TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG SONG CÔNG dưới sự ẢNH HƯỞNG của TRẠNG THÁI THÔNG TIN KÊNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG
KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ
-------------------

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
----------------------

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP
TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG
DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TRẠNG
THÁI THÔNG TIN KÊNH
KHÔNG HOÀN HẢO


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................III
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU..................................................................................................1
1.1 GIỚI THIỆU

1

1.2 HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP SONG CÔNG DƯỚI SỰ ẢNH HƯỞNG CỦA TRẠNG THÁI THÔNG
TIN KÊNH KHÔNG HOÀN HẢO

1

CHƯƠNG 2. MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG......................................................2
2.1 MÔ TẢ HỆ THỐNG

2

2

2.1.1 Pha thu năng lượng.................................................................................................4
2.1.2 Pha chuyển tiếp thông tin........................................................................................4
2.2 PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT

5

2.2.1 Outage Probability and System Throughput...........................................................5
2.2.2 Outage Probability and System Throughput...........................................................7
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG...............................................................................8
3.1 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG

8

3.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

9

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN...................................................................................................10
4.1 KẾT LUẬN

10

4.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN

10

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

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

TSR

Time-switching relaying

DF

Decode-and-forward

AF

amplify-and-forward

CSI

channel state information


Trang 1/12

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU

1.1 Giới thiệu
Gần đây, mạng không dây thu hoạch năng lượng dự kiến sẽ giới thiệu một số thay
đổi trong mạng không dây. Trong khi thiết bị không dây thông thường được cung
cấp bởi pin, có tuổi thọ hoạt động giới hạn, và phải được thay thế hoặc nạp lại định
kỳ để duy trì kết nối mạng, năng lượng có thể được liên tục và ổn định khi được
cung cấp bởi các nguồn RF hiện có qua không khí cho các thiết bị không dây thu

năng lượng.
1.2 Hệ thống chuyển tiếp song công dưới sự ảnh hưởng của trạng thái thông tin
kênh không hoàn hảo
Relaying (chuyển tiếp) là một cách hiệu quả để chống lại việc hiệu suất giảm bởi
fading, shadowing, và mất đường dẫn. Nói một cách ngắn gọn, trong các mạng
chuyển tiếp, mỗi user không dây được giả định truyền dữ liệu trong khi cũng có thể
hoạt động như một tác nhân hợp tác cho người dùng khác. Dữ liệu từ nguồn có thể
đến đích đến ít nhất bằng hai cách: truyền trực tiếp đến điểm đến và truyền dẫn
chuyển tiếp thông qua một nút. Mạng lưới chuyển tiếp cao cấp thì giải quyết được
những vấn đề về tiết kiệm năng lượng bởi vì Relaying hoạt động như một thiết bị
lưu động. Cho đến nay đã có rất nhiều nỗ lực để giải quyết vấn đề này. Một cách
tiếp cận tương lai là áp dụng công nghệ thu hoạch năng lượng để chuyển tiếp mạng.
Trong đồ án này chúng ta sẽ tập trung phân tích năng lượng, tín hiệu được chuyển
tiếp song công CSI không hoàn hảo ở cả relay và đích. Chúng ta sẽ chọn giao thức
chuyển tiếp và chuyển đổi thời gian để xét. Ảnh hưởng của ước lượng kênh lên hiệu
suất hệ thống sẽ được chứng minh rõ.

Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI


Trang 2/12

CHƯƠNG 2. MÔ TẢ VÀ PHÂN TÍCH HỆ THỐNG
2.1 Mô tả hệ thống

Hình 2.1.1. Mô hình mô tả hệ thống chuyển tiếp song công.

Hình 2.1.1 minh hoạ mô hình hệ thống chuyển tiếp song công. Trong mô hình này,
nguồn S gửi thông tin đến đích D với sự trợ giúp của một rơle giải mã và chuyển

tiếp R. Sự kết nối trực tiếp giữa nguồn và đích có thể yếu, vì vậy nó cần sự giúp đỡ
từ rơle R để đảm bảo kết nối. Rơle không có dữ liệu riêng của nó để truyền tải. Nó
là một thiết bị được trang bị một ăng-ten truyền và một ăng-ten nhận, vì vậy nó xuất
hiện hiện tượng nhiễu tại Rowle do 2 ăng-ten gây ra. Ngoài ra, relay được giả sử chỉ
sử dụng năng lượng thu được từ nguồn để giúp trao đổi thông tin giữa nguồn và
đích.
Quá trình thu thập thông tin và thu hoạch năng lượng tại nút chuyển tiếp được tách
ra bằng cách sử dụng giao thức chuyển tiếp chuyển đổi thời gian (TSR). Đặt T là
tổng thời gian truyền một ký hiệu. Ta chia thời gian này thành hai khoảng thời gian
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI


Trang 3/12

với độ dài của αT và (1 - α)T tương ứng.

