Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển tiếp bán song công

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ
DUNG LƯỢNG ERGODIC CỦA HỆ
THỐNG GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP
BÁN SONG CÔNG

1


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..........................................................................................VII
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.......................................................................................IX
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.....................................................................................X
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI...........................................................................1
1.1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI......................................................................................................1

1.2

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI...................................................................................................2

CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG........................................................3
2.1

TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG.............................................................3

2.2

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 1..................................................................5

2.3

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 2..................................................................6

2.4

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 3..................................................................8

2.5

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 4................................................................10

2.6

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG THẾ HỆ 5................................................................11

CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG THỨC....................13
3.1

GIỚI THIỆU................................................................................................................13

3.2

KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP..........................................................................................14

3.2.1

Cơ chế chuyển tiếp DF.....................................................................................15

3.2.2

Cơ chế chuyển tiếp AF......................................................................................16

3.3

MÔ HÌNH HỆ THỐNG TSR.........................................................................................17

3.3.1

Pha thu hoạch năng lượng TSR........................................................................18

3.3.2

Pha truyền thông tin TSR..................................................................................18

3.3.3

Phân tích xác suất dừng của hệ thống TSR......................................................19

3.3.4

Thông lượng của hệ thống TSR........................................................................19

3.3.5

Phân tích thông lượng Ergodic của hệ thống TSR...........................................20

3.4

MÔ HÌNH HỆ THỐNG PSR.........................................................................................21

3.4.1

Pha thu hoạch năng lượng PSR........................................................................21

2


3.4.2

Pha truyền thông tin.........................................................................................22

3.4.3

Phân tích xác suất dừng của hệ thống PSR......................................................22

3.4.4

Thông lượng của hệ thống PSR........................................................................23

3.4.5

Phân tích thông lượng Ergodic của hệ thống PSR...........................................23

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.............................................................................24
4.1

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TSR.......................................................................24

4.2

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PSR.......................................................................30

4.3

SO SÁNH HỆ THỐNG TSR VÀ PSR............................................................................35

4.4

ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG ERGODIC HỆ THỐNG TSR VÀ PSR.................................38

4.5

MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG THEO XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG ERGODIC HỆ

THỐNG TSR VÀ

PSR..........................................................................................................40

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN..................................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................44
PHỤ LỤC A ........................................................................................................................45

3


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
HÌNH 2-1: LỘ TRÌNH PHÁT TRIỂN THÔNG TIN DI ĐỘNG [2].....................4
HÌNH 2-2: CẤU TRÚC MẠNG GSM [2]................................................................6

HÌNH 2-3: CƠ CẤU KẾT NỐI W-CDMA [2].........................................................8
HÌNH 2-4: MÔ HÌNH MẠNG 4G [2]....................................................................10
HÌNH 2-5: MÔ HÌNH MẠNG 5G [2]....................................................................11
HÌNH 3-1: MÔ HÌNH HỆ THỐNG BÁN SONG CÔNG [4]...............................14
HÌNH 3-2: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP ĐƠN CHẶNG DF [1]............................15
HÌNH 3-3: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP ĐƠN CHẶNG AF [1]............................16
HÌNH 3-4: CƠ CẤU PHÂN CHIA KHỐI THỜI GIAN THU NĂNG LƯỢNG
VÀ TRUYỀN THÔNG TIN TSR [4]......................................................................17
HÌNH 3-5: SƠ ĐỒ KHỐI MÁY THU TSR [4]......................................................17
HÌNH 3-6: CƠ CẤU PHÂN CHIA NĂNG LƯỢNG VÀ XỬ LÝ THÔNG TIN
PSR [4]...................................................................................................................... 21
HÌNH 3-7: SƠ ĐỒ KHỐI MÁY THU PSR [4]......................................................21
HÌNH 4-1: MÔ PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG THEO P S/N0 TẠI TỪNG ALPHA
................................................................................................................................. 25
HÌNH 4-2: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG THEO PS/N0 TẠI TỪNG ALPHA
................................................................................................................................. 25
HÌNH 4-3: MÔ PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG THEO ALPHA TẠI TỪNG P S/N0
................................................................................................................................. 27
HÌNH 4-4: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG THEO ALPHA TẠI TỪNG P S/N0
................................................................................................................................. 27
HÌNH 4-5: MÔ PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG THEO R TẠI TỪNG PS/N0.......29
HÌNH 4-6: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG THEO R TẠI TỪNG PS/N0..........29
HÌNH 4-7: MÔ PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG THEO PS/N0 TẠI TỪNG RHO. 31
HÌNH 4-8: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG THEO PS/N0 TẠI TỪNG RHO....31
HÌNH 4-9: MÔ PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG THEO RHO TẠI TỪNG PS/N0. 33

