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: 60520203 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS NGUYỄN LÊ HÙNG TS BÙI THỊ MINH TÚ Đà Nẵng – Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .1 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG .4 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 .5 1.2.2.1 Ưu điểm IBFD 1.2.2.2 Nhược điểm IBFD 1.2.3 Quá trình khử nhiễu nội truyền thông song công 1.2.3.1 Miền lan truyền 1.2.3.2 Miền tương tự 10 1.2.3.3 Miền xử lý tín hiệu số 10 1.2.4 Các mơ hình mạng truyền dẫn song công .11 1.2.4.1 Mạng truyền dẫn song công hai chiều .11 1.2.4.2 Mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp 11 1.2.4.3 Mạng truyền dẫn song công di động 12 1.3 Các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến 13 1.3.1 Nghiên cứu đầu cuối vô tuyến 13 1.3.2 Truyền thông qua trạm chuyển tiếp 14 1.4 Hệ thống IBFD mơ hình hai chiều .16 1.4.1 Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn .16 1.4.1.1 Hệ thống BFD với thiết kế anten chia sẻ 16 1.4.1.2 Hệ thống BFD với ăng-ten tách rời 17 1.4.1.3 Hệ thống BFD kênh MIMO tương quan 18 1.4.1.4 Độ tin cậy hệ thống BFD .18 1.4.2 Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội khơng hồn tồn 19 1.4.2.1 Hệ thống BFD với lỗi ước lượng kênh 19 1.4.2.2 Hệ thống BFD với hạn chế phần cứng 19 1.4.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống BFD 19 1.5 Hệ thống IBFD với mơ hình chuyển tiếp .20 1.5.1 Hệ thống FDR với trạm chuyển tiếp (1-1-1) 20 1.5.1.1 Hệ thống FDR 1-1-1 với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn 20 1.5.1.2 Hệ thống FDR 1-1-1 với nhiễu nội thặng dư .21 1.5.1.3 Hệ thống FDR 1-1-1 với kỹ thuật điều khiển công suất 22 1.5.1.4 Hệ thống FDR 1-1-1 với kỹ thuật MIMO 22 1.5.1.5 Độ tin cậy hệ thống FDR 1-1-1 22 1.5.2 Hệ thống FDR với nhiều trạm chuyển tiếp .23 1.5.2.1 Hệ thống FDR với phối hợp 23 1.5.2.2 Hệ thống FDR với giao thoa trạm chuyển tiêp .23 1.5.2.3 Hệ thống FDR với lựa chọn trạm chuyển tiếp 24 1.5.2.4 Hệ thống FDR đa bước nhảy .24 1.5.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDR 24 1.6 Hệ thống IBFD với mơ hình di động 25 1.6.1 Hệ thống FDC với hai trạm .25 1.6.1.1 Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng 25 1.6.1.2 Hệ thống FDC với anten định hướng 25 1.6.2 Hệ thống FDC với nhiều trạm 26 1.6.2.1 Hệ thống FDC với tiền mã hóa cho đa người dùng 26 1.6.2.2 Hệ thống FDC với MIMO quy mô lớn 26 1.6.2.3 Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng từ nhiều trạm 27 1.6.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDC 27 1.7 Kết luận chương 28 Chương – TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN .29 2.1 Giới thiệu chương 29 2.2 Giới thiệu kỹ thuật truyền thu lượng 29 2.3 Các loại vùng trường truyền lượng 31 2.3.1 Vùng tầm gần hay không xạ 31 2.3.1.1 Kỹ thuật ghép nối cảm ứng 32 2.3.1.2 Kỹ thuật ghép nối điện dung 33 2.3.2 Vùng tầm xa hay xạ 34 2.3.2.1 Sóng vi ba 34 2.3.2.2 Laser 35 2.4 Giới thiệu mạng thu lượng vô tuyến .36 2.4.1 Cấu trúc mạng thu lượng vô tuyến 38 2.4.2 Các mơ hình truyền lượng vô tuyến .42 2.4.3 Kỹ thuật thu lượng vô tuyến 43 2.4.3.1 Các nguồn vô tuyến chuyên dụng 43 2.4.3.2 Các nguồn vô tuyến xung quanh 44 2.4.4 Các ứng dụng thu lượng vô tuyến .45 2.5 Kết luận chương 46 Chương – XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG THU NĂNG LƯỢNG VƠ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG SONG CÔNG 47 3.1 Giới thiệu chương 47 3.2 Mơ hình truyền dẫn 47 3.2.1 Kênh nhiễu AWGN 47 3.2.2 Kênh fading Rayleigh .48 3.2.3 Điều chế giải điều chế BPSK .51 3.2.4 Tính tốn xác suất lỗi bit 52 3.3 Đánh giá hiệu hệ thống mô 55 3.3.1 Mơ hình – Truyền thơng tin mạng bán song công 55 3.3.2 Mô hình – Truyền thơng tin lượng