Đồ án Tối ưu mạng vô tuyến chuyển tiếp dùng giao thức AF (Phần 1)

Nội dung text: Đồ án Tối ưu mạng vô tuyến chuyển tiếp dùng giao thức AF (Phần 1)

1. 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 S K L 0 0 4 5 2 2 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2017
2. 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 : TRẦN VIỆT LONG MSSV : 12141330 : ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG GVHD : TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN TP. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2017
3. 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 : TRẦN VIỆT LONG MSSV : 12141330 : ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG GVHD : TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN TP. Hồ Chí Minh, tháng 02 năm 2017
4. PHIẾU GIAO NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 1. Thông tin sinh viên - Họ và tên sinh viên: Trần Việt Long MSSV: 12141330 Email: longtran20994@gmail.com Điện thoại: 01648728920 2. Thông tin đề tài - Tên của đề tài: TỐI ƢU MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP DÙNG GIAO THỨC AF - Mục đích của đề tài: là xây dựng một mạng truyền thông nhằm đáp ứng nhu cầu trong thực tế, khi mà năng lƣợng của thiết bị bị hạn chế. Từ đó 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 hiện tại: Bộ môn Điện tử- viễn thông, khoa Đào tạo Chất lƣợng cao, trƣờng Đại học Sƣ phạm kỹ thuật TP. HCM. 3. Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài - Tìm hiểu tổng quan về mạng vô tuyến chuyển tiếp. - Tìm hiểu kỹ thuật đƣợc sử dụng trong mạng. - Tìm hiểu các nguyên tắc phân chia công suất động trong mạng, các độ lợi hiệu suất. - Mô phỏng đánh giá các nguyên tắc phân chia công suất sử dụng phần mềm Matlab. 4. Lời cam đoan của sinh viên Tôi Trần Việt Long cam đoan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân, dƣới sự hƣớng dẫn của tiến sĩ Đỗ Đình Thuấn. Kết quả thực hiện trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác. TP. HCM, ngày 09 tháng 02 năm 2017 Sinh viên thực hiện đồ án (Ký và ghi rõ họ tên) Trần Việt Long Giảng viên hƣớng dẫn xác nhận bản báo cáo đã hoàn thành việc chỉnh sửa theo đề nghị của Hội đồng đánh giá đồ án tốt nghiệp: Xác nhận của Bộ môn TP. HCM, ngày 09 tháng 02 năm 2017 Giảng viên hƣớng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên và học hàm- học vị)
5. Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đƣờng đại học đến nay, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy cô, Gia đình và Bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô ở - , đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Xin chân thành cảm ơn TS. Đỗ Đình Thuấn đã tận tâm hƣớng dẫn chúng em qua từ nói chuyện, thảo luận về lĩnh vực em đang nghiên cứu. Nếu không có những hƣớng dẫn, chỉ bảo của thầy, việc thực hiện đề tài sẽ khó hoàn thiện đƣợc. Đồ án tốt nghiệp đƣợc ƣớc đầu tìm hiểu lý thuyết, rồi tìm hiểu chuyên sâu về lĩnh vực, kiến thức chắc chắn còn hạn chế và gặp nhiều bỡ ngỡ. Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và mọi ngƣời để em có thể hoàn thiện đề tài hơn nữa. Sau cùng, em xin kính chúc quý Thầy Cô thuộc ng cao và Thầy Hiệu Trƣởng, GS- nhiều sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau, góp phần xây dựng đất nƣớc đẹp tƣơi. Trân trọng. Sinh viên thực hiện đề tài i
