Luận văn Mạng truyền đồng thời thông tin và năng lượng chế độ song công (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Mạng truyền đồng thời thông tin và năng lượng chế độ song công (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ MỸ LINH MẠNG TRUYỀN ĐỒNG THỜI THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG CHẾ ĐỘ SONG CÔNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203 S K C0 0 4 9 1 6 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ MỸ LINH MẠNG TRUYỀN ĐỒNG THỜI THÔNG TIN VÀ NĂNG LƢỢNG CHẾ ĐỘ SONG CÔNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THỊ MỸ LINH MẠNG TRUYỀN ĐỒNG THỜI THÔNG TIN VÀ NĂNG LƢỢNG CHẾ ĐỘ SONG CÔNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ- 60520203 Hƣớng dẫn khoa học: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2016
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Phạm Thị Mỹ Linh Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 20/06/1991 Nơi sinh:Quảng Ngãi Quê quán: Quảng Ngãi Dân tộc: Kinh Chỗ ở : 48 Tân Hòa 2, Hiệp Phú, Quận 9, TP.HCM Điện thoại : 01649795331 E-mail: mylinh09117@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính Quy Thời gian đào tạo từ 09/2009 đến 09/ 2013 Nơi học (trƣờng, thành phố): Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM Ngành học: Điện Tử Viễn Thông Tên đồ án : Thiết Kế Hệ Thống Định Vị Và Giám Sát Đối Tƣợng Ngày & nơi bảo vệ đồ án: 08/2013, Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP HCM Ngƣời hƣớng dẫn:Thạc sĩ. Nguyễn Ngô Lâm i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 09 năm 2016 (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
6. LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian học tập tại trƣờng, nhờ sự hƣớng dẫn và giúp đỡ nhiệt tình của quý thầy cô, ngƣời thực hiện đề tài đã tích lũy đƣợc cho bản thân một số kiến thức nền tảng. Trong thời gian thực hiện đề tài, học viên thực hiện đã trải qua không ít khó khăn, nhƣng nhờ sự giúp đỡ tận tình của Thầy Đỗ Đình Thuấn, cùng với thầy cô và các bạn trong khoa Điện – Điện Tử Trƣờng đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh, học viên thực hiện đã hoàn thành đề tài này. Học viên thực hiện đề tài xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên hƣớng dẫn Thầy Đỗ Đình Thuấn đã tận tình giúp đỡ trong suốt quá trình lựa chọn đề tài đến lúc thực hiện và hoàn thành đề tài này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy cô khoa Điện – Điện Tử và toàn thể Thầy cô trong Trƣờng đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh. Những Thầy cô đã trang bị cho học viên rất nhiều kiến thức cơ bản để từ đó có thể tìm hiểu chuyên sau về chuyên ngành. Cũng nhƣ sự chỉ bảo, giúp đỡ tận tình của quý thầy cô trong suốt quá trình học tập. Cảm ơn ba mẹ, bạn bè, những ngƣời đã luôn động viên, khuyến khích, giúp đỡ để đề tài này hoàn thành đúng tiến độ. TP.HCM, ngày 10 tháng 09 năm 2016 Học viên thực hiện PHẠM THỊ MỸ LINH iii