mạng bán song cơng 56 3.3.3 Mơ hình – Truyền thông tin mạng song công 58 3.3.4 Mơ hình – Truyền thơng tin lượng mạng song công 59 3.4 Kỹ thuật ước đoán nhiễu nội 60 3.4.1 Thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo .60 3.4.2 Thông tin trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo 61 3.5 Kết luận chương 62 Chương – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 63 4.1 Giới thiệu chương 63 4.2 Kết mơ phịng đánh giá .63 4.2.1 So sánh hiệu mơ hình khảo sát 63 4.2.2 Ảnh hưởng tham số 𝜌 đến hiệu hệ thống 64 4.2.3 Đánh giá hiệu theo tham số 𝜌 65 4.2.4 Ảnh hưởng tham số  đến hiệu hệ thống 65 4.2.5 Đánh giá hiệu theo tham số  .66 4.2.6 Đánh giá hiệu theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛 67 4.3 Kết luận chương 67 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO .69 TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG Học viên: Cao Thị Thu Sương Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60520203 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Thu lượng vô tuyến để cung cấp lượng hoạt động cho thiết bị vô tuyến, cảm biến hướng tiếp cận tiềm gần Truyền thông song cơng mơ hình khơng dây truyền nhận liệu đồng thời băng tần đáp ứng nhu cầu cao dung lượng hiệu mạng Luận văn xây dựng mơ hình để đánh giá hiệu truyền liệu lượng đồng thời mạng truyền thông song công hai chiều so với mạng truyền thông bán song công hai chiều kênh truyền fading Rayleigh Bên cạnh đó, xây dựng mơ hình khử nhiễu nội truyền thơng song cơng đánh giá hiệu với mơ hình chưa khử nhiễu nội Đồng thời, luận văn khảo sát tham số lượng, tham số tương quan, tham số kênh truyền ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Từ nghiên cứu lý thuyết tác giả đưa cơng thức tính tốn thực mơ phỏng, sau phân tích kết đạt đưa hướng phát triển Thu lượng vô tuyến truyền thông song công thực công nghệ hệ 5G đáp ứng nhu cầu ngày cao mạng truyền thơng khơng dây Từ khóa – thu lượng không dây, truyền dẫn song công, truyền dẫn bán song công, nhiễu nội, SWIPT STUDIES ON ENERGY HARVESTING IN FULL-DUPLEX COMMUNICATIONS Abstract - Radio energy harvesting to provide operational power to radio devices, sensors are a potential approach recently Full-duplex communication is a wireless model that transmits and receives data simultaneously on the same frequency band to answer the high demand for network capacity and performance This thesis builds a model to evaluate the efficiency of data and energy transfer in a two-way full-duplex communication network compared to a twoway half-duplex communication network on a Rayleigh fading channel In addition, the builtin self-interference cancellation model is used in full-duplex communication and evaluates its performance against the non self-interference cancellation models At the same time, the thesis also examines the energy parameters, correlation parameters, gain channel parameters affecting the performance of the system From these theoretical studies, the author has introduced the formulas for calculating and performing the simulation, then analyzing the results achieved and perspective of the work is provided Radio energy harvesting and fullduplex communications are indeed the next generation of 5G technologies to answer the increasing demands of wireless communications Key words – energy harvesting, full-duplex, half-duplex, self-interference, SWIPT DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 5th Generation Non-Orthogonal Waveforms for Asynchronous Signalling 3GPP Third Generation Partnership Project AF Amplify-and-forward AWGN Additive White Gaussian Noise BD Block diagonalization BPSK Binary Phase Shift Keying CF Compress-and-forwarding DC Decode-and-cancel DF Decode-and-forward