Nghiên cứu đánh giá và nâng cao phẩm chất hệ thống vô tuyến chuyển tiếp song công trên cùng băng tần tt

BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ NÂNG CAO PHẨM CHẤT HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP SONG CÔNG TRÊN CÙNG BĂNG TẦN Chuyên nghành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 52 02 03 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH SỬ DỤNG TRONG LUẬN ÁN A1 “Performance Analysis of In-Band Full-Duplex Amplify-and-Forward Relay System with Direct Link,” in 2018 2nd International Conference on Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Trần Xuân Nam TS Trần Đình Tấn Recent Advances in Signal Processing, Telecommunications and Computing (SigTelCom), Ho Chi Minh, Vietnam, pp 192-197, Jan 2018 DOI: 10.1109/SIGTELCOM.2018.8325789 (Scopus) A2 “Full-Duplex Amplify-and-Forward Relay System with Direct Link: Performance Analysis and Optimization,” Physical Communication, Elsevier, Phản biện 1: PGS.TS Hoàng Mạnh Thắng (ISI) DOI: https://doi.org/10.1016/j.phycom.2019.100888 A3 “Performance Analysis of Full-Duplex Vehicle-to-Vehicle Relay System over Phản biện 2: PGS.TS Lê Nhật Thăng Phản biện 3: PGS.TS Trần Đức Tân Double-Rayleigh Fading Channels,” Mobile Networks and Applications, Springer, (ISI) DOI: https://doi.org/10.1007/s11036-019-01291-x A4 “Performance Analysis of Full-Duplex Amplify-and-Forward Relay System With Hardware Impairments and Imperfect Self-Interference Cancellation,” Wireless Communications and Mobile Computing, Hindawi, (ISI) DOI: https://doi.org/10.1155/2019 /4946298 A5 “Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp song công hai chiều Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo Quyết định số 1426/QĐ-HV ngày 13 tháng năm 2020 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân băng tần tác động phần cứng khơng lý tưởng," Các cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng Công nghệ Thông tin Truyền thông, Bộ Thông tin Truyền thông, Hà Nội, Việt Nam, Số 39, trang 26-34, tháng 11, 2018 DOI: 10.32913/rd-ict.vol1.no39.728 MỞ ĐẦU KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN ÁN Một số kết đạt luận án Phân tích phẩm chất, đề xuất phân bổ cơng suất tối ưu cho mạng chuyển tiếp AF-FDR có tín hiệu trực tiếp từ nguồn tới đích Để giảm ảnh hưởng RSI, đồng thời nâng cao phẩm chất hệ thống, luận án đề xuất thuật tốn tính tốn phân bổ công suất tối ưu cho truyền thông FD Kết cho thấy phẩm chất hệ thống cải thiện đáng kể so với phân bổ công suất ngẫu nhiên Phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếp DF-FDR chiều qua kênh pha-đinh Rayleigh kép Luận án xem xét hệ thống sát với điều kiện thực tế: nút nguồn cố định di chuyển nút chuyển tiếp nút đích di chuyển Thơng qua biểu thức giải tích, ảnh hưởng khoảng cách nút, hệ số suy hao truyền dẫn RSI phân tích cụ thể Xây dựng mơ hình phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếp AF-FDR chiều hai chiều ảnh hưởng lỗi phần cứng qua kênh phađinh Rayleigh Các biểu thức phân tích tìm đánh giá ảnh hưởng lỗi phần cứng đến phẩm chất hệ thống so sánh với hệ thống có phần cứng lý tưởng Mặt khác, luận án đề xuất phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống khảo sát Hướng phát triển luận án Phân tích hệ thống truyền thông FD-V2V nút chuyển tiếp FDR sử dụng giao thức AF, hay kịch D2D Kết hợp kỹ thuật FD với EH, xem xét ảnh hưởng lỗi phần cứng đến khả thu thập lượng thiết bị vô tuyến Kết hợp chuyển tiếp FDR với hệ thống NOMA, hệ thống sử dụng điều chế không gian Đề xuất biện pháp, thuật toán giảm RSI HI nhằm nâng cao phẩm chất hệ thống 24 Động lực nghiên cứu: Công nghiệp viễn thông giai đoạn bùng nổ công nghệ vô tuyến, tạo nên đời phát triển nhanh chóng thiết bị Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of Things) Đồng thời, thiết bị vô tuyến nâng cấp phần cứng phần mềm, đáp ứng nhu cầu ngày cao người sử dụng không liên lạc thoại, liệu mà tất hoạt động hàng ngày điều khiển thiết bị, nhà thông minh, xe đại Số lượng người dùng tăng nhanh, nhu cầu trao đổi liệu lớn tài nguyên phổ tần hạn chế đòi hỏi nhà nghiên cứu, thiết kế mạng vơ tuyến tìm cách nâng cao hiệu sử dụng phổ tần Nhiều giải pháp kỹ thuật đề xuất nghiên cứu thử nghiệm truyền thơng tần số ứng với bước sóng cỡ mi-li-mét (mmWave: millimeter wave), MIMO cỡ lớn (massive MIMO), đa truy nhập không trực giao (NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access), truyền thông song công băng tần (IBFD: In-Band Full-Duplex FD: Full-Duplex) Trong kỹ thuật này, truyền thông FD lên giải pháp hứa hẹn cho mạng vô tuyến 5G hệ khả tăng gấp đôi dung lượng hiệu sử dụng phổ tần thiết bị FD thu, phát tần số thời điểm Với ưu điểm trội kỹ thuật FD so với kỹ thuật HD truyền thống, truyền thông FD ứng dụng rộng rãi hệ thống khác nhau, chẳng hạn như: thu thập lượng (EH: Energy Harvesting), massive MIMO, mạng tế bào nhỏ (small cell), mmWave, quân sự, truyền thông thiết bịthiết bị (D2D: Device-to-Device), mạng chuyển tiếp, mạng cục (localization network), vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), truyền thông hợp tác (Cooperative communications), hệ thống vận tải thông minh (ITS: Intelligent Transportation Systems) Vì vậy, việc nghiên cứu phát triển lý thuyết cho mạng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật FD cần tiếp tục triển khai giai đoạn nay, đặc biệt bối cảnh truyền thơng FD vấn đề có ý nghĩa thời áp dụng cho hệ thống vơ tuyến tương lai Do đề tài “ Nghiên cứu đánh giá nâng cao phẩm chất hệ thống vô tuyến chuyển tiếp song công băng tần” mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học