Đồ án Khảo sát hiệu năng mạng thu thập năng lượng có ảnh hưởng sai số ước lượng kênh (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Khảo sát hiệu năng mạng thu thập năng lượng có ảnh hưởng sai số ước lượng kênh (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CƠNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THƠNG KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG CĨ ẢNH HƯỞNG SAI SỐ ƯỚC LƯỢNG KÊNH GVHD: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN SVTH : CHÂU THẾ VINH MSSV: 12141739 S K L 0 0 4 6 1 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2017
2. TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG THU THẬP NĂNG LƢỢNG CĨ ẢNH HƢỞNG SAI SỐ ƢỚC LƢỢNG KÊNH SVTH : CHÂU THẾ VINH MSSV : 12141739 Lớp : 12141CLVT Ngành : CNKT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THƠNG (Điện tử viễn thơng) GVHD: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2017
3. CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên:CHÂU THẾ VINH MSSV: 12141473933 Ngành:CNKT ĐIỆN TỬ- VIÊN THƠNG Lớp: 12141CLVT Giảng viên hƣớng dẫn: ĐỖ ĐÌNH THUẤN ĐT: 01653033369 Ngày nhận ề tài: Ngày nộp ề tài: 1. Thơng tin đề tài: - Tên của ề tài: Khảo sát hiệu năng mạng thu năng lƣợng cĩ ảnh hƣởng sai số ƣớc lƣợng kênh. - Mục ích của ề tài: Khảo sát sơ lƣợc về mạng truyền thơng chuyển tiếp thu năng lƣợng từ tín hiệu vơ tuyến, phân tích và ánh giá mơ hình chuyển tiếp thu năng lƣợng thơng qua việc thiết lập cơng thức tốn học tính thơng lƣợng của hệ thống, khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiễu CSI lênh hệ thống và sự tối ƣu của thời gian truyền năng lƣợng ể ạt chất lƣợng tốt nhất. 2. Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài - Tìm hiểu về mạng chuyển tiếp hợp tác trong truyền thơng. - Khảo sát mạng thu năng lƣợng, các giao thức thu năng lƣợng tại nút. - Phân tích mơ hình hệ thống mạng khuếch ại và chuyển tiếp thu năng lƣợng dƣới tác ộng của nhiễu CSI. - Mơ phỏng, ánh giá hiệu năng của hệ thống bằng phần mềm Matlab. 3. Lời cam đoan của sinh viên Tơi – Châu Thế Vinh cam oan ĐATN là cơng trình nghiên cứu của bản thân tơi dƣới sự hƣớng dẫn của tiến sĩ Đỗ Đình Thuấn. Kết quả cơng bố trong ĐATN là trung thực và khơng sao chép từ bất kỳ cơng trình nào khác. Giảng viên hƣớng dẫn ĐỖ ĐÌNH THUẤN
4. CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: CHÂU THẾ VINH MSSV: 12141739 Ngành:CNKT ĐIỆN TỬ- VIỄN THƠNG Tên ề tài: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG THU NĂNG LƢỢNG CĨ ẢNH HƢỞNG SAI SỐ ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN Họ và tên Giáo viên hƣớng dẫn: ĐỖ ĐÌNH THUẤN NHẬN XÉT 1. Về nội dung ề tài & khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu iểm: 3. Khuyết iểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay khơng? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 2 năm 2017 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)
5. CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: CHÂU THẾ VINH MSSV: 12141739 Ngành: CNKT ĐIỆN TỬ-VIỄN THƠNG Tên ề tài: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG THU NĂNG LƢỢNG CĨ ẢNH HƢỞNG SAI SỐ ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN Họ và tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT 1. Về nội dung ề tài & khối lƣợng thực hiện: 2. Ƣu iểm: 3. Khuyết iểm: 4. Đề nghị cho bảo vệ hay khơng? 5. Đánh giá loại: 6. Điểm: .(Bằng chữ: ) Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng 2 năm 2017 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên)
6. LỜI CẢM ƠN Để hồn thành ề tài nghiên cứu này, lời ầu tiên ngƣời thực hiện ề tài xin chân thành cảm ơn các giảng viên Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nĩi chung và các giảng viên trong Khoa ào tạo chất lƣợng cao nĩi riêng, những ngƣời ã giúp ỡ tơi trang bị những kiến thức nền tảng và chuyên ngành bổ ích, giúp tơi cĩ ƣợc cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo iều kiện trong quá trình học tập. Ngƣời thực hiện ề tài xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Đình Thuấn ã ƣa ra những ịnh hƣớng nghiên cứu, cũng nhƣ việc phản hồi các kết quả nghiên cứu trong thời gian qua. Trong thời gian làm việc với thầy, tơi ã khơng ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức mới, tiếp cân ƣợc với nhiều cơng nghệ mới, tiên tiến, hiệu quả và rèn luyện ƣợc thái ộ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, ây là iều rất cần thiết trong quá trình học tập và cơng tác sau này. Đồng thời tơi cũng gửi lời cảm ơn tới bạn vè, các anh chị trong Khoa ào tạo chất lƣợng cao ã gĩp ý, chia sẻ kinh nghiệm, hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu và thực hiện ề tài tốt nghiệp này. Em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 12 tháng 2 năm 2017 Ngƣời thực hiện ề tài CHÂU THẾ VINH i
7. TĨM TẮT Truyền thơng chuyển tiếp ã và ang thu hút nhiều sự quan tâm của nhiều nhà nhiên cứu trên khắp thế giới bởi những lợi ích mà nĩ em lại nhƣ: nâng cao hiệu năng, giảm cơng suất phát, tăng tầm bao phủ, dung luợng, Tuy nhiên, khi triển khai trên diện rộng, với một số lƣợng lớn các thiết bị viễn thơng thì iều cần thiết và cấp bách nhất là tìm ra một nguồn năng lƣợng phù hợp và ít tốn kém nhất. Do ĩ, mạng truyền thơng thu năng lƣợng từ sĩng vơ tuyến (RF) ra ời nhằm áp ứng nhu cầu nêu trên. Và ây cũng là một hƣớng nghiên cứu mới áng ƣợc quan tâm. Trong ề tài này, ngƣời thực hiện ề tài giới thiệu về mạng truyền thơng chuyển tiếp thu năng lƣợng từ sĩng vơ tuyến ể cung cấp năng lƣợng cho nút chuyển tiếp sĩng vơ tuyến. Đề tài này thực hiện các nhiệm vụ chính, ầu tiên là giới thiệu về mạng thu năng lƣợng từ tín hiệu sĩng vơ tuyến, cụ thể hơn, ở ây là sai số do ƣớc lƣợng thơng tin trạng thái kênh (CSI) và tín hiệu truyền từ nguồn; phân tích ể so sánh giữa hai giao thức thu năng lƣợng là: chuyển mạch theo thời gian (TSR) và phân chia cơng suất (PSR) ể so sánh hiệu năng và thơng lƣợng ạt ƣợc của hai giao thức. Cuối cùng, ĩ là tìm hiểu và phân tích mơ hình cĩ thu năng lƣợng từ nhiễu CSI. Các kết quả ạt ƣợc giúp ta ánh giá một cách khách quan về sự ảnh hƣởng của nhiễu CSI lên hai mơ hình sử dụng giao thức TSR và PSR. Từ ĩ, tùy theo nhu cầu sử dụng mà cĩ thể ƣa ra những quyết ịnh tốt nhất ể lựa chọn hệ thống sao cho phù hợp. ii
8. DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Hệ thống giải mã và chuyển tiếp (DF) 8 Hình 2.2: Hệ thống khuếch ại và chuyển tiếp (AF) 9 Hình 2.3: Phân loại mạng truyền thơng hợp tác 12 Hình 2.4: Sơ ồ khối mạng chuyển tiếp một chiều 14 Hình 2.5: Sơ ồ khối của truyền hai chiều hai, ba, bốn khe thời gian 15 Hình 3.1: Kiến trúc hệ thống RF-EHN 22 Hình 3.2: Sơ ồ khối một nút mạng iển hình 22 Hình 3.3: Sơ ồ khối bộ chuyển ổi tín hiệu RF thành tín hiệu một chiều 23 Hình 3.4: Các thơng số chính của giao thức TSR và PSR 24 Hình 3.5 Minh hoạ của các thơng số quan trọng trong giao thức TSR cho thu năng lƣợng và xử lý thơng tin tại các chuyển tiếp 25 Hình 3.6 Khối sơ ồ của máy thu chuyển tiếp trong giao thức TSR 25 Hình 3.7. Minh hoạ của các thơng số quan trọng trong giao thức PSR cho thu năng lƣợng và xử lý thơng tin tại các chuyển tiếp. 31 Hình 3.8. Khối sơ ồ của máy thu chuyển tiếp trong giao thức PSR 31 Hình 4.1(a) τ thơng qua tại các nút ích ối với α cho giao thức TSR 39 Hình 4.1(b) τ thơng qua tại các nút ích ối với ρ cho giao thức PSR 39 Hình4.2(a) băng thơng τ tối ƣu cho ngƣờinhận lý tƣởng, các giao thức TSR và PSR cho giá trị khác nhau của ăng-ten nhiễu khơng úng 40 Hình 4.2(b) . băng thơng τ tối ƣu cho máy thu lý tƣởng, các giao thức TSR và PSR cho giá trị khác nhau của nhiễu chuyển ổi sai 40 Hình 4.3. thơng lƣợng τ tối ƣu cho các giao thức TSRvà PSR cho các giá trị khác nhau của khoảng cách từ nguồn ến chuyển tiếp, d1 41 Hình 4.4. băng thơng τ tối ƣu cho các giao thức TSR và PSR trong chế ộ truyền tải giới hạn delay cho các giá trị khác nhau của tốc ộ truyền dẫn nguồn 41 iii
9. Hình 4.5. Tối ƣu băng thơng τ cho TSR và PSR giao thức, tƣơng ứng với giá trị khác nhau về hiệu quả năng lƣợng thu hoạch, η 42 iv
10. BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Từ tiếng anh Từ tiếng việt tắt AF Ampily-and-Forward Khuếch ại và chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BC Broadcasting Phát quảng bá CSI Channel State Information Ƣớc lƣợng thơng tin trạng thái kênh Cumulative Distribution CDF Hàm phân phối tích lũy Function DC Direct Current Dịng iện một chiều DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp EH Energy Harvesting Thu năng lƣợng EHN Energy Harvesting Network Mạng thu năng lƣợng IT Information Transmission Truyền dữ liệu LoS Line of Sight Tầm nhìn thẳng MA Multiple Access Đa truy cập PDF Probability Density Function Hàm mật ộ xác suất PNC Physical Layer Network Lớp vật lý mạng Chuyển tiếp dựa trên phân chia theo PSR Power Splitting-based Chuyển cơng suất tiếping QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vơ tuyến RF- Radio Frequency Energy Mạng thu năng lƣợng từ sĩng vơ EHN Harvesting Network tuyến v
11. Signal-to-Interference-plus- Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng với SINR Noise ratio nhiễu CSI SIR Signal-to-Interference Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu CSI SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu Chuyển tiếp dựa trên chuyển mạch TSR Time Switching-based Chuyển theo thời gian tiếping vi
