ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG KÊNH TRUYỀN TRONG MẠNG SONG CÔNG

ĐÁNH GIÁ THÔNG LƯỢNG KÊNH
TRUYỀN TRONG MẠNG SONG CÔNG


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ..............................................................................................V
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...................................................................................VI
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU LỊCH SỬ MẠNG DI ĐỘNG...............................................1
1.1

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÁC THẾ HỆ MẠNG DI ĐỘNG.............................................1

1.1.1

Mạng 1G.............................................................................................................1

1.1.2

Mạng 2G.............................................................................................................1

1.1.3

Mạng 2.5G..........................................................................................................2

1.1.4

Mạng 3G.............................................................................................................2

1.1.5

Mạng 4G.............................................................................................................3

1.1.6

Mạng 5G.............................................................................................................3

CHƯƠNG 2. NỘI DUNG ĐỀ TÀI......................................................................................5
2.1

GIỚI THIỆU HỆ THỐNG................................................................................................5

2.1.1

Hệ thống song công............................................................................................6

2.1.2

Hệ thống Relay....................................................................................................6

2.2

GIAO THỨC DF TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG..........................................................6

2.3

CÁC GIAI ĐOẠN VÀ CÔNG THỨC.................................................................................7

2.3.1

Giai đoạn Relay thu thập năng lượng và nhận tín hiệu từ Nguồn......................7

2.3.2

Giai đoạn Relay xử lí tín hiệu nhận từ Nguồn và truyền đi................................7

2.3.3

Giai đoạn từ Relay tới Đích................................................................................8

2.3.4

Xác suất dừng.....................................................................................................8

2.3.5

Thông lượng hệ thống.........................................................................................9

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.............................................................................10
3.1

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.................................................................................................11

3.1.1

So sánh kết quả giữa thông lượng và xác suất ngõ ra dựa theo công suất đầu

vào:

...........................................................................................................................11

3.1.2

So sánh kết quả giữa thông lượng và xác suất ngõ ra dựa theo hệ số alpha:. .12


3.1.3

So sánh kết quả giữa thông lượng và xác suất ngõ ra dựa theo tốc độ bit R

(bps): ..........................................................................................................................13
3.1.4

So sánh kết quả giữa thông lượng và xác suất ngõ ra dựa theo hệ số hiệu suất

chuyển đổi năng lượng (theta):.....................................................................................14
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN..................................................................................................15
4.1

KẾT LUẬN.................................................................................................................15

4.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................15

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................16


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1-1: So sánh các thế hệ mạng di động...............................................................4
Hình 2-1: Mô hình hệ thống......................................................................................5
Hình 2-2: Thời gian tương ứng cho từng quá trình....................................................5

Hình 3-1: Thông lượng và xác suất ngõ ra khi thay đổi..........................................11
Hình 3-2: Thông lượng và xác suất ngõ ra khi alpha thay đổi.................................12
Hình 3-3: Thông lượng và xác suất ngõ ra khi R thay đổi.......................................13
Hình 3-4: Thông lượng và xác suất ngõ ra khi thay đổi..........................................14

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT


DF

Decode and Forward

SNR

Signal to Noise Ratio

AWGN

Additive white Gaussian Noise

TDMA

Time Division Multiplexing Access

CDMA

Code Division Multiplexing Access

OFDM

Orthogonal Frequency Division Multiplexing

IEEE

Institute of Electrical and Electronics Engineers

LTE

Long Term Evolution


Trang 1/16

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU LỊCH SỬ MẠNG DI ĐỘNG

1.1 Lịch sử phát triển của các thế hệ mạng di động
Mạng di động ra đời đã và đang mang đến nhiều giá trị tích cực cho đời sống con
người. Nó không chỉ giúp chúng ta giải quyết công việc dễ dàng, nó còn phục vụ
nhu cầu vui chơi giải trí, đồng thời giúp kết nối bạn bè, kết nối thế giới. Hiện nay
trên thị trường viễn thông thì 3G, 4G đang được phủ sóng rộng rãi, các gói cước
3G, 4G của các nhà mạng Mobifone, Viettel, Vinaphone được nhiều người sử dụng
nhưng theo dòng lịch sử thì mạng di động hình thành và phát triển qua rất nhiều giai
đoạn.
1.1.1 Mạng 1G
Được giới thiệu lần đầu vào thập niên 80 của thế kỉ 20, 1G là mạng thông tin di
động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới, là hệ thống giao tiếp thông tin qua kết
nối tín hiệu analog. Sử dụng các antenna thu phát sóng gắn ngoài, kết nối tín hiệu
tới các trạm thu phát sóng và nhận tín hiệu xử lí thoại thông qua các module trong