6. Trong những năm gần đây, việc thu thập năng lƣợng thông qua tín hiệu vô tuyến RF đã và đang nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông không dây. Là một giải pháp đầy hứa hẹn để kéo dài thời gian hoạt động của mạng, truyền năng lƣợng và thông tin không dây WIPT cho phép các thiết bị tái chế đƣợc năng lƣợng từ các tần số vô tuyến RF và xử lý thông tin một cách đồng thời. Cùng với sự phát triển của hệ thống không dây theo công nghệ mới, ngƣời thực hiện đề xuất các nguyên tắc góp phần tối ƣu mạng vô tuyến chuyển tiếp. Cũng trong đề tài này, ngƣời thực hiện đi sâu phân tích kỹ thuật phổ biến nhất là PSR để thu thập năng lƣợng và để chuyến tiếp tín hiệu là sơ đồ Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF, nơi hai nguồn trao đổi thông thông tin thông qua nút Relay thu thập năng lƣợng. Cụ thể là đi khai thác các đặc tính xác suất dừng, tìm hiểu các nguyên tắc phân chia công suất động và các độ lợi hiệu suất của hệ thống. So với hệ thống bất hợp tác, giao thức đƣợc đề xuất là giải pháp xanh để cung cấp truyền thông với tốc độ truyền tải cao và đáng tin cậy hơn mà không tiêu tốn tài nguyên bổ sung. Cuối cùng, các kết quả có thể cung cấp các nguyên tắc hữu ích cho việc thiết kế các nút Relay thu thập năng lƣợng trong mạng, góp phần vào việc tối ƣu mạng vô tuyến. ii
7. MỤC LỤC i ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH HÌNH ẢNH v DANH SÁCH BẢNG BIỂU vi CÁC TỪ VIẾT TẮT vii CHƢƠNG 1 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP 1 1.1 GIỚI THIỆU 1 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 3 1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 3 1.3.1 Nhiệm vụ 3 1.3.2 Giới hạn 4 1.4 TÓM TẮT ĐỀ TÀI 4 CHƢƠNG 2 5 KỸ THUẬT TRONG MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP 5 2.1 SƠ ĐỒ RELAY KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP AF 5 2.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG 7 2.3 THU THẬP NĂNG LƢỢNG 10 CHƢƠNG 3 14 TỐI ƢU MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP DÙNG GIAO THỨC AF 14 3.1 CÁC NGUYÊN TẮC PHÂN CHIA CÔNG SUẤT ĐỘNG 14 TRONG MẠNG RELAY AF 14 3.1.1 Trƣờng hợp đầy đủ CSI 14 3.1.2 Trƣờng hợp một phần CSI 16 3.2 CÁC ĐỘ LỢI HIỆU SUẤT 14 CHƢƠNG 4 21 MÔ PHỎNG VÀ KHẢO SÁT CÁC ĐỊNH TÍNH CỦA HỆ THỐNG 21 iii
8. 4.1 MÔ PHỎNG 21 4.2 KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG 23 CHƢƠNG 5 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
9. DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 2.1: Mô hình sơ đồ Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF 6 Hình 2.2: Mô hình hệ thống 7 Hình 2.3: Sơ đồ máy thu thập năng lƣợng ở nút Relay 11 Hình 2.4: Đồ thị bức xạ điện từ mô tả sự ảnh hƣởng của khoảng cách đối với thu năng lƣợng 12 Hình 4.1: Mô phỏng xác suất dừng đạt đƣợc khi giá trị PS thay đổi 21 Hình 4.2: Mô phỏng các độ lợi hiệu suất  đạt đƣợc khi giá trị g thay đổi và xem xét ảnh hƣởng 22 Hình 4.3: Mô phỏng các độ lợi hiệu suất đạt đƣợc khi giá trị h thay đổi và xem xét ảnh hƣởng 23 v
10. DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 2.1: Dữ liệu thí nghiệm của thu thập năng lƣợng RF 13 vi
