(Đồ án tốt nghiệp) tối ưu mạng vô tuyến chuyển tiếp dùng giao thức AF

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG TỐI ƯU MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP DÙNG GIAO THỨC AF GVHD : TS ĐỖ ĐÌNH THUẤN SVTH : TRẦN VIỆT LONG MSSV : 12141330 SKL004522 Tp Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH *** ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TỐI ƯU MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP DÙNG GIAO THỨC AF SVTH : MSSV : TRẦN VIỆT LONG 12141330 : ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG GVHD : TS ĐỖ ĐÌNH THUẤN TP Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH *** ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TỐI ƯU MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP DÙNG GIAO THỨC AF SVTH : MSSV : : GVHD : TRẦN VIỆT LONG 12141330 ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG TS ĐỖ ĐÌNH THUẤN TP Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2017 PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Thông tin sinh viên - Họ tên sinh viên: Trần Việt Long Email: longtran20994@gmail.com Thông tin đề tài MSSV: 12141330 Điện thoại: 01648728920 - Tên đề tài: TỐI ƢU MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP DÙNG GIAO THỨC AF - Mục đích đề tài: xây dựng mạng truyền thông nhằm đáp ứng nhu cầu thực tế, mà lƣợng thiết bị bị hạn chế Từ tối ƣu mạng vô tuyến sử dụng giao thức AF - Thời gian thực hiện: từ 9/9/2016 đến 14/2/2017 - Đồ án tốt nghiệp đƣợc thực tại: Bộ môn Điện tử- viễn thông, khoa Đào tạo Chất lƣợng cao, trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật TP HCM Các nhiệm vụ cụ thể đề tài - Tìm hiểu tổng quan mạng vơ tuyến chuyển tiếp - Tìm hiểu kỹ thuật đƣợc sử dụng mạng - Tìm hiểu nguyên tắc phân chia công suất động mạng, độ lợi hiệu suất - Mô đánh giá nguyên tắc phân chia công suất sử dụng phần mềm Matlab Lời cam đoan sinh viên Tôi Trần Việt Long cam đoan ĐATN cơng trình nghiên cứu thân, dƣới hƣớng dẫn tiến sĩ Đỗ Đình Thuấn Kết thực ĐATN trung thực không chép từ công trình khác TP HCM, ngày 09 tháng 02 năm 2017 Sinh viên thực đồ án (Ký ghi rõ họ tên) Trần Việt Long Giảng viên hƣớng dẫn xác nhận báo cáo hoàn thành việc chỉnh sửa theo đề nghị Hội đồng đánh giá đồ án tốt nghiệp: …………………………………………………………………………………………………… Xác nhận Bộ môn TP HCM, ngày 09 tháng 02 năm 2017 Giảng viên hƣớng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên học hàm- học vị) Trên thực tế khơng có thành cơng mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp ngƣời khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đƣờng đại học đến nay, em nhận đƣợc nhiều quan tâm, giúp đỡ q Thầy cơ, Gia đình Bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô - , với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trƣờng Xin chân thành cảm ơn TS Đỗ Đình Thuấn tận tâm hƣớng dẫn chúng em qua từ nói chuyện, thảo luận lĩnh vực em nghiên cứu Nếu khơng có hƣớng dẫn, bảo thầy, việc thực đề tài khó hồn thiện đƣợc Đồ án tốt nghiệp đƣợc ƣớc đầu tìm hiểu lý thuyết, tìm hiểu chuyên sâu lĩnh vực, kiến thức chắn hạn chế gặp nhiều bỡ ngỡ Do vậy, không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp q Thầy Cơ ngƣời để em hồn thiện đề tài Sau cùng, em xin kính chúc q Thầy Cơ thuộc ng cao Thầy Hiệu Trƣởng, GS- nhiều sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau, góp phần xây dựng đất nƣớc đẹp tƣơi Trân trọng Sinh viên thực đề tài i Trong năm gần đây, việc thu thập lƣợng thơng qua tín hiệu vơ tuyến RF nhận đƣợc nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu lĩnh vực truyền thông không dây Là giải pháp đầy hứa hẹn để kéo dài thời gian hoạt động mạng, truyền lƣợng thông tin không dây WIPT cho phép thiết bị tái chế đƣợc lƣợng từ tần số vô tuyến RF xử lý thông tin cách đồng thời Cùng với phát triển hệ thống không dây theo công nghệ mới, ngƣời thực đề xuất ngun tắc góp phần tối ƣu mạng vơ tuyến chuyển tiếp Cũng đề tài này, ngƣời thực sâu phân tích kỹ thuật phổ biến PSR để thu thập lƣợng để chuyến tiếp tín hiệu sơ đồ Relay khuếch đại chuyển tiếp AF, nơi hai nguồn trao đổi thông thông tin thông qua nút Relay thu thập lƣợng Cụ thể khai thác đặc tính xác suất dừng, tìm hiểu ngun tắc phân chia cơng suất động độ lợi hiệu suất hệ thống So với hệ thống bất hợp tác, giao thức đƣợc đề xuất giải pháp xanh để cung cấp truyền thông với tốc độ truyền tải cao đáng tin cậy mà không tiêu tốn tài nguyên bổ sung Cuối cùng, kết cung cấp nguyên tắc hữu ích cho việc thiết kế nút Relay thu thập lƣợng mạng, góp phần vào việc tối ƣu mạng vô tuyến ii MỤC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH ẢNH DANH SÁCH BẢNG BIỂU CÁC TỪ VIẾT TẮT CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP 1.1 GIỚI THIỆU 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.4 1.3.1 Nhiệm 1.3.2 Giới hạ TÓM TẮT ĐỀ TÀI CHƢƠNG KỸ THUẬT TRONG MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP 2.1 SƠ ĐỒ RELAY KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP AF 2.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.3THU THẬP NĂNG LƢỢNG CHƢƠNG TỐI ƢU MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP DÙNG GIAO THỨC AF 3.1 CÁC NGUYÊN TẮC PHÂN CHIA CÔNG SUẤT ĐỘNG TRONG MẠNG RELAY AF 3.2 3.1.1 Trƣờng hợp đầy đủ CSI 3.1.2 Trƣờng hợp phần CSI CÁC ĐỘ LỢI HIỆU SUẤT CHƢƠNG MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐỊNH TÍNH CỦA HỆ THỐNG iii 4.1 MÔ PHỎNG 21 4.2 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG 23 CHƢƠNG 26 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 26 5.1 KẾT LUẬN 26 5.2 HƢỚNG PHÁT TRIỂN 27 PHỤ LỤC 28 TÀI LIỆU THAM KHẢO 36 iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 2.1: Mơ hình sơ đồ Relay khuếch đại chuyển tiếp AF Hình 2.2: Mơ hình hệ thống Hình 2.3: Sơ đồ máy thu thập lƣợng nút Relay 11 Hình 2.4: Đồ thị xạ điện từ mơ tả ảnh hƣởng khoảng cách thu lƣợng 12 Hình 4.1: Mơ xác suất dừng đạt đƣợc giá trị PS thay đổi 21 Hình 4.2: Mơ độ lợi hiệu suất η đạt đƣợc giá trị λg thay đổi xem xét ảnh hƣởng 22 Hình 4.3: Mơ độ lợi hiệu suất η đạt đƣợc giá trị λh thay đổi xem xét ảnh hƣởng 23 v Đầu tiên, giả sử khoảng cách từ nguồn tới Relay khoảng cách từ Relay tới đích, λh = λg = 1.5 Hiệu suất dừng đạt đƣợc với nguyên tắc phân chia