cao phù hợp với xu thời đại Kết nghiên cứu bổ sung thêm lý thuyết kỹ thuật FD ứng dụng Đồng thời, tài liệu tham khảo quan trọng việc nghiên cứu, phát triển triển khai hệ thống FD thực tế Các đóng góp luận án: Đề xuất mơ hình, đánh giá nâng cao phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR chiều trường hợp phần cứng hệ thống lý tưởng Với trường hợp này, luận án có hai đóng góp sau: – Đề xuất mơ hình phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR chiều kịch truyền thông hợp tác nút FDR sử dụng giao thức AF Để cải thiện phẩm chất hệ thống, luận án đề xuất phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FDR Kết tính tốn cho thấy rằng, với cơng suất tối ưu, phẩm chất hệ thống cải thiện đáng kể so với trường hợp không sử dụng công suất tối ưu – Đề xuất mơ hình ứng dụng mạng chuyển tiếp FDR chiều nút chuyển tiếp hoạt động chế độ DF truyền thông V2V Trên sở mô hình hệ thống, luận án phân tích phẩm chất hệ thống nút chuyển tiếp nút đích di chuyển, nút nguồn khảo sát với hai trường hợp: cố định di chuyển Thông qua biến đổi tốn học, luận án tìm biểu thức xác xác suất dừng, xác suất lỗi ký hiệu cho hai trường hợp khảo sát Từ đó, đánh giá ảnh hưởng nhiều yếu tố lên phẩm chất hệ thống Đề xuất mơ hình, đánh giá nâng cao phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR chiều hai chiều sử dụng kỹ thuật AF trường hợp phần cứng khơng hồn hảo (HI: Hardware Impairments) tất nút hệ thống Luận án tìm biểu thức xác suất dừng, xác suất lỗi ký hiệu hệ thống khảo sát qua kênh pha-đinh Rayleigh Để nâng cao phẩm chất hệ thống, giảm ảnh hưởng HI RSI, luận án tiến hành phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống Bằng cách sử dụng phân bổ công suất tối ưu, phẩm chất hệ thống cải thiện so với trường hợp phân bổ ngẫu nhiên Đặc biệt cho hệ thống AF-FDR chiều, phẩm chất hệ thống tránh sàn lỗi sử dụng giá trị công suất tối ưu truyền dẫn tăng lên (R = 3; 4), hệ thống với phần cứng không lý tưởng đạt tới tiệm cận yêu cầu SNR đủ lớn Hình 3.7(b) minh họa phẩm chất lỗi ký hiệu S2 , sử dụng điều chế BPSK ˜ = −30 dB λ = 1/3 (tức P1 = P2 = PR ) Trong đó, đường lý với k = 0.1, Ω thuyết thể kết biểu thức (3.9) Ta thấy rằng, SNR thấp (dưới 10 dB) sai khác phân tích lý thuyết kết mô lớn Nhưng vùng SNR cao (trên 10 dB) kết tính tốn hồn tồn với kết mô Đồng thời, với SNR = 40 dB, hệ thống với phần cứng không lý tưởng có SEP cao 10 lần so với hệ thống lý tưởng 3.3 Kết luận chương HI tồn thiết bị vơ tuyến khơng có thiết bị đảm bảo 100% độ xác linh kiện mạch điện tử toàn thiết bị Để đánh giá phẩm chất hệ thống vô tuyến, nhiều yếu tố khác khảo sát, HI tham số quan trọng Trong thực tế, tính phức tạp tính tốn, HI thường bỏ qua nghiên cứu, đặc biệt cho truyền thơng FDR Thơng qua phân tích phẩm chất hệ thống AF-FDR chiều hai chiều, luận án đưa biểu thức xác, biểu thức xấp xỉ OP giá trị tiệm cận công suất phát đủ lớn Mặt khác, biểu thức thông lượng SEP khảo sát để đánh giá tồn diện hệ thống Từ đó, luận án đề xuất phân bổ công suất tối ưu để nâng cao phẩm chất hệ thống Kết cho thấy, phẩm chất hệ thống cải thiện đáng kể so với phân bổ công suất ngẫu nhiên Đặc biệt với hệ thống AF-FDR chiều, phân bố công suất tối ưu giúp tránh sàn lỗi vùng SNR cao Đồng thời, so với hệ thống lý tưởng, hệ thống có HI có phẩm chất nhiều lần, trường hợp hệ số méo dạng lớn Bên cạnh đó, so với hệ thống HD lý tưởng hệ thống FD khơng lý tưởng có phẩm chất nhiều sớm đạt tới mức bão hòa cơng suất phát đủ lớn Vì vậy, ngồi việc thực tốt kỹ thuật để triệt nhiễu tự giao thoa cho truyền thông song công băng tần, nhà sản xuất cần thực tốt việc hạn chế phần cứng không lý tưởng nhằm làm giảm tác động tới phẩm chất hệ thống, từ tạo tính khả thi cho truyền thông song công băng tần Bố cục luận án: Luận án tổ chức sau: Mở đầu; chương nội dung; Kết luận hướng nghiên cứu tương lai; Phụ lục Danh mục cơng trình nghiên cứu 23         phỏng, đánh giá          10  sau:    10 Xác suất dừn g (OP) -1 10 -2 Lý tưởng (mô phỏng) Lý tưởng (lý thuyết) Không lý tưởng (mô phỏng) Không lý tưởng (lý thuyết) Không lý tưởng (xấp xỉ) 10 -3 10 tăng Mặt khác, phân bổ công suất tối ưu cho độ hệ thống lý tưởng Chú ý rằng, với tham số lợi đáng kể so với trường hợp ngẫu nhiên, đặc biệt cho chọn, phân bổ công suất tối ưu có giá trị từ 0.25 đến hệ thống lý tưởng Chú ý rằng, với tham số 0.3 cho hệ thống lý tưởng không lý tưởng chọn, phân bổ cơng suất tối ưu có giá trị từ 0.25 đến 10 Lý tưởnglý (môtưởng phỏng) 0.3 cho hệ thống lý tưởng không   / 10   * Xác suất dừn g (OP) -1 10 Chương Kỹ thuật truyền dẫn song công băng tần 1.1 -2 10   25dB k  0.05;    30dB k  0.1;      -3 15 25 Xác 5suất 10Tỉdừng 20 theo sự30thay35đổi 40 số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 10 0.05 a).Hình OP2 S2 hệ thống khảo sát minh họa xác suất dừng Xác suất dừng Lý tưởng (lý thuyết) Không lý tưởng (mô phỏng) Không lý tưởng (lý thuyết) Không lý tưởng (xấp xỉ) theo thay đổi 0.1 0.15  0.2 0.25    λ 0.3 0.35 0.4 0.45 b) OP S2 theo hệ số phân bổ cơng Hình Xác suất dừng theo hệ số  λ suất trung bình Trong chất lượng hệ thống với phần Hình suất Hình3 3.thể Xác suấtxác dừng dừng theotạihệ sốtheo  hệ số Hình minh họa xác suất dừng cứng không lý tưởng (impairments) so sánh với Hình 3.6: OP với hệ phần thốngphân AF-FDR haivớichiều bổ công suất, mức nhiễu dư lỗi phần cứng trung bình Trong chất lượng hệ thống hệ thống có phần cứng lý tưởng (ideal hardwares) Hình thể xác suất dừng theo hệ số khác Trong đó, xác suất dừng khảo sát với cứng không tưởng (impairments) đượcphân so sánh với Đồng thời, lý phẩm chất