Đánh giá hiệu năng lựa chọn relay và antenna trong mạng khuếch đại và chuyển tiếp hai chiều
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.2 MB, 102 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------------
HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA
TRONG MẠNG KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI
CHIỀU
Chuyên ngành:
KỸ THUẬT VIỄN THƠNG
Mã số:
60520208
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2016
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Hà Hoàng Kha
Cán bộ chấm nhận xét 1:
TS. Võ Quế Sơn
Cán bộ chấm nhận xét 2:
PGS. TS. Phạm Hồng Liên
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 12 tháng 7 năm 2016
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ Tịch: TS. Huỳnh Phú Minh Cường
2. Thư Ký: TS. Lê Quang Đăng
3. Phản Biện 1: TS. Võ Quế Sơn
4. Phản Biện 2: PGS. TS. Phạm Hồng Liên
5. Ủy Viên: TS. Chế Viết Nhật Anh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG
TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:
Ngày, tháng, năm sinh:
Chun ngành:
Huỳnh Đức Hồng
22/03/1982
Kỹ thuật viễn thơng
MSHV:
Nơi sinh:
Mã số:
13140468
Phú Yên
60520208
I. TÊN ĐỀ TÀI: “Đánh giá hiệu năng lựa chọn Relay và Antenna trong mạng khuếch
đại chuyển tiếp hai chiều”.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Khái quát lý thuyết kênh truyền vô tuyến và hệ thống vô tuyến
Khái qt về mơ hình, ngun lý hệ thống mạng chuyển tiếp hai chiều
Giới thiệu phương pháp tối ưu bầy đàn
Đưa ra phương pháp lựa chọn Relay và Antenna trong mạng khuếch đại và
chuyển tiếp hai chiều
Đánh giá hiệu năng hệ thống bằng phân tích tốn học và ứng dụng phương pháp
tối ưu bầy đàn
Kiểm chứng kết quả các mơ hình đã đưa ra bằng kết quả mơ phỏng.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
11/01/2016
IV. NGÀY HỒN THÀNH NHIỆM VỤ:
17/06/2016
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. Hà Hoàng Kha.
TP Hồ Chí Minh, ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
tháng
năm 2016
CHỦ NHIỆM BỘ MƠN ĐÀO TẠO
TRƯỞNG KHOA
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất các thầy cô bộ môn Viễn
thơng trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh. Các thầy cơ đã tận tình
giảng dạy, chỉ bảo và cung cấp cho tôi rất nhiều kiến thức bổ ích, từ kiến thức chuyên
môn đến các lĩnh vực khác trong cuộc sống. Qua đó giúp tơi bổ sung được nhiều kiến
thức cần thiết trong công việc cũng như trưởng thành hơn trong cuộc sống.
Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và biết ơn đến thầy: TS.Hà Hồng Kha
– Người đã trực tiếp giảng dạy tơi trong suốt hai năm qua cũng như tận tình giúp đỡ
hướng dẫn tơi trong suốt q trình thực hiện luận văn Thạc sĩ này. Nhờ sự tận tâm
hướng dẫn của thầy đã cho tơi thêm nhiều kiến thức bổ ích từ những kiến thức cơ bản
nhất đến những kiến thức nâng cao, cũng như giúp tôi hiểu thêm được nhiều vấn đề
cũng như kiến thức chung về chuyên ngành viễn thông, đặc biệt là kiến thức về thông
tin di động (Wireless Communication), mạng chuyển tiếp (Relay Network), Phương
pháp tốn tối ưu.
Tơi mong muốn trong tương lai sẽ tiếp tục nhận được sự chỉ dạy của các thầy,
các cô về kiến thức, học thuật cũng như nhiều lĩnh vực khác để tôi có thể phát triển và
hồn thiện hơn.
Cuối cùng, tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình tơi. Gia đình là chỗ dựa vững
chắc cho tơi có động lực, điều kiện để tơi có thể hồn thành được chương trình học sau
đại học tại trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM cũng như hồn thành luận văn thạc sĩ
này.
TP Hồ Chí Minh, ngày tháng 6 năm 2016
Huỳnh Đức Hoàng
TÓM TẮT
Hiện nay, trong xu thế phát triển mạnh mẽ của ngành viễn thơng nói chung và
thơng tin di động nói riêng, các cơng nghệ kỹ thuật ln được đổi mới, cải tiến không
ngừng. Đến nay, ngành viễn thông đã trải qua bốn thế hệ di động và đang tiệm cận thế
hệ di động mới là 5G. Với việc tần số sử dụng ngày càng cao, băng thông rộng, tốc độ
dữ liệu ngày càng lớn làm cho vùng phủ càng bị thu hẹp, đặc biệt với các thế hệ di
động thứ 4 (LTE) trở đi.