7. TÓM TẮT Trong những năm gần đây, mạng truyền thông hợp tác đã trở thành một đề mới nhận đƣợc nhiều sự quan tâm và chú ý của các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông không dây. Mô hình này đƣợc xem nhu là một giải pháp đầy hứa hẹn để nâng cao chất lƣợng truyền tin cũng nhƣ kéo dài, duy trì thời gian hoạt động của hệ thống truyền thông không dây. Vì vậy cùng với xu hƣớng nghiên cứu chung hiện nay, ngƣời thực hiện đề tài mong muốn giới thiệu một hƣớng phát triển của mạng truyền thông hợp tác với đề tài “mạng truyền đồng thời thông tin và năng lƣợng chế độ song công”. Trong luận văn này ngƣời thực hiện tập trung nghiên cứu vấn đề chính: về một mô hình mạng truyền thông đa nút chuyển tiếp với hệ thống 1 nút nguồn, 1 nút đích và nhiều nút chuyển tiếp vừa thu năng lƣợng vừa truyền thông tin chế độ song công. Với kỹ thuật này mỗi nút chuyển tiếp sẽ đƣợc trang bị 2 anten trên cùng một thiết bị, nó có chức năng truyền và nhận đồng thời trên một kênh thời gian hoặc kênh tần số nào đó. Truyền song công giúp năng cao hiệu suất phổvà làm tăng tốc độ dữ liệu hơn là hệ thống truyền bán song công. Tuy nhiên cũng vì đƣợc trang bị 2 anten để thực hiện truyền song công nên nó bị ảnh hƣởng của sự tự can nhiễu. Để giải quyết vấn đề này đã có nhiều đề xuất đƣợc đƣa ra, những can nhiễu vẫn tồn tại và làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng của hệ thống. Tiếp đến luận văn này đề xuất đến việc sử dụng nhiều nút chuyển tiếp và phƣơng pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tối ƣu để đạt đƣợc chất lƣợng tốt nhất khi truyền tin và nhận năng lƣợng. Cuối cùng là đƣa ra kết quả đạt đƣợc thể hiện qua việc tính toán xác suất dừng cũng nhƣ thông lƣợng giúp chúng ta có cái nhìn tổng quát về mô hình mới này và có thể so sánh cân nhắc với mô hình truyền thống. iv
8. ABSTRACT Recently, cooperation network become a new theme which is paid attention by researchers in wireless communication field. Cooperation communication has been recognized as an efficient way to expand coverage of network. To approach with general tendency, the author introduce a development way which thesis “Simultaenous Wireless Information and Power Transfer Network with Full-Duplex” In this thesis, we investigaterelay selection scheme for decode-and-forward (DF) Full-duplex (FD) wireless energy harvesting relaying networks.We focus model system with 1 source, 1 destination and multi relay simultaenous wireless information and power transfer. Source and destination node is equipped 1 antenna, it has the function of transmitting or receiving at the same time on the channel. Relay node is equipped 2 antenna to transmitting and receiving at the same time. However, relay node is affected by self-interference from it’s antenna lead to quality of system.To solve this problem there have been many way proposals, self-interference still exist and affects the quality of the system. Considering time-switching based relaying (TSR) protocol,we are concerned with the performance of maximum harvested energy relay selection (MHE-RS) scheme. Finally, thesis 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. The thesis provides general about this system. To considering compare with traditional network. v