cơng suất đƣợc biểu diễn Hình 4.1 Khi công suất truyền dẫn tăng, xác suất dừng trung bình giảm Cả hai ngun tắc phân chia cơng suất đạt đƣợc hiệu suất tốt tất sơ đồ với p cố định Ví dụ, nguyên tắc với đầy đủ CSI đạt đƣợc độ lợi khoảng 0.4dB so với sơ đồ với p = 0.8 , 0.5dB so với sơ đồ với p = 0.6 1.3dB so với sơ đồ với p = 0.4 mà PS = 50dBm Mặc dù nguyên tắc với đầy đủ CSI tốt nguyên tắc với phần CSI, khoảng cách khơng xa lắm, ví dụ, PS = 50dBm hai xác suất dừng trung bình thấp 10−4 , khoảng cách khoảng 0.1dB Điều nói lên nguyên tắc với phần CSI, gánh chịu chi phí hơn, tiếp cận đƣợc nguyên tắc với đầy đủ CSI cách chặt chẽ Nếu khơng có chế RTS/CTS, ngun tắc với phần CSI đƣợc sử dụng Thứ hai, khảo sát ảnh hƣởng thông số thống kê kênh truyền với độ lợi ngun tắc phân chia cơng suất đề xuất Hình 4.2 4.3 biểu diễn độ lợi hiệu suất với λg λh khác Trong Hình 4.2, ta thấy λg tăng độ lợi giảm Điều có nghĩa nguyên tắc động đƣợc đề xuất thích hợp cho trƣờng hợp suy hao đƣờng truyền từ Relay tới đích liệt Cả hai nguyên tắc đƣợc đề xuất gần nhƣ độ lợi, lớn η p =0.6 η p =0.8 Chú ý λg ≥ , ta có η p = 0.6 >ηp=0.8 , nghĩa nguyên tắc với p = 0.6 đạt đƣợc hiệu suất dừng tốt nguyên tắc với p = 0.8 Khi λg ≥ , ta có ηp =0.8 < , nghĩa nguyên tắc với p = 0.4 có hiệu suất dừng tốt nguyên tắc với p = 0.8 Trong Hình 4.3, độ lợi hiệu suất tăng λh tăng Lý Relay thu đƣợc nhiều lƣợng nguyên tắc có đƣợc nhiều khả để tối ƣu hóa việc truyền dẫn Tƣơng tự, η par gần nhƣ η full Cả hai nguyên tắc đề xuất tốt nguyên tắc với p cố định Từ hai hình, ta thấy thơng số kênh truyền có ảnh hƣởng tới hiệu suất nguyên tắc phân chia công suất nêu Nguyên tắc với đầy đủ CSI đạt đƣợc hiệu suất tốt sau lúc tiến tới chặt chẽ với trƣớc Tóm lại, để tối ƣu mạng vơ 24 tuyến chuyển tiếp dùng giao thức AF, ta phải áp dụng nguyên tắc phân chia công suất động nêu để góp phần làm giảm xác suất dừng hệ thống, nâng cao độ lợi hiệu suất giảm yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống 25 CHƢƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 KẾT LUẬN Trong đồ án ngƣời thực tiến hành nghiên cứu mạng hợp tác thu thập lƣợng đồng thời sâu nghiên cứu kỹ thuật xử lý q trình truyền tín hiệu từ nút nguồn- Relay đến đích khả thu thập lƣợng nút Relay Ngƣời thực cố gắng mô đánh giá hiệu nhƣ chất lƣợng sử dụng giao thức PSR, đóng vai trị quan trọng hệ thống: thông tin tƣơng hỗ tức thời, xác suất dừng, độ lợi hiệu suất, để thấy đƣợc nhƣợc điểm từ tối ƣu mạng vơ tuyến dùng giao thức AF Đặc biệt, kết tổng hợp nghiên cứu tối ƣu cho mạng vô tuyến đƣợc trình bày chƣơng Đồ án chứng đƣợc ngun tắc phân chia cơng suất động đề suất giúp tăng hiệu xác suất dừng hệ thống thông tin vô tuyến Các biểu thức xác xác suất dừng đƣợc đánh giá cơng cụ tốn học đƣợc kiểm chứng kết mơ Từ đó, thấy đƣợc mạng hợp tác thu thập lƣợng hệ thống mang lại nhiều ứng dụng khả phát triển tƣơng lai Ƣu điểm hệ thống mang lại có tính linh hoạt, có khả thu thập lƣợng từ nguồn xung quanh hỗ trợ truyền tải thông tin nút mạng cách xác, hiệu suất đạt đƣợc cao, tiết kiệm đƣợc tài nguyên kênh truyền nhƣ trì đƣợc thời gian hoạt động