DMT Diversity-multiplexing tradeoff DUPLO Full-Duplex Radios for Local Access EMF Electromotive force FCC Federal Communications Commission IBFD In-band full-duplex ISM Bandsindustrial, scientific and medical bands METIS Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society MMSE Minimum mean square error MMSESIC Minimum mean square error with successive interference cancellation NSP Null space projection NOMA Non-orthogonal multiple access RCI Extended regularized channel inversion RF Radio Frequency RFID Radio-frequency identification SI Self-Interference SNR Signal Noise Ratio STBC Space-time block coding STC Space-time coding SVD Singular value decomposition SWIPT Simultaneous Wireless Information and Power Transfer TAS Transmit antenna-switched ZF-BF Zero-forcing beam-forming VDD Virtual-channel division duplexing ZF Zero-forcing 5GNOW DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2 2.3 Tên bảng Trang Các kỹ thuật truyền lượng khác So sánh khác kỹ thuật truyền lượng khơng dây Ví dụ kết thực nghiệm thu lượng vô tuyến 29 37 44 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 4.1 4.2 4.3 4.4 Tên hình vẽ Trang Sơ đồ khối trạm IBFD Cấu trúc miền giảm nhiễu nội truyền thông song công băng IBFD với thiết kế ăng-ten chia sẻ IBFD với thiết kế ăng-ten tách rời Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng hai chiều Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng chuyển tiếp Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng di động Mơ hình trạm chuyển tiếp song cơng Sơ đồ khối hệ thống điện không dây Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn không dây ghép nối cảm ứng Sơ đồ khối hệ thống truyền dẫn không dây ghép nối điện dung Cấu trúc chung mạng thu lượng vô tuyến dựa hạ tầng Cấu trúc chung mạng thu lượng vô tuyến khơng có hạ tầng Các thành phần nút thu lượng Cấu trúc chung thu lượng vơ tuyến Mơ hình truyền dẫn Sơ đồ khối thu phát điều chế BPSK Điều chế BPSK với hàm phân bố xác suất có điều kiện Mơ hình truyền thơng tin mạng bán song cơng Mơ hình truyền thơng tin lượng mạng bán song cơng Mơ hình truyền thơng tin mạng song cơng Mơ hình truyền thơng tin lượng mạng song công So sánh hiệu mơ hình khảo sát truyền khơng truyền lượng, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 5,  = 0.3 Ảnh hưởng tham số 𝜌 đến hiệu hệ thống, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 100,  = 0.3 Hiệu hệ thống song công theo tham số 𝜌, 𝑃 = 10𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 100,  = 0,3 Ảnh hưởng tham số  đến hiệu hệ thống, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 1000, 𝜌 = 0,95 8 11 11 12 14 30 32 33 39 40 41 41 47 51 52 56 57 58 59 63 64 65 66 4.5 4.6 Hiệu hệ thống theo tham số , 𝑃 = 10 𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 1000, 𝜌 = 0,95 Hiệu hệ thống theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛, 𝑃 = 10 𝑑𝐵, 𝛼 = 0,3, 𝜌 = 0,95 66 67 60 Sau đó, xác suất lỗi bit 𝐵𝐸𝑅𝐸𝐻𝐹𝐷 tính cách so sánh tín hiệu thu với tín hiệu phát thơng qua chương trình Malab Cơng suất tín hiệu lượng thu là: 𝐸 {|𝑟𝐸𝐻𝐹𝐷 |2 } = 𝛼(𝑃𝐴 |ℎ𝐴𝐵 |2 + 𝑃𝐵 |ℎ𝑆𝐼 |2 ) + 𝐴 SNR mơ hình là: 𝑆𝑁𝑅𝐸𝐻𝐹𝐷 = (1 − 𝛼)𝑃𝐴 |ℎ𝐴𝐵 |2 𝑃𝐵 |ℎ𝑆𝐼 |2 + 𝐴 (3.43) (3.44) 3.4 Kỹ thuật ước đoán nhiễu nội Nhược điểm lớn truyền dẫn song công khiến công nghệ chưa sử dụng rộng rãi nhiễu nội sinh trình truyền dẫn làm ảnh hưởng chất lượng tín hiệu hiệu hệ thống Do vậy, việc khử nhiễu nội vấn đề nghiên cứu từ trước đến Một cách khử nhiễu nội ước đoán tham số ℎ̂ 𝑆𝐼 , sau đưa tham số vào tín hiệu nhận để trừ ℎ𝑆𝐼 thực tế 3.4.1 Thơng tin trạng thái kênh truyền hồn hảo Tồn tín hiệu thu tần phức thời gian rời rạc viết sau: 𝑦[𝑛] = 𝑠[𝑛] + ℎ[𝑛] + 𝑤[𝑛] (3.45) với:  𝑠[𝑛] tín hiệu nhận từ trạm khác  ℎ[𝑛] nhiễu nội sau