máy di động. Mặc dù là thế hệ mạng di động đầu tiên với tần số 150Mhz nhưng
mạng 1G được phân ra nhiều chuẩn kết nối theo từng vùng trên thế giới như: NMT
(Nordic Mobile Telephone), AMPS (Advanced Mobile Phone System), ACS (Total
Access Communications System), JTAGS, -Netz, Radiocom2000 và RTMI.
1.1.2 Mạng 2G
Là thế hệ kết nối thông tin di động mang tính cải cách cũng như khác hoàn toàn so
với thế hệ đầu tiên. 2G sử dụng các tín hiệu kỹ thuật số thay cho tín hiệu analog của
thế hệ 1G và được áp dụng lần đầu tiên tại Phần Lan bởi Radiolinja (hiện là nhà
cung cấp mạng con của tập đoàn Elisa Oyj) trong năm 1991. Mạng 2G mang tới cho
người sử dụng di động 3 lợi ích tiến bộ trong suốt một thời gian dài: mã hoá dữ liệu
theo dạng kỹ thuật số, phạm vi kết nối rộng hơn 1G và đặc biệt là sự xuất hiện của
tin nhắn dạng văn bản đơn giản – SMS.

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 2/16

Mạng 2G chia làm 2 nhánh chính: nền TDMA (Time Division Multiple Access) và
nền CDMA cùng nhiều dạng kết nối mạng tuỳ theo yêu cầu sử dụng từ thiết bị cũng
như hạ tầng từng phân vùng quốc gia.
1.1.3 Mạng 2.5G
Là thế hệ kết nối thông tin di động giữa 2G và 3G. Chữ số 2.5G chính là biểu tượng
cho việc mạng 2G được trang bị hệ thống chuyển mạch gói bên cạnh hệ thống
chuyển mạch theo kênh truyền thống. Nó không được định nghĩa chính thức bởi bất
kỳ nhà mạng hay tổ chức nào và chỉ mang mục đích duy nhất là tiếp thị công nghệ
mới theo mạng 2G.
Mạng 2.5G cung cấp một số lợi ích tương tự mạng 3G và có thể dùng cơ sở hạ tầng
có sẵn của các nhà mạng 2G trong các mạng GSM và CDMA. Và tiến bộ duy nhất
chính là GPRS - công nghệ kết nối trực tuyến, lưu chuyển dữ liệu được dùng bởi

các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông GSM. Bên cạnh đó, một vài giao thức, chẳng
hạn như EDGE cho GSM và CDMA2000 1x-RTT cho CDMA, có thể đạt được chất
lượng gần như các dịch vụ cơ bản 3G (bởi vì chúng dùng một tốc độ truyền dữ liệu
chung là 144 kbps), nhưng vẫn được xem như là dịch vụ 2.5G (hoặc là 2.75G) bởi
vì nó chậm hơn vài lần so với dịch vụ 3G thực sự.
1.1.4 Mạng 3G
Là thế hệ truyền thông di động thứ ba, tiên tiến hơn hẳn các thế hệ trước đó. Nó cho
phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải dữ
liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips...).
Công nghệ 3G cũng được nhắc đến như là một chuẩn IMT-2000 của Tổ chức Viễn
thông Thế giới (ITU). Ban đầu 3G được dự kiến là một chuẩn thống nhất trên thế
giới, nhưng trên thực tế, thế giới 3G đã bị chia thành 4 phần riêng biệt: UMTS (WCDMA), CDMA 2000, TD-SCDMA, Wideband CDMA.

