(Đề tài NCKH) đánh giá ảnh hưởng của nhiễu phần cứng đến hiệu năng mạng vô tuyến hợp tác

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN HẢI ÐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU PHẦN CỨNG ÐẾN HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC NGÀNH: KỸ THUẬT ÐIỆN TỬ - 60520203 SKC005057 Tp Hồ Chí Minh, tháng 4/2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NGUYỄN HẢI ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỄU PHẦN CỨNG ĐẾN HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60520203 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Đỗ Đình Thuấn (Ghi rõ họ, tên, chứcdanh khoa học, học vị chữ kí) Cán hướng chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị chữ kí) Cán hướng chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, chức danh khoa học, học vị chữ kí) Luận văn thạc sĩ bảo vệ trước HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KĨ THUẬT Ngày 23 tháng năm 2016 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 10 1.4 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 10 1.5 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 10 1.6 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11 1.7 BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN 11 CHƯƠNG 13 TỔNG QUAN LÍ THUYẾT 13 2.1 GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT MẠNG HỢP TÁC 13 Hình 2.1 Mạng hợp tác 13 2.2 TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 14 2.2.1 Phân bổ nguồn lựa chọn chuyển tiếp 14 Hình 2.2: Truyền dẫn chuyển hai hướng giai đoạn 16 Hình 2.3:Truyền dẫn chuyển hai hướng giai đoạn 16 2.2.2 2.3 Giao thức chuyển tiếp lượng 17 TRUYỀN THÔNG TRONG NHIỄU 18 Hình 2.4: Nhiễu mạng khơng dây 18 Hình 2.5: Mạng chuyển tiếp hai chặng diện nhiễu với đa dạng liên kết 20 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 21 CHƯƠNG 23 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC CÓ ẢNH HƯỞNG NHIỄU PHẦN CỨNG 23 3.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 23 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống cho chuyển tiếp bị hạn chế lượng hỗ trợ thông tin liên lạc nguồn nút đích 23 Hình 3.2: Minh họa thơng số quan trọng giao thức TSR cho thu nhậpnăng lượng xử lý thông tin relay 23 Hình 3.3 Sơ đồ khối máy thu chuyển tiếp giao thức TSR 24 3.2 NHIỄU DO KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG VÔ, TUYẾN HỢP TÁC 24 3.2.1 Suy hao 24 Hình 3.4 Biểu đồ suy hao tín hiệu môi trường truyền dẫn 25 3.2.2 Nhiễu trắng (White noise) 25 Hình 3.5 Nhiễu trắng 26 3.2.3 Nhiễu liên ký tự ISI (Inter symbol interference) 26 3.2.4 Nhiễu liên kênh ICI (Interchannel Interference) 26 Hình 3.6 Nhiễu xuyên kênh hai sóng mang kề 26 3.2.5 Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference) 27 3.2.6 Nhiễu đa truy nhập (Multiple Access Interference) 27 3.2.7 Hiện tượng fading đa đường (Multipath-Fading) 28 Hình 3.7 Các tượng xảy r q trình truyền sóng 28 Hình 3.8 Tín hiệu tới phía thu theo L đường 29 Hình 3.9 Sơ đồ khối nút chuyển tiếp pha 29 3.3 NHIỄU DO PHẦN CỨNG 30 3.3.1 Nhiễu chất lượng thiết kế bo mạch in 30 3.3.2 Nhiễu nguồn cung cấp 30 3.3.3 Nhiễu chuyển mạch 30 3.3.4 Nhiễu điều chế 30 Hình 3.10 IQI Relay chuyển tiếp AF 31 3.4 3.5 MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG 32 3.4.1 Thu thập lượng 32 3.4.2 Truyền dẫn lượng 33 3.4.3 Phân tích thơng lượng 35 KẾT LUẬN CHƯƠNG 42 CHƯƠNG 43 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 43 Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn trường hợp xét khơng nhiễu phần cứng (t=0) có nhiễu phần cứng (t=0.05 t=0.1) 43 Hình 