qua miền tương tự  𝑤[𝑛] nhiễu Gauss trắng cộng Giả định tất thành phần tín hiệu thu khơng tương quan Tín hiệu sau khử nhiễu nội là: 𝑠̂ [𝑛] = 𝑦[𝑛] − ℎ̂[𝑛] (3.46) với: ℎ̂[𝑛] nhiễu nội ước đốn Theo ký hiệu vector, tín hiệu nhận biển diễn sau: 𝒚=𝒔+𝒉+𝒘 𝒚 = [𝑦[𝑛] 𝑦[𝑛 + 1] … 𝑦[𝑛 + 𝑁 − 1]]𝑇 𝒔 = [𝑠[𝑛] 𝑠[𝑛 + 1] … 𝑠[𝑛 + 𝑁 − 1]]𝑇 𝒉 = [ℎ[𝑛] ℎ[𝑛 + 1] … ℎ[𝑛 + 𝑁 − 1]]𝑇 𝒘 = [𝑤[𝑛] 𝑤[𝑛 + 1] … 𝑤[𝑛 + 𝑁 − 1]]𝑇 (3.47) 61 với: 𝑁 số mẫu quan sát Nhiễu nội ước đoán là: ̂ = 𝒉 ̅ 𝒉 (3.48) với:  ma trận ghép ngang biểu diễn sau: =[ 𝑞,𝑝 [𝑛] ⋮ 𝑞,𝑝 [𝑛 + 𝑁 − 1] ⋯ ⋱ ⋯ ̅ + 1] 𝑞,𝑝 [𝑛 − 𝑀 ] ⋮ ̅ + 𝑁] 𝑞,𝑝 [𝑛 − 𝑀 (3.49) ̅ thứ tự với 𝑞,𝑝 [𝑛] = 𝑥[𝑛]𝑞 𝑥 ∗ [𝑛]𝑝−𝑞 , với 𝑝 = 1,3, … , 𝑃̅ 𝑝 = 1,3, … , 𝑝 𝑃̅, 𝑀 khơng tuyến tính chọn ̅𝑞,𝑝−𝑞 vector ghép dọc Vector ước đoán 𝒉 ̅ = [ℎ̅𝑝𝑞,𝑝−𝑞 [0]ℎ̅𝑝𝑞,𝑝−𝑞 [1] … ℎ̅𝑝𝑞,𝑝−𝑞 [𝑀 ̅ − 1] ]𝑇 𝒉 (3.50) ̅ tối thiểu hóa định dạng vng vector lỗi phương Sau đó, vector 𝒉 pháp bình phương tối thiểu sau: ̅ = arg 𝒉̅ min‖𝒚 − 𝒉 ̅‖2 = (𝐻 )−1 𝐻 𝒚 (3.51) 𝒉 3.4.2 Thông 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 vơ tuyến khiến cho thông tin trạng thái kênh truyền không cịn hồn hảo lỗi ước lượng kênh, độ trễ phản hồi, kênh biến thiên theo thời gian Lúc này, hệ số fading kênh khơng cịn ℎ mà ℎ̂, với ℎ̂ [59] tính sau: ℎ̂ = 𝜌ℎ + √1 − 𝜌2 𝜀 (3.52) đó,  𝜀 biến ngẫu nhiên Gauss phức đối xứng dạng trịn có giá trị trung bình phương sai  với phương sai hệ số fading ℎ;  𝜌 hệ số tương quan, giả định sau kênh truyền tín hiệu kênh nhiễu nội, < 𝜌 < 62 Tín hiệu nhận trường hợp là: ̂ 𝑟𝐼𝑃.𝐸𝐻𝐹𝐷 [𝑛] = √1 − 𝛼(ℎ̂ 𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + ℎ𝑆𝐼 𝑠𝐵 [𝑛]) + 𝑛𝐴 [𝑛] (3.53) Tín hiệu khử nhiễu nội là: ̂ ̂ 𝑟𝐼𝑃.𝐸𝐻𝐹𝐷 ̂ [𝑛] = √1 − 𝛼(ℎ̂ 𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + ℎ𝑆𝐼 𝑠𝐵 [𝑛]) + 𝑛𝐴 [𝑛] − √1 − 𝛼ℎ𝑆𝐼 𝑠𝐵 [𝑛] với: ℎ̂ 𝐴𝐵 = 𝜌ℎ𝐴𝐵 + √1 − 𝜌 𝜀𝐴𝐵 ℎ̂ 𝑆𝐼 = 𝜌ℎ𝑆𝐼 + √1 − 𝜌 𝜀𝑆𝐼 (3.54) ̂ Từ (3.54) nhận thấy 𝜌 = ℎ̂ 𝐴𝐵 = 𝜀𝐴𝐵 , ℎ𝑆𝐼 = 𝜀𝑆𝐼 , hệ số fading khơng cịn liên hệ với hệ số fading máy phát nữa, việc ước đốn lúc sai hồn tồn Cịn ̂ 𝜌 = ℎ̂ 𝐴𝐵 = ℎ𝐴𝐵 , ℎ𝑆𝐼 = ℎ𝑆𝐼 , nhiễu nội khử hoàn toàn, chất lượng mạng giống chất lượng mạng truyền dẫn bán song công 3.5 Kết luận chương Như vậy, chương nghiên cứu đánh giá hiệu hệ thống truyền thông song công so với hệ thống truyền thông bán song công trường hợp không truyền lượng truyền lượng tín hiệu đồng thời 63 Chương – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 4.1 Giới thiệu chương Chương sử dụng phần mềm Matlab để biễu diễn, kiểm chứng kết phân tích tính tốn so sánh hiệu mơ hình hệ thống khảo sát chương 4.2 Kết mơ phịng 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,  = 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 cơng (đường màu xanh da trời) Ta thấy mơ hình (4) có BER thấp nên hiệu đạt cao Mơ hình (3) hiệu giảm phần phần công suất phát dành để truyền lượng, phần lượng nạp trực tiếp cho thiết bị hoạt động mà không cần đến pin hay sạc Hai mơ hình (1), (2) có hiệu đạt thấp tệ giá trị SNR, 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 64 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 hoàn toàn 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,  = 0.3 Với < 𝜌 < hệ số tương quan trình khử nhiễu nội Hình 4.2 mơ 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 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 65 4.2.3 Đánh giá hiệu theo tham số 𝝆 Hình 4.3 Hiệu hệ thống song cơng theo tham số 𝜌, 𝑃 = 10𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 100,  = 0,3 Hình 4.3 biểu diến hiệu hệ thống song công theo tham số 𝜌 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  hiệu hệ thống tăng hình dạng đường biểu diễn có thay đổi độ dốc Còn thay đổi giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛 đường biểu diễn khơng thay đổi 4.2.4 Ảnh hưởng tham số  đến hiệu