Giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp thu năng lượng cực đại trong mạng song công giải mã chuyển tiếp

Nội dung text: Giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp thu năng lượng cực đại trong mạng song công giải mã chuyển tiếp

1. GIAO THỨC LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP THU NĂNG LƯỢNG CỰC ĐẠI TRONG MẠNG SONG CÔNG GIẢI MÃ CHUYỂN TIẾP THE MAXIMUM HARVESTED ENERGY RELAY SELECTION IN DECODE-AND-FORWARD AND FULL-DUPLEX NETWORKS Phạm Thị Mỹ Linh1, Đỗ Đình Thuấn2, Trần Thu Hà2 1Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2Khoa Điện-Điện tử, Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Bài báo này thực hiện phân tích thông lượng của mô hình mạng hợp tác chuyển tiếp song công, một trong những mô hình mạng được quan tâm nhiều trong thời gian gần đây. Để thực hiện mục đích trên, bài báo này sử dụng phương thức lựa chọn nút chuyển tiếp, mạng chuyển tiếp hai chiều kiểu khuếch đại và chuyển tiếp dùng kênh Rayleigh fading, sử dụng giao thức thu năng lượng vô tuyến dựa trên chuyển đổi thời gian. Bài báo này tập trung vào đến việc lựa chọn nút chuyển tiếp để thu năng lượng tối ưu, tính toán xác suất dừng sử dụng các công thức tính xác suất. Các kết quả phân tích tính toán trên sẽ được kiểm chứng bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo . Từ khóa: Giải mã và chuyển tiếp; thu năng lượng; chuyển mạch theo thời gian TSR; lựa chọn chuyển tiếp. ABSTRACT In this paper, we investigate relay selection for decode-and-forward (DF) Full-duplex (FD) wireless energy harvesting relaying networks. Considering time-switching based relaying (TSR) protocol, we are concerned with the performance of maximum harvested energy relay selection (MHE-RS) scheme. We analyze the system performance in terms of outage probability (OP) and throughput over Rayleigh fading channels. We derive the integral-form for exact expression and closed-form for approximal expression. This analytical expressions are validated by the Monte-Carlo simulation. Keywords: Decode and forward, energy harvesting, time switching based relaying, relay selection
2. 1. GIỚI THIỆU Nội dung của bài viết gồm những phần Ngày nay với hệ thống truyền thông như sau. Trong phần 2, trình bày về mô không dây có nguồn năng lượng không đổi, hình hệ thống và đề ra cấu hình lựa chọn nó có một thời gian hoạt động nhất định và nút chuyển tiếp. Phần 3 có nội dung là các để duy trì các kết nối thì phải thực hiện biểu thức tính toán để dưa ra xác suất dừng thay thế nguồn pin là vấn đề bất tiện và đôi và thông lượng, phần 4 là phàn trình bày khi không thể. Từ đó việc tự thu gom năng kết quả mô phỏng, phần cuối cùng là phần lượng cũng như sử dụng các nguồn năng kết luận của bài viết. lượng sạch có từ các nguồn tài nguyên 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG thiên nhiên bên ngoài như năng lượng mặt 2.1 Cấu hình mạng trời, gió đã nhận được rất nhiều sự quan tâm. Vì nó cung cấp một giải pháp hiệu quả để kéo dài hoạt động một cách liên tục cho các thiết bị truyền thông không dây [1]. Phương thức truyền tín hiệu song công FD cải thiện hiệu quả phổ mạng vô tuyến [2, 3]. Cùng tiếp cận với những nghiên cứu mới để bắt kịp xu hướng chung của thế giới, bài viết này giới thiệu một mô