Với mục đích mở rộng vùng phủ, tăng dung lượng, nâng cao chất lượng vùng
phủ ở các vị trí che chắn, khó phủ sóng hay các vùng biên với yêu cầu chi phí thấp,
đơn giản, dễ thực hiện nhưng vẫn có thể đạt kết quả tốt thì relay (thiết bị chuyển tiếp
tín hiệu) là một giải pháp tốt cho mạng di động.
Trong phạm vi đề tài, tôi sẽ đưa ra cách lựa chọn, ứng dụng và đánh giá hiệu
năng việc lựa chọn relay trong mạng khuếch đại chuyển tiếp hai chiều. Các Phương
pháp lựa chọn relay và antenna trong mạng khuếch đại chuyển tiếp hai chiều sẽ lần
lượt được xem xét thơng qua phân tích, thuật tốn, và phương pháp tối ưu bầy đàn
(PSO) để tìm ra các sử dụng hiệu quả nhất relay, antenna về mặt tài nguyên, phần cứng
, tiết kiệm năng lượng. Qua đó nhằm đưa ra sự lựa chọn nhanh chóng, đơn giản nhất
trong các trường hợp cụ thể. Cũng như đơn giản hóa khả năng ứng dụng relay trong
mạng thơng tin di động ở các thế hệ kế tiếp với hiệu quả cao nhất.
ABSTRACTS
Today, with an explosive development of telecommunications, especially
mobile wireless communications, the related technogies and engineering have been
continuously improved. Now, wireless communicatons has envovled over 4
generations and is about to reach the 5th generation (5G), With highly reusing of the
frequency, wide bandwidth, high data rate result in the small coverage areas,
especially for the 4G (LTE) systems and latters.
With the aim of expanding the coverage areas, increasing the channel capacity,
improving the quality of service of the mobile users at shadowing areas or at the edges
of cells with low costs, the relay technique is a good solution.
In this thesis, I will investigate the relay selection technique and antenna
selection. I will analyse the performance of relay selection in two-way relay networks.
The relay and antenna selection methods in amplify and forward two-way relay
networks are further studied by using particle swarm optimization (PSO) to evaluate
the performance of the possible solutions. The results will provide insights into the
optimal soutions for each considered model.
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên: Huỳnh Đức Hoàng, là học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông,
K2013, trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh. MSHV: 13140468
Tơi xin cam đoan:
-
Luận văn này là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tơi, dưới sự hướng dẫn của TS
Hà Hoàng Kha
Các tiều liệu trích dẫn đều là tài liệu thực tế, độ chính xác cao và đã qua kiểm
chứng.
Các số liệu, kết quả mô phỏng được thực hiện độc lập và trung thực.
Tôi xin chịu trách nhiệm về luận văn của mình
Học viên
Huỳnh Đức Hoàng
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i
TÓM TẮT ....................................................................................................................... ii
ABSTRACTS ................................................................................................................. iii
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iv
MỤC LỤC ....................................................................................................................... 1
DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................. 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ 7
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT .............................................................. 8
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ................................................................................................ 10
1.1
Lý do chọn đề tài ............................................................................................. 10
1.2
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn ................................................................. 12
1.3
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn .............................................. 12
1.4
Bố cục luận văn ............................................................................................... 13
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 14
2.1
Kênh truyền vô tuyến ...................................................................................... 14
2.1.1
Kênh truyền vô tuyến và các vấn đề ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến
14
2.1.2 Phân loại kênh truyền: ................................................................................... 17
2.1.3 Hiện tượng Fading ......................................................................................... 18
2.1.4
2.2
Các phân bố kênh truyền cơ bản ............................................................ 19
Các hệ thống thông tin vô tuyến ...................................................................... 22
2.2.1
Hệ thống SISO (Single Input – Single Output) ........................................ 22
2.2.2
Hệ thống SIMO (Single Input – Multiple Output) ................................... 24
2.2.3
Hệ thống MISO (Multiple Input – Single Output) .................................. 24