11. CÁC TỪ VIẾT TẮT AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp CTS Clear To Send Sẵn sàng để gửi CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền D Destination Đích DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp DTS Dynamic Time Switching Chuyển đổi thời gian động DPS Dynamic Power Splitting Phân chia công suất động EH Energy Harvesting Thu thập năng lƣợng EHCN Energy Harvesting Cooperative Mạng hợp tác thu thập năng lƣợng Network IT Information Transmisson Truyền thông tin PS Power Splitting Phân chia công suất PSR Power Splitting based Relaying Chuyển tiếp dựa trên phân chia công suất RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RTS Request To Send Đề nghị để gửi S Source Nguồn SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SP Signal Processing Xử lý tín hiệu SWIPT Simultaneous Wireless Information Truyền năng lƣợng và thông tin and Power Transfer không dây đồng thời vii
12. TS Time Switching Chuyển đổi thời gian TSR Time Switching based Relaying Chuyển tiếp dựa trên chuyển đổi thời gian WIPT Wireless Information and Power Truyền năng lƣợng và thông tin Transfer không dây viii
13. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP 1.1 GIỚI THIỆU Ngày nay, do nhu cầu sử dụng năng lƣợng thì rất cần thiết, nhiều nhà nghiên cứu bắt đầu nghiên cứu về truyền thông hợp tác bởi ƣu điểm rất lớn của nó. Cũng nhƣ nhiều mạng không dây đã đƣợc phát triển, hầu hết các thiết bị đƣợc bao quanh mọi lúc mọi nơi bởi các tần số vô tuyến RF nhƣ: tín hiệu từ mạng tế bào, tín hiệu WiFi Mỗi một tín hiệu RF không chỉ mang thông tin mà còn có cả năng lƣợng. Điều đó cho thấy một thiết bị không dây có thể tái chế năng lƣợng từ tín hiệu RF. Gần đây, công nghệ WIPT cho phép một thiết bị thu thập năng lƣợng và xử lý thông tin từ các tín hiệu RF một cách đồng thời. Công nghệ này đƣợc nghiên cứu và phát triển để cung cấp năng lƣợng một cách chủ động cho các thiết bị trong mạng, tạo sự thuận tiện trong việc hỗ trợ cho các ứng dụng dịch vụ chất lƣợng cao, kéo dài thời gian hoạt động cho các thiết bị không dây và kéo dài tuổi thọ [1]. So với các nguồn năng lƣợng truyền thống nhƣ pin có thời gian hoạt động và khả năng lƣu trữ bị giới hạn, việc thu thập năng lƣợng từ các nguồn tài nguyên bên ngoài nhƣ các tín hiệu bức xạ RF từ máy phát, sẽ đáp ứng mối quan tâm ngày càng tăng về chi phí sử dụng các mạng truyền thông không dây và sự bất tiện của thay thế hoặc sạc điện từ các nguồn năng lƣợng cố định. Nhƣ đã nói, lợi ích của việc này nằm ở thực tế là tín hiệu RF có thể đƣợc sử dụng để truyền thông tin và mang năng lƣợng. Hãy tƣởng tƣợng chúng ta đang đi du lịch ở một nơi nào đó, hay đi công tác mà không mang theo bộ sạc điện cho các thiết bị nhƣ điện thoại thông minh, máy tính bảng, laptop thì sẽ không cần lo lắng về việc hết pin của thiết bị. Chỉ cần kết nối thiết bị vào mạng truyền thông không dây thì thiết bị của chúng ta có thể truyền thông tin và thu thập năng lƣợng một cách đồng thời, qua đó giúp các thiết bị duy trì hoạt động mà không cần lo lắng về việc cạn kiệt năng lƣợng. Công nghệ WIPT, vì thế, cung cấp một con đƣờng mới thú vị để đáp ứng yêu cầu của truyền thông xanh. 1