4


HÌNH 4-10: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG THEO RHO TẠI TỪNG PS/N0..33

HÌNH 4-11: MÔ PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG THEO R TẠI TỪNG PS/N0.....34
HÌNH 4-12: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG THEO R TẠI TỪNG PS/N0........34
HÌNH 4-13: MÔ PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG THEO ALPHA HOẶC RHO
CỦA TSR VÀ PSR.................................................................................................36
HÌNH 4-14: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG THEO ALPHA HOẶC RHO
CỦA TSR VÀ PSR.................................................................................................36
HÌNH 4-15: MÔ PHỎNG XÁC SUẤT DỪNG THEO PS/N0 CỦA TSR VÀ PSR
................................................................................................................................. 37
HÌNH 4-16: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG THEO PS/N0 CỦA TSR VÀ PSR
................................................................................................................................. 37
HÌNH 4-17: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG ERGODIC CỦA TSR VÀ PSR. 39
HÌNH 4-18: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG DL VÀ DT THEO P S/N0 CỦA
TSR VÀ PSR..........................................................................................................41
HÌNH 4-19: MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG DL VÀ DT THEO ALPHA
HOẶC RHO CỦA TSR VÀ PSR..........................................................................41

5


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
BẢNG 2-1: BẢNG SO SÁNH CÁC THẾ HỆ DI ĐỘNG: 1G ĐẾN 5G [2].........12
BẢNG 4-1: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG TSR........................................................24
BẢNG 4-2: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG PSR.........................................................30
BẢNG 4-3: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG TSR VÀ PSR.........................................35
BẢNG 4-4: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG THÔNG LƯỢNG ERGODIC TSR VÀ
PSR......................................................................................................................... 38
BẢNG 4-5: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG DL VÀ DT CỦA TSR VÀ PSR.............40

6

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
AF

Amplify and Forward

R

Relay Station

S

Source

D

Destination

SNR

Signal To Noise Ratio

RF

Radio Frequency

TSR

Time Switching Base Relaying

PDF

Probability Density Function

CDF

Cumulative Distribution Function

DF

Decode and Forward

PSR

Power Splitting Relaying

SISO

Single Input and Single Output

SIMO

Single Input and Multiple Output

MIMO

Multiple Input and Multiple Output

FDMA

Frequency Division Multiple Access

AMPS

Advanced Mobile Phone System

NMT

Nordic Mobile Telecom

TACS

Total Access Commuinication System

TDMA

Time Division Multiple Access

CDMA

Code Division Multiple Access

GSM

Global System for Mobile Communication

NSS

Network Switching Subsystem

RSS

Radio Subsystem

BSS

Base Station Subsystem

MS

Mobile Station

OMC

Operation and Maintenance Subsystem

GPRS

General Packet Radio Service

7


EDGE

Enhanced GPRS

GGSN

Gateway GPRS Support Node

SGSN

Serving GPRS Support Node

W-CDMA

Wideband CDMA

UMTS

Universal Mobile Telecommunications Systems

LTE

Long Term Evolution

OFDMA

Orthogonal Frequency-Division Multiplexing Access

IP

Internet Protocol

SDR

Software Defined Radio

DL

Delay-Limited Transmission

DT

Delay-Tolerant Transmission

8


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/53

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu đề tài
Trong thời gian gần đây, việc thu hoạch năng lượng xuất phát từ sự bức xạ
của sóng RF đang giành được nhiều sự quan tâm. Theo đó thông qua những mạch
tích hợp ăng-ten thu sẽ chuyển đổi tín hiệu bức xạ RF được phát từ nguồn thành
năng lượng. Các hệ thống được xem xét để phân tích về thu hoạch năng lượng và
xử lý thông tin như SISO, SIMO, MIMO.
Trong đồ án này em xin trình bày về kỹ thuật Decode and Forward (DF)
dựa trên thu hoạch năng lượng vô tuyến. Đầu tiên tại nút R sẽ thu hoạch năng lượng
vô tuyến từ tín hiệu nguồn S. Kế tiếp, R sẽ sử dụng năng lượng thu hoạch được để
truyền thông tin từ R đến đích D. S chuyển đổi năng lượng và thông tin đến nút R
theo hai cơ chế Time Switching Relaying (TSR), Power Splitting Relaying (PSR).
Từ việc thu hoạch năng lượng bị hạn chế tại R, chúng ta tiến hành phân tích một
cách chính xác về xác suất dừng, thông lượng bị giới hạn và dung lượng (Ergodic