2.2.4
Hệ thống MIMO (Multiple Input – Multiple Output) .............................. 25
2.3
Mơ hình mạng chuyển tiếp (relay network) .................................................... 26
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 1
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
2.3.1
Sự cần thiết sử dụng mạng chuyển tiếp trong hệ thống thông tin di động
26
2.3.2
Phân loại các loại relay ............................................................................. 27
2.3.3 Phân loại mạng chuyển tiếp........................................................................... 29
2.4
Lý thuyết tối ưu bầy đàn .................................................................................. 31
2.4.1
Tổng quan về tối ưu hóa ........................................................................... 31
2.4.2
Khái niệm về tối ưu toán học .................................................................... 31
2.4.3
Các dạng tối ưu toán học tiêu biểu ........................................................... 32
2.4.4
Ứng dụng của tối ưu toán học ................................................................... 36
2.5
Tối ưu bầy đàn ................................................................................................. 37
2.5.1
Khái niệm tối ưu bầy đán ( PSO) .............................................................. 37
2.5.2
Lưu đồ giải thuật ....................................................................................... 39
2.5.3
Giải thuật tối ưu bầy đàn........................................................................... 40
2.5.4
Ứng dụng của giải thuật tối ưu bầy đàn .................................................... 44
CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN RELAY VÀ TỐI ƯU CÔNG SUẤT RELAY TRONG
MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU ................................................ 45
3.1
Lựa chọn relay trong mạng khuếch đại chuyển tiếp hai chiều ........................ 45
3.1.1 Lựa chọn relay trong mạng khuếch đại – chuyển tiếp hai chiều ................. 48
3.1.2
Phân tích hiệu năng lựa chọn relay .............................................................. 49
3.2 Tối ưu hóa cơng suất cho các Relay trong mạng khuếch đại, chuyển tiếp hai
chiều bằng phương pháp tối ưu bầy đàn (PSO) ......................................................... 53
3.3
Kết quả mô phỏng............................................................................................ 62
3.3.1 Mô phỏng đánh giá sự ảnh hưởng của số lượng Relay đến hiệu năng hệ
thống trong lựa chọn Relay mạng khuếch đại và chuyển tiếp hai chiều. ............... 62
3.3.2 Mô phỏng so sánh phương pháp lựa lọn Relay tối ưu và cận tối ưu trong
mạng Relay khuếch đại và chuyển tiếp hai chiều. ................................................. 63
3.3.3 Mô phỏng so sánh kết quả từ phân tích tín hiệu (Simulated) và áp dùng
các kết quả toán học (Analytical) trong mạng relay khuếch đại và chuyển tiếp hai
chiều. 64
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 2
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
3.3.4 Mô phỏng so sánh kết quả giữa phương pháp PSO, lựa chọn relay và
trường hợp các Relay phát công suất đồng nhất (EPA-Equal Power Allocation) . 65
CHƯƠNG 4: LỰA CHỌN ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN
TIẾP MIMO .................................................................................................................. 67
4.1
Mơ hình hệ thống:............................................................................................ 67
4.2 Tối ưu hóa cơng suất cho Antennas tại hai nguồn phát bằng Phương pháp tối
ưu bầy đàn PSO ......................................................................................................... 72
4.2.1
Mô hình hệ thống: ..................................................................................... 72
4.2.2 Tối ưu hóa cống suất phát Antennas trong mạng khuếch đại chuyển tiếp
hai chiều MIMO ..................................................................................................... 73
4.3
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.................................................................................. 83
4.3.1
Lựa chọn Antenna trong mạch khuếch đại chuyển tiếp hai chiều ........... 83
4.3.2 Đánh giá hiệu năng lựa chọn Antenna và Antenna phát công suất đồng
nhất (EPA-Equal Power Allocation) và tối ưu hóa cơng suất phát (PSO) trong
mạch khuếch đại chuyển tiếp hai chiều. ................................................................. 86
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................. 88
5.1
Kết Luận .......................................................................................................... 88
5.2
Hướng phát triển: ............................................................................................. 89
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 90
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 3