sử dụng bổ công phân bổ công suất, với mức nhiễu dư lỗi phần  cứng cho hai trường hợp:    hệ thống có phần cứng lý tưởng (ideal hardwares) suất tối ưu (    ) biểu thức so khác Trong đó, xác suất dừng khảo sát với hệ thống lý tưởng Chú rằng, tham số đã  chọn, phân bổ công suất Đồng thời, phẩm chất sử ý dụng phân với bổ cơng tham số lại     sử sánh với phân bổ công suất ngẫu nhiên (   cho hai trường hợp:  tối từ thức 0.25 đến 0.3 chosocả hệ thống lýHình tưởng khơng lýthứ tưởng suất ưu tối ưucó (  giá ) biểu   trị dụng Trong trường hợp với mức ngưỡng khảo sát cho  Trên   tham số lại sử   sánh với phân bổ công suất ngẫu nhiên (   Hình 3.6(b) thể xác suất dừng S2 theo hệ số phân bổ công suất, với Hình Trong trường hợp thứ với mức khảo sát cho Khi ta tăng Trênmức dụng RSI vàngưỡng HI khác độ HI (k từ 0.05 trường hợp lên 0.1 - trường hợp 2), OP hệ thống không lý tưởng đạt tới bão hòa, khơng có   khác biệt λ thay đổi Từ cho thấy đắn kết phân tích   so với kết khảo sát Đồng thời HI lớn, kết hợp với cơng suất phát đủ lớn, sử dụng λ phân bổ công suất cố định cho hệ thống để giảm độ phức tạp ác cơng trình nghiên cứu, phát triển ứng dụng 4 Lý tưởng (mô phỏng) Lý tưởng (lý thuyết) Không lý tưởng (mô phỏng) Không lý tưởng (lý thuyết) 3 Xác suất lỗi ký hiệu (SEP) Thôn g lượn g hệ thốn g (bit/s/Hz) 3.5 10 2.5 2 1.5 4 -1 10 -2 10 0.5 -4 0 10 10 15 20 25 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 30 35 40 a) Thơng lượng hệ thống khảo sát 10 15 20 Hầu hết hệ thống thông tin hành bao gồm thiết bị đầu cuối hoạt động máy thu phát Thông thường, máy thu phát hoạt động chế độ bán song công (HD) song công khác băng tần (phân chia theo tần số) song công khác thời gian (phân chia theo thời gian) Truyền thông FD cho phép thiết bị đầu cuối vô tuyến thu phát đồng thời băng tần thời điểm, từ tạo nên khả tăng gấp đôi hiệu sử dụng phổ tần 1.2 25 30 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 35 Một số mơ hình thu phát FD Hình 1.1 ba cấu trúc hệ thống FD so sánh với hệ thống HD bao gồm cấu trúc chuyển tiếp, cấu trúc chiều cấu trúc trạm gốc HD: Khe thời gian lẻ Tập …, Số HD: Khe thời gian chẵn FD: Mọi khe thời gian (a) Cấu trúc chuyển tiếp đủ lớn Vì vậy, việc thực tốt kỹ thuậtHD: để Khecông thời gian lẻ triệt nhiễu tự giao thoa cho truyền thông song băng tần, nhà sản xuất cần thực tốt việc hạn chế lỗi phần cứng nhằm làm giảm tác động tới phẩm chất hệ thống, từ tạo tính khả thi cho truyền thơng song công băng tần (b) Cấu trúc chiều HD: Khe thời gian lẻ HD: Khe thời gian chẵn TÀI LIỆU THAM KHẢO Lý tưởng (mô phỏng) Lý tưởng (lý thuyết) Không lý tưởng (mô phỏng) Không lý tưởng (lý thuyết) -3 10 Tổng quan truyền dẫn song công băng tần HD: Khe thời gian chẵn FD: Mọi khe thời gian FD: Mọi khe thời gian 40 b) SEP hệ thống theo SNR Xác suất lỗi ký hiệu (c) Cấu trúc trạm gốc Hình 3.7: OP hệ thống AF-FDR chiều Hình minh hai họa phẩm chất lỗi ký hiệu h, sử dụng điều chế BPSK với Ba ví dụ cấu trúc hệ thống FD    dẫn thấp ( (tứcảnh hưởng    Hình 3.7(a) cho thấy, với tốc độ truyền R = 2), Trong đó, đường lý thuyết thể kết biểu phần cứng không lý tưởng đến thông lượng không đáng kể Nhưng tốcthức độ Ta thấy rằng, thấp (dưới ) sai khác phân tích lý thuyết kết 22 mô lớn Nhưng vùng ) kết tính tốn hồn tồn với kết mô Đồng thời, với , hệ thống với lỗi phần cứng có cao 10 lần so với hệ thống Hình 1.1: Bahaiví dụ cấu trúc hệ thống FD Cấu trúc chiều mô tả cấu trúc chiều, luồng liệu gửi từ thiết bị đầu cuối A đến thiết bị đầu cuối B luồng liệu gửi từ B A Nếu A B hoạt động chế độ bán truyền từ A đến B xảy đồng thời với thông tin truyền từ B A Hơn nữa, hai luồng thông tin phải thực khe thời gian Các biện pháp triệt nhiễu hệ thống MIMO song cơng 1.3 Như trình bày ấn đề ố ệ ố ả Các biện pháp triệt nhiễu hệ thống FD ỏ đượ ự ễ đầu phát sang đầ ệ ụ đặ ế ế Vấn đề sống hệ thống FD ệlà ựphải loại bỏ nhiễu tự giao thoa ật toán để ễ (SI) từ mạch phát sang mạch thu ấtrên thiết ốbị Nhiệm vụ đặt Trướ ủ ộ ế ị đầ để thiết kế mạch thuật tốn để trừ khử tín hiệu SI Hình 1.2 cấu ả ỏ ễ ấ ế ị đầ ố trúc thiết bịăng đầu cuối FD ăng-ten riêngềubiệt phát ệ ớdùng ều ăng ăng với nhiều rườ ăng-ten ợ nhiều ăng-ten thu Trường hợp dùng chung ăng-ten thay cặp ăng-ten dùng chung ăng ỗ ặp ăng ằ ộ ề thu phát (circulator) ắ dẫn ới ăng sóng ten chung cấ ởrồi gắn với ăng-ten dùng chung b Xác suất lỗi ký hiệu Định lý 3.5: Biểu thức gần SEP cho hệ thống chuyển tiếp AF-FDR hai chiều có dạng: SEPS2 √ α β √ ≈ 2π − Thiết bị đầu cuối IBFD N chuỗi phát DAC − HPA Chuỗi bit truyền Mạch triệt nhiễu Điều khiển triệt nhiễu Tia trực tiếp Vùng tán xạ gần + N chuỗi thu 2π − β 2π erf β + 2C2 + 2d 2A2 exp − β+2C 2d √ d(β + 2C2 ) + A2 β + 2C2 β + 2C2 + 2d 2d 2π erf β + 2C2 β + 2C2 2d −2d 2B2 (β + 2C2 + d)exp − β+2C 2d √ (β + 2C2 − 2d)2 d3 3B2 (β + 2C2 − 2d)2 2π erf β + 2C2 − 2d β + 2C2 − 2d 2d (3.9) Nhiễu tổng cộng Chuỗi bit nhận ADC LNA Tín hiệu thu mong muốn đó, erf hàm lỗi (error function) xác định erf(x) = Miền số Miền tương tự Miền truyền sóng Cấumột trúc thiết bị cuối cuối IBFD với ăngvới ăng-ten thu phát riêng Hình 1.2: Cấu trúc thiết bịđầuđầu FD ấ ề ỗ ố, sau đưa ộ ầ ầ ố ền mã hóa điề ế ển đổ ố tương tự DAC để đổ ầ 1.3.1 Triệt nhiễu miền truyền sóng ợ , ếch đạ ấ ứ ăng ế ệu không lý tưởng Propagation-Domain tác độ ủ Cơng nghệ triệtự nhiễu miền truyền sóng (PDSIS: Selfế ố tạp âm lượ ộ cách lyộ (isolation) ạo dao độ Interference Suppression) nhằmử mục đích điện từ trường từ chuỗi phát sang chuỗi thu, tức loại bỏ SI trước vào mạch chuỗi thu Trong hệ thống ăng-ten riêng biệt, PDSIS thực cách kết hợp biện pháp suy hao đường