TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG bán SONG CÔNG dưới sự ẢNH HƯỞNG NHIỄU PHẦN CỨNG sử DỤNG TRONG GIAO THỨC DF

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP
TRONG HỆ THỐNG BÁN SONG CÔNG
DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG NHIỄU PHẦN
CỨNG SỬ DỤNG TRONG GIAO THỨC
DF

1


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................VI
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................VII
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN........................................................................1
1.1

GIAO THỨC DF TRONG HỆ THỐNG BÁN SONG CÔNG.................................................1

1.1.1

Hệ thống bán song công....................................................................................1

1.1.2

Giao thức DF....................................................................................................1

1.2

NHIỄU PHẦN CỨNG....................................................................................................2

CHƯƠNG 2. NỘI DUNG ĐỀ TÀI......................................................................................3
2.1

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG...............................................................................................3

2.1.1

Giai đoạn Realay nhận năng lượng từ nguồn...................................................4

2.1.2

Giai đoạn Relay xử lý thông tin nhận từ Nguồn...............................................4

2.1.3

Giai đoạn từ Relay tới Đích..............................................................................5

2.1.4

Xác suất dừng....................................................................................................5

2.2

THÔNG LƯỢNG HỆ THỐNG.........................................................................................8

CHƯƠNG 3. MÔ PHỎNG...................................................................................................9
3.1

CƠ SỞ MÔ PHỎNG......................................................................................................9

3.2

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB.........................................................................9

CHƯƠNG 4. NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN.....................................................................11
4.1

NHẬN XÉT................................................................................................................11

4.2

KẾT LUẬN................................................................................................................11

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................12

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 1-1: PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN TIẾP DF............................................................2
HÌNH 2-1. BA GIAI ĐOẠN CỦA MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP HDX [5]......................3
HÌNH 2-2. SỰ PHÂN CHIA KHE THỜI GIAN CỦA MÔ HÌNH HDX [5].................3
HÌNH 3-1: THÔNG LƯỢNG NGÕ RA KHI THAY ĐỔI ALPHA................................9
HÌNH 3-2 XÁC SUẤT NGÕ RA KHI THAY ĐỔI ALPHA..........................................10

3


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AWGN
D
DF

HDX
R
S
SINR
SNR

Additive White Gaussian Noise
Destination
Decoder and forward
Half-duplex
Relay
Soure
Signal-to-interference-plus-noise ratio
Signal-to-Noise Ratio

4


Trang 1/12

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Giao thức DF trong hệ thống bán song công
1.1.1

Hệ thống bán song công

Trong viễn thông, một hệ thống truyền song công là một hệ thống điểm – điểm bao

gồm hai bên kết nối hoặc các thiết bị có thể giao tiếp với nhau theo cả hai hướng.
Có hai loại hệ thống truyền song công là Full-duplex và Half-duplex. “Du” xuất
phát từ “Double” có nghĩa là “đôi”, “plex” có nghĩ là “cấu trúc” (structure) hoặc là
phần (parts of) . Có nghĩa là, một hệ thống song công có hai đường truyền dữ liệu
được xác định rõ ràng, với mỗi đường dẫn mang thông tin chỉ với một hướng: từ A
tới B hoặc từ B tới A. Trong bài, chỉ xét hệ thống Half-duplex (HDX). [4]
Hệ thống HDX cung cấp thông tin liên lạc ở cả hai hướng, nhưng tại mỗi thời điểm,
tín hiệu chỉ có thể chạy theo một hướng. một thiết bị có thể đóng vai trò thu và phát
tín hiệu nhưng tại một thời điểm, nó chỉ có thể thực hiện một vai trò duy nhất bởi vì
cả hai bên thu phát đều dùng chung một tần số [3]. Thông thường, một khi một bên
bắt đầu nhận tín hiệu, nó phải đợi máy phát nhừng phát trước khi trả lời. Các hệ
thống HDX thường được sử dụng để bảo vệ băng thông, vì chỉ cần một kênh truyền
thông đã có thể được chia sẻ luân phiên giữa hai hướng, hơn nữa, thời gian dành
cho truyền tín hiệu được kiểm soát chặt chẽ bởi phần cứng nên giảm thiểu sự lãng
phí của kênh dùng để chuyển đổi.
1.1.2

Giao thức DF

Giao thức DF ( Decoder and Forward) có nghĩa là giải mã và chuyển tiếp, phương
pháp này được dùng trong việc truyền tính hiệu số. Tín hiệu đầu tiên nhận được sau
đó giải mã và sau đó được mã hóa, vì vậy nhiễu không được khuếch đại trong tín
hiệu nhận được.

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 2/12

Hình 1-1: Phương pháp chuyển tiếp DF.