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sự phát triển các thế hệ di động .................................................................... 10
Hình 1.2: Sự tăng trưởng th bao di động tồn cầu [1]. .............................................. 10
Hình 1.3: Sự thay đổi kích thước vùng phủ theo tần số sóng mang ............................. 11
Hình 1.4: Mơ hình mạng chuyển tiếp điển hình (www.netdotwork.co.za) .................. 11
Hình 2.1: Kênh truyền vơ tuyến trong thực tế .............................................................. 14
Hình 2.2: Hiện tượng đa đường .................................................................................... 15
Hình 2.3 : Hiệu ứng Doppler......................................................................................... 16
Hình 2.4: Kênh truyền chọn lọc tần số .......................................................................... 17
Hình 2.5: Kênh truyền fading phẳng ............................................................................. 18
Hình 2.6: Phân loại các loại kênh Fading. .................................................................... 19
Hình 2.7: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh ................................................. 20
Hình2.8: Hàm mật độ xác suất phân bố Rician............................................................. 22
Hình 2.9 Mơ hình kênh truyền SISO ............................................................................ 23
Hình 2.10: Mơ hình kênh truyền MIMO ....................................................................... 25
Hình 2.11: Mơ hình mạng chuyển tiếp cơ bản .............................................................. 27
Hình 2.12: Relay khuếch đại-chuyển tiếp ..................................................................... 28
Hình 2.13: Relay mã hóa – chuyển tiếp ........................................................................ 28
Hình 2.15:Mạng Relay một chiều cơ bản ..................................................................... 29
Hình 2.16: Mạng relay hai chiều ................................................................................... 30
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 4
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
Hình 2.17: Mạng chuyển tiếp đa chiều cơ bản.............................................................. 30
Hình2.18: hình minh họa hàm lõm (concave) và hàm lồi (convex). ............................ 33
Hình 3.1 : Lựa chọn relay trong mạng khuếch đại, chuyển tiếp hai chiều ................... 45
Hình 3.2: Phase 1 trong mạng chuyển tiếp hai chiều hai nguồn và N relay ................. 46
Hình 3.3: Phase 2 trong mạng chuyển tiếp hai chiều hai nguồn và R relay ................. 47
Hình 3.4 : Tối ưu cơng suất Relay trong mạng khuếch đại, chuyển tiếp hai chiều ...... 54
Hình 3.5 : Quá trình điều chỉnh phase tại user 1 ........................................................... 55
Hình 3.6: Lưu đồ giải thuật PSO tối ưu công suất trong mạng khuêch đại chuyển tiếp
hai chiều ........................................................................................................................ 61
Hình 3.7: So sánh SER trong các trường hợp số lượng Relay khác nhau .................... 62
Hình 3.8: So sánh phương pháp lựa chọn Relay tối ưu và cận tối ưu........................... 63
Hình 3.9: So sánh kết quả từ phân tích tín hiệu (Simulated) và áp dùng các kết quả
tốn học (Analytical) ..................................................................................................... 65
Hình 3.10: So sánh kết quả lựa chọn Relay với tối ưu công suất bằng PSO ................ 66
Hình 4.1 Mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều MIMO với nguồn và đích nhiều
antenna, Relay có một antenna...................................................................................... 67
Hình 4.2 Mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều MIMO với nguồn và đích nhiều
antenna, relay có một antenna – giai đoạn thứ 1 ........................................................... 68
Hình 4.3 Mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều MIMO với nguồn và đích nhiều
antenna, Relay có một antenna – Giai đoạn thứ hai...................................................... 70
Hình 4.4 Mơ hình hệ thống MIMO relay network ........................................................ 72
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 5
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
Hình 4.5: Phase 1 – Phân bổ công suất trong mạng MIMO relay network .................. 73
Hình 4.6: Phase 2 –Phân bổ cơng suất trong mạng MIMO relay network ................... 74
Hình 4.7: Lưu đồ giải thuật PSO cho mạng MIMO relay network .............................. 82
Hình 4.7: Lựa chọn Antenna trong mạng khuếch đại chuyển tiếp hai chiều ................ 84
Hình 4.8: So sánh SNR của 4 hệ thống có số lượng antenna tại Node khác nhau ....... 84
Hình 4.9: So sánh SNR hai hệ thống với số lượng antenna hai node khác nhau .......... 85
