TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG hệ THỐNG SONG CÔNG sử DỤNG GIAO THỨC PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF
TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ
DỤNG GIAO THỨC PHÂN CHIA CÔNG
SUẤT PSR

1


MỤC LỤC

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

3


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

4


Trang 5/22

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN SỰ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG THÔNG TIN
DI ĐỘNG

1.1 Giới thiệu

Sau nhiều năm.phát triển, thông tin di động đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển
quan trọng. Từ hệ thống thông tin di động tương tự thế hệ thứ nhất.đến hệ thống thông tin
di động số thế hệ thứ hai, hệ thống thông tin di động băng rộng thế hệ thứ ba, hệ thống
thông tin di động đa phương tiện thế hệ thứ tư đang được triển khai.trên phạm vi toàn cầu
và thế hệ thông tin di động thế hệ thứ năm đang được nghiên cứu tại một số nước.
Với sự bùng nổ.về tốc độ.của hệ thống di động 5G, thì hệ thống 5G sẽ được ứng
dụng rộng rãi cho rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Việc triển khai hệ thống di động 5G là vấn đề trong.tương lai xa. Nhưng trước xu
hướng phát triển chung về công nghệ.viễn thông đặc biệt là công nghệ thông tin di động,
thị việc nghiên cứu và.tìm hiểu hệ thống thông tin di động 5G là cần thiết.

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 6/22

1.2 Lộ trình phát triển của thông tin di động từ 1G đến 4G

Hình 1-1: Lộ trình phát triển từ 1G đến 4G
1.2.1 Hệ thống thông tin di động tương tự 1G
1G là mạng di động không dây đầu tiên, nó sử dụng các anten thu phát sóng gắn
ngoài, kết nối theo tín hiệu analog tới các trạm thu phát và nhận xử lí.tín hiệu thoại thông
qua module gắn trong di động. Sử dụng công nghệ tương tự và đa.truy cập phân chia theo
tần số FDMA.
• NM: là chuẩn dành cho các nước ở Bắc Âu.
• AMPS: dịch vụ điện.thoại di động tiến, được triển khai tại Mỹ.
• TACS: hệ thống thông tin truy cập tổng thể.
Ưu – nhược điểm: dịch vụ đơn giản là thoại với chất.lượng thấp, tính bảo mật kém, dễ bị
nhiễu và vùng phủ sóng hẹp.

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 7/22
1.2.2 Hệ thống di động số 2G
Hệ thống mạng 2G được đặc trưng bởi công nghệ.chuyển mạch kĩ thuật số (digital
circuit switched), kỹ thuật này chiếm ưu thế hơn. Dịch vụ của 2G cũng được cải tiến,
ngoài dịch vụ thoại còn có dịch.vụ nhắn tin đơn giản gọi là SMS. Phương thức.truy cập là
TDMA và CDMA.
Một số hệ thống điển hình:
• Global System for Mobile Phone: sử dụng phương thức truy cập TDMA được.triển
khai tại châu Âu.
• D-AMPS: sử dụng phương thức TDMA được.triển khai tại Mỹ.
• PD: sử dụng phương.thức TDMA được triển khai tại Nhật Bản.
• IS-95: sử dụng phương thức truy cập CDMA được triển khai tại Mỹ và Hàn Quốc.
Ưu điểm: chất lượng thoại.được cải tiến, dung lượng tăng, hỗ trợ các dịch vụ số liệu, bảo
mật và chống nhiễu tốt hơn.
Nhược điểm: không xử lý được các.dữ liệu phức tạp.
1.2.3 Hệ thống di động 3G
3G là thế hệ của chuẩn công.nghệ điện thoại di động, cho phép truyền cả dữ liêu
thoại chất lượng tốt và ngoài thoại như là: tải dữ liệu, gửi mail, tin nhắn nhanh, hình ảnh,
internet, video, GPS...
3G cung cấp cả hai hệ thống là chuyển mạch gói.và chuyển mạch kênh, 3G dùng kĩ
thuật đa truy cập CDMA và W-CDMA với băng thông rộng.