14. Đặc biệt, với sự phát triển trong việc nghiên cứu về truyền thông vô tuyến và năng lƣợng không dây đã dẫn đến một khái niệm về một mạng mới đƣợc gọi là mạng hợp tác thu thập năng lƣợng EHCN (hay còn gọi là mạng vô tuyến chuyển tiếp). Trong mạng EHCN, các thiết bị không dây sẽ kết hợp khả năng hỗ trợ truyền thông không dây và thu thập năng lƣợng để đảm bảo truyền thông thông tin liên tục mà không cần sử dụng các nguồn năng lƣợng bên ngoài. Vì vậy, các nút Relay trong mạng không dây sẽ đảm bảo công việc vừa hỗ trợ truyền thông mà vẫn thu thập năng lƣợng và xử lý thông tin một cách đồng thời. Ý tƣởng cơ bản của công nghệ WIPT lần đầu đƣợc đề xuất trong [2] và kiến trúc tổng quát sau đó đƣợc phát triển trong [3]. Hai sơ đồ thu thực tế của SWIPT, chuyển đổi thời gian TS và phân chia công suất PS, đƣợc đề xuất trong [4]. Hơn thế, [5]- [7] nghiên cứu sơ đồ chuyển đổi thời gian động DTS và sơ đồ phân chia công suất động DPS để nâng cao chất lƣợng của việc truyền thông tin. Thêm nữa, SWIPT trong hệ thống đa sóng mang [8] và hệ thống đa anten [9] , cũng đã đƣợc thảo luận. [10] nghiên cứu mạng Relay cho SWIPT và đề xuất giao thức chuyển tiếp dựa trên chuyển đổi thời gian TSR và giao thức chuyển tiếp dựa trên phân chia công suất PSR. Trong [11], phân phối công suất một cách tối ƣu tại Relay với thu thập năng lƣợng không dây đã đƣợc nghiên cứu cho việc truyền tải với nhiều user. SWIPT trong hệ thống Relay hai chiều đƣợc phân tích trong [12]. Để nâng cao thông lƣợng hệ thống, giao thức chuyển đổi thời gian có khả năng thích nghi cũng đƣợc đề xuất trong [13]. Phân phối công suất đƣợc phân chia cho SWIPT với mạng nhiều user, nhiều Relay đƣợc đƣa ra trong [14]. Do giao thức PSR tốt hơn giao thức TSR [10], chúng ta sẽ chỉ tập trung sự chú ý vào mạng Relay dựa trên giao thức PSR. Trong đồ án này, chúng ta xem xét một mạng Relay không dây sử dụng giao thức PSR để thu thập năng lƣợng và thông qua sơ đồ khuếch đại và chuyển tiếp AF để chuyển tiếp tín hiệu. Relay có khả năng điều chỉnh tự động tỷ số phân chia công suất của Truyền thông tin IT và Thu thập năng lƣợng EH để tối thiểu hóa xác suất dừng của IT. Theo sự hiểu biết của nút Relay về thông tin trạng thái kênh truyền CSI, các nguyên tắc phân chia công suất động tối ƣu với đầy đủ CSI và một phần CSI đều đƣợc cung cấp. Thông qua mô phỏng, cả hai nguyên tắc đƣợc đề xuất quả thật có thể cải thiện hiệu suất dừng và nguyên tắc 2
15. với đầy đủ CSI thì tốt hơn với một phần CSI. Mặc dù truyền thông hợp tác vẫn có những nhƣợc điểm nhƣ: tiêu tốn tài nguyên bổ sung hơn so với truyền trực tiếp, đòi hỏi yêu cầu cao hơn từ hệ thống thì với những ƣu điểm đã nêu, truyền thông hợp tác cũng sẽ vẫn đƣợc sử dụng và sẽ đƣợc nghiên cứu thêm, để tối ƣu hơn cho việc thực hiện trong thực tế. Từ việc tìm hiểu các vấn đề nêu trên, ta sẽ hiểu rõ các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống, nhằm thực hiện yêu cầu của đề tài- tối ƣu mạng vô tuyến chuyển tiếp. 1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI Trong đề tài này, ngƣời thực hiện đề xuất giao thức cho mạng hợp tác thu thập năng lƣợng, ở đó các nút Relay vừa hỗ trợ truyền thông mà vẫn thu thập năng lƣợng xung quanh để đảm bảo việc truyền thông trong mạng không bị gián đoạn mà không cần bất kỳ nguồn năng lƣợng bên ngoài nào. Bên cạnh đó, ngƣời thực hiện cũng so sánh hiệu suất của các nguyên tắc với đầy đủ và một phần CSI với trƣờng hợp các tỷ số công suất cố định để tìm ra hiệu suất tốt nhất cũng nhƣ các độ lợi hiệu suất của các trƣờng hợp trên nhằm tối ƣu mạng vô tuyến cũng nhƣ xem xét các yếu tố ảnh hƣởng đến hoạt động của hệ thống. 