừng MHCT lớn MHTT Quan sát hình vẽ ta thấy điều đặc biệt N = , xác suất dừng MHTT lớn nhất, xác suất dừng MHCT N = nằm N = N = 26 Trong Hình 4.5, xác suất dừng hai mơ hình MHCT MHTT vẽ theo số lượng nút chuyển tiếp (N) Ta quan sát thấy giá trị xác suất dừng biến thiên theo số lượng nút chuyển tiếp Hình dạng đường cong biểu thị xác suất dừng Hình 4.5 có đặc điểm sau: ban đầu tăng số lượng nút chuyển tiếp N từ lên 3, giá trị xác suất dừng giảm Tuy nhiên, tăng N , giá trị xác suất dừng lại bắt đầu tăng lên Ta giải thích điều sau: số lượng nút chuyển tiếp tăng khoảng cách hai nút kề giảm truyền liệu chặng ổn định, dẫn đến giảm xác suất dừng tồn trình Tuy nhiên, số lượng nút chuyển tiếp lớn, dẫn đến số khe thời gian tăng nên tốc độ truyền dẫn khe thời gian giảm (do thời gian khe thời gian phải chia cho số chặng) Vì thế, ta thấy tồn giá trị N để xác suất dừng mơ hình thấp Cụ thể, MHTT, giá trị xác suất dừng thấp N = Đối với MHCT, giá trị xác suất dừng thấp trường hợp = 0.1 N = , trường hợp = 0.3 N = Quan sát cuối từ Hình 4.5 xác suất dừng hai mơ hình giảm tăng giá trị từ 0.1 lên 0.3 Xac Suat Dung 10 -1 10 Mo Phong - MHTT ( =0.1) Mo Phong - MHCT ( =0.1) Mo Phong - MHTT ( =0.3) Mo Phong - MHCT ( =0.3) Ly Thuyet - MHTT Ly Thuyet - MHCT -2 10 N Hình 4.5: Xác suất dừng vẽ theo N P / N0 = 10 dB, Cth = Tương tự Hình 4.5, Hình 4.6 vẽ giá trị xác suất dừng theo số lượng nút chuyển tiếp Tuy nhiên, Hình 4.6, ta xem xét hai giá trị khác = 0.25 = 0.5 Nhìn vào hình ta thấy = 0.25 xác suất dừng MHTT MHCT nhỏ nhiều so sánh với trường hợp = 0.5 Đặc biệt N = , xác suất dừng hai mơ hình trường hợp = 0.25 lại lớn trường hợp = 0.5 27 Xac Suat Dung 10 -1 10 Mo Phong - MHTT ( =0.25) Mo Phong - MHCT ( =0.25) Mo Phong - MHTT ( =0.5) Mo Phong - MHCT ( =0.5) Ly Thuyet - MHTT Ly Thuyet - MHCT -2 10 N P / N0 = 10 dB, Cth = Hình 4.6: Xác suất dừng vẽ theo N 0.9 Xac Suat Dung 0.8 0.7 Mo Phong - MHTT (N=2) Mo Phong - MHCT (N=2) Mo Phong - MHTT (N=5) Mo Phong - MHCT (N=5) Ly Thuyet - MHTT Ly Thuyet - MHCT 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.1 0.2 0.3 Hình 4.7: Xác suất dừng vẽ theo 0.4 0.5 0.6 P / N0 = dB, Cth = Hình 4.7 vẽ xác suất dừng hai mơ hình theo giá trị Ta dễ thấy giá trị nhỏ lượng thu thập nguồn nút chuyển tiếp nhỏ, dẫn tới công suất phát nút nhỏ Tuy nhiên, nhỏ − lớn, điều có nghĩa thời gian truyền khe thời gian lớn, độ liệu tăng Ngược lại, giá trị lớn cơng suất phát nút tăng tốc độ truyền liệu khe thời 28 gian giảm Do đó, có đánh đổi cơng suất phát tốc độ truyền liệu thiết kế giá trị Nhìn vào Hình 4.7 ta thấy thiết kế giá trị hợp lý để đạt giá trị xác suất dừng thấp cho hai mơ hình Ví dụ, nhìn vào Hình 4.7, ta thấy N = , giá trị tốt MHTT MHCT khoảng 0.3, N = , giá trị tốt MHTT MHCT 0.2 0.15 Ta thấy từ Hình 4.7 xác suất dừng hai mơ hình gần lớn 0.6 4.2 Kết luận Luận văn nghiên cứu hiệu mạng chuyển tiếp cộng tác đa chặng nhằm nâng cao hiệu xác suất dừng cho mạng Mơ hình đề xuất luận văn đạt hiệu xác suất dừng tốt mơ hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống Đóng góp luận văn xây dựng mơ hình chuyển tiếp cộng tác đa chặng, đưa biểu thức toán học đánh giá hiệu xác suất dừng hệ thống Hơn nữa, biểu thức toán học đưa dạng tường minh kiểm chứng thơng qua mơ máy tính Để nâng cao hiệu hệ thống, ta cần thiết kế hệ thống sau: - Tăng công suất phát nguồn phát lượng - Thiết kế số nút chuyển tiếp nguồn đích cách hợp lý - Thiết kế hệ số phân bổ thời gian cho pha thu hoạch lượng hợp lý 4.3 Hướng phát triển đề tài Đề tài luận văn phát triển theo hướng sau: ✓ Xem xét kênh truyền tổng quát kênh fading Nakagami-m hay kênh fading Rician, v.v ✓ Xem xét môi trường vơ tuyến nhận thức, cơng suất phát nút phát bị ràng buộc theo mức giao thoa tối đa quy định nút sơ cấp ✓ Xem xét mơ hình chuyển tiếp đa chặng với nút chuyển tiếp có nhiều anten, sử dụng kỹ thuật phân tập phát thu ... nguồn Phương pháp nâng cao đáng kể hiệu cho mạng chuyển tiếp đa chặng Luận văn nghiên cứu mơ hình mạng chuyển tiếp đa chặng cộng tác sử dụng kỹ thu t DF kỹ thu t thu thập lượng sóng vơ tuyến từ nguồn... Luận văn nghiên cứu hiệu mạng chuyển tiếp cộng tác đa chặng nhằm nâng cao hiệu xác suất dừng cho mạng Mơ hình đề xuất luận văn đạt hiệu xác suất dừng tốt mơ hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống... Đầu tiên, chuyển tiếp mơ hình thường áp dụng để nâng cao chất lượng dịch vụ cho hệ thống truyền thông vô tuyến Trong mạng tự quản mạng cảm biến vô tuyến, mạng adhoc, v.v chuyển tiếp vô tuyến thường