12. MỤC LỤC TĨM TẮT i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH iii BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT v CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU 1 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 4 1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 4 1.3.1 Nhiệm vụ 4 1.3.2 Giới hạn đề tài 5 1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 5 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI 6 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THƠNG CHUYỂN TIẾP 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG TRUYỀN THƠNG HỢP TÁC 8 2.2 MƠ HÌNH PHÂN TÍCH FADING ĐA ĐƢỜNG 12 2.3 CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP 12 2.3.1 Giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward – DF) 12 2.3.2 Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-forward – AF) 13 2.4 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP 14 2.4.1 Chuyển tiếp một chiều 14 2.4.2 Chuyển tiếp hai chiều 15 2.5 TỔNG QUAN VỀ CSI 16 CHƢƠNG 3 MẠNG TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ THU NĂNG LƢỢNG TRONG ĐIỀU KIỆN ƢỚC LƢỢNG KÊNH KHƠNG HỒN HẢO 3.1 KIẾN TRƯC CỦA MẠNG THU NĂNG LƢỢNG TỪ SĨNG VƠ TUYẾN 21
13. 3.2 CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP 24 3.2.1 Giao thức chuyển mạch theo thời gian (TSR) 25 3.2.2 Giao thức phân chia cơng suất (PSR) 31 3.3 MÁY THU CHUYỂN TIẾP LÝ TƢỞNG .35 CHƢƠNG 4 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 4.1. PHƢƠNG PHÁP MƠ PHỎNG 38 4.2. KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 39 CHƢƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 5.1. KẾT LUẬN 44 5.2. HƢỚNG PHÁT TRIỂN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 46 PHỤ LỤC 49
14. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. GIỚI THIỆU Duy trì thời gian của một mạng vơ tuyến thơng qua thu năng lƣợng ã nhận ƣợc sự chú ý áng kể gần ây. Mặc dù, thay thế hoặc nạp lại năng lƣợng cĩ thể tránh thu năng lƣợng nhƣng phải chịu một chi phí cao và cĩ thể gây bất tiện, nguy hiểm (ví dụ, trong một mơi trƣờng ộc hại), hoặc ngồi dự kiến (ví dụ, phần tử mẫn cảm ngấm vào trong các cấu trúc xây dựng hoặc bên trong cơ thể con ngƣời). Trong trƣờng hợp ĩ, sự lựa chọn an tồn và thuận tiện ĩ là thu năng lƣợng từ mơi trƣờng. Ngồi các phƣơng pháp thu năng lƣợng thơng thƣờng, chẳng hạn nhƣ năng lƣợng mặt trời, giĩ, ộ rung, hiệu ứng nhiệt iện hay các hiện tƣợng vật lý khác, một giải pháp mới ang thịnh hành, ĩ là tận dụng tín hiệu tần số vơ tuyến (RF) của mơi trƣờng xung quanh. Trong thực tế, ƣu iểm của giải pháp này là các tín hiệu RF cĩ thể mang lại ồng thời cả năng lƣợng và thơng tin. Nhƣ vậy, các nút năng lƣợng hạn chế cĩ thể làm sạch năng lƣợng và xử lý các thơng tin cùng một lúc. Đối với việc thu năng lƣợng khơng dây sử dụng tín hiệu RF, ƣu iểm tiên tiến nhất hiện nay trong hệ thống kết nối iểm- iểm (point-to-point) cĩ thể ƣợc phân thành