hệ thống Với <  < hệ số lượng phát Hình 4.2 mơ tả mối quan hệ tỉ lệ bit lỗi tỉ số tín hiệu nhiễu hệ thống tham số  thay đổi bao gồm (1) mơ hình bán song cơng; (2) mơ hình song cơng chưa khử nhiễu; (3) mơ hình song công khử nhiễu Ta thấy rằng, mô hình (1) tham số  tăng tỉ lệ bit lỗi tăng, hiệu hệ thống giảm, nghĩa phần lượng truyền nhiều phần liệu truyền liệu thu hơn, hiệu giảm đương nhiên Ở mơ hình (2) giá trị  lớn hay nhỏ khơng 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 66 muốn ℎ𝐴𝐵 dù  tăng hay giảm tín hiệu thu khơng ảnh hưởng Ở mơ hình (3), nhiễu nội SI khử giá trị  ảnh hưởng đến hiệu hệ thống tương tự mơ hình (1),  tăng hiệu hệ thống giảm Để ý, giá trị 𝜌 thay đổi mơ hình (3) bị ảnh hưởng, với giá trị 𝜌 tối ưu trình khử nhiễu đạt kết tối ưu, hiệu hệ thống đạt tốt Hình 4.4 Ảnh hưởng tham số  đến hiệu hệ thống, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 1000, 𝜌 = 0,95 4.2.5 Đánh giá hiệu theo tham số  Hình 4.5 Hiệu hệ thống theo tham số , 𝑃 = 10 𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 1000, 𝜌 = 0,95 67 Hình 4.5 biễu diễn hiệu hệ thống theo tham số  Ta thấy tỉ lệ bit lỗi tăng tuyến tính với tăng giá trị  mơ hình (1) (3), tức hiệu hệ thống giảm giá trị  tăng Trong mơ hình (2) giá trị  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 = 0,95 Hình 4.6 mơ 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 công 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 hịa khơng cịn phụ thuộc vào giá trị theo giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛 Đối với mô hình (2), hiệu hệ thống khơng ảnh hưởng đến thay đổi giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛 4.3 Kết luận chương Như vậy, chương mô kiểm chứng phân tích, tính tốn lý thuyết chương hiệu mơ hình khảo sát ảnh hưởng tham số đến hiệu hệ thống 68 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trên sở nghiên cứu ưu nhược điểm mơ hình truyền dẫn song cơng 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 mô 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 hiệu hệ thống truyền thơng song cơng trường hợp khử hồn tồn khơng hồn tồn nhiễu nội  Phân tích tham số ảnh hưởng hiệu mơ hình hệ thống vô tuyến thu lượng tham số lượng, tham số suy hao, tham số tương quan… Bên cạnh đó, giới hạn thời gian hồn 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 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 q trình học tập hồn thành luận văn 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V Jungnickel, K Manolakis, W Zirwas, B Panzner, V Braun, M Lossow, M Sternad, R Apelfröjd, and T Svensson, “The role of small cells, coordinated multipoint, and massive MIMO in 5G,” IEEE Commun Mag., vol 52, no 5, pp 44–51, 2014 [2] DUPLO Deliverable D1.1, “System Scenarios and Technical Requirements for FullDuplex Concept,” [Online] Available: http://www.fp7duplo.eu/index.php/deliverables [3] A Sabharwal, P Schniter, D Guo, D W Bliss, S Rangarajan, and R Wichman, “In-band full-duplex wireless: Challenges and opportunities,” IEEE J Sel Areas Commun., vol 32, no 9, pp 1637–1652, 2014 [4] D Bharadia, E McMilin, and S Katti, “Full duplex radios,” in Proc ACM SIGCOMM, pp 1–12, 2013 [5] Michael E Knox “Single Antenna Full Duplex Communications using a Common Carrier,” In the IEEE 13th Annual Wireless and Microwave Technology Conference, pages 1–6, April 2012 [6] Peter Lindberg and Erik Ojefors, “A Bandwidth Enhancement Technique for Mobile Handset Antennas Using Wavetraps,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 54(8):2226–2233, August 2006 [7] Melissa Duarte, Chris Dick, and Ashutosh Sabharwal, “Experiment-Driven Characterization of Full-Duplex Wireless Systems,” IEEE Transactions on Wireless Communications, 