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR

Trang 8/22

Các hệ thống di.động của mạng 3G:
• UMTS: sử dụng công nghệ W-CDMA và được chuẩn.hóa bởi 3GPP. Tốc độ tối đa
là 1920Kbps.
• CDMA 2000: sử dụng công nghệ CDMA và nó được chuẩn.hóa bởi 3GPP2.
Ưu điểm: tốc độ dữ liệu cao, tăng hiệu quả sử.dụng phổ tần, dung lượng mở rộng và lớn,
hỗ trợ dữ liệu và thoại tốt hơn, dịch vụ đa.phương tiên được mở rộng.
Nhược điểm: đòi hỏi băng.tần rộng và cần chi phí cao.
1.2.4 Hệ thống mạng 4G
4G là mạng di động thế hệ thứ tư hay còn.được gọi là LTE do 3GPP phát triển. 4G
là chuẩn tương lai của các thiết.bị không dây, cung cấp kết nối mọi lúc mọi nơi, dịch vụ
tốc độ dữ liệu cao, công nghệ vô tuyến hỗ trợ băng.thông một cách linh hoạt, phục vụ đa
phương tiện nhanh, đa dạng .

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 9/22
Bảng 1-1: Mục tiêu của 4G

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 10/22

Bảng 1-2: Các đặc điểm chính của công nghệ LTE

Băng tần
Song công
Di động
Đa truy cập
MIMO
Tốc độ dữ liêu đỉnh trong 20 MHz
Điều chế
Mã hóa kênh
Các công nghệ khác

3G

HSDPAA

1.25-20 MHz
FDD, TDD, bán song công FDD
350 Km/h
Đường xuống OFDMA.
Đường lên SC-FDMA.
Đường xuống 2*2, 4*2, 4*4.
Đường lên 1*2, 1*4.
Đường xuống 173 và 326 Mb/s tương ứng với
cấu hình MIMO 2*2 và 4*4.
Đường lên 85 Mb/s với cấu hình 1*2 anten.
QPSK, 16 QAM và 64 QAM
Mã Tubo
Lập biểu chính xác kênh, liên kết thích ứng, điều
khiển công suất ICIC và ARQ hỗn hợp.

HSUPA

LTE

4G
WiMAX

Hình 1-2: Sự phát triển từ 3G lên 4G

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 11/22

WiMAX được ITU-R công nhận là.một chuẩn của 3G. WiMAX cung cấp băng
thông và phạm vi phủ.sóng rộng, tạo ra các kết nối tốc độ cao cho cả thuê bao di động và
cố định.
LTE là công nghệ được chuẩn hóa bởi 3GPP.
Cả WiMAX và LTE đều sử dụng công nghệ đa truy.cập phân chia theo tần số trực
giao OFDMA.
Ưu điểm: tốc độ cao hơn và dung.lượng lớn, phục vụ mọi lúc, mọi nơi.
Nhược điểm: yêu cầu thiết.bị phải hiện đại.
1.3 Tóm tắt các thế hệ di động
Bảng 1-3: Tóm tắt các thế hệ di động
Thế hệ di động
Hệ thống
1G
AMPS, TACS, NMT
2G
3G

4G

Dịch vụ chung
Thoại
Thoại và kết hợp tin
GSM, IS-136, IS-95
nhắn ngắn
Truyền dẫn thoại và
CDMA 2000, UMTS dịch vụ đa phương
tiện
Truyền dẫn thoại,
LTE, WiMAX
số liệu, đa phương
tiện tốc độ cực cao.

Chú thích
FDMA, tương tự
TDMD, CDMA, công
nghệ số, băng hẹp.
W-CDMA, băng rộng,
chuyển mạch gói, tốc độ
2 Mbps.
OFDMA, tốc độ cao,
chuyển mạch gói, tốc độ
dữ liệu 100 Mbps.

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR

Trang 12/22

CHƯƠNG 2.

