TÌM HIỂU mô HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG hệ THỐNG SONG CÔNG sử DỤNG THUẬT TOÁN GIẢI mã và CHUYỂN TIẾP

TÌM HIỂU MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP
TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ
DỤNG THUẬT TOÁN GIẢI MÃ VÀ
CHUYỂN TIẾP

MỤC LỤ


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...............................................................................................4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................5
CHƯƠNG 1. TÌM HIỂU VỀ ĐỀ TÀI................................................................................1
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP.........................................................................3
2.1

CÁC MÔ HÌNH KÊNH CHUYỂN TIẾP............................................................................3

2.2

GIAO THỨC HOẠT ĐỘNG CỦA NÚT CHUYỂN TIẾP.......................................................3

CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN GIẢI MÃ VÀ
CHUYỂN TIẾP......................................................................................................................5
3.1

MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN SONG CÔNG................................................................5

3.2

DECODE-AND-FORWARD (DF):..................................................................................6

3.2.1

Công thức..........................................................................................................7

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT.................................................9
4.1

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT...........................................................................9

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN..................................................................................................13
5.1

KẾT LUẬN................................................................................................................13

5.2

ĐÁNH GIÁ................................................................................................................13

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................14


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 2-1: CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG.........................................................................3
HÌNH 2-2: CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG...........................................................................3
HÌNH 3-1: MÔ HÌNH HỆ THỐNG SONG CÔNG..........................................................5
HÌNH 3-2: GIAO THỨC DF................................................................................................6
HÌNH 3-3: TRUYỀN THÔNG TIN TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG...................6
HÌNH 4-1 BẢNG GIÁ TRỊ...................................................................................................9
HÌNH 4-2 XÁC SUẤT DỪNG CỦA DF THEO PS........................................................10
HÌNH 4-3: THÔNG LƯỢNG HỆ THỐNG FD CHUYỂN TIẾP DF THEO PS.........10
HÌNH 4-4 BẢNG GIÁ TRỊ ALPHA..................................................................................11

HÌNH 4-5 XÁC SUẤT DỪNG DF THEO ALPHA.........................................................12
HÌNH 4-6 THÔNG LƯỢNG HỆ THỐNG FD CHUYỂN TIẾP DF THEO ALPHA 12


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
FD

Full-duplex

Song công

DF

Decode and Forward

Giải mã và chuyển tiếp

RF

Radio Frequency

Sóng vô tuyến

SNR

Signal noise ratio

Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiế


Trang 1/19

CHƯƠNG 1.

TÌM HIỂU VỀ ĐỀ TÀI

1. Giới thiệu
Các hệ thống truyền thông có hạn chế về năng lượng thường có tuổi thọ thấp,
chi phí duy tu, bảo dưỡng định kì cao.
Gây ra nhiều tốn kém thế nên con người mới tìm cách tạo ra một hệ thống có thể
thu thập được các năng lượng ngoài tự nhiên như mặt trời, không khí, gió, rung
động để giảm chi phí cũng như gia tăng lợi ích và tuổi thọ cho các thiết bị. Tuy
nhiên nó có 1 nhược điểm là không thể kiểm soát được nguồn năng lượng thu
vào và không mang tính ổn định.
Nhờ vào sóng vô tuyến RF (radio frequency) có thể vừa mang thông tin vừa
mang năng lượng giúp tiết kiệm chi phí và mang lợi ích cực lớn trong quá trình
truyền chuyển tiếp song công.
2. Mục đích đề tài
Hiểu được mô hình truyền song công một anten hoặc hai anten cùng lúc và trình
bày biểu thức truyền chuyển tiếp trong hệ thống truyền song công sử dụng thuật
toán giải mã và chuyển tiếp.
Phân tích được ưu nhược điểm của DF với từng phương pháp truyền trong mô
hình song công.
Đánh giá được thông lượng trong quá trình truyền.

Đánh giá được sự suy hao trên đường truyền và các phương pháp khắc phục.