11(2):4296–4307, July 2012 [8] M Heino, D Korpi, T Huusari, E Antonio-Rodriguez, S Venkatasubramanian, T Riihonen, L Anttila, C Icheln, K Haneda, R Wichman, and M Valkama, “Recent Advances in Antenna Design and Interference Cancellation Algorithms for In-Band Full Duplex Relays,” IEEE Communications Magazine, 53(5):91– 101, May 2015 [9] Taneli Riihonen, Stefan Werner, and Risto Wichman, “Mitigation of Loopback SelfInterference in Full-Duplex MIMO Relays,” IEEE Transactions on Signal Processing, 59(12):5983 – 5993, December 2011 [10] M Duarte and A Sabharwal, “Full-Duplex Wireless Communications Using Offthe-Shelf Radios: Feasibility and First Results,” In Conference Record of the 44th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (ASILOMAR), pages 1558–1562, Nov 2010 [11] Mayank Jain, Jung Il Choi, Taemin Kim, Dinesh Bharadia, Siddharth Seth, Kannan Srinivasan, Philip Levis, Sachin Katti, and Prasun Sinha, “Practical, Real-time, Full Duplex Wireless,” In Proceedings of the 17th Annual International 70 Conference on Mobile Computing and Networking, MobiCom ’11, pages 301– 312, 2011 [12] T Riihonen, S Werner, and R Wichman “Comparison of Full-Duplex and HalfDuplex Modes ith a Fixed Amplify-and-Forward Relay” In IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC 2009), pages 1–5, April 2009 [13] Taneli Riihonen, Stefan Werner, and Risto Wichman, “Spatial Loop Interference Suppression in Full-Duplex MIMO Relays,” In Conference Record of the 43th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (ASILOMAR), pages 1508–1512, Nov 2009 [14] Taneli Riihonen, Stefan Werner, and Risto Wichman, “Hybrid Full-Duplex/HalfDuplex Relaying with Transmit Power Adaptation,” IEEE Transactions on Wireless Communications, 10(9):2059–2074, November 2011 [15] Taneli Riihonen, Stefan Werner, and Risto Wichman, “Transmit Power Optimization for Multiantenna Decode-and-Forward Relays with Loopback SelfInterference from Full-Duplex Operation,” Conference Record of the 45th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers (ASILOMAR), pages 1408–1412, 2011 [16] Emilio Antonio-Rodriguez., Roberto Lopez-Valcarce, Taneli Riihonen, Stefan Werner, and Risto Wichman, “Adaptive Self-Interference Cancellation in Wideband Full-Duplex Decode-and-Forward MIMO Relays,” IEEE 14th Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC), pages 370–374, June 2013 [17] Hyungjong Kim, Hanho Wang, and Daesik Hong, “On Power Allocation Schemes for Bi-directional Communication in a Spectrum Sharing-based Cognitive Radio System,” IEIE Transactions on Smart Processing and Computing, vol 3, no 5, October 2014 [18] D Kim, H Ju, S Kim, H Lee, and D Hong, “Transmit antenna switched receive diversity for bi-directional beamforming in twoway communications,” in Proc 47th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, pp 19–23, 2013 [19] D Kim, H Lee, J Choi, and D Hong, “A new in-band fullduplex transmission scheme using Alamouti’s code in fast fading environment,” in Proc The 11th International Symposium on Wireless Communication Systems, 2014 [20] D W Bliss and Y Rong, “Effects of channel estimation errors on in-band fullduplex MIMO radios using adaptive transmit spatial mitigation,” in Proc 47th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, pp 9–13, 2013 [21] H Ju, X Shang, H V Poor, and D Hong, “Rate improvement of beamforming systems via bi-directional use of spatial resources,” in Proc IEEE Global Telecommunications Conference, pp 1–5, 2011 71 [22] R Pabst, B H Walke, D C Schultz, P Herhold, H Yanikomeroglu, S Mukherjee, H Viswanathan, M Lott, W Zirwas, M Dohler, et al., “Relay-based deployment concepts for wireless and mobile broadband radio,” IEEE Commun Mag., vol 