HỆ THỐNG TRUYỀN.THÔNG HỢP TÁC

2.1 Các hiện tượng ảnh hưởng tới kênh truyền
 Hiện tượng đa đường (Multiparth)

Hình 2-1: Hiện tượng đa đường
 Hiệu ứng Doppler

Hình 2-2: Mật độ

phổ của tín
hiệu thu

 Suy hao đường truyền
 Hiệu ứng bóng râm (Shadowing)

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 13/22
2.2 Truyền thông hợp tác
2.2.1 Tổng quát
Truyền thông hợp tác được ứng.dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến như
mạng di động tế bào và mạng cảm biến không dây.
2.2.2 Giao thức truyền thông hợp tác

Một hệ thống truyền thông hợp.tác điển hình có thể được thiết kế bởi hai bước trự
giao nhau để tránh nhiễu giữa hai bước đó:
Bước 1: một nguồn phát gửi thông tin cho đích.đến nó, và thông tin đó cũng nhận được
tại nút chuyển tiếp cùng thời gian.
Bước 2: nút chuyển tiếp có thể giúp nguồn bằng.cách đẩy đi hoặc truyền lại thông tin tới
đích.
2.2.3 Mô hình kênh chuyển tiếp
Mạng truyền thông hợp tác hoạt động dựa trên các kênh.chuyển tiếp và các thiết bị
đầu cuối. Mô hình kênh chuyển tiếp gồm 3 nút: nút nguồn (S), nút relay (R), nút đích (D).
2.2.4 Phân loại mô hình chuyển tiếp
-

Chuyển tiếp hai chặng: dùng một nút relay để chuyển.thông tin từ nguồn tới đích.
S

R

D

Hình 2-5: Chuyển tiếp hai chặng

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 14/22
-

Chuyển tiếp đa chặng: dùng hai hay nhiều nút relay để chuyển thông.tin từ nguồn
tới đích.

Hình 2-5: Chuyển tiếp đa chặng
2.2.5 Các cơ chế truyền dẫn chuyển tiếp
 Giao thức khuếch đại và chuyển tiếp cố định AF (Amplify and Forward)
Giao thức AF: là giao thức khuếch đại và chuyển tiếp cố định. Tín hiệu truyền từ
nguồn đến relay được.khuếch đại lên và sau đó relay sẽ truyền tín hiệu đã được khuếch
đại này đến đích.

Hình 2-5: Giao thức AF
 Giao thức giải mã và chuyển tiếp DF (Decode and Forward)
Giao thức DF: là giao thức giải mã và chuyển tiếp cố định, tín hiệu truyền từ
nguồn đến relay và sẽ.được giải mã sau đó mã hóa lại và truyền tới đích.

Hình 2-5: Giao thức DF
-

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 15/22

CHƯƠNG 3.

ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG

3.1 Hệ thống mạng 5G
Hiện nay, hệ thống mạng 4G đang được triển khai trên thế giới nhưng với nhu cầu
ngày càng cao của con người nên đòi hỏi phải nghiên.cứu và phát triển một thế hệ mạng
mới. Mạng 5G là thế hệ di động thế hệ kế.tiếp sau 4G và hiện nay đang được nghiên cứu

bởi nhiều nước khác nhau. 5G sẽ có nhiều tính năng vượt trội hơn, nhằm đáp ứng nhu cầu
của con người.
Mục tiêu của mạng 5G:
-

Một mạng di động siêu hiệu quả: mang lại một mạng lưới hiệu.suất tốt hơn cho chi

-

phí thấp hơn.
Một mạng di.động siêu nhanh.
Một mạng lưới sợi dây hội tụ.
Phủ sóng và bảo mật tốt hơn.
Tốc độ truyền.tải lớn hàng Gbps, cung cấp các ứng dụng hiện đại phục vụ cho cuộc
sống.

3.2 Chế độ truyền dẫn
-

Đơn công (Simplex): thông tin chỉ được.truyền theo một hướng.
Bán song công (Half-duplex): thông tin được truyền theo hai chiều nhưng không

-

đồng thời, tại mỗi thời điểm.thông tin chỉ truyền theo một hướng.
Song công (Full-duplex): thông tin có thể truyền theo hai.chiều tại một thời điểm
trên tuyến dữ liệu.

3.3 Đánh giá thông lượng và xác suất dừng trong hệ thống song công sử dụng chuyển
tiếp DF

3.3.1 Mô hình hệ thống song công
Mô hình hệ thống

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 16/22
f
yR

xR

yD

R
g

h

xS

Relay

S

d1

D

d2

Nguồn

Đích

Mô hình hệ thống chuyển tiếp song công gồm 3 nút: nút nguồn, nút relay và nút
đích. Giả thiết không có liên kết giữa nút.nguồn và nút đích và thông tin được truyền từ
nguồn đến đích thông qua nút relay.