Hình 4.10: So sánh Lựa chon Antenna với EPA và PSO ............................................. 86
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 6
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Lưu đồ giải thuật mơ hình lựa chọn Relay trong mạng khuếch đại chuyển tiếp
hai chiều ........................................................................................................................ 60
Bảng 2: Các thông số mô phỏng chương 3 ................................................................... 62
Bảng 3: Lưu đồ giải thuật PSO mạng MIMO relay network ........................................ 81
Bảng 4: Các thông số mô phỏng chương 4 ................................................................... 83
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 7
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
1G
1st Generation
2G
2nd Generation
3G
3rd Generation
3GPP
3rd Generation Partnership Project
4G
4th Generation
5G
5th Generation
AF
Amplify and Forward
BS
Base Station
CO
Convex Optimization
CDF
Cumulative Distribution Funtion
CF
Compress and Forward Scheme
CSI
Channel State Information
CRTs
Cooperative Relaying Techiques
DF
Decode and Forward Scheme
EPA
Equal Power Allocation
IEEE
Institude of Electrical and Electronics Engineers
IMT-Advance 4G
LTE
Long Term Evolution
LTE-A
MIMO
Multiple Input Multiple Output
MISO
Multiple Input Single Output
ML
MMSE
Minimum Mean Square Error
MS
Mobile Station
MWRN
Multi-way Relay Network
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 8
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
NLO
Nonlinenear Optimization
ORS
Optimal Relay Selection
OWRN
PA
Power Allocation
PO
Portfolio Optimization
PSO
Particle Swarm Optimization
Probability Distribution Funtion
RA
Resource Allocation
RF
Radio Frequency
SINR
Signal to Interference plus Noise Ratio
SNR
Signal to Noise Ratio
SRS
Sub-Optimal Relay Selection
SER
Symbol Error Rate
SIMO
Single Input Multiple Output
SNR
Signal to Noise Ratio
SINR
Signal to Interference-plus-Noise Ratio
TS
Time Slot
TWRN
Two-way Relay Network
UMTS
The Universal Mobile Telecommunications System
WIMAX
World-wide Interoperabibily for Microwave Access
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 9
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1
Lý do chọn đề tài
Kể từ khi ra đời thế hệ đầu tiên của mạng di động (1G – Analogue cellular) vào
thập niên 80 của thế kỉ 20, ngành thông tin di động đã không ngừng phát triển. Đến nay
đã trải qua 4 thế hệ phát triển (từ 1G đến 4G) (minh họa hình 1.1) và đang tiệm cận 5G.
Hình 1.1: Sự phát triển các thế hệ di động
Theo thống kê, đến thời điểm hiện tại số lượng thuê bao di động ước đạt khoảng
hơn 7 tỷ thuê bao [1]. Qua đó cho thấy sự phát triền mạnh mẽ, rộng khắp cũng như nhu
cầu là rất lớn của ngành thông tin di động đồng thời nó cũng ln đặt ra u cầu về sự
phát triển, cải tiến liên tục trong thông tin di động.
Hình 1.2: Sự tăng trưởng thuê bao di động tồn cầu [1].
GVHD: TS. HÀ HỒNG KHA
Trang 10
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
Các nhà mạng ở Việt Nam đến năm 2015 vẫn đang sử dụng mạng 3G (công
nghệ truyền thông thế hệ thứ ba) cho mạng di động và theo lộ trình đến 2016 sẽ bắt đầu
triển khai mạng 4G – UMTS Long Term Evolution (LTE) theo chuẩn 3GPP Release 9
[2] hay LTE-Advance theo chuẩn 3GPP Relese 10 [3]. Ở các thế hệ tiếp theo một yêu
cầu đặt ra là tốc độ truyền tải dữ liệu cũng như sử dụng băng thông một cách hiệu quả,
linh hoạt đồng thời phải tiết kiệm năng lượng cũng như mở rộng vùng phủ sóng. Tuy
nhiên, do yêu cầu về tốc độ dữ liệu cũng như sự cạn kiệt về băng tần sử dụng nên các
các thế hệ di động tiếp theo sẽ sử dụng tần số hoạt động khá cao, do sử dụng sóng
mang có tần số cao, bước sóng ngắn nên làm tăng suy hao tín hiệu qua kênh truyền vì
thế vùng phủ song sẽ bị thu hẹp lại đáng kể,như minh họa hình 1.3.
Hình 1.3: Sự thay đổi kích thước vùng phủ theo tần số sóng mang
Sử dụng các relay trong Relay network (mạng chuyển tiếp) là một giải pháp tốt
để giải quyết vấn đề trên được tiêu chuẩn hóa theo IEEE 802.16j [4]. Việc sử dụng
mạng chuyển tiếp trong mạng di động sẽ giúp tiết kiệm công suất, tăng dung lượng hệ
thống, mở rộng vùng phủ nhất là ở vùng biên cell và các khu vực bị che chắn, như
minh họa ở hình 1.4.
Hình 1.4: Mơ hình mạng chuyển tiếp điển hình (www.netdotwork.co.za)
GVHD: TS. HÀ HỒNG KHA
Trang 11
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
Việc nghiên cứu và phân tích hiệu năng của mạng chuyển tiếp đã thu hút được
sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Tuy nhiên phần lớn
nghiên cứu tập trung vào mạng chuyển tiếp một chiều, thông tin hai chiều giữa nguồn
và đích cần 4 khe thời gian để thực hiện. Để tăng hiệu suất sử dụng phổ, các hệ thống
chuyển tiếp hai chiều gần đây được nghiên cứu. Do đó việc nghiên cứu phân tích đánh
giá hiệu năng của mạng chuyển tiếp hai chiều là rất cần thiết. Xuất phát từ nhu cầu đó,
luận văn tập trung vào việc phân tích hiệu năng của mạng chuyển tiếp hai chiều.