Quá trình relay thu năng lượng từ nguồn diễn ra trong khoảng thời gian thứ nhất
(Giai đoạn thu hoạch năng lượng); Sau đó nhận tín hiệu từ nguồn, giải mã tín hiệu
và chuyển tiếp nó đến đích trong khoảng thời gian thứ hai (pha chuyển tiếp thông
tin). Quy trình thu hoạch năng lượng này được minh họa trong hình. 2.1.2

Hình 2.1.2. Giao thức chuyển tiếp ở Relay.

Như đã được giới thiệu, chúng ta xem xét trường hợp thông tin trạng thái kênh thu
được có lỗi. Ảnh hưởng của lỗi CSI đối với hiệu suất của mô hình là phần nội dung
của đồ án này. Cho h và g biểu thị kênh thu được được từ nguồn đến relay và từ
relay đến đích. Tương ứng, f biểu thị kênh nhiễu tại relay. Tất cả các các kênh được
giả sử đến sự mờ dần Rayleigh fading, nghĩa là lợi ích kênh giữ liên tục trong mỗi
khối truyền dẫn. Cụ thể, | h |2 là một hàm mũ biến ngẫu nhiên với trị trung bình λh,

| g |2 được phân bố theo cấp số nhân với trị trung bìnhλg, và | f |2 được phân phối

theo cấp số nhân với trị trung bình λr, là một tham số quan trọng liên quan đến độ
mạnh của nhiễu loopback. Do kênh không hoàn hảo, ước tính thu được của kênh tại
rơle và điểm đến được thể hiện dưới dạng:
^

h = h + ∆h
^

g = g + ∆g
^

f = f + ∆f
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI


Trang 4/12

Trong đó Δh, Δg, và Δf là lỗi ước lượng kênh tương ứng với h,g, và f tương ứng.
Các lỗi ước lượng này đều giả định là Gaussian phân phối và không có ý nghĩa.

2.1.1 Pha thu năng lượng
Trong suốt quá trình thu năng lượng, ta giả sử rằng chỉ có ăng-ten thu là được sử
dụng để thu năng lượng. Tín hiệu năng lượng tại Relay có thể được mô tả như sau:

yr = hxe + nr
Trong đó h là hệ số kênh của anten đầu tiên, xe là biểu tượng năng lượng. Với
2

E xe = Ps , trong đó E [X] là kì vọng của biến ngẫu nhiên X. nr là nhiễu Gaussian

với phương sai N0. Do đó, năng lượng thu hoạch trong giai đoạn này có thể tính
được:
^

En = ηPs (| h |2 +δ 2 ∆h )αT
Công suất chuyển đổi năng lượng tại Relay có thể tính như sau:
^

^
ηP (| h |2 +δ 2 ∆h )αT
PR = s
= kPs (| h |2 +δ 2 ∆h )
(1 − α )T

Trong đó, η là hằng số biểu thị hiệu suất năng lượng.
k=

ηα
1−α

2.1.2 Pha chuyển tiếp thông tin
Tại đây tín hiệu thu được tại Relay được cho bằng:
y R = hxs + fxr + nr

Với xs là tín hiệu cần được truyền, với kỳ vọng E|xs|2=PS, xr là nhiễu với kỳ vọng E|
xr|2 = Pr
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF

FD, imperfect CSI


Trang 5/12

Tín hiệu từ nguồn được giải mã đầu tiên ở Relay. Tỷ số tín hiệu và nhiễu (SNR) tại
relay được tính bằng:
^

SINR1 =

(| h |2 +δ 2 ∆h ) PS
^

(| f |2 +δ 2 ∆f ) PR + N 0
^

2
2
Bằng cách chia acr tử và mẫu cho (| h | +δ ∆h ) P và thay PR đã tính ở trên và

No<SINR1 =

1
^

k (| f |2 +δ 2 ∆f )

Tại điểm đích, tín hiệu nhận được là:

y R = gxr + nd

Với xr là tín hiệu được chuyên tiếp từ Relay với kỳ vọng E|xr|2=Pr thì:
SINR 2 =

(| g |2 +δ 2 ∆g ) PR kPs(| h |2 +δ 2 ∆h )(| g |2 +δ 2 ∆g )
=
N0
N0

2.2 Phân tích hiệu suất
2.2.1 Outage Probability and System Throughput
Giả sử nguồn truyền với tốc độ không đổi R. Đặt γ =2R-1 là ngưỡng của SINR tại cả
Relay và đích. Công suất đầu ra được tính bằng:
Pout =Pr {min(SINR1,SINR2)< γ }
Ngoài ra, thông lượng trung bình được tính bằng:
τ FD (α ) = (1 − Pout ) R (1 − α )

Một trong những nội dung chính của đồ án này là phân tích hiệu suất đầu ra dưới sự
ảnh hưởng của trạng thái thông tin kênh không hoàn hảo.