capacity) của hệ thống theo cả hai cơ chế TSR và PSR.
Mạng truyền thông hợp tác là một ứng dụng của việc thu hoạch năng lượng,
nơi nút chuyển tiếp trung gian hỗ trợ truyền tải thông tin từ S đến D. Theo đó các
trạm chuyển tiếp bị giới hạn thời gian hoạt động, mà việc sạc hoặc thay thế thì vô
cùng tốn kém và phức tạp. Ứng dụng thu hoạch năng lượng là giải pháp được đưa ra
để kéo dài thời gian hoạt động của nút chuyển tiếp.
Trong chuyển mạch TSR nút R được chia theo thời gian thu hoạch năng
lượng và xử lý thông tin, tuy nhiên theo PSR nút R được chia tách năng lượng nhận
được cho thu hoạch năng lượng và xử lý thông tin.

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/53

1.2 Lý do chọn đề tài
Tìm hiểu về đề tài thu hoạch năng lượng vô tuyến theo em là một kỹ thuật
đáng để nghiên cứu vì những lý do sau:
 Đây là đề tài nhận được nhiều sự quan tâm. Qua đó cho thấy được tầm quan
trọng của thu hoạch năng lượng trong việc truyền dẫn vô tuyến.
 Hỗ trợ tốt trong mạng truyền thông hợp tác, giúp nâng cao tuổi thọ nút
chuyển tiếp tiết kiệm chi phí để thay thế và sạc pin lại cho thiết bị.
 Nâng cao khoảng cách truyền thông tin.
 Hạn chế tác động của nhiễu đồng kênh.

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/53

CHƯƠNG 1.

HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

1.1 Tổng quan hệ thống thông tin di động
Sự phát triển của hệ thống thông tin di động đã trải qua một chặng đường
dài và đạt được nhiều thành công nhất định. Nhìn lại, các công nghệ không dây đã
phát triển qua các con đường khác nhau và đều hướng đến mục đích chung về hiệu
năng và hiệu quả nhằm đáp ứng cho người dùng một cách tốt nhất. Thế hệ đầu tiên
(1G) đã đặt nền tảng đầu tiên khi cung cấp dịch vụ thoại cơ bản, và thế hệ thứ hai
(2G) là một bước nâng tầm về những gì 1G còn hạn chế đó là dung lượng và tầm
hoạt động.
Tiếp đến là thế hệ thứ ba (3G), có nhiệm vụ nâng cao tốc độ dữ liệu hơn
đồng thời mở ra khái niệm “băng thông rộng” cho thế hệ thứ tư (4G). Ở thế hệ thứ
tư (4G) sẽ cung cấp cho người dùng nhiều dịch vụ, bao gồm các dịch vụ di động
tiên tiến, được hỗ trợ bởi các nhà mạng di động, ngày càng nhiều gói tin, cùng với
sự hỗ trợ cho các ứng dụng di động với nhiều mức dữ liệu, phù hợp với nhu cầu
dịch vụ trong môi trường đa người dùng. Và trong tương lai với sự thúc đẩy xã hội
ngày càng phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn của người dùng thì hệ thống
thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) rất đáng được chờ đợi kèm theo đó là dịch vụ
và tốc độ được nâng tầm so với 4G.

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/53

Hình 2-1: Lộ trình phát triển thông tin di động [2]

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/53

1.2 Hệ thống thông tin di động thế hệ 1
1G là hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên cung cấp dịch vụ thoại vào
những năm 1980, hầu hết các hệ thống đều là tương tự sử dụng kỹ thuật điều chế
FDMA. AMPS là công nghệ được phát triển bởi Mỹ và Úc cung cấp dịch vụ thoại
với dung lượng kênh 30 KHz ở băng tần 824-894 MHz. Các tính năng cơ bản của
AMPS:





Tốc độ 2.4 Kbps.
Dung lượng thấp.
Chất lượng âm thanh kém.
Độ bảo mật kém.
Ngoài ra còn một số công nghệ khác như: NMT được phát triển ở các nước

Tây Âu, Bắc Âu, Nga. TACS được phát triển ở Anh.

Nhìn chung ở 1G đã đặt nền tảng cho việc phát triển hệ thống thông tin di
động tương lai nhưng có nhiều hạn chế ở hệ thống này là:
 Dung lượng thấp.
 Xác xuất rớt cuộc gọi cao.
 Độ bảo mật kém.
 Độ tin cậy chuyển cuộc gọi không cao.