1.1.5 Mạng 4G

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 3/16

4G là viết tắt của Fourth Generation, là công nghệ truyền thông không dây thứ tư,
cho phép truyền tải dữ liệu với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng lên tới 11,5Gbps. Tên gọi 4G do IEEE đặt ra để diễn đạt ý nghĩa “3G và hơn nữa”.Mạng 4G
với tốc độ cao hơn hẳn sẽ giúp cho tốc độ truyền tải của dữ liệu trên các hệ thống
mạng được cải thiện đáng kể và đưa các dịch vụ cao cấp như sử dụng ứng dụng di
động, trên video trực tiếp trên mạng, hội nghị truyền hình hay chơi game trực
tuyến…. Tuy nhiên, điểm “lợi hại” nhất của mạng 4G là nó có thể thay thế một cách
hoàn hảo các đường truyền Internet cố định (kể cả đường truyền cáp quang) với tốc
độ không thua kém, vùng phủ sóng rộng lớn hơn và có tính di động rất cao.
1.1.6 Mạng 5G
5G là hệ thống mạng mới có tốc độ và dung lượng cao hơn, ít độ trễ hơn hệ thống di

động hiện tại. Công nghệ được dùng cho 5G vẫn đang được quyết định, nhưng có
một số điểm mọi người đều đồng ý, 5G sẽ sử dụng kiểu giải mã OFDM, tương tự
với LTE. Giao diện sẽ được thiết kế với độ trễ ít hơn và linh hoạt hơn LTE. Hệ
thống chủ yếu sử dụng tần số rất cao để truyền đi lượng dữ liệu lớn nhưng chỉ một
vài khối tại một thời điểm. Chuẩn này sẽ hoạt động từ tần số thấp đến cao nhưng có
nhiều lợi ích hơn 4G ở tần số cao hơn.
5G có thể truyền dữ liệu qua tần số không có giấy phép hiện đang sử dụng cho WiFi mà không xung đột với mạng Wi-Fi hiện có. Nó tương tự với công nghệ mà TMobile sắp ra mắt năm nay là LTE-U.

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 4/16

Hình 1-1: So sánh các thế hệ mạng di động

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 5/16

CHƯƠNG 2.

NỘI DUNG ĐỀ TÀI

1.2 Giới thiệu hệ thống
Hệ thống Full-Duplex hoạt động qua 3 giai đoạn: Nguồn (Source) sẽ gửi tín hiệu tới
Relay, tại Relay sẽ thu thập năng lượng từ nút nguồn, giải mã tín hiệu từ Nguồn sau
đó mã hóa và gửi tới Đích (Destination).

Hình 2-2: Mô hình hệ thống

Gọi T là tổng thời gian tín hiệu đi từ Nguồn tới Đích, là khoảng thời gian thu thập
năng lượng tại Relay, là khoảng thời gian truyền tín hiệu.

Hình 2-3: Thời gian tương ứng cho từng quá trình

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 6/16

1.1.7 Hệ thống song công
Là hệ thống giúp 2 thiết bị kết nối với nhau có thể giao tiếp với nhau theo 2 chiều
và đồng thời. Mạng điện thoại hữu tuyến hay điện thoại di động là một hệ thống
song công toàn phần, do nó cho phép cả hai người tham gia một cuộc điện thoại
nghe và nói cùng lúc.
Điện đài hai chiều có thể được thiết kế thành các hệ thống song công toàn phần,
trong đó gửi và nhận tại hai tần số khác nhau.
Song công thì sử dụng 2 tần số khác nhau giữa 2 máy nếu không tín hiệu khi phát
và thu sẽ nhiễu lẫn nhau. Phần lớn các hệ thống song công mang dữ liệu sẽ không
truyền đi cho tới khi nhận được tín hiệu phản hồi từ bên còn lại nên độ tin cậy cao.
Trong hệ thống song công, có 2 phương pháp được sử dụng: chia theo thời gian
(TDD) và chia theo tần số (FDD).
1.1.8 Hệ thống Relay
Là 1 trạm dừng để giải mã tín hiệu và lọc nhiễu tín hiệu nhận được từ nguồn, ngoài
ra còn đảm bảo cho hệ thống hoạt động ổn định.
1.3 Giao thức DF trong hệ thống song công
Giao thức DF ( Decode 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.