9. MỤC LỤC TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT ix DANH MỤC HÌNH ẢNH x Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Giới thiệu 1 1.2. Mục đích của đề tài 3 1.3. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 4 1.3.1. Nhiệm vụ 4 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu 4 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu 5 1.5. Đóng góp chính của luận văn 5 1.6. Bố cục 5 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠNG TRUYỀN ĐỒNG THỜI THÔNG TIN VÀ NĂNG LƢỢNG 8 2.1. Mạng truyền thông truyền thống 8 2.2. Mạng truyền thông chuyển tiếp 9 2.2.1. Ƣu điểm 12 2.2.2. Nhƣợc điểm cần phải khắc phục: 13 2.3. Các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng hợp tác 13 2.3.1. Sơ đồ relay khuếch đại và chuyển tiếp (AF) cố định 14 2.3.2. Sơ đồ relay giải mã và chuyển tiếp (DF) cố định 14 vi
10. 2.4. Các chế độ truyền tại nút chuyển tiếp trong mạng hợp tác 15 2.4.1. Chuyển tiếp bán song công (Half Duplex – HD) 15 2.4.2. Chuyển tiếp song công (Full Dupplex – FD) 16 2.5. Sơ đồ khối thu năng lƣợng 17 2.6. Các giao thức thu thập năng lƣợng trong mạng hợp tác 18 2.6.1. Giao thức dựa trên chuyển đổi thời gian (TSR). 18 2.6.2. Giao thức dựa trên phân chia công suất (PSR) 19 2.6.3. Giao thức dựa trên chuyển tiếp thời gian và công suất (TPSR) 21 2.7. Mạng đa nút chuyển tiếp 22 2.7.1. Phƣơng pháp lựa chọn kênh chuyển tiếp tối ƣu 23 2.7.2. Phƣơng pháp chuyển tiếp tất cả 24 Chƣơng 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG TRUYỀN ĐỒNG THỜI THÔNG TIN VÀ NĂNG LƢỢNG CHẾ ĐỘ SONG CÔNG 26 3.1. Mô hình hệ thống. 26 3.2. Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp tối ƣu 28 3.2.1. Thuật toán 28 3.2.2. CDF của kênh truyền đƣợc lựa chọn. 30 3.3. Mô hình giải mã và chuyển tiếp song công một chiều của hệ thống 34 3.3.1. Truyền nhận năng lƣợng 34 3.3.2. Chuyển tiếp thông tin song công 35 Chƣơng 4: MÔ PHỎNG 42 4.1. Giới thiệu chƣơng trình mô phỏng 42 4.2. Kết quả mô phỏng 42 4.2.1. Khảo sát sự ảnh hƣởng của thời gian truyền năng lƣợng (α) đến chất lƣợng của hệ thống 42 4.2.2. Khảo sát sự ảnh hƣởng của số lƣợng nút chuyển tiếp đến chất lƣợng của hệ thống 45 4.2.3. Khảo sát sự ảnh hƣởng của tỷ số tín hiệu trên nhiễu đến chất lƣợng của hệ thống 49 vii
11. 4.2.4. So sánh chất lƣợng hệ thống của mô hình nhiều nút chuyển tiếp và mô hình một nút chuyển tiếp 51 Chƣơng 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 53 5.1. Kết luận 53 5.2. Hƣớng phát triển 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 57 viii
12. DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng. D Destination Đích DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp. FD Full-Duplex Song công MHE Maximun Harvested Energy Thu năng lƣợng tối ƣu MIMO Multi Input Multi Output Đa ngõ vào và đa ngõ ra HD Half-Duplex Bán song công PSR Power Splitting-based Relaying Chuyển tiếp dựa vào phân chia công suất. TSR Time Switching-based Relaying Chuyển tiếp dựa vào chuyển đổi thời gian. TPSR Time Power Switching-based Chuyển tiếp dựa vào chuyển Relaying đổi thời gian và công suất R Relay Chuyển tiếp RF Radio Frequency Tần số vô tuyến. S Source Nguồn SWIPT Simultaneous Wireless Mạng truyền đồng thời Information and Power Transfer thông tin và năng lƣợng không dây ix
13. DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 2.1: Mô hình mạng truyền thống 8 Hình 2.2: Mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp đơn chặng 10 Hình 2.3: Mô hình mạng truyền thông đa nút chuyển tiếp một chặng 11 Hình 2.4: Mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp đa chặng 12 Hình 2.5: Mô hình hệ thống, với S, R, D tƣơng ứng là nguồn, relay và đích 13 Hình 2.6: Sơ đồ hệ thống khuếch đại và chuyển tiếp 14 Hình 2.7: Sơ đồ hệ thống giải mã và chuyển tiếp 15 Hình 2.8: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp bán song công một chiều 16 Hình 2.9: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp song công một chiều 17 Hình 2.10: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếpsong công hai chiều 17 Hình 2.11: Sơ đồ thu năng lƣợng ở nút relay 17 Hình 2.12: Cấu trúc giao thức TSR 18 Hình 2.13: Sơ đồ khối kỹ thuật TSR 19 Hình 2.14: Cấu trúc giao thức PSR 20 Hình 2.15: Sơ đồ khối kỹ thuật PSR 20 Hình 2.16: Cấu trúc giao thức TPSR 21 Hình 2.17: Sơ đồ khối giao thức TPSR 21 Hình 2.18: Mô hình mạng đa nút chuyển tiếp 22 Hình 2.19: Sơ đồ mạng lựa chọn kênh chuyển tiếp tối ƣu 23 Hình 2.20: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp tất cả 25 Hình 3.1: Mô hình hệ thống truyền thông 27 Hình 3.2: Cấu trúc của phƣơng pháp chọn nút chuyển tiếp 28 Hình 3.3: Hàm tích lũy xác suất 33 Hình 3.4: Hàm phân bố xác suất 33 Hình 3.5: Cấu trúc truyền thông dùng giao thức TSR 34 x
14. Hình 4.1: Xác suất dừng của hệ thống theo thời gian thu năng lƣợng 43 Hình 4.2: Thông lƣợng của hệ thống theo thời gian thu năng lƣợng 44 Hình 4.3: Xác suất dừng của hệ thống với số lƣợng nút chuyển tiếp thay đổi và  s 45 Hình 4.4: Thông lƣợng của hệ thống với số lƣợng nút chuyển tiếp thay đổi và  s 46 Hình 4.5: Xác suất dừng của hệ thống với số lƣợng nút chuyển tiếp thay đổi và 47 Hình 4.6: Thông lƣợng của hệ thống với số lƣợng nút chuyển tiếp thay đổi và 48 Hình 4.7: Xác suất dừng của hệ thống theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu và N 49 Hình 4.8: Thông lƣợng của hệ thống theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu và N 50 Hình 4.9: Xác suất dừng của mô hình đơn nút chuyển tiếp và đa nút chuyển tiếp 51 Hình 4.10: Thông lƣợng của hệ thống đơn nút chuyển tiếp và đa nút chuyển tiếp 52 xi
15. Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1. Giới thiệu Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ truyền thông không dây, thì một trong những vấn đề đƣợc quan tâm khá nhiều là về tốc độ truyền dữ liệu cũng nhƣ hiệu suất đạt đƣợc của hệ thống.Tuy nhiên đối với các các hệ thống truyền thông không dây thƣờng hoạt động sử dụng chế độ truyền bán song công, đều này dẫn đến việc lãng phí nguồn tài nguyên cũng nhƣ hiệu suất quang phổ của mạng cần đƣợc cải thiện nhiều hơn để tăng tốc độ dữ liệu. Vì thế việc phát triển mạng truyền thông không dây chế độ song công (FD) nhƣ là một lời hứa về việc việc nâng cao hiệu suất quang phổ cũng nhƣ tránh lãng phí nguồn tài nguyên bằng cách thực hiện truyền nhận đồng thời trong toàn bộ băng thông. Đều này làm cho dung lƣợng