42, no 9, pp 80–89, 2004 [23] Y Y Kang and J H Cho, “Capacity of MIMO wireless channel with full-duplex amplify-and-forward relay,” in Proc IEEE 20th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, pp 117–121, 2009 [24] Q Meng, W Feng, G Zheng, S Chatzinotas, and B Ottersten, “Fixed full duplex relaying for wireless broadband communication,” in Proc International Conference on Wireless Communications Signal Processing, pp 1–5, 2012 [25] H Ju, E Oh, and D Hong, “Improving efficiency of resource usage in two-hop full duplex relay systems based on resource sharing and interference cancellation,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 8, no 8, pp 3933–3938, 2009 [26] V Stankovic and P Spalevic, “Cooperative relaying with block DFT processing and full-duplex relays,” Electron Lett., vol 49, no 4, pp 300–302, 2013 [27] Y Liu, X.-G Xia, and H Zhang, “Distributed space-time coding for full-duplex asynchronous cooperative communications,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 11, no 7, pp 2680–2688, 2012 [28] J.-S Han, J.-S Baek, S Jeon, and J.-S Seo, “Cooperative networks with amplifyand-forward multiple-full-duplex relays,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 13, no 4, pp 2137–2149, 2014 [29] T Baranwal, D Michalopoulos, and R Schober, “Outage analysis of multihop full duplex relaying,” IEEE Commun Lett., vol 17, no 1, pp 63–66, 2013 [30] K Tamaki, A Raptino H., Y Sugiyama, M Bandai, S Saruwatari, and T Watanabe, “Full duplex media access control for wireless multihop networks,” in Proc IEEE 77th Vehicular Technology Conference, pp 1–5, 2013 [31] J Bai and A Sabharwal, “Decode-and-cancel for interference cancellation in a three-node full-duplex network,” in Proc 46th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, pp 1285–1289, 2012 [32] E Everett, M Duarte, C Dick, and A Sabharwal, “Empowering fullduplex wireless communication by exploiting directional diversity,” in Proc 45th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, pp 2002–2006, 2011 [33] Q H Spencer, A L Swindlehurst, and M Haardt, “Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels,” IEEE Trans Signal Process., vol 52, no 2, pp 461–471, 2004 [34] D Nguyen, L.-N Tran, P Pirinen, and M Latva-aho, “Precoding for full duplex multiuser MIMO systems: Spectral and energy efficiency maximization,” IEEE Trans Signal Process., vol 61, no 16, pp 4038–4050, 2013 72 [35] D Nguyen, L.-N Tran, P Pirinen, and M Latva-Aho, “On the spectral efficiency of full-duplex small cell wireless systems,” IEEE Trans Wireless Commun., 2014 [36] F Rusek, D Persson, B K Lau, E G Larsson, T L Marzetta, O Edfors, and F Tufvesson, “Scaling up MIMO: Opportunities and challenges with very large arrays,” IEEE Signal Process Mag., vol 30, no 1, pp 40–60, 2013 [37] D Nguyen, L.-N Tran, P Pirinen, and M Latva-aho, “Transmission strategies for full duplex multiuser MIMO systems,” in Proc IEEE International Conference on Communications, pp 6825–6829, 2012 [38] A Sabharwal, “New results in multiuser full-duplex,” in Proc 48th Annual Conference on Information Sciences and Systems, 2013 [39] H J Visser and R J M Vullers, “RF energy harvesting and transport for wireless sensor network applications: principles and requirements,” Proceedings of the IEEE, vol 101, no 6, pp 1410-1423, June 2013 [40] Wilson, Tracy V (2014), "How Wireless Power Works", How Stuff Works website InfoSpace LLC Retrieved 15 December 2014 [41] L Xie, Y Shi, Y T Hou, and W Lou, “Wireless power transfer and applications to sensor networks,” IEEE Wireless Communications Magazine, vol 20, no 4, pp 140-145, August 2013 [42] Landis, Geoffrey A (7–12 May 2006), “Reevaluating Satellite Solar