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/53

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 2
2G là hệ thống thông tin di động thế hệ 2 có nhiệm vụ khắc phục các mặt
hạn chế ở thế hệ đầu. Hệ thống 2G là hệ thống số chủ yếu được sử dụng cho truyền
dẫn bằng tín hiệu số và tốc độ lên đến 64 Kbps. Ngoài thoại thì ở thế hệ 2 còn cung
cấp cho người dùng dịch vụ tin nhắn ngắn. Hai kỹ thuật điều chế được sử dụng là
TDMA và CDMA ở băng tần 850-1900 MHz, chuyển mạch kênh. Ngoài ra đây
cũng là bước đánh dấu sự thành công của hệ thống GSM xung quanh một số hệ
thống khác: IS-45, AMPS số, PDC thì GSM đạt được nhiều thành công nhất. Những
điểm nỗi bật ở thế hệ 2G là:





Tốc độ dữ liệu 64 Kbps.
Tín hiệu số.

Dịch vụ thoại và tin nhắn ngắn.
Yêu cầu vùng phủ sóng tín hiệu mạnh để hoạt động.
Công nghệ GSM sử dụng tám kênh sóng mang với tốc độ dữ liệu 6.5-13

Kbps, băng tần 900 MHz, sử dụng kỹ thuật TDMA. Các băng tần được chia thành
124 kênh với độ rộng 25 MHz.

Hình 2-2: Cấu trúc mạng GSM [2]

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/53

Cấu trúc mạng GSM được chia làm ba phân hệ:
 Phân hệ chuyển mạch NSS.
 Phân hệ vô tuyến RSS = BSS + MS.
 Phân hệ vận hành và bảo dưỡng OMC.
Trong quá trình phát triển từ 2G lên 3G, hệ thống 2G được phát triển qua
hai công nghệ trung gian được xem là 2.5G và 2.75G được kể đến là GPRS, EDGE.
 GPRS: Đây là một sự nâng cấp từ mạng GSM bằng cách giành một phần
trong các khe trên giao diện vô tuyến giành cho GPRS. Khi đó mạng lõi
GSM được mở rộng với GGSN và SGSN. Tốc độ mà GPRS mang lại là
171.2 Kbps.
 EDGE: Là một công nghệ xuất phát từ GPRS hỗ trợ truyền dữ liệu nhanh
hơn cho người dùng GPRS với tốc độ được cải thiện 384 Kbps.
Một số điểm mới ở 2.5G so với 2G:
 Tốc độ dữ liệu cao hơn.

 Hỗ trợ kết nối internet.
 Chuyển mạch gói.

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/53

1.3 Hệ thống thông tin di động thế hệ 3
Thế hệ 3G phát triển dựa trên mạng GSM. Mục đích của 3G là cung cấp
cho người dùng gói dữ liệu tốc độ cao. Ở thế hệ 3G tốc độ được cải tiến đáng kể lên
đến 2 Mbps nhờ áp dụng các phương thức chuyển mạch, sử dụng mạng không dây
băng thông rộng. 3G sử dụng chuyển mạch gói và được phát triển qua hai chuẩn:
W-CDMA phát triển từ GSM, CDMA-2000 được phát triển từ IS-95.
Một số tính năng chính của 3G:







Tốc độ 2 Mbps.
Băng thông rộng và tốc độ dữ liệu cao.
Tốc độ truy cập internet cao.
Dịch vụ tin nhắn, email với dung lượng lớn hơn.
Dịch vụ thoại chất lượng cao.
Cung cấp các dịch vụ đa phương tiện.

Hình 2-3: Cơ cấu kết nối W-CDMA [2]

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/53

Hệ thống 3G được gọi là UMTS (W-CDMA) được phát triển bởi liên minh
Châu Âu và được quản lý bởi 3GPP, trong khi CDMA-2000 được phát triển bởi Mỹ
và được quản lý bởi 3GPP2. Một chuẩn 3G khác được phát triển bởi Trung Quốc
nhưng về mặt thương mại thì lại kém hơn so với UMTS và CDMA-2000.