hai phƣơng pháp chính. Phƣơng pháp ầu tiên liên quan ến thiết kế máy thu lý tƣởng cĩ thể ồng thời quan sát và trích xuất iện từ các tín hiệu nhận ƣợc cùng một lúc. Tuy nhiên, giả thiết này khơng úng trong thực tế, do các mạch thực tế ể thu năng lƣợng từ các tín hiệu RF chƣa thể giải mã các thơng tin trực tiếp. Phƣơng pháp thứ hai liên quan ến thiết kế máy thu thực tế cĩ thể thực hiện giải mã thơng tin và năng lƣợng thu riêng ối với chuyển ổi thơng tin và năng lƣợng hiện ang ƣợc áp dụng rộng rãi. Đối với lớp ầu tiên của máy thu, ý tƣởng truyền thơng tin và năng lƣợng ồng thời, sử dụng hàm cơng suất năng lƣợng ể nghiên cứu ồng thời sự cân bằng hiệu suất cơ bản ối với chuyển ổi thơng tin và năng lƣợng. Việc này ã ƣợc mở rộng ến các kênh tần số chọn lọc cĩ tạp âm Gausse trắng cộng sinh (AWGN). Đối với lớp thứ hai của máy thu, các giới hạn hiệu suất của hệ thống phát sĩng bằng kỹ thuật MIMO (MIMO), với mức thu năng lƣợng riêng biệt và bộ thu giải mã thơng tin ã ƣợc nghiên cứu. Các phần việc ã ƣợc nghiên cứu này ã ƣợc mở rộng 1
15. bằng cách nghiên cứu thơng tin trạng thái kênh khơng hồn hảo (CSI) tại máy phát. Chịu sự can nhiễu ồng kênh (CCI), việc thiết kế tối ƣu ể ạt ƣợc cân bằng giữa hao hụt năng lƣợng và tỷ lệ năng lƣợng khác nhau trong sự truyền tải cĩ giới hạn và cĩ tính linh ộng. Việc áp dụng thu năng lƣợng khơng dây ối với mạng vơ tuyến nhận thức, trong ĩ thơng lƣợng của mạng thứ cấp ƣợc tối a hĩa dƣới một ràng buộc ối với các mạng sơ cấp và thứ cấp. 1.1.1. Động lực và đĩng gĩp Phần lớn các nghiên cứu gần ây về việc thu năng lƣợng và xử lý thơng tin khơng dây ƣợc nghiên cứu trong hệ thống truyền thơng iểm – iểm (point-to- point). Trong mạng hợp tác hoặc cảm biến khơng dây, nút cảm biến hoặc chuyển tiếp cĩ thể lƣu trữ lƣợng pin hạn chế và cĩ thể cần phải dựa trên một số cơ chế sạc từ bên ngồi ể duy trì hoạt ộng trong mạng. Vì vậy, việc thu năng lƣợng trong các mạng này là iều ặc biệt quan trọng vì nĩ cho phép việc chuyển tiếp thơng tin. Trong nghiên cứu này, chúng tơi quan tâm ến vấn ề thu năng lƣợng khơng dây và xử lý thơng tin trong kỹ thuật chuyển tiếp (AF) mạng hợp tác hoặc cảm biến khơng dây. Chúng tơi nghiên cứu các trƣờng hợp khi năng lƣợng hạn chế tiếp nút thu năng lƣợng từ tín hiệu phát sĩng RF của nút nguồn và sử dụng năng lƣợng thu ể chuyển tiếp tín hiệu nguồn ến nút ích. Chúng tơi áp dụng cấu trúc bộ thu chuyển ổi thời gian (TS) và tách cơng suất (PS). Dựa trên kiến trúc bộ thu và giao thức chuyển tiếp AF, chúng tơi ề xuất hai giao thức chuyển tiếp, là giao thức chuyển tiếp dạng TS (TSR) và giao thức chuyển tiếp dạng PS (PSR) ối với việc thơng tin riêng biệt và thu năng lƣợng ở nút hạn chế năng lƣợng chuyển tiếp. Trong giao thức TSR, việc chuyển tiếp tốn thời gian ể thu thơng tin và thời gian cịn lại ể xử lý thơng tin. Trong giao thức PSR, việc chuyển tiếp sử dụng một phần năng lƣợng nhận ƣợc ể thu năng lƣợng và năng lƣợng cịn lại ể xử lý thơng tin. Hệ số chất lƣợng là thơng lƣợng, ƣợc ịnh nghĩa là số bit ƣợc giải mã thành cơng cho mỗi ơn vị thời gian trên một ơn vị băng thơng tại nút ích. Tơi xây dựng và nghiên cứu các thơng lƣợng cho cả giao thức TSR và PSR bằng phƣơng thức truyền dẫn chậm và tránh lỗi mà xác suất ngắn và năng suất ergodic ƣợc trích xuất ể ánh giá thơng lƣợng trong chế ộ truyền dẫn chậm và tránh lỗi tƣơng ứng. Cuối cùng, tơi cũng trích xuất ƣợc các thơng lƣợng của máy thu chuyển tiếp dựa trên máy thu lý tƣởng trong, xử lý các 2