thiết bị khơng dây có lƣợng hạn chế Tuy nhiên bên cạnh có mặt hạn chế phải kết hợp với Relay nên tốc độ truyền tải liệu không đƣợc nhƣ mong muốn, gây số bất lợi nhƣ nhiễu nút đích lỗi khuếch đại sử dụng sơ đồ AF Hơn nữa, với kỹ thuật thu thập lƣợng đáp ứng đƣợc nhu cầu lƣợng cho thiết bị không dây, với việc kết nối vào mạng hợp tác thu thập lƣợng thiết bị đƣợc sạc pin mà không cần phải sử dụng nguồn lƣợng từ bên ngồi Chính 26 ƣu điểm trên, EHCN thật mẻ, tích cực cho lĩnh vực truyền thơng khơng dây tƣơng lai Hy vọng đề tài góp phần vào phát triển công nghệ không dây nói chung nhƣ truyền thơng hợp tác thu thập lƣợng nói riêng tƣơng lai Một lần nữa, ngƣời thực đề tài xin đƣợc cảm ơn thầy Đỗ Đình Thuấn, phó mơn Điện tử- viễn thơng, trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật TP HCM, góp ý, trợ giúp xây dựng thực để hồn thiện đề tài 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN Việc hiểu rõ đề tài giúp việc vận dụng sơ đồ để chuyển tiếp tín hiệu tốt Sơ đồ DF phức tạp nhƣng bù lại giúp loại bỏ ảnh hƣởng nhiễu tốt đƣợc sử dụng tƣơng lai Việc loại bỏ ảnh hƣởng nhiễu giúp cho mạng đƣợc tối ƣu Ngồi ra, sử dụng chế độ truyền song cơng giúp tăng hiệu truyền tải Việc sử dụng phần cứng tốt góp phần trì ổn định hệ thống Thêm nữa, mơ hình hoạt động với nhiều anten nên đƣợc thử nghiệm Với việc sử dụng giao thức TPSR cho hệ thống hai chiều đảm bảo khả phân tập nút đích tốt 27 PHỤ LỤC Hình 4.1: Mơ xác suất dừng đạt đƣợc giá trị PS thay đổi close all; clear all; clc; N = 10^6; %kenh truyen nr_dbm = -20; %dBm nr = 10^(nr_dbm/10)*(1e-3); %W np_dbm = -20; %dBm np = 10^(np_dbm/10)*(1e-3); %W nd_dbm = -17; %dBm nd = 10^(nd_dbm/10)*(1e-3); %W lamda_h = 1.5; lamda_g = 1.5; R = 3; %bps/Hz x = 2^R-1; %nguong dung tuong ung p1 = 0.4; p2 = 0.6; p3 = 0.8; Ps_dbm = [20:5:50]; %dBm Ps = 10.^(Ps_dbm/10)*(1e-3); %W %% tao kenh fading Rayleigh h = sqrt(1/2)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N)); %fading Rayleigh cho kenh tu S toi Relay g = sqrt(1/2)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N)); %fading Rayleigh cho kenh tu Relay toi D Rh = lamda_h*(abs(h).^2); %cong suat fading cua h Rg = lamda_g*(abs(g).^2); %cong suat fading cua g %% main for t = 1:length(Ps_dbm) tu1 = Ps(t)*Rh.*Rg*p1*(1-p1); mau1 = (-Rg*nr*p1^2)+(Rg*(nr+np)-nd)*p1+nd+(np*nd./(Rh*Ps(t) +nr)); SNR1 = tu1./mau1; Pout1(t) = sum(SNR1 < x)/N; 28 tu2 = Ps(t)*Rh.*Rg*p2*(1-p2); mau2 = (-Rg*nr*p2^2)+(Rg*(nr+np)-nd)*p2+nd+(np*nd./(Rh*Ps(t) +nr)); SNR2 = tu2./mau2; Pout2(t) = sum(SNR2 < x)/N; tu3 = Ps(t)*Rh.*Rg*p3*(1-p3); mau3 = (-Rg*nr*p3^2)+(Rg*(nr+np)-nd)*p3+nd+(np*nd./(Rh*Ps(t) +nr)); SNR3 = tu3./mau3; Pout3(t) = sum(SNR3 < x)/N; a1 = nd-Rg*np; b1 = -2*(nd+(np*nd./(Rh*Ps(t)+nr))); c1 = nd+(np*nd./(Rh*Ps(t)+nr)); if a1 == pf = 1/2; else pf = (-b1-sqrt(b1.^2-4*a1.*c1))./(2*a1); end tuf = Ps(t)*Rh.*Rg.*pf.*(1-pf); mauf = (-Rg*nr.*(pf.^2))+(Rg*(nr+np)-nd).*pf+nd+(np*nd./(Rh*Ps(t)+nr)); SNRf = tuf./mauf; Poutf(t) = sum(SNRf < x)/N; a2 = (Ps(t)*Rh-x*nr)/nd; b2 = 1+(np./(Rh*Ps(t)+nr)); c2 = b2.*((a2*np./(Rh*Ps(t)+nr))+(x*np/nd)); H0 = x*(nr+np)/Ps(t); if Rh