truyền, phân cực chéo ăng-ten định hướng Trong đó, hệ thống ăng-ten dùng chung sử dụng dẫn sóng √2 π x e−t dt 3.2.3 Phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống AF-FDR hai chiều Định lý 3.6: Phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống AF-FDR hai chiều xác định bởi: √ ˜ R P + σR −2dR (1 − xd)(Ω )+ ∆ , λ = ˜ R P + σ ) + 2d1 (Ω ˜ P + 2σ ) −4dR (1 − xd)(Ω R ∗ (3.10) ˜ R P + σR ˜ P + 2σ12 ) với ∆ = 2d1 dR (1 − xd)(Ω )(Ω 3.2.4 Kết tính tốn số thảo luận Kỹ thuật triệt nhiễu miền tương tự (ADSIC: Analog-circuit-Domain SelfInterference Cancellation) nhằm khử SI phần mạch tương tự, trước mạch ADC Việc khử thực trước sau mạch đổi tần xuống mạch LNA Hình 1.2 cho thấy ví dụ ADSIC, tín hiệu phát ăng-ten phát dẫn, xử lý điện tử mạch tương tự trừ tín Hình 3.6(a) minh họa OP sử dụng không sử dụng phân bổ công suất tối ưu theo tỉ số tín/tạp trung bình Trên Hình 3.6(a), đồ thị biểu diễn kết phân tích sử dụng biểu thức (3.7) cho hệ thống không lý tưởng, đường xấp xỉ thể kết biểu thức (3.8), với HI k1 = k2 = kR = 0.1, RSI ˜ = −30 dB Hình 3.6(a) cho thấy mức độ ảnh hưởng lớn phần cứng không Ω lý tưởng đến OP hệ thống, đặc biệt vùng SNR cao (trên 30 dB) phần cứng không lý tưởng kết hợp với RSI, làm cho OP sớm đạt mức bão hòa Trong đó, với phần cứng lý tưởng, OP tiếp tục giảm tăng SNR Mặt khác, phân bổ công suất tối ưu cho độ lợi đáng kể so với trường hợp ngẫu nhiên, đặc biệt cho 21 1.3.2 Triệt nhiễu miền tương tự RX h 11 y1(t ) TX h 1R RX s1(t ) + h1(t ) y R (t )  TX h RR h R1 h R2 s R (t ) + hR (t ) S1 h 2R TX hiệu qua ăng-ten thu để khử SI Việc dẫn tín hiệu phát tới ăng-ten phát theo đường gần mang lại nhiều ưu điểm hạn chế tạp pha dao động không lý tưởng, méo phi tuyến HPA Tương tự, việc bố trí điểm SIC gần ăng-ten thu có ưu điểm hạn chế sử dụng nhiều mạch phần cứng q trình xử lý tín hiệu với dải động cao s2 (t ) + h2 (t ) RX h 22 y2 (t ) S2 R 1.3.3 Triệt nhiễu miền số Hình 3.5: Mơ hình hệ thống chuyển tiếp AF-FDR hai chiều với phần cứng không lý tưởng 3.2.2 Phân tích phẩm chất hệ thống a Xác suất dừng 1.4 – Biểu thức xác OP Định lý 3.4: Xác suất dừng S2 hệ thống AF-FDR hai chiều ảnh hưởng HI RSI xác định theo biểu thức sau: S2 Pout Với A2 D2 M2 =  1 − 1−xd 1+C2 x A2 x exp − 1−xd − B2 x (1−xd)2 √ √ M K1 M , x < 1/d, 1, x (3.7) 1/d ′ t2 (Ω2 P2 d2 + Ω1 P1 d1 ) tR d R 2P2 t2 d d1 d Ω2 P2 − dΩ1 P1 + ; B2 ; C2 ; Ω1 P1 Ω P1 Ω2 PR Ω1 P1 PR Ω P1 t2 d1 (PR tR dR + P2 t2 d2 ) t2 t R P2 t22 d21 d′ ; ; E2 ; F2 Ω1 P1 Ω2 PR2 Ω1 P1 Ω2 PR2 Ω P1 Ω P R E2 x F2 x + C2 x D2 x3 + + · (1 − xd)3 (1 − xd)2 − xd − xd Để thu biểu thức dạng đơn giản OP (3.7), phần này, luận án đưa biểu thức xấp xỉ OP trường hợp công suất phát đủ lớn − xd A2 x B x2 exp − − + C2 x − xd (1 − xd)2 ≈ − exp −(d + C2 )x + A2 x exp(−C2 x) + B2 x2 exp(d − C2 )x 20 (3.8) Các tham số phân tích phẩm chất hệ thống Xác suất dừng (OP: Outage Probability), thông lượng hệ thống (system throughput), xác suất lỗi ký hiệu (SEP: Symbol Error Probability) tham số quan trọng sử dụng cho đánh giá phẩm chất hệ thống vô tuyến, làm sở cho nội dung 1.6 – Biểu thức xấp xỉ OP Kỹ thuật chuyển tiếp Chuyển tiếp trình sử dụng thiết bị trung gian để truyền tin từ máy phát đến máy thu nhằm mở rộng vùng phủ sóng, tăng cường độ tin cậy, nâng cao tốc độ truyền tin, khắc phục tượng che khuất, suy hao truyền dẫn Dựa theo tiêu chí kỹ thuật, tức kỹ thuật xử lý nút chuyển tiếp chuyển tiếp phân thành hai loại: giải mã chuyển tiếp (DF: Decodeand-Forward) khuếch đại chuyển tiếp (AF: Amplify-and-Forward) 1.5 ′ S2 −ap Pout ≈1− Mục đích kỹ thuật SIC miền số (DDSIC: Digital-Domain Self - Interference Cancellation) loại bỏ SI sau mạch ADC cách áp dụng kỹ thuật DSP đại cho tín hiệu thu Ưu điểm việc xử lý tinh vi tương đối dễ thời đại ngày Chẳng hạn chùm tín hiệu thu (nơi tín hiệu thu ăng-ten xác định thơng qua độ lợi thích ứng riêng rẽ trước kết hợp lại nhau) thực miền tương tự, thực tế thực miền số phổ biến hơn, ràng buộc độ phức tạp mạch công suất tiêu thụ Kết luận chương Chương trình bày kiến thức chung truyền thông FD, số mơ hình thu phát sử dụng thiết bị FD Đồng thời đề cập biện pháp SIC cho thiết bị FD nhằm giảm ảnh hưởng SI đến phẩm chất hệ thống Bên cạnh đó, vấn đề chung kỹ thuật chuyển tiếp DF, AF phân tích để làm rõ hoạt động nút chuyển tiếp Mặt khác, số định nghĩa biểu thức cho phân tích phẩm chất hệ thống đề cập Đó sở để tính tốn, phân tích phẩm chất hệ thống chương Fig.2 Fig.3 Chương Thông lượng hệ thống (bit/s/Hz)   Đánh giá, nâng cao phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR với phần cứng lý tưởng Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR chiều trường hợp có đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích Fig.5 2.1.1 Mơ hình hệ thống  2.1 Mơ hình hệ thống chuyển tiếp AF-FDR có đường trực tiếp minh họa Hình 2.1 Nút nguồn S phát tín hiệu tới nút đích D qua hai tuyến: qua nút chuyển tiếp R qua đường trực tiếp từ S tới D Trong đó, S D thiết bị có ăng-ten sử dụng cho phát thu hoạt động chế độ HD Trong đó, R có hai ăng-ten, sử dụng cho thu sử dụng cho phát Chú ý rằng, luận án xem xét trường hợp R có hai ăng-ten để đảm bảo trình SIC hiệu hơn, thực tế, R dùng ăng-ten chung cho thu phát sS (t ) h SR S y D (t ) h SD y R (t ) h h RR RD s R (t ) D f f R Hình 2.1: Mơ hình hệ thống chuyển tiếp AF-FDR có đường trực tiếp Khơng lý tưởng (mô phỏng) Không lý tưởng (lý thuyết) Lý tưởng (mô phỏng) Lý tưởng (lý thuyết Fig.4 Fig.3 5   10 Xác suất lỗi ký hiệu (SEP) Fig.2 Không tối ưu (mô phỏng) Không tối ưu (lý thuyết) Tối ưu (mô phỏng) Tối ưu (lý thuyết) -1 10 4   =-10dB  R -2 10 