hình mạng truyền đồng thời năng lượng và thông tin (SWIPT) [5,6]. Ở đây, chúng tôi nghiên cứu mạng sử dụng phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu, mạng chuyển tiếp hai chiều kiểu khuếch đại và chuyển tiếp dùng kênh fading Rayleigh, sử dụng giao Hình 1 Mô hình hệ thống thức dựa trên chuyển đổi thời gian. Phân Trong bài báo này, chúng tôi trình bày tích và tính toán xác suất dùng cũng như mạng lựa chọn chuyển tiếp thu năng lượng thông lượng của mạng. Đặc biệt, trong bài song công một chiều với cấu hình mạng báo này, chúng tôi tập trung vào hệ thống giải mã và chuyển (DF) như hình 1. Hệ lựa chon nút chuyển tiếp và sử dụng mô thống bao gồm một nút nguồn một nút đích hình truyền song công. Trong hệ thống, có được kí hiệu là S, D tương ứng và N nút rất nhiều tín hiệu truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp được kí hiệu là R, i 1, , N . chuyển tiếp sau đó nút chuyển tiếp sẽ thực i hiện so sánh và chọn ra nút nào là tốt nhất Giả sử rằng, ở nút nguồn và nút đích mỗi để thực hiện truyền tín hiệu tới đích. Đóng nút được trang bị một anten và nút chuyển góp chính của bài viết này được trình bày tiếp được trang bị 2 anten. Khi được trang như bên dưới bị 2 anten thì chính bản thân nó sẽ gây ra nhiễu tại nút đó gọi là tự nhiễu. Kênh giảm i) Đề xuất giao thức lựa chọn chuyển tự nhiễu tại Ri được kí hiệu là fi , giảm tự tiếp, ở đó nó sẽ đưa ra một nút chuyển nhiễu và giới hạn hiệu suất truyền là một tiếp thích hợp đễ hỗ trợ quá trình truyền điểm chính của bài này. tải tín hiệu từ nguồn tới đích sử dụng mạng chuyển tiếp 2 chặng với nhiều nút Mô hình chuyển tiếp: Được giả sử rằng, chuyển tiếp thu năng lượng không dây. ở nút chuyển tiếp có nguồn năng lượng cung cấp bị hạn chế và tại đó nó có thể thu ii) Tính toán, phân tích xác suất dừng năng lượng từ các nguồn tín hiệu cao tần dựa trên tỷ số tín hiệu trên nhiễu cũng RF truyền dẫn từ các trạm phát sóng [6, 7]. như sử dụng tính xấp xỉ trong trường Thêm vào đó nút chuyển tiếp có thể xem hợp nhiễu cao. Dựa trên các biểu thức như là một bộ đệm để truyền thông tin đến này, thời gian thu năng lượng và xác trạm đích. suất dừng tối ưu được đưa ra.
3. 2.2 Cấu hình lựa chọn nút chuyển tiếp Trong giai đoạn truyền thông tin (IT), Lựa chọn chuyển tiếp là một phương tại nguồn S, tín hiệu truyền được kí hiệu là thức hiệu quả để nâng cao hiệu suất của hệ xts đến Ri. Tương tự như vậy ở nút chuyển tiếp sẽ phát tín hiệu xt đến nút thống truyền thông đa chuyển tiếp với độ ri phức tạp thấp, so với mô hình có một nút đích là D. Vì vậy tín hiệu tại Ri được tính chuyển tiếp được trình bày trong [5]. Trong như sau bài này, chúng tôi đề xuất mô hình mạng thu năng lượng chuyển tiếp song công một ps yri t h i x s t chiều với mô hình lựa chọn nút chuyển tiếp d m (5) thu năng lượng tối ưu (MHE-RS). Ở đó, nút 1i chuyển tiếp nào có năng lượng lớn nhất sẽ pr f i x rii t n r t được chọn để thực hiện quá trình truyền thông và được thể hiện như biểu thức bên Trong cấu hình chuyển tiếp DF, tại Ri, xt được mã hóa của giai đoạn nhận tín dưới ri hiệu bE arg max i (1) iN 1, , x t x t (6) rsi 2.3 Phân tích mô hình tín hiệu và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR) Và ở nút đích D, tín hiệu nhân được là yt , được biểu diễn như sau Trong một