1.2
Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
Mục tiêu của đề tài là khái quát hệ thống thông tin di động hiện nay, xem xét
các đặc điểm của kênh truyền vơ tuyến, nhìn nhận hạn chế và các vấn đề cần
cải thiện từ đó lựa relay network (mạng chuyển tiếp) để cải thiện chất lượng,
dung lượng hệ thống cũng như mở rộng vùng phủ.
Từ cơ sở đó, đề tài sẽ khảo sát lý thuyết các mơ hình mạng chuyển tiếp đang
được nghiên cứu.
Nghiên cứu các mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều có một nguồn, một đích và
nhiều relay trong đó các thiết bị đều trang bị một antenna và kênh truyền là
Rayleigh fading phẳng.
Phát triển giải thuật lựa chọn một relay và nhiều relay trong mạng khuếch đại
chuyển tiếp hai chiều, từ đó phân tích hiệu năng của hệ thống.
Mở rộng mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều cho một nguồn, một đích, một
relay và nhiều relay. Trong đó nguồn và đích đều trang bị nhiều antenna trong
mạng khuếch đại chuyển tiếp MIMO.
Đánh giá hiệu năng lựa chọn Relay bằng thuật toán, phương pháp tối ưu bầy đàn
và mô phỏng Monte Carlo.
Dùng mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng kết quả.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn
Luận văn sẽ tập trung vào phân tích việc lựa chọn Relay trong mạng chuyển tiếp và
khuếch đại hai chiều, phân tích đánh giá hiệu năng mạng chuyển tiếp hai chiều từ đó
đưa ra những ưu điểm của nó làm cơ sở cho việc ứng dụng mơ hình mạng chuyển tiếp
hai chiều vào thực tế, bao gồm:
Mơ hình kênh truyền vơ tuyến
Mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều, với mục đích nâng cao chất lượng tín hiệu
và mở rộng vùng phủ cho mạng di động.
Tối ưu hóa việc lựa chọn relay trong mạng khuếch đại chuyển tiếp hai chiều và
lựa chọn antenna trong mạng chuyển tiếp MIMO bằng các giải thuật.
1.3
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 12
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
Đánh giá hiệu năng lựa chọn Relay trong mạng khuếch đại chuyển tiếp hai
chiều và lựa chọn antenna trong mạng chuyển tiếp MIMO thơng qua các thơng
số đánh giá như: Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), tỷ lệ lỗi ký tự (SER).
1.4
Bố cục luận văn
Với mục đích tạo sự mạch lạc, rõ ràng và liên kết chặt chẽ các nội dung nghiên
cứu trong luận văn. Luận văn được trình bày qua 5 chương với các nội dung chính như
sau:
Chương 1. Tổng Quan: Chương này sẽ nêu ra vấn đề về cần cải thiện vùng phủ
và nâng cao chất lượng mạng thông tin di động hiện nay, từ đó đề xuất giải pháp sử
dụng mạng khuếch đại chuyển tiếp hai chiều để nâng cao chất lượng hệ thống và cải
thiện vùng phủ.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết: Trong chương này trình bày các lý thuyết liên quan
đến nội dung luận văn:
Trình bày lý thuyết chung về kênh truyền vô tuyến và các yếu tố lien quan
Trình bày mơ hình mạng chuyển tiếp (relay network): Phân loại relay, giới
thiệu mạng khuếch đại chuyển tiếp hai chiều, trình bày một số mơ hình mạng
khuếch đại chuyển tiếp hai chiều và mạng chuyển tiếp MIMO.
Trình bày về lý thuyết chung của phương pháp tối ưu bầy đàn.
Chương 3. Phân tích giải thuật lựa chọn Relay trong mạng khuếch đại chuyển
tiếp hai chiều. Dùng phương pháp tối ưu bầy đàn (PSO) để tối ưu công suất phát của
các relay. Mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng kết quả.
Chương 4. Phân tích giải thuật lựa chọn Antenna trong mạng khuếch đại
chuyển tiếp hai chiều. Dùng phương pháp tối ưu bầy đàn (PSO) để tối ưu công suất
phát của các Antenna tại hai nguồn phát. Mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng kết
quả.
