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

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


MỤC LỤC

2


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

3


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

4


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AF

Amplify-and- forward

TSR

Time -switching relaying

FD

Full- duplex

RF

Radio frequency

SNR

Signal-to-Noise Ratio

LTE

Long Term Evolution

IEEE

Institude of Electrical and Electronics Engineers

5


Trang 6/22

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ
THỐNG SONG CÔNG SỬ DỤNG THUẬT TOÁN KHUẾCH ĐẠI VÀ
CHUYỂN TIẾP
1.1 Mục đích của đề tài
Ngày nay, các nguồn năng lượng sạch như năng lượng gió, năng lượng mặt trời…là
một trong những mục tiêu phát triển công nghệ bền vững thân thiện với môi trường

để kéo dài thời gian hoạt động của các hệ thống truyền thông không dây một cách
hiệu quả và thiết thực nhất vì phần lớn các hệ thống truyền thông có tuổi thọ hạn
chế để duy trì kết nối mạng phải cung cấp năng lượng theo định kỳ. Điều đó sẽ rất
tốn kém, không đạt được hiệu quả cao và thậm chí là điều không thể. Tuy nhiên,
hiện nay vấn đề được đặt ra là năng lượng sạch này ngẫu nhiên và phụ thuộc rất
nhiều vào môi trường. Và đây cũng chính là mục đích việc thực hiện đề tài đồ án
này.
1.2 Tính thiết yếu của đề tài
Chuyển tiếp là một cách hiệu quả để hạn chế giảm hiệu suất bởi fading, mất đường
truyền. Trong bài này, ta tập trung vào việc thực hiện thông qua thông tin không
bằng thuật toán khuếch đại và chuyển tiếp (AF) bằng giao thức chuyển tiếp theo
thời gian (TSR). Bằng cách nay, ta tạo một hệ thống chuyển tiếp trang bị ăng-ten hai
riêng biệt, một cho truyền tải thông tin và cho tiếp nhận thông tin.Từ đó ta xem xét
hiệu suất năng lượng thu hoạch của hệ thống với toán học phân tích và mô phỏng.

•

1.3 Yêu cầu đề tài
Tìm hiểu mô hình chuyển tiếp AF

•

Tìm hiểu Wireless Information and Power Transfer with Full Duplex
Relaying

•

Tìm hiểu mô hình song công và xây dựng công thức

•

Hoàn thiện công thức và mô phỏng matlab

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 7/22

CHƯƠNG 2.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

1.4 Kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng truyền thông
1.1.1 Giới thiệu:
Một trong những thành phần quan trọng trong mạng truyền thông là nút chuyển tiếp
(Relay) và các đầu-cuối. Để tìm hiểu thêm về về kỹ thuật chuyển tiếp nhằm tạo tiền
đề cho việc phân tích hoạt động của nút chuyển tiếp.
1.1.2 Kỹ thuật chuyển tiếp
Trong mạng truyền thông, việc tăng cường dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng
và giảm chi phí vận hành là mục tiêu của các nhà quản lý mạng viễn thông. Đồng
thời, nhằm giảm sự suy yếu của tín hiệu do suy giảm kênh truyền như fading…. Kỹ
thuật chuyển tiếp AF là một công nghệ hiện đại đáp ứng được yêu cầu đặt ra.

Hình 2- 1 Mô hình chuyển tiếp [3]

1.1.3 Các loại chuyển tiếp
Có hai loại chuyển tiếp được định nghĩa trong tiêu chuẩn 3GPP LTE-Advanced là
chuyển tiếp loại 1 (Type-I) và loại 2 (Type-II).

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG

Trang 8/22

Hình 2- 2 Chuyển tiếp loại I và II [2]

-

1.1.4 Phương pháp chuyển tiếp tín hiệu
Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF)

Hình 2- 3 Chuyển tiếp AF [3]

Phương pháp AF: Trạm chuyển tiếp (Relay) nhận được tín hiệu từ nguồn ( Source)
đã bị suy hao và cần phải khuếch đại lên trước khi truyền tiếp đến đích
( Destination).
-

Giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF).