2 10 0  =-30dB  R -3 -4 10 15 20 25 30 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 35 10 40 10 20 30 40 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 50 b) SEP hệ thống khảo sát a) Thông lượng hệ thống khảo sát Fig.5 lượng SEP hệ thống AF-FDR ảnh hưởng Hình 3.4: Thơng HI RSI ràng thấy rằng, với hệ thống truyền dẫn tốc độ thấp (R = 2), thơng lượng đạt tới đích tỉ số SNR khoảng 25 dB Đối với hệ thống truyền dẫn tốc độ cao hơn, thông lượng đạt tới đích R = SNR = 40 dB R = SNR > 40 dB Hình 3.4(b) minh họa xác suất lỗi ký hiệu SEP hệ thống với giá trị ˜ R = −10, −30 dB, k1 = kR = 0.1, sử dụng điều chế BPSK khác RSI, Ω kết hợp với sử dụng không sử dụng phân bổ công suất tối ưu Trong hình này, đường lý thuyết thể kết phân tích biểu thức (3.5) Định lý 3.2 Chú ý rằng, sai số kết phân tích mơ nhỏ ˜ R = −10 dB), bỏ qua, đặc biệt vùng SNR cao Rõ ràng rằng, RSI lớn (Ω phẩm chất SEP tiến tới sàn lỗi (khoảng SNR = 20 dB) không sử dụng công ˜ R = −30 dB), sàn lỗi SEP xuất muộn suất tối ưu Khi RSI nhỏ (Ω (khoảng SNR = 35 dB) Vì vậy, để giảm độ phức tạp cho hệ thống truyền thông FD, nhà thiết kế vơ tuyến sử dụng cơng suất phát nút chuyển tiếp phù hợp tùy thuộc vào RSI đo lường thử nghiệm sau toàn kỹ thuật triệt nhiễu SIC 3.2 Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp AF-FDR hai chiều trường hợp có HI RSI 3.2.1 Mơ hình hệ thống Trên sở mơ hình hệ thống, luận án xác định biểu thức tín hiệu thu nút chuyển tiếp nút đích Từ đó, tìm biểu thức tỉ số tín hiệu tạp âm cộng nhiễu (SINR: Signal-to-Interference plus-Noise Ratio) làm sở xác định biểu thức phân tích phẩm chất hệ thống Trên sở HI tích hợp trình bày phần trước, ta xây dựng mơ hình hệ thống chuyển tiếp AF-FDR hai chiều với HI RSI Hình 3.5 19    Bởi SNR > 40 dB, RSI ảnh hưởng lớn đến phẩm chất hệ thống, làm cho OP tiến tới khu vực bão hòa khơng sử dụng phân bổ cơng suất tối ưu Vì vậy, kỹ thuật hành loại bỏ hoàn toàn SI gây nên  thiết cho truyền chế độ FD, việc phân bổ công suất tối ưu vô cần thông FD Đồng thời, giá trị cơng suất tối ưu sử dụng cho hệ thống lý tưởng cách chọn k1 = kR = biểu thức (3.6) 0 3 -2 -1 10  -2 10 Outage Probability (OP) 4 0.015 0.01 0.005 0.3 2 0.2 -3 -3 0.05 0.1 0.15 k Áp dụng bước biến đổi toán học, luận án đưa biểu thức xác suất dừng hệ thống AF-FDR thông qua Định lý 2.1 sau Định lý 2.1: Biểu thức OP hệ thống truyền thông hợp tác AF-FDR sử dụng Gf (ký hiệu Poutf ) Gv (ký hiệu Poutv ) biểu diễn sau: 0.02 10 10 a Xác suất dừng 10 5 -1 10 2.1.2 Phân tích phẩm chất hệ thống 10 Xác suất dừng (OP) Tối ưu (mp) Tối ưu (lt) Không tối ưu (mp) Không tối ưu (lt) Outage Probability (OP) Xác suất dừng (OP) 10  0.2 0.25 0.3 10 a) Ảnh hưởng HI lên OP hệ thống RSI cố định 0.05 0.1 k 0.1 0.15 k Impairments (Sim) Impairments (Theory) 0.2 0  W 0.25 0.1 0.3 R N -2 -3 10 b) Ảnh hưởng đồng thời HI RSI lên OP hệ thống Hình 3.3: OP hệ thống AF-FDR ảnh hưởng HI RSI Hình 3.3 khảo sát phẩm chất OP theo HI cố định RSI (Hình 3.3(a)) theo HI RSI (Hình 3.3(b)) Với hệ thống truyền dẫn tốc độ thấp, (R = 2, bit/s/Hz) hệ số méo dạng nhỏ, ảnh hưởng phần cứng không lý tưởng nhỏ Tuy nhiên, tốc độ truyền dẫn tăng lên (R = 4, bit/s/Hz), ảnh hưởng phần cứng không lý tưởng đáng kể hệ số méo dạng ˜ R = 0, phẩm chất nhỏ (k = 0.1) (Hình 3.3(a)) Với Hình 3.3(b), k = Ω hệ thống khảo sát trở thành phẩm chất hệ thống HD với phần cứng lý tưởng Trong trường hợp này, ta thu OP = g(0, 0) = 3.10−4 Tương tự, k = ˜ R = 0, hệ thống khảo sát trở thành hệ thống HD với HI Trong trường hợp k = Ω ˜ R = 0, hệ thống khảo sát trở thành hệ thống FD lý tưởng Thật bất ngờ Ω ảnh hưởng HI mạnh RSI đến phẩm chất OP hệ thống (Hình 3.3(b)) Chẳng hạn ta có g(0.02, 0.1) = 0.0031 g(0.1, 0.02) = 0.0066 Ở đây, ta sử dụng công suất tối ưu nút chuyển tiếp FDR, vậy, ảnh hưởng RSI giảm đáng kể so với ảnh hưởng HI đến phẩm chất OP hệ thống Hình 3.4(a) so sánh thông lượng hệ thống lý tưởng không lý tưởng sử ˜ R = −30 dB Rõ dụng công suất tối ưu với R = 2, 4, bit/s/Hz; k1 = kR = 0.1; Ω 18 = − exp(−bf x) − 10 0.3 0.2 Poutf = Pr{γf < x} = Pr{γSD + γSRDf < x} -1 10 Impairments (Simulation) Impairments (Theory) 0.05 0.1 0.15 k 0.2 0.25 0.3 π bf x exp(−bf x) N n=1 − φ2n G(u), Poutv = Pr{γv < x} = Pr{γSD + γSRDv < x}  1 − av exp(−bv x) − bv exp(−av x) , av = b v , av −bv bv −av ≈ 1 − b x exp(−a x) − exp(−b x), a = b , v v v v v (2.2) N tham số trả giá độ phức tạp tính tốn, φn = cos u= x (φn + 1), af = 2 σRSI +σR Ω1 P S − σD Ω3 P S G(u) = 2exp(−af u) , bf = σD Ω3 P S 2 σRSI +σR Ω1 P S , av = σD u K1 Ω1 Ω2 PS G2f + σD Ω2 P R σD u Ω1 Ω2 PS G2f (2.1) , bv = (2n−1)π 2N σD Ω3 P S , , (2.3) b Xác suất lỗi ký hiệu Biểu thức SEP hệ thống AF-FDR xác định qua Định lý 2.2 sau Định lý 2.2: Biểu thức SEP hệ thống hợp tác AF-FDR với hệ số khuếch đại cố định (SEPf ) hệ số khuếch đại thay đổi (SEPv ) cho bởi: SEPf = √ bf α β √ −√ − 2N β β + 2bf π Γ M , Γ 2  √ α β  √ bv  √1 − av −b − √ av v β β+2av β+2bv √ SEPv =  b v  α β √1 − √ , −√ β β+2bv (β+2av ) , a v = bv , a v = bv , (2.4) (2.5) n=1 χ= χ2 χ2 ϕ− W − , , 2 2ϕ ϕ − φ2n exp σD (1 + φn ) + φn β ; ϕ = af + bf + , 2Ω1 Ω2 PS G2f 2 (2.6) -1 x  -2 Không lý tưởng (mô phỏng) Không lý tưởng (lý thuyết) Lý tưởng (mô phỏng) Lý tưởng (lý thuyết c.xác) Không LT (lý thuyết x.xỉ) 10 -3 10 15 20 25 30 10 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) Định lý 2.3: Giá trị công suất tối ưu nút chuyển tiếp FDR cho bởi: x  31 -1 10 x 3 -2 10 -3 35 10 40 a) So sánh OP hệ thống HI lý Fig.2 Fig.2 tưởng 2.1.3 Lựa chọn công suất tối ưu cho truyền thông FD Ω1 PS σ D ˜ Ω2 ΩR 10 10 (2.7) W hàm Whittaker PR∗ = P0 = Xác suất dừng (OP) N M= x  31 10 Xác suất dừng (OP) 10 20 30 40 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 50 b) Độ lợi sử dụng công suất tối ưu Fig.3 Hình 3.2:  OP hệ thống AF-FDR với HI        (2.8) Tối ưu (mô phỏng) Tối ưu (lý thuyết) Không tối ưu (mô phỏng) Không tối ưu (lý thuyết) 3.1.4 Kết tính tốn số thảo luận trường hợp RSI cố định SNR thay đổi Hình 2.2 cho thấy, hệ thống tồn đường trực tiếp, phẩm chất hệ thống cải thiện đáng kể Ngoài ra, OP không đạt đến sàn lỗi với mức RSI ngưỡng khảo sát Chẳng hạn, RSI lớn ( σσRSI = 25 dB), OP hệ thống tiếp tục giảm SNR tăng Chú ý rằng,  Hình 3.2(a) minh họa OPhệ thống theo SNR trung bình với hai tốc độ tối thiểu R = R = bit/s/Hz Do đó, mức ngưỡng khảo sát cho OP tương ứng x = 22 − = x = 25 − = 31 Trong đó, đường thể kết phân tích sử dụng biểu thức (3.3) Định lý 3.1, ký hiệu (maker symbols) thể kết mô Dễ thấy rằng, với tốc độ truyền dẫn thấp (R = Fig.5 chất suy hao phần cứng không lý tưởng nhỏ Fig.5 bit/s/Hz), phẩm bỏ qua Nhưng truyền dẫn với tốc độ cao (R = bit/s/Hz) phần phẩm ˜ R PR , nên chất suy hao lớn bỏ qua Đồng thời, σRSI =Ω công suất phát nút chuyển tiếp tăng lên, dẫn tới làm tăng RSI, tức SNR tăng kéo theo RSI tăng lên Do vậy, tùy thuộc vào tốc độ truyền dẫn liệu hệ thống để lựa chọn thiết bị vô tuyến phù hợp, nhằm tránh suy hao phẩm chất, đặc biệt cho hệ thống truyền dẫn tốc độ cao Ngoài ra, vùng SNR cao, phẩm chất OP hệ thống lý tưởng không lý tưởng đạt đến bão hòa Để giải vấn đề việc sử dụng phân bố cơng suất tối ưu quan trọng hệ thống FD Hình 3.2(b) phẩm chất OP hệ thống không lý tưởng trường hợp sử dụng không sử dụng công suất tối ưu nút chuyển tiếp Giá trị công suất tối ưu xác định theo biểu thức (3.6) giá trị khơng tối ưu sử dụng PR = P1 Rõ ràng thấy rằng, SNR thấp 35 dB, độ lợi thu việc phân bổ công suất tối ưu so với không sử dụng không đáng kể Nhưng vùng SNR cao (trên 35 dB), công suất tối ưu giúp OP hệ thống giảm tránh sàn lỗi gây nên RSI 17 2.1.4 Kết tính toán số thảo luận Trong phần này, luận án đánh giá phẩm chất hệ thống thông qua kết tính tốn số, kết hợp với mơ Monte Carlo để minh chứng đắn kết phân tích Độ lợi trung bình kênh truyền Ω1 = Ω2 = công suất tạp âm σR2 = σD2 = Tham số trả giá độ phức tạp tính tốn N = 20 Trong tỉ số tín/tạp định nghĩa SNR = PS /σR2 Chú ý không sử dụng công suất tối ưu, công suất nút chuyển tiếp đặt PR = PS Khi sử dụng công suất tối ưu, công suất nút chuyển tiếp thay đổi theo biểu thức tối ưu xác định Mặt khác, ký hiệu “opt” hình biểu thị sử dụng cơng suất tối ưu nút chuyển tiếp Hình 2.2 mơ tả xác suất dừng hệ thống khảo sát theo SNR trung bình, sử dụng biểu thức Định lý 2.1 Tốc độ truyền dẫn hệ thống R = bit/s/Hz, từ ta có x = 2R − = Do khoảng cách từ S tới D xa so với từ S tới R hay từ R tới D, nên độ lợi trung bình kênh truyền từ S tới D chọn Ω3 = 0.1 nhỏ so với Ω1 Ω2 (Ω1 = Ω2 = 1) Chúng khảo sát công = −5, 5, 15, 25 dB Chú ý rằng, suất RSI với giá trị khác σσRSI R R 0 10 10 h 1R s1(t )  1(t ) RR TX RX h R2 s R (t )  R (t ) y R (t ) y2 (t ) R S1 S2 -1 10 Xác suất dừng (OP) RX h Xác suất dừng (OP) -1 TX -2 10 RSI R2 -3 -4 35 ≈ 1, x < 1/d, x 1/d, b Xác suất lỗi ký hiệu ≈   A1 x , 1−xd 1, x < 1/d, x           Định lý 3.2: Biểu thức xấp xỉ SEP hệ thống AF-FDR ảnh hưởng với C1 = erf(z) = β 2d √2 π  (3.5)      PR∗ = Ω1 P1 σ22 d1 ˜ R dR Ω2 Ω 16   (3.6)  dB   30, 10,  R  -3 10 10 -3 10 G thay đổi (mô phỏng) G thay đổi (lý thuyết) G thay đổi (mô phỏng, opt) G thay đổi (lý thuyết, opt) -4 10 10 20 30 40 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 50   30 dB 1: R   10 dB 2: R   dB 3: R -2 G cố định (mô phỏng) G cố định (lý thuyết) 10 20 30 40 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 50 b) Hệ số khuếch đại thay đổi a) Hệ số khuếch đại cố định biểu thức:  Định lý 3.3: Giá trị công suất tối ưu nút chuyển tiếp FDR cho 10 -4 e−t dt 3.1.3 Phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống AF-FDR chiều -2 10 − 1; erf(·) hàm lỗi (error function) xác định biểu thức z 10 Xác suất dừng (OP) Xác suất dừng (OP)  -1 -1 HI RSI cho  40 10 10          35   R 10  10 15 20 25 30 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) dụng Gv tốt đáng kể so với trường hợp sử dụng Gf Tuy nhiên, RSI lớn hơn, chẳng hạn σσRSI = 15, 25 dB, phẩm chất OP sử dụng Gv Gf R (3.4) 1/d √ √ √ √ α βA1 π erf( C1 ) − C1 exp(−C1 ) SEP ≈ 2 2π(C1 d) α − erf(C1 + 1) , + kết phân tích lý thuyết trùng khớp với kết mô trường hợp hệ số khuếch đại cố định Với trường hợp hệ số khuếch đại   thay   đổi, có            toàn phù sai số nhỏ     hai kết này, nhiên vùng SNR cao hoàn       = −5, dB , phẩm chất OP sử hợp Mặt khác, RSI nhỏ, chẳng hạn σσRSI   Biểu thức xấp xỉ OP xác định sau:  A1 x 1 − e− 1−xd , G thay đổi (mơ phỏng) G thay đổi (lý thuyết Hình 2.2: Phẩm chất hệ thống khảo sát theo SNR – Biểu thức xấp xỉ OP 1,ap Pout  -5, 5, 15, 25 dB b) Hệ số khuếch đại thay đổi a) Hệ số khuếch đại cố định phần cứng tiếp FDR tưởngmột chiều Hình 3.1: Mơ hìnhHệhệthống thống chuyển chiều với phần cứng không lý tưởng R2 10 10 40 RSI -3 -4 20 25 30 10 15 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB])   G cố định (mô phỏng) G cố định (lý thuyết)              -2 10   -5, 5, 15,  25 dB  10 10 10 Hình 2.3: OP hệ thống RSI thay đổi theo công suất phát        RSI thay đổi theo Hình 2.3 cho thấy OP hệ thống AF-FDR trường hợp ˜ R = −30, −10, dB Rõ công suất phát nút chuyển tiếp, với Ω3 = 0.01 Ω    ˜ R PR ràng rằng, ảnh hưởng RSI tăng theo công suất phát σRSI =Ω      Vì thế, SNR trung bình tăng, tức công suất phát PR R tăng, gây nên   giá trị σRSI tăng