khoản thời gian thu năng d lượng, nguồn S truyền một công suất đến pri nút chuyển tiếp R thông qua tín hiệu RF, vì yd t g i x r t n d t (7) m i vậy tín hiệu nhận được tại R là d2i ps với ntd là phần nhiễu trắng Gaussian yi h i x s t n r t m i AWGN có trung bình là 0 và phương sai là d1i (2) N0. Theo công thức (5) và sau một số phép Với iN 1, , là số lượng nút chuyển biến đổi, tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời tiếp. SINR của chặng S → R Vì thế, chúng ta có thể tính được tổng  h 2 năng lượng thu được trong suốt trạng thái  i si (8) sr, 2 2 thu năng lượng như trong [3]  shf i ri 1 p E  s h2 T Tương tự, dựa trên (7) tỷ số tín hiệu trên iim (3) d1i nhiễu tức thời SNR của R → D Với 01  là khoảng thời gian phân i 22 r, d  shg i i (9) chia giai đoạn thu năng lượng và thông tin. với  pN Như trong bài [3, 4] , chúng ta giả sử ss0 rằng năng lượng thu được trong suốt Trong trường hợp thông số SNR ở khoảng thời gian thu năng lượng được lưu khoảng giá trị lớn, cụ thể, s , cụ thể trữ trong bộ tụ lớn và nguồn năng lượng  s 1, công thức(8), (9) có thể được viết sau đó sẽ được tiêu thụ bởi quá trình lại chuyển tiếp thông tín từ nguồn tới đích. Vì 1 vậy, công suất truyền tại nút chuyển tiếp   s ,i sr, 2 (10) được tính như sau  fi Ep ph is 2 (4) và rii m 1 T d1i  s ,i 22 rd,  shg i i (11) Với   /1
4. Dựa trên cấu hình chuyển tiếp DF, SINR 2 đầu cuối của hệ thống được xác định là N N k 1 kk  OP 1 1 S 0 , giá trị nhỏ hơn của SINR tại từng chặng. MHE RS  k h s  g  h khi đó chúng ta có thể mô hình thông số k 1 SINR từ phía nguồn đến phía đích này theo 11  k  exp S 0 ,  toán học như sau 0f  s  g  s  f  h  i i i (16) e2 e min  s , r ,  r , d (12) với S u, v exp u x vx dx , xem 0 s chứng minh ở phần phụ lục A 3. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG Mệnh đề 2: Khi SNR cao, tương  s  s Trong phần này, chúng tôi sẽ đưa ra đương với  sr, và  rd, xác suất dừng xác suất dừng và thông lượng của hệ thống được viết lại sủa dụng kênh Rayleigh fading. Xác suất dừng được kí hiệu là “OP” và “ ” là thông  lượng.  1 OP s 1 2 1 exp MHE RS   f 0 3.1 Phân tích xác suất dừng  (17) N N Trong chế độ truyền trễ giới hạn k 1 kk00 12 1  k      (delay-limit), chất lượng của hệ thống được k 1 s g h s g h đánh giá dựa trên xác suất dừng. Do đó, trong phần này chúng tôi phân tích xác suất Chứng minh: Ở chế độ SNR cao, với  s  s dừng của mô hình, một trong các thông số  sr, và  rd, xác suất dừng được viết quan trọng để đánh giá chất lượng hệ thống lại như sau truyền thông. Xác suất dừng của hệ thống được định nghĩa là xác suất mà khi giá trị tỷ số tín ss ,b hiệu trên tổng nhiễu nhận được tại nút OP 1 1 Pr sr,0   chuyển tiếp SINR nhỏ hơn ngưỡng SNR OP s 1 (18)  0 cho trước. b  s ,b OP Pr  (13) 1 Pr rd, 0 ee20  OP s Thay (12) vào (13), xác suất dừng 2 được viết lại như sau Với phần OP1 được xác định như sau OP Pr minbb ,   s, r r , d 0  2 1 s OP1 Pr  f i b b b  0 Pr r, d  0 Pr  r , d  0 ,  s , r  0 OP 1 OP 2 (19) 11 (14) 1 F 2 exp f i 00  f  Kế đến, thay (3) vào (1) để đưa ra chỉ số lựa chọn tốt nhất ở nút chuyển tiếp Và OP2 là 2 N N k 1 bh arg max i (15)  s iN 1, , OP2 1 2 1 k 1 k (20) Mệnh đề 1: Đối với hệ thống chuyển kk 00 2 tiếp lựa chọn tối ưu MHE-RS thì xác suất  1    dừng được viết lại là s g h s g h