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 9/22

Hình 2- 4 Chuyển tiếp DF [3]

Phương pháp DF: Phương pháp này dùng trong việc truyền tín hiệu số. Tín hiệu
nhận từ nguồn ( Source) được đầu tiên được giải mã và sau đó mã hóa rồi truyền
đến đích (Destination), vì vậy nhiễu không được khuếch đại trong tín hiệu nhận

được.
1.5 Mô hình hệ thống song công.
1.1.5 Hệ thống

Hình 2- 5 Mô hình hệ thống song công

Mô hình hệ thống chuyển tiếp song công: Nguồn (Source) sẽ gửi thông tin đến đích
(Destination) thông qua Relay để khuếch đại và chuyển tiếp. Các relay được trang
bị với một an-ten truyền và một an-ten thu. Ngoài ra, các relay được giả định đã có
nguồn cung cấp năng lượng khác nhưng chỉ năng lượng thu hoạch từ các nguồn.
 Từ mô hình hệ thống:

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 10/22

Trong giai đoạn thu hoạch năng lượng, các tín hiệu nhận được tại các nút chuyển
tiếp có thể được biểu thị dưới dạng:
yR = h.xe + nR

(2.1)

Tín hiệu nhận ở relay vào giai đoạn truyền tải thông tin, tín hiệu nhận được tại các
relay có thể được biểu thị dưới dạng
yR = h.xs + f .xR + nR

(2.2)

Tín hiệu nhận được tại đích:

yD = g .xR + nD
Trong đó:
yR , yD : tín hiệu nhận tại relay và tại đích.
xs

: tín hiệu phát đi tại nguồn

xR

: tín hiệu phát đi tại relay

xe

: tín hiệu năng lượng

h,g

: hệ số kênh truyền.

f

: hệ số nhiễu tại relay

nR , nD : nhiễu tạp âm Gaussian (AWGN) ở relay và ở đích với phương sai N
0

1.1.6 Truyền thông tin

Hình 2- 6 Truyền thông tin trong hệ thống song công

Quá trình truyền thông được chia thành 2 giai đoạn:
• Giai đoạn 1: Relay thu hoạch năng lượng từ nguồn trong αT.

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG

(2.3)


Trang 11/22

• Giai đoạn 2: Khoảng (1 – α)T còn lại để truyền thông tin.
 Năng lương thu tại nguồn với 0 < η < 1
Eh = η Ps | h |2 αT

(2.4)

 Công suất thu tại relay:
PR =
k=

Eh
η P | h |2 α T
= s
(1 − α )T
(1 − α )T

(2.5)

ηα
1−α

(2.6)
Ta được:
PR = kPs | h |2

(2.7)

Trong đó:
α : hệ số thời gian chuyển đổi, với 0<α<1.
T : thời gian của khung tín hiệu truyền từ nguồn đến đích
η : hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

Ps :công suất của nguồn.
 Hệ số khuếch đại: sau khi relay nhận yR từ nguồn khếch đại lên và truyền xR
đến đích ta được công thức như sau:
G=

Hay
G =
2

E { xR 2 }

E { yR

2

}

=

xR
yR

(2.8)

PR
| h | .Ps + | f |2 .PR + N 0
2

(2.9)
 Tỉ số SNR là tỉ số của bình phương tín hiệu trên bình phương nhiễu.

Ps . | h |2
P . | g |2
E ( signal 2 )
PR .| f |2 R
SNR =
=
E (noise 2 ) N 0 .PS .| h |2
2
2 + PR . | g | + N 0
PR .| f |

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG

(2.10)


Trang 12/22

Phần chứng minh (2.10) ở Phụ lục A
 Xác suất dừng là xác suất mà tỉ số SNR bé hơn một ngưỡng cho trước.
Pout AF = Pr ( SNR < γ )

(2.11)

R
Giá trị ngưỡng γ = 2 − 1 , với R (bps/Hz) là tốc độ truyền của tín hiệu.

Ta được công thức:

 

N
N
y
γ . 0 + γ . y.N 0 ÷ 
γ . 0 + γ . y.N 0 ÷

1 − λR
k
k
÷K1  2
÷. .e dy
= 1− ∫  2
λ
λ
.(
P

−
k
.
P
.
y
.
γ
)
λ
λ
.(
P
−
k
.
P
.
y
.
γ
)

÷

÷ λR
s
D
s
s

s
D
s
s
0

÷ 
÷

 

1
γk

Pout AF

(2.12)
Phần chứng minh (2.12) ở Phụ lục A
Trong đó:
λR , λS , λD : giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên f, h, g.