1.2 Nhiễu phần cứng
Trong thực tế, phần cứng của các nút vô tuyến không bao giờ hoàn hảo mà luôn
luôn bị ảnh hưởng bởi suy yếu, ví dụ như bộ chuyển tiếp không tuyến tính, nhiễu
pha… Sự suy yếu này có tác động rất đáng kể đặc biệt trong các hệ thống tốc độ
cao. Vì vậy cần phải phân tích để đánh giá tác động của suy giảm do nhiễu tại các
nút chuyển tiếp và nút đích trong giao thức giải mã và chuyển tiếp để thấy được sử
ảnh hưởng lên các thiết bị thu phát.

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 3/12

CHƯƠNG 2.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

2.1 Giới thiệu hệ thống
Hệ thống chuyển tiếp Half-duplex trải qua 3 giai đoạn như sau: Nơi nút nguồn S
(Source) sẽ gửi thông tin tới nút đích D (Destination) thông nút chuyển tiếp trung
gian R (Relay) - giúp tiếp nhận và giải mã thông tin từ nút nguồn sau đó mã hóa và
gửi thông tin tới nút đích mà chỉ cần nhận năng lượng từ nguồn S để hoạt động. [5]

Hình 2-1. Ba giai đoạn của mô hình chuyển tiếp HDX [5]

Từ nút R, ta có thể chia ra làm hai khoảng thời gian chính là khi Relay nhận tín
hiệu từ nguồn, và thời gian mã hóa dữ liệu, gọi T là thổng thời gian thì ta có  và T là hai khoảng thời gian tương ứng. Sau đó, thời gian mã hóa dữ liệu được chia
làm 2 phần, từ khi Relay tiếp nhận thông tin từ nút nguồn S và khi Relay gửi thông
tin đã được giải mã tới đích D.

Hình 2-2. Sự phân chia khe thời gian của mô hình HDX [5]

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 4/12

2.1.1

Giai đoạn Realay nhận năng lượng từ nguồn

Ở giai đoạn này, các tín hiệu nhận được từ Relay được biểu diễn như sau:

với h là hệ số kênh từ Source tới Relay, xS là năng lượng tín hiệu truyền
đi với E|xe|2 = Ps ,với E| | ký hiệu là kỳ vọng, nR là hệ số nhiễu trắng
Gauss(AWGN - Additive White Gaussian Noise), với phương sai No.
Như vậy, năng lượng thu được trong giai đoạn được tính là:
Với là hằng số biểu thị sự chuyển đổi năng lượng.
Ở phần này, ta bỏ qua nhiễu phần cứng bởi vì chỉ quan tâm tới năng lượng nhận
được của tín hiệu. Vì vậy, công suất phát được tính như sau:

Với:

2.1.2

Giai đoạn Relay xử lý thông tin nhận từ Nguồn.

Như đã đề cập ở trên, quá trình xử lý thông tin và mã hóa thông tin được chia ra làm
hai phần có thời gian bằng nhau.

Trong khoảng thời gian tiếp nhận thông tin, do suy giảm nhiễu phần cứng, các tín
hiệu ở Relay được biểu diễn như sau:
(5)
Trong đó, biểu thị nhiễu gây ra bởi suy giảm phần cứng tại nút nguồn, được coi là
một biến ngẫu nhiên Gausian với phương sai Ps2 và r biểu thị nhiễu Gauss tại nút
Relay. Vì vậy, hệ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại nút Relay có thể tính bằng phương
trình sau đây:
Với: là hệ số nhiễu phần cứng tại Relay.

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 5/12

là hệ số suy giảm phần cứng tại Relay.
2.1.3

Giai đoạn từ Relay tới Đích

Giả định liên kết giữa nguồn (S ) và đích (D) là rất yếu, do vậy khoảng thời gian
này phụ thuộc hoàn toàn vào liên kết chuyển tiếp từ Relay tới đích. Vậy tín hiệu ở
nút đích được tính như sau:
(7)
Trong đó: nhiễu gây ra bởi suy giảm phần cứng tại R.
là tín hiệu truyền qua Relay thỏa mãn .
nD : nhiễu tại nút đích.
Vậy hệ số tín hiệu trên nhiễu tại nút đích có thể biểu diễn như sau:
Với  là hệ số suy giảm phần cứng tại đích.
2.1.4

Xác suất dừng

Trong giao thức chuyển tiếp DF (giải mã và chuyển tiếp), việc truyền dữ liệu được
chia thành hai bước tách riêng không phụ thuộc lẫn nhau. Ngoài ra, tất cả các máy
phát được giả định là cùng cấu trúc phần cứng, tức là hệ số suy giảm phần cứng như
nhau, hay : .
Như vậy, nút R sẽ không giải mã và chuyển tiếp thành công dữ liệu nếu hằng số
công suất tín hiệu trên nhiễu SNR < giá trị ngưỡng cho trước, đặt là .
Định lý Shannon:
Định luật Shannon định nghĩa thông lượng kênh (ký hiệu C) như tốc độ bit (R) lớn
nhất mà chúng ta có thể thông tin qua kênh đó mà thông tin không bị méo.
Thông lượng kênh được xác định:
C = B log2 (1 + S/N) < R (9)