kênh truyền tăng lên gấp đôi so với hệ thống thông thƣờng bán song công (HD). Gần đây, đã có nhiều công trình nghiên cứu về mạng truyền thông song công FD. Nghiên cứu về hiệu năng của mô hình [1], với độ lợi đƣợc tăng lên hơn mô hình bán song công, thể hiện qua việc tăng thông lƣợng và giảm xác suất dừng. Thêm vào đó có những nghiên cứu về việc xác định mức độ gần đúng [2] và ngăn chặn vấn đề can nhiễu trong truyền song công. Cùng với đó các thiết bị không dây đƣợc con ngƣời sử dụng ngày càng nhiều và các thiết bị không dây này thƣờng sử dụng pin để cung cấp nguồn cho thiết bị hoạt động,vì sử dụng pin nên nó có một thời gian hoạt động nhất định vì vậy để duy trì các kết nối một cách liên tục thì phải thực hiện thay thế nguồn pin hoặc nạp năng lƣợng trong khi đang sử dụng bằng cách gắn vào bộ sạc là vấn đề bất tiện và đôi khi không thể. Vì thế, ngƣời ta nghĩ đến một cách khác để cung cấp nguồn năng lƣợng cho thiết bị hoạt động mà vẫn khác phục đƣợc mặc hạn chế trên. Đó là thu gom năng lƣợng cũng nhƣ sử dụng các nguồn năng lƣợng sạch có từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên bên ngoài nhƣ năng lƣợng mặt trời, gió để tái tạo và cung cấp nguồn cho thiết bị hoạt động đã nhận đƣợc 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. Tuy 1
16. nhiên, nguồn năng lƣợng thu đƣợc từ tài nguyên thiên nhiên đó thì rất ngẫu nhiên và phụ thuộc vào nhiều yếu tố chƣa thể kiểm soát đƣợc nhƣ điều kiện thời tiết làm cho điều này chƣa đạt đƣợc độ tin cậy cao. Một giải pháp thú vị để khắc phục những hạn chế trên là thu năng lƣợng từ nguồn năng lƣợng bức xạ tín hiệu vô tuyến (RF) do con ngƣời tạo ra (gọi là chuyển giao năng lƣợng không dây) [3], [4]. Từ khi tín hiệu RF có thể vừa mang thông tin vừa mang năng lƣợng, đã có một sự bùng nỗ to lớn trong hoạt động nghiên cứu trong truyền thông đồng thời thông tin và năng lƣợng (SWIPT). Một trong những công trình nghiên cứu đầu tiên là [5] Varshney và Grover [6], sự cân bằng giữa dung lƣợng và năng lƣợng đƣợc nghiên cứu. Sau đó, các tác giả đã có công trình nghiên cứu về chuyển mạch dựa vào phân chia công suất, các hệ thống SWIPT đã đƣợc đề xuất và các phƣơng thức sử dụng phƣơng sai tối ƣu để đạt đƣợc năng lƣợng cao. Việc mở rộng không hoàn toàn trạng thái kênh thông tin (CIS). Gần đây hơn, kiến trúc phức tạp để nâng cao năng lƣợng đã đƣợc đề xuất trong [7]. Ngoài ra, hiệu quả năng lƣợng của hệ thống OFDMA với SWIPT đã đƣợc nghiên cứu trong [8], và các ứng dụng của SWIPT trong hệ thống đa ngƣời dùng và mạng di động đƣợc xem xét. Trong một số ứng dụng có nút nguồn và nút đích ở vị trí cách xa nhau, việc truyền dữ liệu thông qua khoảng cách lớn yêu cầu một công suất lớn và hiệu quả đạt đƣợc không cao. Vì thế, song song với các công trình mà chủ yếu tập trung vào đơn chặng, sử dụng nút chuyển tiếp để thu năng lƣợng RF và truyền thông tin cũng đƣợc chú ý đáng kể. Trong [9] là khảo sát về tỷ lệ lỗi kí tự trong mạng hợp tác chuyển tiếp chọn lựa, nơi các nút chuyển tiếp năng lƣợng có lƣợng pin hạn chế dựa trên một số cơ chế sạc bên ngoài hỗ trợ truyền tải thông tin từ nguồn tới đích. Trong [10], các tác giả đã nghiên