Chương 5. Kết luận: Đưa ra các kết quả đạt được và những tồn tại của luận
văn, đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 13
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Chương này sẽ đưa ra các cơ sở lý thuyết về kênh truyền vô tuyến, cơ sở về
mạng chuyển tiếp (relay network). Giới thiệu một số mơ hình về mạng chuyển tiếp hai
chiều cũng như giới thiệu lý thuyết cơ bản về toán tối ưu và tối ưu bầy đàn (PSO).
Kênh truyền vô tuyến
Trong nội dung đề tài, mô hình kênh truyền fading phẳng phân bố Rayleigh
được sử dụng để phân tích các mơ hình mạng chuyển tiếp, do đó ta cần xem xét mơ
hình kênh truyền vơ tuyến và các yếu tố ảnh hưởng.
2.1
2.1.1 Kênh truyền vô tuyến và các vấn đề ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến
Trong các hệ thống thông tin di động, chất lượng của các hệ thống thông tin di
động như độ tin cậy, tốc độ truyền tín hiệu phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà
tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Không giống như kênh truyền hữu
tuyến là ổn định và có thể dự đốn được, kênh truyền vơ tuyến là hồn tồn ngẫu nhiên
và khơng hề dễ dàng trong việc phân tích. Tín hiệu được phát đi, qua kênh truyền vơ
tuyến, gặp tồ nhà, núi non, cây cối, mưa .v.v, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ, các hiện
tượng này được gọi chung là fading (như hình 2.1) hay cụ thể hơn là hiện tượng đa
đường, fading đa đường này sẽ tác động trực tiếp lên kênh truyền, làm ảnh hưởng đến
độ tin cậy cũng như tốc độ truyền dữ liệu [5]. Do đó việc nắm được những đặc tính
của kênh truyền vơ tuyến giúp chúng ta lựa chọn được cấu trúc, thành phần hệ thống
cũng như các thơng số tối ưu hệ thống.
Hình 2.1: Kênh truyền vơ tuyến trong thực tế
GVHD: TS. HÀ HỒNG KHA
Trang 14
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
2.1.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến kênh truyền vô tuyến:
Hiện tượng đa đường ( Multipath )
Hiệu ứng Doppler
Suy hao trên đường truyền ( Pathloss )
Hiệu ứng che khuất (Shadowing )
2.1.1.2 Hiện tượng đa đường (Multipath)
Trong hệ thống thơng tin vơ tuyến, tín hiệu truyền từ nguồn phát đến nguồn thu
thường không truyền trực tiếp do môi trường truyền giữa nguồn phát và thu có nhiều
vật cản như nhà cửa , cây cối , đồi núi. Do đó, tín hiệu nhận được ở đầu thu là sự
chồng lấn của các nguồn tín hiệu đến từ các hướng khác nhau bởi các hiện tượng phản
xạ, tán xạ, khúc xạ [5, 6], như hình 2.2. Hiện tượng này gọi là truyền sóng đa đường
(multipath propagation).
Đối với hiện tượng đa đường, tín hiệu thu được là tổng hợp của các bản sao đến
từ tín hiệu phát. Các bản sao này bị suy hao, trễ, dịch pha, dịch tần và có ảnh hưởng
lẫn nhau. Tùy vào pha của từng thành phần mà tín hiệu thu được từ hiện tượng đa
đường có thể được khơi phục hoặc khơng thể khơi phục.
Hình 2.2: Hiện tượng đa đường
GVHD: TS. HÀ HỒNG KHA
Trang 15
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
2.1.1.3 Hiện ứng Doppler
Hiệu ứng Doppler gây ra do sự chuyển động tương đối giữa máy phát và máy
thu. Bản chất của hiện tượng này là phổ của tín hiệu thu được bị xê dịch đi so với tần
số trung tâm một khoảng ∆f gọi là tần số Doppler [5, 6].
Hình 2.3 : Hiệu ứng Doppler
Giả sử góc tới của tín hiệu x(t) so với chuyển động của máy thu là αn , khi đó
tần số Doppler là :
f Dn
v
f 0 cos( n )
c
(2.1)
với f0; v; c là tần số sóng mang, vận tốc chuyển động tương đối của máy thu so với
máy phát và vận tốc ánh sáng. Nếu αn =0, thì tần số Doppler lớn nhất sẽ là:
f Dn
v
f0
c
(2.2)
2.1.1.4 Suy hao trên đường truyền (Path Loss)
Suy hao trên đường truyền là một khái niệm mô tả sự suy giảm công suất từ
máy phát đến máy thu. Sự suy hao trên đường truyền xảy ra như một phần tất yếu khi
truyền tín hiệu qua kênh truyền, hiện tượng che chắn cũng góp phần làm suy giảm
cơng suất. Tuy nhiên suy hao có thể khắc phục bằng cách điều khiển cơng suất để bù
vào phần cơng suất bị suy hao.