Hình 3-1: Mô hình hệ thống song công
Quá trình truyền thông tin
Thu năng lượng (Energy Havesting)

SRD
T

T/2

T/2
Hình 3-2: Quá trình truyền thông tin

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 17/22
Dựa trên mô hình hệ thống, giả sử d1 và d2 là 1 Km, tín hiệu nhận được ở relay và đích lần
lượt là:
(3.1)

(3.2)
Trong đó:
, : tín hiệu nhận.tại relay và đích.
, : tín hiệu phát đi.tại nguồn và relay.
,: hệ số kênh truyền.
: kênh tự nhiễu tại relay.
, : nhiễu AWGN ở relay và đích với phương sai .
: hệ số chuyển đồi công suất.
Quá trình truyền chia thành hai giai đoạn:
 Giai đoạn 1: relay thu năng lượng từ.nguồn trong thời gian T/2.
 Giai đoạn 2: truyền thông tin trong khoảng thời gian T/2 còn lại.
Năng lượng Eh thu được tại nút relay:
(3.3)

Khi đó công suất tại relay được tính như sau:

(3.4)

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 18/22

Trong đó:
T: thời gian tín hiệu truyền từ S đến D.
: hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
công suất nguồn.
Tỉ số SNR
Từ tín hiệu , nhận tại relay và đích ta suy ra , như sau:

(3.5)
Thay từ công thức (3.4) vào công thức (3.5) ta có:
(3.6)
Đặt và , thay vào (3.6) ta có:
(3.7)
Chia tử và mẫu cho
(3.8)
Vì No << nên
(3.9)
(3.10)
Đặt , thay vào công thức (3.10) ta được:

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 19/22

(3.11)

(3.12)
(3.13)
Xác suất dừng
(3.14)
(3.15)
Vì các biến độc lập với nhau nên:
(3.16)
A

B

Xét A:
(3.17)

Xét B:

(
3
.
2
0
)

(
3
Xét C:
.
2
1
)
Thay kết quả của C vào B ta có:
(
3
.
2
2
)

(3.18)

(3.19)
C

(3.24)

(3.25)

(
3
TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN
. TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR
2
3
)


Trang 20/22

(3.26)
Thông lượng:
(3.27)

CHƯƠNG 4.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT

4.1 Kết quả mô phỏng và nhận xét
4.1.1 Mô phỏng theo PS
Bảng 4-1: Thông số theo PS

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 21/22

Hình 4-2: Xác suất dừng hệ thống theo Ps

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 22/22

Hình 4-3: Thông lượng hệ thống theo Ps

Nhận xét:

tỉ lệ nghịch với và tỷ lệ thuận với thông lượng hệ thống. nằm trong khoảng

từ 0 đến 5 dB thì còn thông lượng của hệ thống gần như là 0 bits/s/Hz. tăng dần lớn hơn
5 dB, bắt đầu giảm dần và thông lượng của hệ thống tăng dần, khi dB đạt cực đại thì và
thông lượng đạt 0.12 bits/s/Hz.

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 23/22

4.1.2 Mô phỏng theo
Bảng 4-2: Thông số theo

Hình 4-4: Xác suất dừng hệ thống theo

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 24/22

Hình 4-5: Thông lượng hệ thống theo
Nhận xét: giảm dần khi nằm trong khoảng 0 đến 0.45 và bắt đầu tăng khi lớn hơn 0.45.
Ngược lại, thông lượng của hệ thống bắt đầu tăng khi tăng từ 0 đến 0.45 và đạt cực đại là
0.425 bits/s/Hz, lớn hơn 0.45 thì thông lượng giảm. Khi thì xác suất dừng của hệ thống
bằng 1 còn thông lượng của hệ thống bằng 0 bits/s/Hz.

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR


Trang 25/22
4.1.3 Mô phỏng theo R
Bảng 4-3: Thông số theo R

Hình 4-6: Xác suất dừng hệ thống theo R

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG GIAO THỨC
PHÂN CHIA CÔNG SUẤT PSR