16. thơng tin và trích xuất năng lƣợng các tín hiệu nhận ƣợc cùng một lúc. Những ĩng gĩp chính của nghiên cứu này ƣợc tĩm tắt nhƣ sau: • Chúng tơi ề xuất các giao thức TSR và giao thức PSR ể cho phép việc thu năng lƣợng khơng dây và xử lý thơng tin ở mạng chuyển tiếp khơng dây hạn chế AF, dựa trên cấu trúc máy nhận TS và PS. • Đối với các giao thức TSR và giao thức PSR, chúng tơi trích xuất ƣợc các biểu thức thơng lƣợng giải tích ở các iểm ến bằng cách ánh giá xác suất ngắn ối với chế ộ truyền tải chậm và ánh giá năng suất ergodic ối với chế ộ tránh lỗi. Các biểu thức trích xuất cung cấp những hiểu biết về thiết kế thực tế ối với ảnh hƣởng của các thơng số khác nhau về hiệu năng hệ thống. • So sánh các giao thức TSR và giao thức PSR, các phân tích bằng số của chúng tơi cho thấy rằng trong chế ộ truyền tải chậm, hiệu suất thơng lƣợng của giao thức TSR vƣợt trội hơn so với các giao thức PSR ở tốc ộ truyền cao hơn, tỷ lệ tín hiệu-nhiễu tƣơng ối thấp (SNR), và hiệu suất thu năng lƣợng thấp hơn. Điều này trái ngƣợc với hệ thống iểm- iểm thu ƣợc trong kiến trúc bộ thu PS luơn ạt cặp tỷ lệ năng lƣợng lớn hơn so với kiến trúc bộ nhận TS. • Đối với cả giao thức TSR và giao thức PSR, kết quả bằng số của chúng tơi cho thấy rằng vị trí các nút chuyển tiếp gần hơn các nút thơng lƣợng nguồn trong chế ộ truyền chậm và truyền tránh lỗi. Điều này cũng là trái ngƣợc với các trƣờng hợp chung khi việc thu năng lƣợng khơng ƣợc nghiên cứu ở iểm chuyển tiếp và thơng lƣợng tối a xảy ra khi việc chuyển tiếp nằm ở giữa nguồn và ích. 1.1.2. Cơng trình liên quan Một số cơng trình gần ây ã nghiên cứu việc thu năng lƣợng thơng qua các tín hiệu RF trong mạng hợp tác khơng dây. các tác giả coi hệ thống chuyển tiếp MIMO và sự cân bằng khác nhau giữa việc chuyển giao năng lƣợng và tỷ lệ thơng tin ể ạt ƣợc nguồn và tiền mã hĩa chuyển tiếp tối ƣu. Tuy nhiên, các tác giả cho rằng việc chuyển tiếp cĩ nguồn năng lƣợng nội bộ riêng của mình và khơng cần nguồn sạc bên ngồi. Ngƣợc lại, chúng tơi nghiên cứu các trƣờng hợp chuyển tiếp ĩ dựa trên việc sạc bên ngồi thơng qua các tín hiệu RF từ nút nguồn. Các tác giả nghiên cứu hệ thống a ngƣời dùng và a hợp ối với cả thơng tin và chuyển giao năng lƣợng, khi mà kênh a hợp cĩ sự chuyển tiếp thu năng lƣợng, chiến lƣợc truyền tải phụ thuộc 3