cứu hiệu suất thông lƣợng của một hệ thống chuyển tiếp đó là khuếch đại và chuyển tiếp (AF) với việc chuyển đổi theo thời gian và phân chia công suất. Sau này, các tác giả cùng mở rộng phân tích về cấu hình chuyển đổi theo thời gian thích nghi trong [11]. Thông lƣợng của hệ thống relay giải mã và chuyển tiếp thì đƣợc nghiên cứu trong [12], trong khi các chiến lƣợc phân bổ năng lƣợng cho hệ thống chuyển tiếp DF với hệ thống đa nguồn - đích đƣợc nghiên cứu trong [13]. Gần đây hơn, một công trình nghiên cứu về hiệu suất của mạng hợp tác thu năng lƣợng với sự phân bố ngẫu 2
17. nhiên đƣợc nghiên cứu [14]. Trên đây là một số công trình nghiên cứu về hệ thống mạng hợp tác bán sông công (HD) sử dụng relay truyền nhận dữ liệu đồng thời ở cùng tần số. Các kiến trúc HD đƣợc ứng dụng rộng rãi trong hệ thống chuyển mạch không dây truyền thống, bởi vì nó đơn giản trong thiết kế và vận hành. Tuy nhiên nó có nhƣợc điểm lớn về hiệu suất phổ thấp. Với sự tiến bộ trong kỹ thuật anten và khả năng xử lý tín hiệu, relay FD thực hiện thu và phát đồng thời trong cùng băng tần đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu [15]. Kỹ thuật song công (FD) cho phép tại nút chuyển tiếp có thể truyền và nhận tín hiệu đồng thời trên cùng một băng tần. Đồng thời, kỹ thuật này có khả năng tăng hiệu suất lên gấp đôi so với kỹ thuật truyền thông bán song công (HD). Tuy nhiên, vấn đề tự nhiễu từ chính nó là một vấn đề làm ảnh hƣởng đến hiệu suất truyền thông FD. Mô hình mạng này là một mảng đầy tiềm năng để nghiên cứu và phát triển thêm theo nhiều xu hƣớng khác nhau. Cùng tiếp cận với những nghiên cứu mới để bắt kịp xu hƣớng chung của thế giới, luận văn này giới thiệu một mô hình mạng truyền đồng thời năng lƣợng và thông tin (SWIPT) chế độ song công một chiều. Sử dụng phƣơng 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 lƣợng vô tuyến dựa trên chuyển đổi thời gian. Nghiên cứu này tập trung vào việc lựa chọn nút chuyển tiếp tối ƣu, tính toán xác suất dừng sử dụng các công thức tính xác suất. Trong hệ thống, có rất nhiều tín hiệu truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp sau đó nút chuyển tiếp sẽ thực hiện so sánh và chọn ra nút nào là tốt nhất để thực hiện truyền tín hiệu tới đích.Các kết quả phân tích tính toán trên sẽ đƣợc kiểm chứng bằng phƣơng pháp mô phỏng Monte-Carlo .Kết luận của đề tài này là phƣơng pháp lựa chọn nút chuyển tiếp và sử dụng mô hình truyền song cônglà một giải pháp hấp dẫn và hứa hẹn để nâng cao thông lƣợng của hệ thống mạng chuyển tiếp song công sử dụng nút chuyển tiếp để thu năng lƣợng và truyền thông tin. 1.2. Mục đích của đề tài 3
18. Trong đề tài này, tìm hiểu về mạng truyền đồng thời năng lƣợng và thông tin chế độ song công (SWIPT), mô hình mạng chuyển tiếp song công một chiều với một nút nguồn, nhiều nút chuyển tiếp và một nút đích. Sử dụng mạng chuyển tiếp hai chiều kiểu khuếch đại và chuyển tiếp dùng kênh Rayleigh fading, sử dụng giao thức thu năng lƣợng vô tuyến dựa trên chuyển đổi thời gian. Trong bài nghiên cứu này tập trung vào việc lựa chọn nút chuyển tiếp để thu năng lƣợng tối ƣu, tính toán xác suất dừng sử dụng các công thức tính xác suất.Phân tích các kỹ thuật, giao thức đƣợc sử dụng trong mạng truyền thông đồng thời nghiên cứu để tính toán thông lƣợng dựa trên xác suất dừng của hệ thống với một tốc độ truyền cho trƣớc. Dựa trên kết quả tính toán tiến hành mô phỏng xác suất dừng và thông lƣợng của hệ thống. Từ đó thông lƣợng hệ thống đƣợc đƣa ra đánh giá và nhận xét về mô hình mạng này. 1.3. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 1.3.1. Nhiệm vụ  Tìm hiểu tổng quan về mạng hợp tác thu năng lƣợng vô tuyến  Tìm hiểu các kỹ thuật và giao thức đƣợc sử dụng trong mô hình mạng hợp tác  Phân tích mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp sử dụng nhiều nút chuyển tiếp  Tính toán thông lƣợng hệ thống  Mô phỏng đánh giá hiệu năng mạng hợp tác trên phần mềm Matlab. 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu Trong đề tài này, chúng ta sử dụng một hệ thống gồm có 1 nút nguồn, nhiều nút chuyển tiếp, 1 nút đích. Với nút chuyển tiếp sẽ sử dụng 2 anten để thực hiện chế độ truyền song công trong khi đó nút nguồn, nút đích chỉ thực hiện truyền ở chế bán song công nên mỗi nút chỉ cần trang bị một anten. Vì trong mô hình này không tồn tại đƣờng truyền trực tiếp từ nguồn tới đích, nó sẽ thực hiện truyền từ nguồn tới đích thông qua nút chuyển tiếp. Ở đó, tiến hành phân tích kỹ thuật thu năng lƣợng tại nút chuyển tiếp, đánh giá xác suất dừng và hiệu năng thông lƣợng của hệ thống. 4
19. Trong đề tài này, chuẩn hóa khoảng cách truyền của hệ thống là 1, hệ số suy hao đƣờng truyền là m = 3 tƣơng ứng xấp xỉ với mạng tế bào di động và đặc tính kênh truyền là fading rayleigh phẳng. 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu Để thực hiện đƣợc đề tài này ngƣời thực hiện đề tài sử dụng một số phƣơng pháp sau:  Tìm kiếm tài liệu trên internet, tham khảo từ một số bài báo khoa học.  Sử dụng phƣơng pháp phân tích để phân tích và tính toán cho hệ thống  Phƣơng pháp đánh giá 1.5. Đóng góp chính của luận văn Luận văn nghiên cứu mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp với nhiều nút chuyển tiếp ở nút trung gian và sử dụng phƣơng pháp lựa chọn tối ƣu cho đƣờng truyền trong khi hầu hết các công trình nghiên cứu trƣớc đây, các tác giả chỉ nghiên cứu mô hình mạng chuyển tiếp với 1 nút chuyển tiếp ở nút trung gian.Nhƣ vậy, đóng góp chính của bài viết này đƣợc trình bày nhƣ bên dƣới i) Đề xuất giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp, ở đó nó sẽ đƣa ra một nút chuyển tiếp thích hợp đễ hỗ trợ quá trình truyền tải tín hiệu từ nguồn tới đích sử dụng mạng chuyển tiếp 2 chặng với nhiều nút chuyển tiếp thu năng lƣợng không dây. ii) Tính toán, phân tích xác suất dừng dựa trên tỷ số tín hiệu trên nhiễu cũng nhƣ sử dụng tính xấp xỉ trong trƣờng hợp nhiễu cao. Dựa trên các biểu thức này, thời gian thu năng lƣợng và xác suất dừng tối ƣu đƣợc đƣa ra. 1.6. Bố cục Nội dung gồm có 5 chƣơng:  Chƣơng 1:Tổng quan về mạng SWIPT. Chƣơng này trình bày khái quát về mạng truyền đồng thời tín hiệu và năng lƣợng chế độ song công và tình hình nghiên cứu của lĩnh vực này của một số tác giả. Trong chƣơng này cũng trình bày tính cần thiết cũng nhƣ vai trò của mạng hợp tác thu năng lƣợng vô tuyến. 5