 Thông lượng: được tính tính qua đánh giá xác suất dừng của hệ thống ở tốc
độ không đổi.
RAF FD = (1 − Pout AF ) R(1 − α )

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG

(2.13)

Trang 13/22

CHƯƠNG 3.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

1.6 Kết quả mô phỏng theo Ps
Bảng 3- 1 Thông sô mô phỏng theo Ps

Thông số
R
α
Ps
η

λf
λg

λh

Ý nghĩa
Giá trị
Tốc độ truyền dẫn tín hiệu
3
Hệ số thời gian chuyển đổi
0.4
Công suất phát tại nguồn
0:2:30 dB
Hiệu suất
0.8

Giá trị trung bình của biến ngẫu 0.05
nhiên f
Giá trị trung bình của biến ngẫu 0.5
nhiên g
Giá trị trung bình của biến ngẫu 0.5
nhiên h

Hình 3- 1 Đồ thị xác suất dừng theo Ps

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 14/22

Hình 3- 2 Thông lượng theo Ps

 Nhận xét:
Ta nhận ra khi Ps càng tăng thì Pout càng giảm và ngược lại thông lượng hệ thống
càng tăng. Khi Ps nằm trong khoảng từ 0 đến 10 dB thì Pout xấp xỉ bằng 1, còn
thông lượng xấp xỉ 0 bps/Hz do công suất nguồn phát bị ảnh hưởng nhiễu và hiệu
năng thời điểm này thấp nhất. Ngược lại, khi Ps tăng dần lớn hơn 10 dB, Pout bắt
đầu giảm dần và thông lượng tăng dần.
1.7 Kết quả mô phỏng theo alpha

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 15/22

Bảng 3- 2 Thông số công suất theo alpha

Thông số
R
α
Ps
η

λf
λg

λh

Ý nghĩa
Giá trị
Tốc độ truyền dẫn tín hiệu
3
Hệ số thời gian chuyển đổi
0.01:0.05:0.95
Công suất phát tại nguồn
15 dB
Hiệu suất
0.9
Giá trị trung bình của biến ngẫu 0.02
nhiên f
Giá trị trung bình của biến ngẫu 0.5
nhiên g
Giá trị trung bình của biến ngẫu 0.5
nhiên h

Hình 3- 3 Đồ thị xác suất dừng theo alpha

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 16/22

Hình 3- 4 Đồ thị thông lượng theo alpha

 Nhận xét:
Theo hình 3-3 và hình 3-4 công suất giảm dần khi alpha tăng dần. Khi alpha đạt 0.6
thì Pout là 0.6. Khi alpha lớn thì khoảng thời gian thu hoạch năng lượng tại relay
lớn và khi tiệm cận 1 thì thông lượng giảm.
1.8 Kết quả mô phỏng theo R
Bảng 3- 3 Thông số công suất theo R

Thông số
R
α
Ps
η

λf
λg

λh

Ý nghĩa
Giá trị
Tốc độ truyền dẫn tín hiệu
3:0.1:7

Hệ số thời gian chuyển đổi
0.4
Công suất phát tại nguồn
15 dB
Hiệu suất
0.9
Giá trị trung bình của biến ngẫu 0.02
nhiên f
Giá trị trung bình của biến ngẫu 0.5
nhiên g
Giá trị trung bình của biến ngẫu 0.5
nhiên h

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 17/22

Hình 3- 5 Đồ thị xác suất dừng theo R

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 18/22

Hình 3- 6 Đồ thị thông lượng theo R

 Nhận xét:
Theo hình 3-5 và hình 3-6 công suất tăng dần khi R tăng dần. Khi R đạt 5.5 thì Pout
tiệm cận và bằng 1. Ngược lại thì thông lượng giảm dần khi R đạt 5.5 thì thông

lượng bằng 0.

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 19/22

CHƯƠNG 4.

NHẬN XÉT

Dựa trên kết quả mô phỏng ta có thể kết luận hệ thống đáp ứng được yêu cầu đặt ra
vì hai đường mô phỏng theo đường Simulation trùng khớp với đường Analytical
cho thấy việc xây dựng công thức và mô phỏng là chính xác.
Mặt khác, nhận thấy giao thức AF xử lý tốt, tiết kiệm thời gian tính toán, song giao
thức này khuếch đại cả nhiễu nên chỉ dùng để truyền ở khoảng cách ngắn nên cần
phát triển hơn nữa.