4.2: Thơng lượng nhận theo α với trường hợp:Không nhiễu phần cứng ( τ =0), Ps=1dB/10dB/20dB,R=3,l1=l2=1) 44 Hình 4.3: Thơng lượng nhận theo α với trường hợp:Không nhiễu phần cứng ( τ =0) Có nhiễu phần cứng( τ =0.05 τ =0.1) ,Ps=1dB,R=3,l1=l2=1) .45 CHƯƠNG 46 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 5.1 KẾT LUẬN 46 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 Từ viết tắt AF AWGN BEP CDF CF CSI DF DMT i.n.i.d IEEE LAN MGF MIMO MRC OP PDF PSR QoS RCEE R-D SEP SINR SNR S-R STBC TSR ULSI VLSI WLAN DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 2.1 Mạng hợp tác 13 Hình 2.2: Truyền dẫn chuyển hai hướng giai đoạn 16 Hình 2.3:Truyền dẫn chuyển hai hướng giai đoạn 16 Hình 2.4: Nhiễu mạng khơng dây 18 Hình 2.5: Mạng chuyển tiếp hai chặng diện nhiễu với đa dạng liên kết 20 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống cho chuyển tiếp bị hạn chế lượng hỗ trợ thông tin liên lạc nguồn nút đích 23 Hình 3.2: Minh họa thơng số quan trọng giao thức TSR cho thu nhậpnăng lượng xử lý thông tin relay 23 Hình 3.3 Sơ đồ khối máy thu chuyển tiếp giao thức TSR 24 Hình 3.4 Biểu đồ suy hao tín hiệu mơi trường truyền dẫn 25 Hình 3.5 Nhiễu trắng 26 Hình 3.6 Nhiễu xuyên kênh hai sóng mang kề 26 Hình 3.7 Các tượng xảy r q trình truyền sóng 28 Hình 3.8 Tín hiệu tới phía thu theo L đường 29 Hình 3.9 Sơ đồ khối nút chuyển tiếp pha 29 Hình 3.10 IQI Relay chuyển tiếp AF 31 Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn trường hợp xét có nhiễu phần cứng (t=0) khơng có nhiễu phần cứng (t=0.05 t=0.1) 43 α τ Hình 4.2: Thơng lượng nhận theo với trường hợp:Không nhiễu phần cứng ( =0), Ps=1dB/10dB/20dB,R=3,l1=l2=1) Error! Bookmark not defined Hình 4.3: Thơng lượng nhận theo =0) Có nhiễu phần cứng( τ α =0.05 với trường hợp:Không nhiễu phần cứng ( τ τ =0.1) ,Ps=1dB,R=3,l1=l2=1) .44 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU HIỆN NAY Từ năm đ ầu kỷ 20, phát triển ấn tượng công nghệ truyền thông không dây thay đổi đáng kể cách thức sống giao tiếp Sự tiến tiếp tục nhiều năm tương lai nhu cầu kết nối không dây với hệ thống thiết bị tăng lên ngày Tuy nhiên với phát triển mạnh mẽ thiết bị không dây ngày nay, từ mạng 2G lên 3G hay hạ tầng mạng 4G có ưu ểm nhược điểm riêng Một hạn chế hạ tầng mạng dung lượng vùng phủ sóng Để hạn chế nhược điểm đó, tăng khoảng cách vùng phủ sóng với chi phí hợp lý ứng dụng công nghệ vào mạng viễn thông người ta sử dụng mạng truyền thông hợp tác Trong năm gần đây, truyền thông hợp tác chủ đề nóng hội nghị nghiên cứu hạ tầng mạng viễn thơng, tháng có 3000 báo nghiên cứu mạng truyền thông hợp tác giới vấn đ ề nhiễu phát sinh phần cứng khơng hồn hảo đư ợc nhắc đ ến nhiều nghiên cứu trước 1.2 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thập kỷ qua, phát triển nhiều hệ thống ăn ten có lẽ thành nghiên cứu quan trọng để đáp ứng thách thức tốc độ liệu tương lai Những công nghệ giới thiệu phần trước đáp ứng phần nhu cầu kết nối liệu người Nhưng xã hội ngày phát triển địi hỏi phải có cơng nghệ đáp ứng nhu cầu sử dụng dung lượng người truyền thông hợp tác cơng nghệ Hệ thống MIMO thực mạng cục không dây (WLAN) tiêu chuẩn IEEE 802.11n sau mạng di động 4G Tuy nhiên, việc thực hệ thống MIMO thiết bị di động nhỏ gọn khơng dễ dàng Đặc biệt, nửa bước sóng tối thiểu ănten tách yêu cầu (tùy thuộc vào kế hoạch thực hiện) để thực đầy đủ lợi ích MIMO Để giải vấn đề này, kỹ thuật khác phát triển, mảng anten ảo tạo không gian thay với thiết bị Kênh khơng dây phát sóng tự nhiên, ví dụ thiết bị khơng dây phát sóng thơng tin họ để người lân cận sử dụng Bằng cách sử dụng tượng phát sóng này, kế hoạch ergodic mà không cần ứng tốc yêu cầu kiến thức thông tin trạng thái kênh nguồn nút chuyển tiếp Để tìm thấy dạng phân tích cho cơng suất ergodic, PDF γ cần đánh giá đầu tiên.PDF D cho bởi: 39 γ D , f γ γD Với a ! P lmlmσ d γ (1−α) , s n d ! 