5. m Cuối cùng là thay (19) và (20) vào (18). và  g d 2 . 4.1 Tác động của thời gian thu năng 3.2 Phân tích thông lượng lượng 0 Trong bài đề tài này, thông lượng của 10 Exact analysis mô hình được đánh giá thông qua đại lượng Analysis: high SNR xác suất dừng. Xác suất dừng tại nút đích Monte-Carlo simulation N = 2, 4, 10 -1 với năng lượng thu được tại nút chuyển tiếp 10 từ tín hiệu nguồn và sau đó sử dụng nó để chuyển tín hiệu nguồn tới đích. Xác suất dừng trong công thức là một hàm theo thời -2 10 gian thu năng lượng và tăng giảm Probability Outage (OP) trong khoản từ 0 đến 1. Với tốc độ truyền dẫn là R (bits/sec/Hz) và thời gian một lần -3 10 truyền từ nút nguồn đến nút đích là T (s). 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 Energy harvesting ratio ( ) Ta có thể tính được thông lượng ngõ ra 2  11 OP R (21) Exact analysis MHE RS MHE RS c 1.8 Analysis: high SNR Monte-Carlo simulation Trong trường hợp SNR cao, tương 1.6 1.4  s  s đương với  sr, và  rd, xác suất dừng 1.2 ) ) (bits/s/Hz) thông lượng của hệ thống được xác định  1 như sau 0.8 N = 2, 4, 10 Throughput ( Throughput 0.6  ss 11 OP R MHE RS MHE RS c (22) 0.4 0.2 Thời gian chuyển mạch tối ưu có thể 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 tính toán để giải quyết vấn đề trên Energy harvesting ratio ( ) opt MHE- RS arg max MHE- RS  (23) Hình 2 Xác suất dừng (hình trên), thông 01 lượng (hình dưới) theo thời gian thu năng lượng với số lượng nút chuyển tiếp N 2,4,10 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ,  f 15 (dB). Trong phần này sẽ trình bày kết quả Xác suất dừng thay đổi theo thời gian tính toán bằng để minh họa cho các giải thu năng lượng. Với thời gian dùng để thu pháp cho các vấn đề tối ưu hóa thông lượng năng lượng α=0.4 đến α =0.7 thì xác suất của cấu hình thu năng lượng. Thông qua dừng gần như không xảy ra. phương pháp tính toán số học, thông lượng tối ưu tỷ lệ với thời gian thu năng lượng Song song đó, khoảng thời gian dùng để trong giao thức TSR. Trong mô phỏng này, thu năng lượng ảnh hưởng rất nhiều đến chúng tôi thiết lập thông số như sau 25 s thông lượng của hệ thống Cụ thể là khi α = (dB), dd12 1 , suy hao đường truyền 0 hoặc α =1 thì thông lượng là bằng 1 và m 3 , hiệu suất thu năng lượng 0.9 , tốc như vậy thì quá trình truyền không thể xảy độ truyền cố định Rc 2 , suy ra ra đó là điều hiển nhiên vì khi α = 0 thì 2 không có quá trình thu năng lượng xảy ra  0 2 1 3 . Trong tất cả mô phỏng  h hoặc khi α = 1 thì toàn khoảng thời gian sử và  được xác định là giá trị trung bình g dụng để thu năng lượng mà không có thời cảu các biến ngẫu nhiên theo phân bố hàm gian để truyền thống tin. 2 2 m mũ hi and gi , tương ứng,  h d1 Bên cạnh đó, xác suất dừng và thông
6. lượng còn phụ thuộc vào số lượng nút lượng (hình dưới) theo số lượng nút chuyển tiếp. Khi số lượng nút chuyển tiếp chuyển tiếp với 0.2 ,  f 15 (dB) nhiều nhất trong một mô hình thì thông lượng của hệ thống là tốt nhất. Cũng tương tự như vậy, khi càng nhiều nút 4.2 Hiệu suất của hệ thống thay đổi chuyển tiếp thì thông lượng càng tốt. Tuy theo số lượng nút chuyển tiếp nhiên chúng ta có thể thấy rằng, khi số 0 lượng nút chuyển tiếp đạt được khoảng 10 Exact analysis N=15 trở lên thì thông lượng gần như Analysis: high