1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.3.1 Nhiệm vụ - Tìm hiểu tổng quan về mạng vô tuyến chuyển tiếp. - Tìm hiểu kỹ thuật đƣợc sử dụng trong mạng vô tuyến chuyển tiếp dùng giao thức AF. - Tìm hiểu các nguyên tắc phân chia công suất động trong mạng Relay AF. - Mô tả các độ lợi hiệu suất với các trƣờng hợp tỷ số công suất khác nhau. - Mô phỏng đánh giá hiệu suất dừng của mạng hợp tác thu thập năng lƣợng dùng giao thức AF. 3
16. 1.3.2 Giới hạn Trong đề tài này, ngƣời thực hiện xem xét một hệ thống gồm có nút nguồn S, nút đích D và nút Relay R. Mỗi nút đƣợc trang bị một anten và làm việc ở chế độ đơn công, truyền thông tin từ nguồn S đến đích D. Giả định là nút Relay chỉ chuyển tiếp dữ liệu và nó không phải là nguồn hoặc là đích. Không tồn tại liên kết trực tiếp giữa S và D. Relay vận hành sơ đồ AF bởi vì đặc tính của nó có độ phức tạp thấp. Để đơn giản trong đề tài này chuẩn hóa khoảng cách truyền của nguồn và đích đến Relay là 1.5, cho tốc độ truyền cố định tại nguồn là R 3 bits / se c / Hz và đặc tính kênh truyền là fading Rayleigh. 1.4 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Nhƣ vậy, với các yêu cầu về nhiệm vụ và mục tiêu đề ra, đề tài đƣợc xây dựng bao gồm các chƣơng: - Chƣơng 1: Tổng quan về mạng vô tuyến chuyển tiếp. Trong chƣơng này ngƣời thực hiện khái quát cơ bản về mạng vô tuyến chuyển tiếp và tình hình nghiên cứu gần đây của các tác giả khác. Trình bày tầm quan trọng của việc thu thập năng lƣợng trong mạng di động ngày nay và mục tiêu phải đạt đƣợc trong đề tài. - Chƣơng 2: Chƣơng này trình bày kỹ thuật đƣợc sử dụng trong mạng hợp tác thu thập năng lƣợng. Cụ thể trong chƣơng này sẽ trình bày về kỹ thuật thu thập năng lƣợng và sơ đồ hợp tác cố định, trình bày về sơ đồ Relay Khuếch đại và chuyển tiếp AF cố định và mô hình hệ thống của đề tài. - Chƣơng 3: Ngƣời thực hiện trình bày về các nguyên tắc phân chia công suất động trong mạng Relay AF với thu thập năng lƣợng không dây với các trƣờng hợp đầy đủ và một phần các CSI. So sánh với các trƣờng hợp tỷ số công suất cố định, mô tả các độ lợi hiệu suất của các trƣờng hợp rồi từ đó tối ƣu mạng vô tuyến. - Chƣơng 4: Đƣa ra các kết quả so sánh của việc tối ƣu mạng vô tuyến với các trƣờng hợp còn lại nhằm tìm ra hiệu suất tốt nhất của hệ thống. Ngoài ra kết quả mô phỏng các độ lợi hiệu suất trong các trƣờng hợp cũng đƣợc đƣa ra. - Chƣơng 5: Phần kết luận và hƣớng phát triển của đề tài. 4
17. CHƢƠNG 2 KỸ THUẬT TRONG MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP 2.1 SƠ ĐỒ RELAY KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP AF Sơ đồ Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF là một sơ đồ hợp tác cố định. Hợp tác cố định nghĩa là các nguồn tài nguyên kênh truyền đƣợc phân chia giữa nguồn và Relay một cách cố định. Có hai kỹ thuật phổ biến là sơ đồ Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF cố định và sơ đồ Relay giải mã và chuyển tiếp DF cố định. Việc truyền tín hiệu hợp tác đơn giản là sử dụng phƣơng pháp khuếch đại và chuyển tiếp AF. Chúng ta xem xét một kênh truyền chuyển tiếp đơn công, nơi nguồn S và đích D trao đổi thông tin thông qua nút