theo tương ứng Ta thấy Ω3 nhỏ, tức đường 0 -1 -1 10 10 trực tiếp từ S tới D bỏ qua, OP hệ10 thống tiến tới sàn lỗi vùng SNR cao PR = PS Để nâng cao phẩm chất10 hệ thống, tránh tượng sàn10lỗi, 10 Chương luận án sử dụng phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp Hình 2.3(b)      10    cho thấy, trường    hợp hệ số khuếch 10đại thay đổi, việc sử dụng công  10  Đánh giá, nâng cao phẩm chất mạng chuyển tiếp      10     suất tối ưu cho chế độ FD, phẩm chất OP cải thiện đáng kể Mặt khác,   FDR với phần cứng không lý tưởng Variable Gain (Sim, No-op) 10 ˜ R = −30 dB, độ 10lợi đạt sử dụng giá trị công RSI nhỏ, chẳng hạn Ω 10 Variable Gain (Theo, No-op) Variable Gain (Sim, op) Variable Gain (Sim) Gain (Sim) suất tối ưuFixed yếu vùng SNR cao Tuy nhiên, 3.1 Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp AF-FDR Variable Gain (Theo) RSI trở nên mạnh hơn, Variable Gain (Theo, op) Fixedchủ Gain (Theo) 10 10 10 20 30 40 50 40 10 15 20 25 30 35 25 30 35 40 ˜ 10 15 chẳng hạn ΩR = Average −1020SNRdB , phẩm chất OP sử dụng giá trị công suất tối ưu Average SNR [dB] Average SNR [dB] [dB] chiều trường hợp có HI RSI tốt nhiều so với trường hợp không sử dụng giá trị -2 -3 Outage Probability (OP) Outage Probability (OP) Outage Probability (OP) -1 -2 -3 -2 -3 -4 -4 -4 3.1.1 Mơ hình hệ thống   3  0.01   -2 10   -20 dB,  R -3 10 3  0.1 -4 10 G cố định (mô phỏng) G cố định (lý thuyết) G thay đổi (mô phỏng) G thay đổi (lý thuyết) G thay đổi (m.phỏng, opt) G thay đổi (l.thuyết, opt) -5 10 -6 10 10 15 20 25 30 35 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 10 -1 10 Xác suất lỗi ký hiệu (SEP)    Xác suất lỗi ký hiệu (SEP) 10 Symbol Error Probability (SEP) -1 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 40 45 10 50 14 10   -10 dB,  R G cố định (mô phỏng) Fixed Gain (Sim) G cố định (lý thuyết) Fixed Gain (Theo) Variable Gain (Sim, G thay đổiNo-op) (mô phỏng) G thay đổi (lý thuyết) Variable Gain (Theo, No-op) G thay đổiop) (m.phỏng, opt) Variable Gain (Sim, G thay đổi (l.thuyết, opt) Variable Gain (Theo, op) -1 10 -2 10   -10 dB,     R -3 10 -4 10 -5   -20 dB,    R  3  0.1  3  0.01 10 10 10 20 20 30 30 40 40 TỉAverage số tín/tạpSNR trung[dB] bình (SNR [dB]) 50 50 b) Cơng suất phát nút FDR cố định PR /σD = 25 dB không tối ưu a) Công suất phát nút FDR thay đổi PR = PS khơng tối ưu Hình 2.4: SEP hệ thống khảo sát với giá trị khác PR Hình 2.4 biểu diễn SEP hệ thống AF-FDR theo SNR trung bình nút chuyển tiếp, sử dụng điều chế BPSK (α = 1, β = 2) phân bổ công suất tối ưu Đường biểu diễn SEP lý thuyết sử dụng biểu thức (2.4) cho Gf biểu thức (2.5) cho Gv Chúng khảo sát hai trường hợp cho độ lợi trung bình đường ˜ R = −20 dB, Ω3 = 0.1 Ω ˜ R = −10 dB, Ω3 = 0.01 Ngoài ra, trực tiếp RSI với Ω SEP sử dụng công suất tối ưu (PR theo biểu thức (2.8)) so sánh với SEP không sử dụng công suất tối ưu (PR = PS ) để minh chứng hiệu thuật tốn phân bổ cơng suất đề xuất, đặc biệt vùng SNR cao Khi ˜ R = −10 dB, Ω3 = 0.01, SEP sử dụng cơng xác suất lỗi đích SEP = 10−4 với Ω suất tối ưu có độ lợi gần 12.5 dB so với trường hợp không sử dụng giá trị Khi RSI giảm xuống độ lợi kênh truyền trực tiếp tăng lên, chẳng hạn ˜ R = −20 dB, Ω3 = 0.1, sử dụng công suất tối ưu lợi khoảng dB Ω SEP = 10−6 Mặt khác, trường hợp công suất phát nút chuyển tiếp 10 12 10   Xét hệ thống liên lạc điểm – điểm với phần cứng lý tưởng (gọi tắt hệ thống lý tưởng), đầu cuối có ăng-ten dùng cho thu phát tín hiệu chế độ HD, tín hiệu thu có dạng sau: 0 (3.1) y = hs + z, 10 -6 Achievable Capacity (bit/s/Hz) 10 10 Trong hệ thống vô tuyến thực tế, máy thu phát chịu ảnh hưởng phần Variable Gain (Sim, op) Gain (Theo,do op) lỗi sản xuất, đặc biệt thiết bị giá thành thấp cứng hệVariable thống 50 20 30 40 Average SNR [dB] nút chuyển tiếp Do vậy, biểu thức tín hiệu thu cho hệ thống với phần cứng khơng lý tưởng có dạng sau (3.2) y = h(s + η) + z, với η biểu diễn phần cứng không lý tưởng tổng hợp máy phát máy thu, η ∼ CN(0, k2 P ) Trên sở đó, ta xây dựng mơ hình hệ thống chuyển tiếp FDR chiều với HI RSI Hình 3.1 sau 3.1.2 Phân tích phẩm chất hệ thống a Xác suất dừng – Biểu thức xác OP Định lý 3.1: Biểu thức xác OP hệ thống AF-FDR chiều (ký hiệu Pout ) ảnh hưởng HI RSI xác định sau: Pout Trong A1 =  A1 x 1 − 2e− 1−xd 1, t R dR Ω1 P + σ2 d1 ; B1 Ω2 P R B1 (x+x2 ) K1 (2 (1−xd)2 B1 (x+x2 ) ), (1−xd)2 x < 1/d, x σ2 tR Ω1 Ω2 P P R 15 1/d (3.3) 0 10 TX 10 PR/σ2  = 50 dB  4QAM Xác suất lỗi ký hiệu (SEP) Xác suất lỗi ký hiệu (SEP)  -1 10 BPSK -2 10 TH A (mô phỏng) TH A (lý thuyết) TH B (mô phỏng) TH B (lý thuyết)  -3 10 35 a) SEP điều chế BPSK 4-QAM h RD RX -1 -2 10 -3 10 10 40 RX h RR TX 10 -4 10 15 20 25 30 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) h SR PR PS S R D TH A (mô phỏng) TH A (lý thuyết) TH B (mô phỏng) TH B (lý thuyết) 10 20 30 40 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) Hình 2.5: Mơ hình hệ thống truyền thông FD-V2V 50 b) So sánh SEP PR = PS PR /σ = 50 dB Hình 2.7: SEP hệ thống FD-V2V hợp B gần đạt bão hòa SNR = 40 dB SEP trường hợp A tiếp tục giảm Cuối cùng, Hình 2.7(b) so sánh SEP hệ thống trường hợp PR = PS với trường hợp công suất phát nút chuyển tiếp cố định PR /σ = 50 dB Kết cho thấy rằng, sử dụng công suất phát cao nút chuyển tiếp giải pháp tốt để nâng cao phẩm chất hệ thống FD-V2V Bởi tăng cơng suất phát nút chuyển tiếp FDR, dẫn đến việc tăng RSI ˜ R Vì vậy, để nâng cao phẩm chất hệ thống FD-V2V, nhà nghiên σRSI = ΩP cứu thiết kế mạng vô tuyến cần lựa chọn công suất phát phù hợp nút chuyển tiếp FDR nhằm giảm ảnh hưởng RSI đến phẩm chất hệ thống 2.3 Kết