2ηP lmσ r γα , u ! s 1n (3.12a).PDF γ D là: (3.21) λγ =  cz − dz λ hs z= d /c 2 hd (3.22a) Sử dụng (3.15) PDF fγDγ (3.21), công suất ergodic C là:  C γ γ =0 z=d /c  fγ Dγlog2 (1γ )dγ 0 cz − dz (3.22b) (3.22b) trình bày dạng phân tích C cho giao thức TSR, trình bày Dự luật (3.16) Việc tích hợp (3.22b) khơng thể đơn giản Tuy nhiên, người ta áp dụng xấp xỉ SNR cao, giải thích (3.16), tiếp tục đơn giản hóa biểu thức (B.3b) Như vậy, cách sử dụng (3.20), giá trị gần cho CDF γ D là: F γ ≈1− γD = 1− e− 40 Với u ! (3.22) tương tự sử dụng (A5)-(A6).Đánh giá đạo hàm Fγ Dγ 3.22) theo γ ,PDF γ D xấp xỉ: Với (3.23) rút từ (3.22) nhờ sử dụng hàm Bessel, d z Kz = −z υ dz υ υ K 1z υ− [21, §8.486.18].Như vậy, cách sử dụng (B.3a) (B.5), công suất xấp xỉ ergodic SNR cao cho bởi:  C = γ =0 z=d /c  ≈ u2 K (u)e  2γ γ =0 Trong đó: a ! P lmlmσ d γ (1−α) (3.25a) s n σ d γ (1−α) (3.25b) c ! 2ηPs2α −γ 2ηPs2l1mατ (3.25c) d ! 2ηPsl1mσ r γα (3.25d) 2m m b !Pl l σ r s n u! 4a hs λ hs λ hs (3.25e) cλ λ hs định nghĩa (3.12)  Đề xuất bắt nguồn công suất ergodic điểm đến chuyển tiếp thu nhập lượng từ nguồn tín hiệu sử dụng lượng thu nhập để chuyển tiếp tín hiệu nguồn đ ến đích Công su ất ergodic, (3.16), hàm thời gian thu nhập lượng α hàm tăng lên α tăng t đến Điều kết 41 lớn α truyền tải điện nhiều chuyển tiếp, mà tăng công suất ergodic Mặt khác, thời gian giao tiếp hiệu nút nguồn nút đích, (1-α) T / 2, giảm cách tăng α Như vậy, τ băng thông hàm ngày cao α Cho r ằng nguồn truyền với tốc độ cố định công suất ergodic, tức là, C bits / sec / Hz, băng thông τ điểm đến cho bởi: Ω= Trong băng thơng Ωtrong(3.14) tùy thuộc vào P η s , ,α, l , l ,R, σ n r σ , n d Lưu ý biểu thức băng thông cuối phương thức chậm trễ giới hạn việc truyền tải chậm trễ chịu, (3.14) (3.18), tương ứng, có tính thời gian thu nhập lượng, αT phụ thuộc vào thời gian truyền thông tin hiệu quả, (1-α) T /2 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương trình bày hệ thống truyền thông không dây nơi thông tin chuyển từ nút nguồn S tới nút đích D, thơng qua m ột nút chuyển tiếp lượng hạn chế trung gian R, từ đưa giao th ức thu thập lượng chuyển đ ổi theo thời gian (TSR) Trong chương phân tích để tìm công thức đánh giá thông lượng thu có nhiễu phần cứng phần cứng khơng hồn hảo 42 CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Bắt đầu Khởi tạo giá trịR,Ps,d1,d2,n,m,R,z,lamda_h,la mda_g,na,nc,alpha Tính:x,nd,nr,h,g,Rh,Rg,Rh1 t=0; P++ p=length(alpha) P++ t=0.05 Tính mau,tu, SNRD(p,:) S p=length(alpha) Poutsimulation(p) y_simulation_dl(p) a(p),b(P),c(p)d(p),u(p) Poutanalyticapp(p) Đ Vẽ đồ thị thông lượng nhận theo α y_analyticalapp_dl(p) t=0.1 P++ S p=length(alpha) Đ Kết thúc Tínhmau,tu,SNRD(p,:) Poutsimulation(p) y_simulation_dl(p) a(p),b(P),c(p)d(p),u(p) Vẽ đồ thị thông lượng nhận theo α Poutanalyticapp(p) y_analyticalapp_dl(p) Hình 4.1 Lưu đồ thuật tốn trường hợp xét khơng nhiễu phần cứng (t=0) có nhiễu phần cứng (t=0.05 t=0.1) 43 Ps=20dB Ps=10dB Ps=1dB Hình 4.2: Thông lượng nhận theo α với trường hợp:Không nhiễu phần cứng ( τ =0), Ps=1dB/10dB/20dB,R=3,l1=l2=1) Nhận xét: Công suất cao thơng lượng thu lớn (thường cơng suất phát từ 0->40dB) Ta thấy cơng suất cao độ chênh lệch thơng lượng thu nhỏ Và thời gian α thu thông lượng tối đa sớm Như: α -Ps=1dB: thông lượng max tại: 0.05<