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/53

1.4 Hệ thống thông tin di động thế hệ 4
Thế hệ 4G cung cấp tốc độ tải xuống 100 Mbps. Về tính năng 4G tương tự
3G nhưng tốc độ được cải thiện rất nhiều để phục vụ cho các cuộc gọi video cho
chất lượng hình ảnh và âm thanh một cách sắc nét nhất có thể. LTE được coi là công
nghệ 4G. 4G được phát triển nhằm hướng đến cung cấp các dịch vụ truy cập
internet băng rộng, truyền hình HD....
Ở thế hệ thứ tư này phương thức điều chế được sử dụng là OFDMA và
quản lý trên nền IP. Việc sử dụng băng thông một cách hiệu quả được thông qua

bằng cách sử dụng máy thu vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm (SDR).
Một số tính năng chính của 4G:





Tốc độ từ 10 Mbps-1 Gbps.
Video trực tuyến tốc độ cao.
Kết hợp Wi-Fi và Wi-Max.
Tiết kiệm năng lượng.

 Bảo mật cao.

Hình 2-4: Mô hình mạng 4G [2]

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/53

1.5 Hệ thống thông tin di động thế hệ 5
5G là công nghệ di động thế hệ năm có khả năng truyền dữ liệu với tốc độ
rất cao, được mong chờ sẽ đáp ứng nhu cầu nhiều hơn sự mong đợi của người dùng.
Cung cấp kết nối băng thông rộng, kết nối mọi nơi, không trễ, đáp ứng nhanh và
video HD chất lượng cao. Công nghệ 5G được dự kiến sẽ cung cấp băng tần mới và
được hỗ trợ bởi WWW.
Các tính năng chính của 5G:







Tốc độ và dung lượng cao hơn so với 4G.
Cung cấp đa phương tiện chất lượng cao.
Cho phép nhiều thiết bị được kết nối đồng thời.
Tốc độ chuyển cuộc gọi nhanh.
Độ tin cậy cao.

 Độ trễ thấp.

Hình 2-5: Mô hình mạng 5G [2]

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/53

Bảng 2-1: Bảng so sánh các thế hệ di động: 1G đến 5G [2]

Công
nghệ
Băng
thông
Công

nghệ
Ghép
kênh
Chuyển
mạch

1G

2G

3G

4G

2 Kbps

64 Kbps

2 Mbps

1 Gbps

CDMA 2000,
Analog

Digital

UMTS,
EDGE

FDMA
Chuyển
mạch
mạch

TDMA,

Thoại

Fi, LTE

Lớn hơn 1
Gbps
WWW

CDMA

CDMA

CDMA

mạch mạch

Chuyển

Chuyển mạch

Chuyển

và chuyển

mạch gói

gói

mạch gói

CDMA
Chuyển

mạch gói
Thoại, tin

Dịch vụ

Wi-Max, Wi-

5G

Thoại và tin

nhắn,

nhắn ngắn

internet, đa
phương tiện

Tất cả các
dịch vụ 3G

với dung
lượng cao
hơn

Tất cả dịch
vụ 4G với
dung lượng
lớn hơn

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/53

CHƯƠNG 2.

MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG THỨC

2.1 Giới thiệu
Trong các hệ thống truyền thông chuyển tiếp, vấn đề về năng lượng để duy
trì hoạt động của mạng gặp nhiều khó khăn khi năng lượng để hoạt động bị giới
hạn. Tuy có thể thay thế pin hoặc nạp lại nhưng việc này gây nhiều tốn kém và
không dễ được thực hiện cũng như tính tiện lợi của hệ thống. Ngay lúc này, một
phương pháp được đưa ra nhằm tối ưu kéo dài thời gian hoạt động của mạng đó là
thu hoạch năng lượng vô tuyến (RF). Mặc dù chúng ta có thể sử dụng các nguồn
năng lượng khác (năng lượng mặt trời, năng lượng gió...) nhưng những nguồn năng
lượng này lại chịu sự tác động bởi thiên nhiên và không thể kiểm soát được. Vậy
thu hoạch năng lượng vô tuyến là biện pháp tối ưu để duy trì hoạt động của mạng.

Tín hiệu RF có thể mang cả thông tin và năng lượng, lợi dụng vào đặc điểm
này các hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực thông tin không dây và truyền năng
lượng được diễn ra khá nhiều. Mục đích của sự nghiên cứu này là mô phỏng các mô
hình dựa trên tính toán để đánh giá được hiệu suất hoạt động của mạng, từ đó áp
dụng các mô hình này vào thực tiễn nhằm tối ưu hệ thống.
Nhiều cuộc nghiên cứu trên nhiều mô hình với các phương thức truyền
khác nhau bán song công hoặc song công, đa chặng hay một chặng. Tất cả được đưa
ra xoay quanh hai cơ chế truyền dẫn khuếch đại và chuyển tiếp (AF), giải mã và
chuyển tiếp (DF) hoặc kết hợp cả hai. Trong phần đồ án này em xin trình bày về mô
hình bán song công một chặn theo mô hình TSR và PSR theo cơ chế truyền dẫn giải
mã và chuyển tiếp (DF).