1.4 Các giai đoạn và công thức
1.1.9 Giai đoạn Relay thu thập năng lượng và nhận tín hiệu từ Nguồn
Tín hiệu nhận được tại Relay như sau:
= + +

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 7/16

Trong đó là tín hiệu truyền đi thỏa mãn E{} = , là hệ số nhiễu AWGN với phương
sai , là kí hiệu năng lượng với E{} = .
Năng lượng thu thập được tính bằng:
Trong đó: là hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
là công suất nguồn.
là thời gian thu thập năng lượng
là độ lợi tại Relay
Công suất được tính như sau:
Với
1.1.10 Giai đoạn Relay xử lí tín hiệu nhận từ Nguồn và truyền đi
Relay nhận tín hiệu từ Nguồn sau đó giải mã loại bỏ nhiễu rồi mã hóa và truyền đi
Tín hiệu truyền đi từ Relay:
Vậy hệ số nhiễu SNR tại Relay được tính bằng:
Giả sử suy ra:
1.1.11 Giai đoạn từ Relay tới Đích
Tín hiệu nhận được tại Đích như sau:
Trong đó:
là tín hiệu truyền đi thỏa mãn E{} =

là nhiễu AWGN tại Đích với phương sai
Suy ra hệ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại Đích được tính như sau:
là độ lợi tại Đích
Từ đó ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu của toàn hệ thống được tính là:

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 8/16

1.1.12 Xác suất dừng
Trong giao thức DF, truyền dữ liệu được chia làm 2 giai đoạn 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 : . Nên hệ thống sẽ dừng nếu SNR của 1
giai đoạn nhỏ hơn giá trị ngưỡng cho trước (gọi là ).
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:

Với B là băng thông của kênh thông tin, đơn vị đo là Hz, S là công suất của tín hiệu
được truyền đi, đơn vị W, N là công suất của nhiễu, đơn vị đo W. C và R là bit/giây
hay bps, R là tốc độ bit.

Cho B = 1, từ công thức => SNR = 2R -1 = .
= ( min() < 
= ( min(,)) < 


=(  , )

Thay công thức và vào biểu thức ta được:
Đặt , , thay vào ta có:

Sử dụng sự độc lập của các biến ngẫy nhiên và hàm mật độ xác suất (Probability
density function (PDF) và Cummulative distribution function (CDF)) dùng để biểu
diễn một phân bố xác suất theo tích phân. Hàm mật độ xác suất của một giá trị lớn
hơn một số âm của nó từ −∞ tới +∞ có giá trị bằng 1.
Vậy phương trình được viết lại:

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 9/16

Trong đó: là hàm Bessel of the second kind.
1.1.13 Thông lượng hệ thống
Thông lượng hệ thống được tính như sau:

CHƯƠNG 3.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Trong bài này chúng ta sẽ mô phỏng xác suất ngõ ra và thông lượng ngõ ra theo 4
giá trị là: công suất, tốc độ bit, hệ số alpha, hệ số hiệu suất chuyển đổi năng lượng
1.5 Kết quả mô phỏng
1.1.14 So sánh kết quả giữa thông lượng và xác suất ngõ ra dựa theo công suất đầu
vào:

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công

Trang 10/16

Hình 3-4: Thông lượng và xác suất ngõ ra khi thay đổi

1.1.15 So sánh kết quả giữa thông lượng và xác suất ngõ ra dựa theo hệ số alpha:

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 11/16

Hình 3-5: Thông lượng và xác suất ngõ ra khi alpha thay đổi

1.1.16 So sánh kết quả giữa thông lượng và xác suất ngõ ra dựa theo tốc độ bit R
(bps):

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 12/16

Hình 3-6: Thông lượng và xác suất ngõ ra khi R thay đổi

1.1.17 So sánh kết quả giữa thông lượng và xác suất ngõ ra dựa theo hệ số hiệu suất

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 13/16

chuyển đổi năng lượng (theta):

Hình 3-7: Thông lượng và xác suất ngõ ra khi thay đổi

CHƯƠNG 4.

KẾT LUẬN

1.6 Kết luận

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 14/16

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 Thầy hướng
dẫn 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.
1.7 Hướng phát triển
Từ việc mô phỏng thành công giao thức DF chúng ta có thể phát triển thêm trên
giao thức AF với việc có thêm nhiễu tại đích để có thể thấy được sự khác nhau giữa
2 giao thức từ đó chọn ra phương thức phù hợp cho các điều kiện sử dụng khác
nhau.

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công


Trang 15/16

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Anh:
[1] Relaying Protocols for Wireless Energy Harvesting and Information
Processing (Ali A. Nasir, Xiang Zhou, Salman Durrani, Rodney A.
Kennedy).
[2] Wireless Information and Power Transfer with Full Duplex Relaying (Caijun
Zhong, Himal A. Suraweera, Gan Zheng, Ionanis Krikidis, Zhaoyang
Zhang).

Đánh giá thông lượng kênh truyền trong hệ thống song công