17. vào chất lƣợng của liên kết thứ hai. Tuy nhiên, chiến lƣợc tối ƣu hĩa cho thấy rằng thơng tin trạng thái kênh hồn hảo tại máy phát là khơng thực tế. Hơn nữa, iều này ƣợc giả ịnh rằng nút chuyển tiếp cĩ thể ồng thời giải mã thơng tin và trích xuất năng lƣợng, trong ĩ, nhƣ ã ƣợc giải thích, iều này cĩ thể khơng úng trong thực tế. Ngƣợc lại, mơ hình hệ thống ƣợc ề xuất trong nghiên cứu này giả ịnh sự sẵn cĩ của các thơng tin trạng thái kênh chỉ tại ích và thơng qua các cấu trúc máy thu thực tế tại iểm chuyển tiếp cĩ giải mã thơng tin riêng biệt và thu năng lƣợng. 1.1.3. Tổ chức Phần cịn lại của nghiên cứu ƣợc tổ chức nhƣ sau: Phần II trình bày các mơ hình hệ thống tổng thể và các giả ịnh; Phần III trình bày chi tiết giao thức TSR và giao thức PSR tƣơng ứng, và phân tích ặc trƣng hiệu suất thơng lƣợng; Phần IV trình bày kết quả bằng số, từ ĩ nêu ra những hiểu biết thu ƣợc; Cuối cùng, Phần V trình bày kết luận nghiên cứu và tĩm tắt những phát hiện quan trọng. 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI Trong ề tài này, tơi i nghiên cứu về mạng hợp tác khơng dây khuếch ại và chuyển tiếp (Ampily-and-Forward – AF). Trong hệ thống này, nút chuyển tiếp thu năng lƣợng từ các tín hiệu vơ tuyến ƣợc phát broadcast bởi một nguồn. 4
18. Sự ảnh hƣởng của các tín hiệu CSI cũng ƣợc ề cập ến. Đặc biệt, các nút chuyển tiếp thu năng lƣợng từ tín hiệu thơng tin và các tín hiệu CSI ƣợc tận dụng ể thu năng lƣợng và chuyển tiếp tín hiệu nguồn ến ích. Cấu trúc của bộ thu TSR ƣợc sử dụng trong ề tài này. Qua ề tài này, chúng ta cĩ thể tự xây dựng và phân tích một mơ hình hệ thống truyền thơng, cĩ thể mơ phỏng và ánh giá chất lƣợng của hệ thống và ƣa ra những giải pháp khác phục nhƣợc iểm phát triển ƣu iểm và tối ƣu hệ thống. 1.3. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.3.1. Nhiệm vụ 1.3.1.1. Tìm hiểu mạng truyền thơng chuyển tiếp và một số kỹ thuật chuyển tiếp. 1.3.1.2. Tìm hiểu về mạng chuyển tiếp thu năng lƣợng và truyền ồng thời tin tức và năng lƣợng. 1.3.1.3. Tìm hiểu về phƣơng pháp phân tích nhiễu CSI và ảnh hƣởng của nhiễu CSI tới dung lƣợng của hệ thống. 1.3.1.4. Xác suất nghẽn, dung lƣợng nghẽn, dung lƣợng Ergodic và thơng lƣợng ạt ƣợc của hệ thống. 1.3.1.5. Mơ phỏng trên phần mềm Matlab và so sánh thơ. Mơ hình ba thiết bị ầu cuối của hệ thống chuyển tiếp AF ƣợc ề xuất. Trong mơ hình này, nút nguồn giao tiếp với nút ích thơng qua một nút chuyển tiếp trung gian. Vì ảnh hƣởng của các tín hiệu CSI, xác suất nghẽn ƣợc ƣa ra một cách gần úng nhằm xác ịnh dung lƣợng nghẽn, ƣợc ịnh nghĩa là tốc ộ cố ịnh lớn nhất cĩ thể duy trì trên các khối fading với một xác suất nghẽn cho trƣớc. Tiếp theo ĩ, dung lƣợng Ergodic cũng ƣợc ƣa ra. Cuối cùng, các thơng lƣợng ạt ƣợc thơng qua dung lƣợng Ergodic và dung lƣợng nghẽn của hệ thống 5
19. thu năng lƣợng ƣợc ề xuất cũng sẽ ƣợc ề ra. 1.3.2. Giới hạn đề tài Trong ề tài này, tơi xem xét hệ thống hai chặng ba nút gồm nút nguồn, nút ích, nút chuyển tiếp trong hai trƣờng hợp cĩ ảnh hƣởng của nhiễu CSI. Thơng tin ƣợc truyền từ nguồn tới ích phải thơng qua nút chuyển tiếp, khơng tồn tại ƣờng truyền trực tiếp giữa nguồn và ích. Qua ĩ phân tích kỹ thuật thu năng lƣợng, truyền ồng thời thơng tin và năng lƣợng, ánh giá thơng lƣợng của hệ thống và sự ảnh hƣởng của nhiễu CSI lên thơng lƣợng của hệ thống. 