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/53

2.2 Kỹ thuật chuyển tiếp
Kỹ thuật chuyển tiếp là kỹ thuật sử dụng nút chuyển tiếp relay trung gian để
truyền thông tin giữa nguồn và đích. Có hai loại nút chuyển tiếp:
 Loại 1: Giúp mở rộng vùng phủ sóng.
 Loại 2: Giúp cải thiện được chất lượng dịch vụ.
Lợi ích của kỹ thuật chuyển tiếp:





Mở rộng vùng phủ sóng.
Kết nối liên tục và không bị gián đoạn.
Tiết kiệm chi phí.
Giảm thiểu tác động của nhiễu đồng kênh.

 Tối ưu công suất.
 Dễ dàng lắp đặt và nhỏ gọn.
 Chất lượng hệ thống được nâng cao.
Có nhiều loại chuyển tiếp như: chuyển tiếp đơn chặng, đa chặng và một
chiều hay hai chiều. Ở phần đồ án này loại chuyển tiếp mà em khảo sát là chuyển
tiếp đơn chặng, một chiều.

h

S

Truyền thông tin

R

g

D

Thu năng lượng

Hình 3-6: Mô hình hệ thống bán song công [4]

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/53

2.2.1 Cơ chế chuyển tiếp DF
Nguyên lý hoạt động: Đầu tiên nguồn phát sẽ truyền thông tin đã được mã
hóa và năng lượng đến nút relay, nút relay có nhiệm vụ thu hoạch năng lượng từ
nguồn phát, sau đó giải mã thông tin từ nguồn phát chuyển đến đích.

Hình 3-7: Mô hình chuyển tiếp đơn chặng DF [1]

Ưu điểm của DF là tránh được ảnh hưởng của nhiễu và khuyết điểm là mã
hóa và giải mã diễn ra ở relay phức tạp.

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/53

2.2.2 Cơ chế chuyển tiếp AF
Nguyên lý hoạt động: Đầu tiên nguồn phát sẽ truyền thông tin và năng
lượng đến nút relay tại nút relay sẽ thu hoạch năng lượng và khuếch đại tín hiệu
nhận được bị suy hao truyền đến đích.

Hình 3-8: Mô hình chuyển tiếp đơn chặng AF [1]

Ưu điểm của cơ chế AF quá trình thực hiện khá đơn giản và khuyết điểm là

gây nhiễu nhiều vì khi khuếch đại tín hiệu thì tín hiệu nhiễu cũng được khuếch đại
theo.

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/53

2.3 Mô hình hệ thống TSR
Theo sự mô tả hình 3-1 em tiến hành khảo sát hệ thống bán song công,
trong đó thông tin được truyền đi từ S đến D thông qua relay trung gian chuyển tiếp
và giải mã R. Vai trò của R ở đây là mở rộng phạm vi chuyển tiếp giữa S và D. Giả
sử R có thể thu hoạch năng lượng từ S để duy trì hoạt động trong mạng.
Trong giao thức TSR theo hình 3-4, việc thu hoạch năng lượng được chia
thành hai pha. Pha đầu tiên R thu hoạch năng lượng và nhận thông tin từ S sau đó
pha còn lại có nhiệm vụ truyền tải thông tin từ S đến D. Trong đó T là khối thời gian
thông tin được truyền đi từ S đến D,  là hệ số phân chia khối thời gian thu hoạch
năng lượng từ S. Sau đây chúng ta đi phân tích chi tiết từng pha.

Thu năng
lượng tại R

T
Truyền thông
tin từ S
R

Truyền thông

tin từ R
D

Hình 3-9: Cơ cấu phân chia khối thời gian thu năng lượng và truyền thông tin
TSR [4]

yR
(t)

yR
(t)
na
(t)

yR (t)

Thu hoạch năng lượng
Xử lý
Baseband

Chuyển đổi RF sang
Baseband
c (t)
ncn(t)

nc (t)
Tín hiệu nhận

Hình 3-10: Sơ đồ khối máy thu TSR [4]

Đánh giá xác suất dừng và dung lượng Ergodic của hệ thống giải mã và chuyển
tiếp bán song công.