20. Trong chƣơng này cũng đƣa ra các mục tiêu cần thực hiện trong đề tài này, đồng thời cũng đƣa ra phạm vi nghiên cứu, nêu lên đƣợc một số đóng góp mới và bố cục của đề tài.  Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết về mạng truyền đồng thời thông tin và năng lƣợng. Chƣơng này trình bày sơ lƣợc về mô hình mạng truyền thông truyền thống là mạng truyền thông với đƣờng truyền thẳng từ nguồn tới đích. Giới thiệu mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp là mạng truyền thông sử dụng thêm nút chuyển tiếp giữa nút nguồn và nút đích giúp giảm công suất phát đồng thời tăng hiệu suất truyền cho mạng, thêm vào đó hạn chế đƣợc sự tác động của môi trƣờng xung quanh nhƣ thời tiết, địa hình làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng tín hiệu. Đƣa ra nhận xét về ƣu điểm và nhƣợc điểm của 2 mô hình mạng. Trình bày các giao thức đƣợc sử dụng để thực hiện quá trình thu năng lƣợng và thông tin tại nút chuyển tiếp và các chế độ truyền của mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp. Trình bày các kỹ thuật chuyển tiếp của mô hình mạng này là khuếch đại và chuyển tiếp (AF), giải mã và chuyển tiếp (DF) những kỹ thuật này dùng để chuyển tiếp thông tin tới đích. Thêm vào đó, trong chƣơng này cũng giới thiệu sơ đồ thu năng lƣợng tại nút chuyển tiếp.  Chƣơng 3: Đánh giá hiệu năng của mạng truyền đồng thời thông tin và năng lƣợng chế độ song công. Nội dung của chƣơng này là phân tích mô hình mạng chuyển tiếp chế độ song công với mô hình đa nút chuyển tiếp. Đƣa ra thuật toán cho mô hình, phƣơng pháp lựa chọn nút chuyển tiếp tối ƣu. Sử dụng giao thức TSR để thu năng lƣợng và thông tin tại nút chuyển tiếp, từ đó phân tích và sử dụng các biểu thức toán học, các hàm mật độ xác suất (PDF), hàm xác suất tích lũy (CDF) để tính toán xác suất dừng cũng nhƣ là thông lƣợng của mô hình mạng.  Chƣơng 4: Mô phỏng. Dựa trên kết quả tính toán ở chƣơng 3, trong chƣơng này sẽ trình bày phƣơng pháp thực hiện và tiến hành mô phỏng hệ thống trên matlab để kiểm chứng các biểu thức đƣợc đƣa ra. Đồng thời đƣa ra nhận xét về các yếu tố ảnh hƣởng đến xác suất dừng cũng nhƣ thông lƣợng của mô hình mạng chuyển tiếp song công. 6
21.  Chƣơng 5: Kết luận và hƣớng phát triển của đề tài. Trình bày kết quả đạt đƣợc từ đó đƣa ra kết luận và hƣớng phát triển của đề tài. 7
22. Chƣơng 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MẠNG TRUYỀN ĐỒNG THỜI THÔNG TIN VÀ NĂNG LƢỢNG 2.1. Mạng truyền thông truyền thống Mạng truyền thông truyền thống là một mô hình mạng đang đƣợc sử dụng hiện nay, nó sử dụng kết nối điểm-điểm. Có nghĩa là tín hiệu sẽ đƣợc truyền trực tiếp từ trạm từ nguồn tới đích hay còn gọi là truyền thông tầm nhìn thằng (LoS), mô hình LoS đƣợc mô tả nhƣ hình 2.1. Hình 2.1: Mô hình mạng truyền thống Với mô hình mạng truyền thống, tín hiệu chỉ có thể truyền tín hiệu trực tiếp ở khoảng cách gần với tầm nhìn thẳng. Trong khimôi trƣờng sống xung quanh chúng ta có địa hình phức tạp và nhiều tòa nhà cao tầng. Đó là điều cản trở cho mô hình mạng truyền thẳng này. Tín hiệu truyền sẽ không đƣợc đảm bảo khi tầm nhìn thẳng bị hạn 8