Power Systems for Earth (PDF),” IEEE 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion p Retrieved 11 May 2012 [43] Z Popovic, E A Falkenstein, D Costinett, and R Zane, “Low-power far-field wireless powering for wireless sensors,” Proceedings of the IEEE, vol 101, no 6, pp 1397-1409, June 2013 [44] Hidetsugu Yagi, “Scanning the Past: A History of Electrical Engineering from the Past,” Ieee.cincinnati.fuse.net Retrieved June 2009 [45] Talla, Vamsi; Kellogg, Bryce; Ransford, Benjamin; Naderiparizi, Saman; Gollakota, Shyamnath; Smith, Joshua R (2015), “Powering the Next Billion Devices with Wi-Fi” [46] H Nishimoto, Y Kawahara, and T Asami, “Prototype implementation of ambient RF energy harvesting wireless sensor networks,” in Proc IEEE Sens., Kona, HI, USA, Nov 2010 [47] X Zhang et al., “An energy-efficient ASIC for wireless body sensor networks in medical applications,” IEEE Trans Biomed Circuits Syst., vol 4, no 1, pp 11– 18, Feb 2010 [48] X Lu, D Niyato, P Wang, D I Kim, and Z Han, “Wireless charger networking for mobile devices: Fundamentals, standards, and applications,” IEEE Wireless Commun., vol 22, no 2, pp 126–135, Apr 2015 73 [49] A Kurs et al., “Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances,” Science, vol 317, no 5834, pp 83–86, Jun 2007 [50] W C Brown, “Experiments involving a microwave beam to power and position a helicopter,” IEEE Trans Aerosp Electron Syst., vol AES-5, no 5, pp 692–702, Sep 1969 [51] J O Mcspadden and J C Mankins, “Space solar power programs and microwave wireless power transmission technology,” IEEE Microw Mag., vol 3, no 4, pp 46–57, Apr 2002 [52] R Zhang and C K Ho, “MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 12, no 5, pp 1989–2001, May 2013 [53] Powercast [Online] Available: www.powercastco.com [54] G Papotto, F Carrara, A Finocchiaro, and G Palmisano, “A 90-nm CMOS 5Mbps crystal-Less RF-powered transceiver for wireless sensor network nodes,” IEEE J Solid-State Circuits, vol 49, no 2, pp 335–346, Feb 2014 [55] C Mikeka and H Arai, “Design issues in radio frequency energy harvesting system,” in Sustainable Energy Harvesting Technol.—Past, Present Future Rijeka, Croatia: InTech, Dec 2011, pp 235–257 [56] John G Proakis, “Digital Communication,” in McGraw Hill, chapter 5, pp 233260, chapter 14, pp 758-770, 2001 [57] Lingyang Song, Risto Wichman, Yonghui Li, and Zhu Han, “Full-duplex Communications and Networks”, Cambridge University Press, chapter 7, pp 255300, Mar 2017 [58] Nguyen Hong Giang, Vo Nguyen Quoc Bao, and Hung Nguyen-Le, “Effect of CSI Imperfection on Cognitive Underlay Transmission over Nakagami-m Fading Channel,” Journal of Science and Technology: Issue on information and communications technology, vol 1, no 1, August 2015 [59] Wikipedia, “Wireless Power Transfer” [Online] Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Wireless_power_transfer [60] Xiao Lu, Ping Wang, Dusit Niyato, Dong In Kim, and Zhu Han, Fellow, “Wireless Networks With RF Energy Harvesting: A Contemporary Survey,” IEEE Communication Surveys & Tutorials, Vol 17, No 2, Second Quarter 2015 ... hợp nghiên cứu lý thuyết mô để làm rõ nội dung đề tài Cụ thể là:  Nghiên cứu lý thuyết hệ thống song công 2  Nghiên cứu lý thuyết thu nhận lượng vô tuyến  Nghiên cứu việc thu nhận lượng vô tuyến. .. chương Trong chương này, giới thiệu kỹ thu? ??t truyền thu lượng khác gồm cảm ứng từ, điện dung, sóng vi ba, tia laser Tiếp nghiên cứu cấu trúc mạng thu lượng vô tuyến, kỹ thu? ??t thu lượng vô tuyến. .. Khi thu lượng vơ tuyến, tín hiệu vơ tuyến có dải tần từ 300 GHz đến kHz sử dụng để mang lượng dạng xạ điện từ Truyền thu lượng vô tuyến kỹ thu? ??t truyền lượng không dây Các kỹ thu? ??t khác kỹ thu? ??t