Relay thu thập năng lƣợng. Giả định là nút Relay chỉ chuyển tiếp dữ liệu và nó không phải là nguồn hoặc là đích. Thiết lập này áp dụng cho các tình huống thực tế nhƣ các mạng cảm biến hay mạng truyền thông không gian sâu thẳm. Mỗi nút Relay trong phƣơng pháp này nhận tín hiệu đã đƣợc truyền bởi đối tác của nó rồi sau đó khuếch đại tín hiệu thu đƣợc và chuyển tiếp nó đến nơi nhận. Theo nhƣ mô tả trong Hình 2.1, nút Relay sau khi khuếch đại tín hiệu nhận đƣợc và truyền phiên bản này tới đích, nút đích sẽ kết hợp thông tin đƣợc truyền bởi nút Relay và nó sẽ đƣa ra quyết định cuối cùng về bit đã đƣợc truyền đi. Mặc dù nhiễu của tín hiệu cũng đƣợc khuếch đại trong phƣơng thức này nhƣng nút đích chỉ nhận phiên bản của tín hiệu bị fading độc lập và nó có thể đƣa ra quyết định tốt hơn về việc phát hiện thông tin. 5
18. S S 1 2 h h 1 2 d d 1 2 R Hình 2.1: Mô hình sơ đồ Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF. Trong giao thức chuyển tiếp AF cố định, thƣờng gọi đơn giản là giao thức AF, Relay nhận tín hiệu đƣợc truyền tới và truyền tải một phiên bản khuếch đại của nó đến nút đích. Giả sử rằng, nút đích biết đƣợc hệ số kênh truyền giữa nguồn và Relay để thực hiện việc mã hóa tối ƣu, vì vậy cơ cấu trao đổi hoặc đánh giá thông tin này phải đƣợc kết hợp vào bất kỳ việc thực thi nào. Một thách thức lớn khác là việc lấy mẫu, khuếch đại và truyền lại giá trị analog (tƣơng tự) là rất quan trọng trong kỹ thuật. Do đó phƣơng pháp khuếch đại và chuyển tiếp là một phƣơng pháp đơn giản mà cho phép mƣợn chính nó để phân tích. Vì vậy, nó rất hữu ích trong việc đẩy mạnh quan điểm của ngƣời thực hiện về mạng hợp tác thu thập năng lƣợng. Một kỹ thuật xử lý khác tại nút chuyển tiếp Relay là sử dụng sơ đồ Relay giải mã và chuyển tiếp DF cố định. Relay giải mã tín hiệu nhận đƣợc, tái mã hóa nó, sau đó truyền lại nó cho máy thu. Loại chuyển tiếp này thƣờng đƣợc gọi đơn giản là DF. Lƣu ý rằng tín hiệu đƣợc giải mã tại Relay có thể không đúng. Vì vây, nếu một tín hiệu đƣợc giải mã không chính xác ở nút Relay mà đƣợc chuyển tiếp đến nút đích thì dẫn đến việc giải mã ở đích là vô nghĩa. Rõ ràng rằng cơ chế này, sự phân tập đạt đƣợc chỉ là một, bởi vì hiệu suất của hệ thống đƣợc giới hạn bởi các liên kết xấu nhất từ nguồn đến Relay và nguồn đến đích. Mặc dù chuyển tiếp DF cố định có lợi thế hơn chuyển 6
19. tiếp AF trong việc làm giảm các ảnh hƣởng của nhiễu thêm vào tại relay, nhƣng nó đòi hỏi khả năng chuyển tiếp tín hiệu lỗi đƣợc phát hiện đến đích, gây ra truyền lỗi- cái mà có thể làm giảm bớt hiệu suất của hệ thống. Vì những khó khăn đã nêu trên, ta sử dụng sơ đồ AF vì đặc tính của nó có độ phức tạp thấp hơn. 2.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG np ~ y 1 pyr Signal r + Processing h g y yr Power AF d S + + D Splitting Tx xr PxS n nd r Energy Pr Harvesting pyr R Hình 2.2: Mô hình hệ thống. Theo Hình 2.2, xem xét hệ thống Relay không dây dựa trên sơ đồ AF với EH. Nguồn S truyền thông tin tới đích D, giả sử không tồn tại liên kết trực tiếp giữa nguồn và đích. Relay vận hành sơ đồ AF bởi vì đặc tính của nó có độ phức tạp thấp. Tất cả các nút đƣợc trang bị một anten và một pin lƣu trữ để thực hiện việc nạp và xả năng lƣợng. Năng lƣợng cho hoạt động của nút không dây, nhƣ vận hành mạch, thì ít