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 20/22

CHƯƠNG 5.

-

KẾT LUẬN

1.9 KẾT LUẬN

Trong bài này ta sử dụng RF năng lượng thu hoạch với sử dụng giao thức
chuyển đổi theo thời gian (TSR). Dựa trên giả định rằng các lỗi kênh là
Gaussian zero-có nghĩa là phân phối, xây dựng công thức phân tích xác suất

-

Bessel và phép thử Monte Carlo trong hệ thống song công.
Tìm hiểu, xây dựng công thức và mô phỏng chính xác giao thức AF trong hệ

-

thống song công.
Mô phỏng xác suất dừng và thông lượng theo Ps, alpha và R.

1.10 HƯỚNG PHÁT TRIỂN
 Ưu điểm
- Hiểu được chuyển tiếp AF trong hệ thống song công về nhiễu.
- Hiểu về hệ thông song công và xây dựng công thức đúng
 Nhược điểm
- Chưa tìm hiểu về chuyển tiếp DF của hệ thống song công nên không đánh
giá được ưu nhược điểm của hai giao thức.
- Đánh giá chỉ dựa trên nhiễu của đường truyền.
- Đồng thời chỉ đánh giá trên chuyển tiếp theo thời gian TSR.
 Hướng phát triển
- Tìm hiểu về DF trong hệ thống song công
- Tìm hiểu về cả AF và DF trong hệ thống bán song công
- Tìm hiểu hệ thống song công và bán song công dựa trên PSR.

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG

Trang 21/22

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
Các trang web
[1]

/>
[2]



Tiếng Anh:
[3]

C.Zhong, H. A. Suraweera, G. Zheng, I. Krikidis, Wireless Information
and Power Transfer With Full Duplex Relaying, IEEE Transactions on
Communications.

[4]

/>
MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 22/22

PHỤ LỤC A
Chứng minh công thức 2.10:

 yR = h.xe + nR

 yD = g .xR + nD
 yR = h.xs + f .xR + nR

 yD = g .xR + nD

xR = G. yR

Ta có:

G =
2

(1)

{ }
E{ y }
E xR 2

2

R

Mà

G2 =



PR
| h | .Ps + | f |2 .PR + N 0
2

yD = g.G (h.xs + f .xR + nR ) + nD = g .G.h.xs + g .G. f .xR + g .G.nR + nD
Performance Analysis

(

)

E ( | g | .G. | h | .xs )
E ( signal 2 )
SNR =
=
E (noise 2 ) E ( | g | .G. | f | .xR + | g | .G.nR + nD ) 2

(

=
=

2

)

| g |2 .G 2 . | h |2 .PS
| g |2 .G 2 . | f |2 .PR + | g |2 .G 2 .N 0 + N 0
g 2 .PR . | h |2 .Ps
| g |2 .PR 2 . | f |2 + | g |2 .PR .N 0 + N 0 .(| h |2 .Ps + | f |2 .PR + N 0 )

=

g 2 .PR . | h |2 .Ps
| g |2 .PR 2 . | f |2 + | g |2 .PR .N 0 + N 0 . | h |2 .Ps + N 0 . | f |2 .PR + N 0 2

g 2 .PR . | h |2 .Ps
PR . | f |2
=
| g |2 .PR .N 0 N 0 . | h |2 .Ps
N02
| g |2 .PR +
+
+
N
+
0
PR . | f |2
PR . | f |2
PR . | f |2

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 23/22

Mà N0 << PR
N02
: 0
PR . | f |2


| g |2 . N 0
N 
| g | .PR +
=| g |2 .  PR + 02 ÷ : | g |2 .PR
2
|f|
|f| 

2

=>

SNR


N0 
 PR +
÷ : PR
| f |2 

vì

Ps . | h |2
2
2 PR . | g |
PR .| f |
=
N 0 .PS .| h |2
2

2 + PR . | g | + N 0
PR .| f |

Chứng minh công thức 2.12:

Pout AF

Ta có:



Ps . | h |2
2

÷
2 PR . | g |
PR .| f |
÷
= Pr 
<
γ
 N 0 .PS .| h |2
÷
2

÷
2 + PR . | g | + N 0
 PR .| f |


PR = k .Ps . | h |2

Pout AF





Ps . | h |2
2

÷
2 .| g |
|f|

= Pr
<γ ÷
 N 0 .PS .| h |2
÷
2
2

÷
2
2 + k .Ps .| h | . | g | + N 0
 k .Ps .| h | .| f |


Pout AF



Ps . | h |2
2

÷
2 .| g |
|f|
= Pr 
<γ ÷
 N0
÷
2
2
 k .| f |2 + k .Ps .| h | . | g | + N 0
÷



2
2
2
Ta đặt: x =| g | . | h | , y =| f |

Pout AF

Ps .x




÷
y
= Pr 
<γ ÷
 N 0 + k .P .x + N
÷
s
0
 k. y
÷



MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 24/22

Pout

AF

Pout AF




÷
Ps .x
= Pr 

<γ ÷
 N 0 + k .Ps .x. y + y.N 0
÷
 k


N


γ . 0 + γ . y.N 0 ÷

k
= Pr  x <
÷
P
s − k .Ps . y.γ ÷




Xét 2 trường hợp:
Pout AF

-

Trường hợp 1:

-

AF

Trường hợp 2: Pout

N


γ . 0 + γ . y.N 0 ÷

k
= Pr  x <
÷
1
P
s − k .Ps . y.γ ÷

<

 khi y γ k
1
>
=1
, khi y γ k

Ta có:
Pout AF =

1
γk

∫
0

N


γ . 0 + γ . y.N 0 ÷
∞

k
f ( y )Pr  x <
÷dy + ∫ f ( y )dy
Ps − k .Ps . y.γ ÷
1

γk



N0
+ γ . y.N 0
k
Đặt: v = Ps − k .Ps . y.γ

γ.

Ta được:
N


γ . 0 + γ . y.N 0 ÷


k
Pr  x <
÷
Ps − k .Ps . y.γ ÷ P ( x < v) = P (| g |2 | h |2 < v ) = P  | h |2 < v 

R
R
R
÷
| g |2 

 =

2
2
Đặt: a =| h | , b =| g |

MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


Trang 25/22

Giả sử
Y=X1X2
∞
∞
λy
−



y

P (Y < y ) = P ( X 1 X 2 < y ) = ∫ λ P  X 1 < ÷e − λ x dx = λ ∫  1 − e x ÷e− λ x dx
x


0
0

∞

= 1− λ ∫ e

  y 
−  λ  x + ÷÷
  x 

dx

0

Áp dụng:
Ta được
∞

−b

∞

v

v
1 λD


PR  a < ÷ = ∫ f (b) PR  a < ÷db = ∫
e
b 0
b
λ


D
0

−v

 1 − e bλs



 −b −v 
∞

1  λD + bλs ÷
e
÷db = 1 − ∫
÷
λ
D
0


db

Áp dụng hàm Bessel:
∞



β



∫ exp  − 4 x − γ x ÷ dx =
0

β
K1
γ

(

βγ

)

Ta có:
∞

1

∫λ
0



e

 4v

 4v 1
1  λs
db =
K1 
 λ λ
λD  1
 s D
 λ
D


 −b −v 
+

÷
 λD bλs 

D

 −b −v 
∞



v
1  λD + bλs ÷
v
v

PR  a < ÷ = 1 − ∫
e
db = 1 − 2 
K1 


b
λ

0 D
 λs .λD  λD .λs

Pout AF =

1
γk

∫
0


Pout AF =

1
γk

∫
0


∞

Pout




÷
÷
÷
÷÷
÷


AF




v
v
f ( y ) 1 − 2 
K1 


 λs .λD

 λD .λs


1
γk


÷dy +
÷
÷÷
÷
÷




v
v
f ( y )dy − 2 ∫ f ( y ) 
K1 
 λs .λD  λD .λs
0



1
=∫ e

λ
0 R

−

y
λR

1
γk

y

1 − λR
dy − 2 ∫
e
λR
0

∞

∫

f ( y )dy

1
γk


dy +

÷
÷÷
÷




v
v
K1 


 λs .λD
 λD .λs


MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG


÷
÷÷
÷


∞

∫

1
γk


dy
÷
÷÷
÷


f ( y )dy