Đối với giao thức DF, xác suất bị gián đoạn và thông lượng trung bình của hệ thống
có thể được biểu diễn bằng:
Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI


Trang 6/12

 − a

 e bλg + 1
 
λg


1−γkδ ∆f

−
Pout = 1 − 1 − e γkλr


2

a/b

∫e

 y
a − by
− +
 λ g ( cy + d ) λh


0







dy 



τ FD (α ) = (1 − Pout ) R (1 − α )

Và

a = γNo − kPsδ ∆2hδ ∆2g
Đặt

b = kPsδ ∆2h
c = kPs
d = kPsδ ∆2g






1
kPs(| h |2 +δ 2 ∆h )(| g |2 +δ 2 ∆g ) 


Pout = Pr min
,
<γ
^


N0
 k (| f |2 +δ 2 ∆f )







^

2
2
2
Đặt X= | h | , Y= | g | , Z= | f | thì:



1
Pout = 1 − Pr min
 k ( Z + δ 2 ∆f )



2
2
 


 ≥ γ  Pr  kPs( X + δ ∆h )(Y + δ ∆g ) ≥ γ 


N0
 



Thay a,b,c,d vào ta được:



1
Pr min 
 k ( Z + δ 2 ∆f )


2
1
−
γ
k
δ
∆f
Với

2
1−γkδ 2



− γkλ ∆f

1
−
γ
k
δ
∆f 
 ≥ γ  = Pr Z ≤
= 1− e r


γk





>=0

Tương tự vế thứ 2

 kPs( X + δ 2 ∆h )(Y + δ 2 ∆g )


γNo − kPsδ 2 ∆hδ 2 ∆g − kPsδ 2 ∆hY 
Pr 
≥ γ  = Pr  X >

N0
kPsY + kPsδ 2 ∆g






Thay a,b,c,d vào ta được:

Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI


Trang 7/12



a − bY 
a − bY

Pr  X >
=
Pr
X
>
a
−
bY
>
0


. Pr(a − bY > 0)

cY
+
d
cY
+
d






a − bY
+ Pr  X >
a − bY ≤ 0. Pr(a − bY ≤ 0)
cY + d


1
=
λg

a/b

∫e

 y
a −by
− +
 λ g ( cy + d ) λh








dy + e

−

a
bλ g

0

Công thức đã được chứng minh.
2.2.2 Outage Probability and System Throughput

Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI


Trang 8/12

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.1 Mô hình mô phỏng

Hình 3.1.

Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI


Trang 9/12

3.2 Kết quả mô phỏng

Hình 3.2.

Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI


Trang 10/12

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN
4.1 Kết luận
Trong suốt quá trình chứng minh công thức và lập trình code, em đã gặp nhiều khó
khăn và mất rất nhiều thời gian. Nhưng với sự giúp đỡ nhiệt tình của giảng viên
cuối cùng em đã hoàn thành được mục tiêu của đồ án đưa ra. Kết quả giữa lý thuyết
và mô phỏng tương đối chính xác.

4.2 Hướng phát triển
Có thể phát triển đề tài và mô phỏng các trường hợp chuyển tiếp trong hệ thống
song công dưới sự ảnh hưởng của thông tin kênh hoàn hảo….

Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI

Trang 11/12

Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI


Trang 12/12

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Zeng, Y., Zhang, R.: Full-duplex wireless-powered relay with self-energy
recycling. IEEE Wirel. Commun. Lett. 4(2), 201–204 (2015)
2. Choi, D., Lee, J.H.: Outage probability of two-way full-duplex relaying with
imperfect channel state information. IEEE Commun. Lett. 18(6), 933–936 (2014)
3. Li, D., Shen, C., Qiu, Z.: Sum rate maximization and energy harvesting for
twoway AF relay systems with imperfect CSI. In: 2013 IEEE International
Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, pp. 4958–4962, May 2013
4. Tan N. Nguyen1,2, Phuong T. Tran1(B) , Hoang-Sy Nguyen2, Thu-Quyen T.
Nguyen1, and Miroslav Voznak1,2: On the Performance of Energy Harvesting for
Decode-and-Forward Full-Duplex Relay Networks in Imperfect CSI Condition

Mô phỏng mô hình chuyển tiếp AF
FD, imperfect CSI