Có rất nhiều mơ hình được đưa ra để tính tốn suy hao trong từng trường hợp cụ
thể:
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 16
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
Mơ hình Maxwell
Mơ hình suy hao trong khơng gian tự do
Mơ hình Ray tracing
Mơ hình Empirical
Mơ hình hai tia.
2.1.1.5 Hiệu ứng che khuất (Shadow)
Trong q trình truyền tín hiệu từ máy phát đến máy thu, do ảnh hưởng các vật
thể trên đường truyền như: nhà cao tầng, cây cối, đồi núi, v.v. làm cho biên độ tín hiệu
bị suy giảm, được gọi là hiện tượng che khuất. Hiện tượng này chỉ xảy ra trong khoảng
cách lớn và tốc độ biến thiên chậm [5, 6].
2.1.2 Phân loại kênh truyền:
Tùy theo băng thơng tín hiệu và đáp ứng của kênh truyền ta phân loại kênh truyền
theo hai loại:
Kênh truyền chọn lọc tần số và kênh truyền không chọn lọc tần số.
Kênh truyền chọn lọc thời gian và kênh truyền không chọn lọc tần số.
2.1.2.1 Kênh truyền chọn lọc tần số và không chọn lọc tần số:
Khi kênh truyền vô tuyến tồn tại một khoảng tần số mà ở đó đáp ứng tần số của
kênh truyền là gần như nhau tại mọi tần số (có thể xem là phẳng về mặt tần số),
khoảng tần số này được gọi là coherence bandwidth (băng thông kết hợp) [5, 6], được
ký hiệu là f0 trong hình 2.4.
Hình 2.4: Kênh truyền chọn lọc tần số
Trong ví dụ hình 2.4 trên, ta thấy rằng băng thông kênh truyền f0 nhỏ hơn băng
thơng tín hiệu phát. Do đó, tại một số tần số kênh truyền sẽ cho tín hiệu đi qua, nhưng
những thành phần tần số khác của tín hiệu khi qua kênh truyền sẽ chịu sự suy giảm về
GVHD: TS. HÀ HOÀNG KHA
Trang 17
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG LỰA CHỌN RELAY VÀ ANTENNA TRONG MẠNG KHUẾCH
ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
biên độ cũng như dịch pha khác nhau. Kênh truyền như thế được gọi là kênh truyền
chọn lọc tần số.
Hình 2.5: Kênh truyền fading phẳng
Trong ví dụ hình 2.5 trên, băng thơng kênh truyền lớn hơn băng thơng tín hiệu,
do đó mọi tần số khi qua kênh truyền đều chịu sự tác động là như nhau. Kênh truyền
này được gọi là kênh truyền không chọn lọc tần số hay kênh truyền fading phẳng.
2.1.2.2 Kênh truyền chọn lọc thời gian và không chọn lọc thời gian
Khi tín hiệu truyền qua kênh truyền, các thành phần trên kênh truyền có thể
thay đổi liên tục, sóng điện từ lan truyền bị phản xạ, tán xạ cũng thay đổi biên độ,
hướng, góc pha theo thời gian. Tính chất này được mô tả qua tham số thời gian kết hợp
(cohenrence time), là khoảng thời gian mà đáp ứng thời gian của kênh truyền thay đổi
rất ít (có thể xem là phẳng về mặt thời gian) [5, 6].
Khi tín hiệu truyền qua kênh truyền có chu kỳ tín hiệu (symbol duration) rất lớn
so với thời gian kết hợp (cohenrence time), kênh truyền đó được gọi là kênh truyền
chọn lọc thời gian, ngược lại gọi là kênh truyền không chọn lọc thời gian.
2.1.3 Hiện tượng Fading
2.1.3.1 Định nghĩa fading
Fading là hiện tượng làm sai lêch tín hiệu thu một cách bất thường khi truyền
trong các kênh truyền vô truyến do tác động của mơi trường truyền, nó là ngun nhân
gây ra hiện tượng méo tín hiệu.
Các yếu tố có thể gây ra fading đối với hệ thống vô truyến mặt đất:
Sự tăng giảm của tầng điện ly đối với hệ thống sóng ngắn
GVHD: TS. HÀ HỒNG KHA
Trang 18
HVTH: HUỲNH ĐỨC HOÀNG