hơn truyền tín hiệu. Chúng ta giả sử việc vận hành nút Relay chỉ đƣợc hỗ trợ bởi năng lƣợng ban đầu đã đƣợc lƣu trữ trong pin và giá trị ban đầu có thể giữ nút hoạt động trong khoảng thời gian đủ lâu. Theo đó, Relay cần thu thập năng lƣợng từ các tín hiệu không dây đã thu đƣợc để chuyển tiếp tín hiệu. Mỗi thời gian truyền T đƣợc chia đều thành hai giai đoạn, giai đoạn đầu tiên (T /2) đƣợc nguồn S dùng để truyền tín hiệu không dây tới Relay và giai đoạn còn lại để chuyển tiếp thông tin từ nút Relay tới đích. Ở đây h là độ lợi kênh truyền từ nguồn tới Relay và g là độ lợi kênh truyền từ Relay tới đích. Giả sử cả hai kênh truyền là kênh fading Rayleigh và giữ nguyên trong hai 7
20. giai đoạn. Kết quả là, h 2 và g 2 theo phân phối mũ với giá trị trung bình tƣơng ứng là h và g . Trong giai đoạn đầu tiên, nguồn S truyền tín hiệu xt tới Relay với công suất PS . Tín hiệu RF thu đƣợc tại Relay là: yr t P S hx t n r t (2.1) 2 ntr là nhiễu anten theo phân phối Gauss với trung bình 0 và phƣơng sai  r . Tín hiệu RF sau đó qua bộ PS chia thành hai phần với tỷ số công suất p 0,1. Sau đó, pyr t cho qua mạch EH. Năng lƣợng thu thập tại nút Relay là: 2 T E  p P h 2 (2.2) h S r 2 ở đây,  01 là hệ số chuyển đổi năng lƣợng của mạch EH. Để đơn giản, ta giả sử  1. Toàn bộ năng lƣợng thu thập đƣợc đƣợc Relay dùng để chuyển tiếp thông tin tới đích trong giai đoạn hai. Do đó, công suất truyền của Relay là 2 2 . Xét trong thực tế, P nên lớn hơn 0, do đó ta cho 01 p . Cùng Pr p P S h  r r lúc đó, tín hiệu RF 1 pyr t đƣợc cung cấp cho mạch Xử lý tín hiệu SP. Tín hiệu dải nền tại Relay biểu diễn nhƣ sau: ~ yr 1n p PS hx n r p (2.3) 2 ở đây n p là nhiễu Gauss dải nền cộng, với trung bình 0 và phƣơng sai  p với x và nr là các biểu thức dải nền của xt và ntr tƣơng ứng. Nếu p 1, ta nói Relay dừng việc truyền tín hiệu tới đích và thu thập tất cả năng lƣợng đã nhận. Vậy nên, trong ~ trƣờng hợp này, ta có yr 0 và Relay đóng cửa mạch xử lý thông tin. Chỉ khi 01 p , sơ đồ AF mới đƣợc kích hoạt lại tại Relay. Theo sơ đồ AF, tín hiệu dải nền đƣợc Relay truyền là: 8
21. ~ xrr P p yr (2.4) ở đây, 1  p là hệ số chuẩn hóa công suất của sơ đồ AF. 1 p P h 2 22 S r p Ở giai đoạn thứ hai, đích thu đƣợc xr thông qua kênh truyền g . Vì thế, tín hiệu thu đƣợc tại đích là: yd gx r n d 1 p P P Sr hgx (2.5) 1 p P h 2 22 S r p P gr 1 pn n n 2 r p d 1 p P h 22 S r p 2 ở đây nd là nhiễu Gauss cộng, với trung bình 0 và phƣơng sai  d . Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại đích là: P h22 g  p S (2.6) 2 2 2 2 g   g  2 p d r 1 p 2 Pr  p 1 p Dễ dàng thấy  p có mối liên hệ với giá trị p . Nói cách khác, hệ số phân chia công suất ảnh hƣởng mạnh mẽ tới hiệu năng của hệ thống. Do đó, chúng ta cần phải tính toán cách thức phân chia công suất tín hiệu để đạt đƣợc hiệu suất truyền tải tối ƣu. Ta sử dụng xác suất dừng tại đích để biểu thị hiệu năng của hệ thống. Xem xét (2.6), ta thấy cũng là hàm theo h và g . Nếu Relay có khả năng điều chỉnh của nó theo trạng thái kênh truyền, hiệu suất dừng có thể đƣợc tối ƣu hóa. Với sự hiểu biết sẵn có của Relay về CSI, ta xem xét hai trƣờng hợp để nghiên cứu sự phân chia công suất tối ƣu: đầy đủ và một phần các CSI, từ đó hiểu rõ hơn ảnh hƣởng của tỷ số phân chia công suất đến hoạt động của hệ thống. 9