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 6/12

Với B là băng thông của kênh thông tin, có đơn vị đo là [Hz], S là công suất của tín
hiệu được truyền đi, có đơn vị [W], N là công suất của nhiễu, cũng có đơn vị đo
[W]. C và R có thứ nguyên [bit/giây] hay [b/s], R là tốc độ bit.
Cho B = 1, từ công thức (9) => SNR = 2R -1 = .
Vậy xác suất dừng được tình như sau:
Pout = Pr( min( SNR1, SNR2) < 
 Pout = 1 – ( SNR1  , SNR2 )
Từ (6) (8), viết lại thành:

Thay

Vậy

Đặt

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 7/12

Sử dụng sự độc lập của các biến ngẫy nhiên và hàm mật độ xác suất (Probability
density function hay PDF) dùng để biểu diễn một phân bố xác suất theo tích phân.
Hàm mật độ xác suất luôn có giá trị không âm và tích phân của nó từ −∞ tới +∞ có
giá trị bằng 1. Hàm mật độ xác suất có thể được coi là phiên bản được làm mịn của
một biểu đồ tần số: nếu liên tiếp đo đạc bằng thực nghiệm các giá trị của một biến
ngẫu nhiên liên tục và tạo một biểu đồ tần số mô tả tần suất tương đối của các miền
biến thiên của kết quả, thì biểu đồ tần số đó sẽ trông giống với mật độ xác suất của
biến ngẫu nhiên đó (giả sử rằng biến được lấy mẫu đủ thường xuyên và các miền
biến thiên của kết quả là đủ nhỏ) [2].

Vậy phương trình (13) có thể viết lại như sau:

2.2 Thông lượng hệ thống
Thông lượng trung bình được tính bằng xác suất gián đoạn như sau:

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 8/12

CHƯƠNG 3.

MÔ PHỎNG

3.1 Cơ sở mô phỏng
Tiến hành mô phỏng Monte Carlo để xác minh phân tích được phát triển trong phần
trước. Monte Carlo Simulation là một kỹ thuật phân tích dựa trên các biến số ngẫu
nhiên, được xem là một trong những kỹ thuật hay, là công cụ quan trọng và hữu ích
[1].
3.2 Kết quả mô phỏng bằng matlab

Hình 3-1: Thông lượng ngõ ra khi thay đổi alpha

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 9/12

Hình 3-2 Xác suất ngõ ra khi thay đổi alpha.

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 10/12

CHƯƠNG 4.

NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN

4.1 Nhận xét
Qua kết quả mô phỏng, có thể thấy được trong chế độ SINR thấp thì nhiễu phần

cứng ảnh hưởng lớn đến hiệu năng của hệ thống. Tuy nhiên, khi công suất truyền tải
lớn, nhiễu phần cứng ảnh hưởng ít hơn đến chất lượng hệ thống. Trong phần lập
trình, cho giá trị SNR được thiết lập là 30db, và các kết quả phân tích hoàn toàn
trùng khớp với kết quả mô phỏng.
4.2 Kết luận
Qua quá trình nghiên cứu hiệu suất của các mạng chuyển tiếp half-duplex DF sử
dụng thu hoạch năng lượng RF với giao thức chuyển mạch thời gian và tập trung
vào tác động của suy giảm phần cứng đối với hiệu năng của hệ thống. Với sự suy
yếu của phần cứng ở cả hai nút nguồn và nút chuyển tiếp, được mô phỏng theo các
biến ngẫu nhiên Gauss. Kết quả đã mô phỏng được công thức phân tích cho xác
suất bị gián đoạn và thông lượng hệ thống và xác minh những kết quả theo mô
phỏng Monte Carlo. Từ các kết quả đó, có thể quan sát thấy rằng sự khiếm khuyết
phần cứng có ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của hệ thống ở chế độ SINR
thấp. Tuy nhiên, ở chế độ SINR cao, hệ thống vẫn có thể đạt được hiệu quả tốt nếu
suy giảm bị hạn chế.

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG


Trang 11/12

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] />[2]

/>
%C4%91%E1%BB%99_x%C3%A1c_su%E1%BA%A5t
Tiếng Anh
[3] />[4] />[5] Bài báo: “On the Performance of Decode-and-Forward Half-Duplex Relaying
with Time Switching Based Energy Harvesting in the Condition of Hardware

Impairment”

CHUYỂN TIẾP TRONG HT BÁN SONG CÔNG