luận chương Chương phân tích phẩm chất hệ thống chuyển tiếp FDR chiều trường hợp phần cứng hệ thống lý tưởng Trong đó, luận án tập trung phân tích hai kịch bản: có đường liên lạc trực tiếp khơng có đường liên lạc trực tiếp Trong kịch thứ nhất, phẩm chất hệ thống AF-FDR đánh giá qua kênh pha-đinh Rayleigh Đồng thời, tác giả đề xuất phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FDR nhằm nâng cao phẩm chất hệ thống Trong kịch thứ hai, luận án phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếp DF-FDR qua kênh pha-đinh Rayleigh kép Thông qua biểu thức giải tích xác suất dừng, xác suất lỗi ký hiệu, luận án đánh giá toàn diện phẩm chất hệ thống 14 cố định với PR /σD2 = 25 dB, SNR < 30 dB, SEP cho Gf Gv Hình 2.4(b) xấu so với Hình 2.4(a) Tuy nhiên, SNR > 30 dB, SEP Hình 2.4(b) trở nên tốt Mặt khác, trường hợp Gv , độ lợi sử dụng công suất tối ưu không nhiều so với khơng sử dụng giá trị Vì vậy, hệ thống FD tồn RSI lớn, việc sử dụng công suất phát nút FD phù hợp quan trọng, nhằm cải thiện phẩm chất hệ thống, đồng thời tiết kiệm lượng 2.2 Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR chiều trường hợp khơng có đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích 2.2.1 Mơ hình hệ thống Mơ hình hệ thống truyền thơng FD-V2V minh họa Hình 2.5 Tín hiệu truyền từ nút nguồn S tới nút đích D thơng qua nút chuyển tiếp R Do cự ly xa tượng che khuất, khơng có đường truyền trực tiếp từ S tới D, đồng thời CSI hoàn hảo cho tất nút hệ thống Để khảo sát phẩm chất hệ thống sát với điều kiện thực tế, luận án xem xét hai trường hợp: i) kịch pha-đinh thứ nhất: S trạm cố định (stationary) chẳng hạn trạm gốc (BS: Base Station) R D trạm di động (trường hợp A) Do đó, kênh truyền từ S tới R kênh pha-đinh Rayleigh kênh truyền từ R tới D kênh pha-đinh Rayleigh kép; ii) kịch pha-đinh thứ hai: tất nút trạm di động, tất kênh truyền mạng kênh pha-đinh Rayleigh kép 11 a Xác suất dừng Định lý 2.4: Xác suất dừng hệ thống truyền thông FD-V2V ảnh hưởng RSI kênh pha-đinh Rayleigh kép trường hợp A (ký hiệu A B ) cho bởi: Pout ) trường hợp B (ký hiệu Pout √ √ A Pout = − 2exp(−XA x) YA xK1 (2 YA x), B Pout =1−4 (2.9) √ √ XB YB x2 K1 (2 XB x)K1 (2 YB x), (2.10) -1 10 10 dSR  d RD  -2 TH A (mô phỏng) TH A (lý thuyết) TH B (mô phỏng) TH B (lý thuyết) Rayleigh pha-đinh 10 -3 10 dSR  d RD  -1 10     2; 3; 4; 5; -2 10 TH A (mô phỏng) TH A (lý thuyết) TH B (mô phỏng) TH B (lý thuyết) -3 10 15 20 25 30 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 35 10 40 a) OP hệ thống theo SNR trung bình với khoảng cách khác 10 15 20 25 30 Tỉ số tín/tạp trung bình (SNR [dB]) 35 40 b) Ảnh hưởng hệ số suy hao truyền dẫn đến OP Hình 2.6: OP hệ thống FD-V2V XA = Xác suất dừng (OP) 10 Xác suất dừng (OP) 2.2.2 Phân tích phẩm chất hệ thống  dϑSR (σRSI + σ2 ) dϑ σ XA ; YA = RD ; XB = ; YB = YA ; Ωi = E{|hi |2 } Ω PS Ω Ω4 PR Ω2 2.2.3 Kết tính tốn số thảo luận độ lợi trung bình kênh truyền i, tốn tử E biểu diễn phép lấy kỳ vọng; K1 (.) hàm Bessel sửa đổi bậc loại (the first order modified Bessel function of the second kind) Γ W hàm Gamma Whittaker; N tham số trả giá độ phức tạp tính tốn; y = 21 + 12 φn ; φn = cos (2n−1)π 2N Hình 2.6 minh họa phẩmchất    OP hệ thống FD-V2V theo tỉ số tín/tạp trung bình với khoảng cách hệ số suy hao truyền dẫn khác  Hình 2.6 cho thấy rõ ràng rằng, tất nút hệ thống bố trí cố định (trường hợp truyền qua kênh pha-đinh Rayleigh), phẩm chất hệ thống tốt đáng kể so với kịch tất nút di chuyển (trường hợp B) Ta thấy rằng, độ lợi SNR trường hợp A dB OP = 10−2 so với trường hợp B Ngoài ra, ảnh hưởng RSI mạnh vùng SNR cao Khi SNR > 35 dB, OP hệ thống khảo sát giảm chậm đạt tới sàn lỗi Mặt khác, suy giảm phẩm chất hệ thống qua kênh pha-đinh Rayleigh kép so với trường hợp truyền thông qua kênh pha-đinh Rayleigh kết hoàn toàn phù hợp với kết nghiên cứu trước Hình 2.7(a) cho thấy xác suất lỗi ký hiệu SEP hệ thống truyền thông FD-V2V theo SNR trung bình, sử dụng điều chế BPSK (α = 1, β = 2), 4QAM (α = 2, β = 1) Trên Hình 2.7(a), đường biểu diễn kết lý thuyết sử dụng biểu thức (2.11) (2.12) Định lý 2.5 cho trường hợp A B tương ứng, ˜ = −30 dB Dễ dàng nhận thấy rằng, vùng SNR với dSR = dRD = 1, ϑ = Ω thấp, phẩm chất SEP trường hợp A B khác không đáng kể Tuy nhiên, vùng SNR cao, suy giảm phẩm chất thể qua SEP trường hợp B so với trường hợp A rõ ràng Cụ thể, SEP = 10−2 , độ lợi mặt công suất phát SNR trường hợp A so với trường hợp B khoảng dB sử dụng điều chế BPSK 10 dB cho 4QAM Mặt khác, SEP trường 12 13 b Xác suất lỗi ký hiệu SEP cho hệ thống FD-V2V hai trường hợp khảo sát xác định theo Định lý 2.5 sau Định lý 2.5: Biểu thức SEP hệ thống truyền thông FD-V2V trường hợp A (ký hiệu SEPA ) trường hợp B (ký hiệu SEPB ) xác định sau: √ α β SEPA = √ 2π Γ 23 Γ 21 YA 2π − exp W− , 2 β β 2(X + β2 ) A XA + √ α β SEPB = √ 2π × K1 4π 2π − β Nβ − N n=1 − φ2n 2XB lny K1 β − − YA XA + β , (2.11) 2XB YB lny β 2YB lny β , (2.12) ... tuyến tương lai Do đề tài “ Nghiên cứu đánh giá nâng cao phẩm chất hệ thống vô tuyến chuyển tiếp song cơng băng tần mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học cao phù hợp với xu thời đại Kết nghiên. .. tích phẩm chất hệ thống chương Fig.2 Fig.3 Chương Thông lượng hệ thống (bit/s/Hz)   Đánh giá, nâng cao phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR với phần cứng lý tưởng Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp. .. khảo sát để đánh giá toàn diện hệ thống Từ đó, luận án đề xuất phân bổ cơng suất tối ưu để nâng cao phẩm chất hệ thống Kết cho thấy, phẩm chất hệ thống cải thiện đáng kể so với phân bổ công suất