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 2/19

3. Hướng phát triển
Tìm hiểu, xây dựng hệ thống với các kỹ thuật chuyển tiếp khác như nén và
chuyển tiếp hay các chế độ chuyển tiếp gia tăng.

CHƯƠNG 2.

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP

2.1
Các mô hình kênh chuyển tiếp
Mạng truyền thông hoạt động dựa trên các kênh chuyển tiếp (relay) và các nút đầu
cuối. Mô hình cơ bản của kênh chuyển tiếp gồm 3 nút: nút nguồn (S), nút đích (D),
nút relay (R).

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 3/19

Các loại chuyển tiếp:
 Chuyển tiếp hai chặng: chỉ dùng một relay để chuyển tiếp thông tin từ nguồn

đến đích.
R

S

D

Hình 2-1: Chuyển tiếp hai chặng

 Chuyển tiếp đa chặng: dùng từ hai relay trở lên để thực hiện chuyển tiếp.
S

R1

R2

...

Rn

D

Hình 2-2: Chuyển tiếp đa chặng

Theo hướng chuyển tiếp:
 Chuyển tiếp đơn hướng
 Chuyển tiếp song hướng
2.2
Giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp
Khi nút chuyển tiếp tiếp nhận thông tin từ nút nguồn, chúng sẽ được tiếp nhận và xử

lý trước khi truyền đến nút đích. Hai kỹ thuật chuyển tiếp phổ biến thường được sử
dụng nhiều trong các hệ thống truyền thông hợp tác là kỹ thuật chuyển tiếp cố định
(fixed relaying) và kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi (adaptive relaying).
Trong kỹ thuật chuyển tiếp cố định, có hai giao thức được sử dụng phổ biến là
khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF) và giải mã và chuyển tiếp
(Decode and Forward - DF).

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 4/19

CHƯƠNG 3.

HỆ THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN
GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP

3.1
Mô hình hệ thống truyền song công
Mô hình hệ thống chuyển tiếp song công gồm 3 nút: nút nguồn, nút đích và nút
relay. Nút relay là nút trung gian giúp việc chuyển tiếp thông tin từ nút nguồn tới
nút đích. Tại nút relay thì năng lượng là giới hạn và có năng lượng do việc thu năng
lượng từ nguồn truyền đến.

xS

S

f

d1
h

yR

xR

R

d2

yD

D

g
Nguồn

Relay

Đích

Hình 3-1: Mô hình hệ thống song công

Dựa trên mô hình hệ thống, tín hiệu nhận ở relay và đích lần lượt như sau:

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp

Trang 5/19

(3.1)
(3.2)

Trong đó:
, : tín hiệu nhận tại relay và tại đích.
, : tín hiệu phát ra tại nguồn và tại relay.
,: hệ số kênh truyền.
: hệ số tự nhiễu tại Relay (nhiễu feedback)
: hệ số suy hao đường truyền
, : nhiễu tạp âm Gaussian, với công suất nhiễu ký hiệu là .
d1, d2: khoảng cách truyền giữa 2 điểm từ nguồn tới relay và từ relay đến đích.

3.2
Decode-and-Forward (DF):
Giao thức Decode-and-Forward (DF): là giao thức giải mã và chuyển tiếp, tín hiệu
truyền từ nguồn đến relay sẽ được giải mã sau đó mã hóa lại và truyền đến đích.

R
S

D
Hình 3-2: Giao thức DF

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp

Trang 6/19

Hình 3-3: Truyền thông tin trong hệ thống song công

Quá trình truyền thông tin giữa nguồn và đích được chia thành hai giai đoạn:
 Giai đoạn 1: Relay thu năng lượng từ nguồn trong thời gian αT.
 Giai đoạn 2: truyền thông tin trong khoảng thời gian (1 – α)T còn lại.