1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phƣơng pháp nghiên cứu ề tài liên quan ến lĩnh vực này này ƣợc ngƣời thực hiện ề xuất nhƣ sau: Tìm kiếm tài liệu, bài báo, tạp chí khoa học liên quan. Phân tích tài liệu, phân tích vấn ề ƣợc ặt ra trong các tài liệu trên. Phân tích phƣơng pháp thiết kế hệ thống, phƣơng pháp phân tích, phƣơng pháp ánh giá kiểm tra và phƣơng hƣớng phát triển của ề tài. Tiến hành xây dựng hệ thống, phân tích hệ thống. Tiến hành kiểm tra ánh giá hệ thống qua việc mơ phỏng kết quả ã phân tích với việc sử dụng phƣơng pháp mơ phỏng Monte Carlo. 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI - Chƣơng 1: Tổng quan. Chƣơng này tơi trình bày khái quát về mạng viễn thơng hợp tác, tính bức thiết một nguồn năng lƣợng mới ể kéo dài tuổi thọ của mạng. Ngồi ra, tơi cũng trình bày sơ qua về hai giao thức thu thập năng lƣợng, nhiệm vụ ề tài, giới hạn ề tài và phƣơng pháp nghiên cứu cũng ƣợc ề cập ến ở ây. 6
20. - Chƣơng 2: Tổng quan về mạng truyền thơng chuyển tiếp. Nội dung của chƣơng này giới thiệu về mạng truyền thơng hợp tác, ƣu và nhƣợc iểm của mạng. Đồng thời một số kiến thức liên quan ến mơ hình mạng cũng ƣợc ề cập ến ở ây nhƣ: kênh truyền, giao thức chuyển tiếp (DF và AF) và các kỹ thuật chuyển tiếp. - Chƣơng 3: Mạng truyền tính hiệu và thu năng lượng. Trong chƣơng này, tơi xin trình bày kiến thức cơ bản của hai giao thức thu năng lƣợng cơ bản là chuyển mạch theo thời gian (TSR) và phân chia cơng suất (PSR). Thêm vào ĩ, một số cơng thức dùng ể phân tích mơ hình cĩ nhiễu cũng ƣợc trình bày ở chƣơng này. - Chƣơng 4: Kết quả mơ phỏng và nhận xét. Kết quả phân tích của chƣơng 3 sẽ ƣợc dùng ể mơ phỏng trong chƣơng này. Chƣơng này phân tích ảnh hƣởng của các hệ số thu năng lƣợng, tỉ số tín hiệu trên nhiễu và sự phân bố cơng suất nhiễu lên thơng lƣợng của hệ thống. Và cuối cùng, một số nhận xét về mơ hình cũng ƣợc trình bày ở chƣơng này. - Chƣơng 5: Kết luận và hướng phát triển. Phần này trình bày các kết quả mà ồ án ạt ƣợc, một số hƣớng nghiên cứu và phát triển ề tài. Phần cuối của ồ án là danh mục các tài liệu tham khả 7
21. CHƢƠNG 2 :TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THƠNG CHUYỂN TIẾP 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG TRUYỀN THƠNG HỢP TÁC Mạng truyền thơng hợp tác cho phép các ngƣời dùng trong hệ thống hợp tác với nhau bằng cách chuyển tiếp thơng tin của nhau ến ích. Một ví dụ của hệ thống viễn thơng giao tiếp từng ơi ƣợc biểu diễn ở hình 2.1 và 2.2, trong ấy tín hiệu mà ngƣời dùng truyền i bị suy hao bởi fading ộc lập. Do hiện tƣợng fading a ƣờng, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (signal-to-noise ratio, SNR) tại ích cĩ thể biến ộng liên tục theo thời gian iều này dẫn ến nghẽn ngay khi SNR của một ngƣời dùng nào rớt dƣới mức ngƣỡng. Tuy nhiên nếu hai ngƣời dùng cĩ thể hợp tác với nhau bằng cách chuyển tiếp ến thơng tin của nhau ến ích thì xác suất ể xảy ra nghẽn sẽ thấp hơn và chỉ xảy ra khi cả hai ngƣời dùng cùng ồng thời chịu ảnh hƣởng của kênh truyền cĩ chất lƣợng thấp, iều này giúp cải thiện ộ tin cậy của hệ thống. Hình 2.1: Hệ thống giải mã và chuyển tiếp (DF) 8
22. S K L 0 0 2 1 5 4