SNR không có thay đổi nhiều. Nên để tối ưu và tiết kiệm chi phí cho nút chuyển tiếp chỉ cần dùng tối đa 15 nút chuyển tiếp là đảm -1 10 bảo thông lượng tốt đối với mô hình này. Outage Probability Outage (OP) = 20, 15, 10 (dB) 5. KẾT LUẬN s Trong bài viết này, chúng tôi đề xuất -2 10 5 10 15 20 25 cấu hình lựa chon nút chuyển tiếp cho mô N hình mạng truyền thông chuyển tiếp không dây 2 chặng và phân tích hiệu suất hệ thống 1.8 Exact analysis với giao thức FD-DF. Đây là một trong 1.6 Analysis: high SNR những yếu tố được quan hàng đầu của mô 1.4 hình mạng chuyển tiếp để đạt được thông 1.2 lượng tốt. 1 ) ) (bits/s/Hz)  Kết quả mô phỏng thể hiện rằng, có càng 0.8 nhiều nút chuyển tiếp trong quá trình 0.6 = 10, 15, 20 (dB) Throughput ( Throughput  s truyền thì chất lượng càng được nâng cao 0.4 lên. 0.2 0 5 10 15 20 25 N Hình 3 Xác suất dừng (hình trên), thông PHỤ LỤC A 2 Dựa trên cấu hình lựa chọn nút chuyển tiếp (15), cdf của kênh hb là như sau N N k 1 k kx fx2 1 exp (24) h  b k 1 k hh Với, giá trị đầu tiên(14) được xác định như sau 22  0 OP Pr  h g  F22 f x dx (25) 10 s b b  gh bb 0  s x 2 2 Thay thế pdf của hb trong (24) và cdf của gb vào (25). Kết quả thu được là N N k 1 k  0 kx OP1 1 1 exp dx (26)  k   x  k 1 h0 s g h
7. Tương tự như vậy, ta tính được thành phần thứ 2  22 11 OP Pr  g 0 , f 2 bi22  shh b0  s b 0 s  0 1 F22 f x dx ghbb   x 0 sg  0 11 11 F2 F 2 f 2 x dx g f h is gxx i 0  s b 0 s (27) 2 Với f i cũng có dạng hàm phân bố mũ, vì thế (27)có thể viết lại N 0 s N k 1 k kx  1 OP 1 exp 0 dx exp 2  k h  h s  gx  0  f k 1 0 (28) N N k 1 k 1  kx 1 exp 0 dx  k 1 k hxx s  f  s  g  h 0 s TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Z. Ding, S. M. Perlaza, I. Esnaola, and H. V. Poor, Power allocation strategies in energy harvesting wireless cooperative networks,IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 13, no. 2, pp. 846–860, 2014. [2] B. Debaillie et al., “Analog/RF solutions enabling compact full-duplex radios,” IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 32, no. 9, pp. 1662-1673, Sept. 2014. [3] Z. Zhang, X. Chai, K. Long, A. V. Vasilakos, and L. Hanzo, “Full duplex techniques for 5G networks: Self-interference cancellation, protocol design, and relay selection,” IEEE Commun. Mag., vol. 53, no. 5, pp. 128-137, May 2015. [4] A. A. Nasir et al, “Relaying protocols for wireless energy harvesting and information processing,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12, no. 7, pp. 3622–3636, Jul. 2013. [5] I. Krikidis, J. Thompson, S. McLaughlin, and N. goertz, “Amplify-and-forward with partial relay selection,” IEEE Commun. Lett., vol. 12, no. 4, pp. 235–237, Apr. 2008. [6] Z. Chen, B. Wang , B. Xia , et al, “ Wireless Information and Power Transfer in Two-Way Amplify-and-Forward Relaying Channels, ” arXiv preprint arXiv:1307.7447, 2013. [7] Zhong, Caijun, Himal A. Suraweera, Gan Zheng, Ioannis Krikidis, and Zhaoyang Zhang. "Wireless information and power transfer with full duplex relaying." , IEEE Transactions on Communications 62, no. 10 (2014): 3447-3461. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN Đơn vị: KHOA ĐIỆN- ĐIỆN TỬ Điện thoại: 0918095094 Email: dodinhthuan @gmail.com
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.