3.2.1 Công thức.
Năng lượng thu được tại relay:
(3.3)
Khi đó công suất tại relay được tính như sau:

(3.4)
(3.5)
Suy ra
(3.6)
Trong đó:
α: hệ số thời gian chuyển đổi, với 0<α<1.
T: thời gian tín hiệu truyền từ S đến D.
: hiệu suất.
công suất của nguồn.
 Tỉ số SNR
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu sử dụng trong giải mã và chuyển tiếp được chia làm 2
chặng trong quá trình truyền và để lấy tỷ số nhiễu SNR ta chọn tỷ số nào bé nhất
trong 2 tỷ số SNR1 và SNR2 cho toàn chặng chuyển tiếp. Từ tín hiệu , nhận tại
relay và đích ta suy ra , như sau:

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp

Trang 7/19

(3.7)
(3.8)
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của toàn hệ thống song công với chuyển tiếp DF:
(3.9)
(3.10)
Phần chứng minh (3.10) được trình bày trong phụ lục.

 Xác suất dừng
(3.11)
(3.12)
Giá trị xác suất dừng cuối cùng thu được:

(3.13)
Phần chứng minh (3.13) được trình bày trong phụ lục.

CHƯƠNG 4.

4.1

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT

Kết quả mô phỏng và nhận xét

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp

Trang 8/19

Hình 4-1 Bảng giá trị

Hình 4-2 Xác suất dừng của DF theo Ps

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 9/19

0.9

 

simulation
analytical

0.8

throughput (bps/Hz)

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2

0.1
0 
0

5

10

15
Ps (dB)

20

25

30

Hình 4-3: Thông lượng hệ thống FD chuyển tiếp DF theo Ps
Hình 4-2 và 4-3 thể hiện xác suất dừng và thông lượng của hệ thống FD chuyển tiếp
DF theo giá trị

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 10/19

Hình 4-4 Bảng giá trị alpha

Hình 4-5 Xác suất dừng DF theo alpha

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 11/19

0.045

 
simulation
analytical

0.04

throughput (bps/Hz)

0.035
0.03
0.025
0.02
0.015
0.01
0.005
0 
0

0.1

0.2

0.3

0.4
0.5
alpha

0.6

0.7

0.8

0.9

Hình 4-6 Thông lượng hệ thống FD chuyển tiếp DF theo alpha

CHƯƠNG 5.

KẾT LUẬN

5.1
Kết luận
Tìm hiểu được mạng truyền thông hợp tác
Tìm hiểu mô hình, xây dựng công thức của hệ thống song công
Mô phỏng được xác suất dừng của hệ thống song công DF theo α và .
5.2

Đánh giá
 Ưu điểm

Hệ thống hoạt động tốt
 Nhược điểm

Việc đánh giá hệ thống chỉ dựa trên trạng thái kênh hoàn hảo nên kết quả chưa
khách quan do không có những phần nhiễu phát sinh nào khác trên đường truyền.
Chưa xét nhiễu trên phần cứng.
Chưa đánh giá hệ thống ở nhiều mô hình chuyển tiếp khác nhau.
 Hướng phát triển

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 12/19

Tìm hiểu, xây dựng hệ thống với các kỹ thuật chuyển tiếp khác như nén và chuyển
tiếp hay các chế độ chuyển tiếp gia tăng,…
Đánh giá hệ thống FD dựa trên PSR (Power Splitting based relaying).

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Anh:
Wireless Information and Power Transfer with Full Duplex Relaying, Caijun Zhong,
Senior Member, IEEE, Himal A. Suraweera, Member, IEEE, Gan Zheng, Senior
Member, IEEE , Ioannis Krikidis, Senior Member, IEEE, and Zhaoyang Zhang
Member, IEEE/

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp

Trang 13/19

PHỤ LỤC
Chứng minh công thức:
Công thức 3.10

Do

Nên
Công thức 3.13
Đặt , ,

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 14/19

Đặt

Ta có công thức hàm bessel:
Suy ra công thức :

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 15/19

Tìm hiểu quá trình truyền song công

dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 16/19

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp


Trang 17/19

Tìm hiểu quá trình truyền song công
dùng thuật toán giải mã và chuyển tiếp