Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng" nhằm tìm hiểu cơ sở lý thuyết về mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền, tìm hiểu về xác suất dừng; Tìm hiểu mô hình truyền thông đa chặng cộng tác kênh truyền fading Rayleigh; Phân tích và mô phỏng xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo ngưỡng ràng buộc công suất can nhiễu tại mạng sơ cấp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện tử: Phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền với thu thập năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG MINH ÐÔNG PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LUỢNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI THU THẬP NANG LUỢNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 S K C0 0 5 8 5 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG MINH ĐÔNG PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI THU THẬP NĂNG LƯỢNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯƠNG MINH ĐÔNG PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI THU THẬP NĂNG LƯỢNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203 Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM NGỌC SƠN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 4/2018
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Trương Minh Đông Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 20/06/1985 Nơi sinh: Sông Bé Quê quán: huyện Củ Chi, thành phố Hồ Chí Minh Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Số 20, tổ 2, đường 178, ấp 4A, xã Bình Mỹ huyện Củ Chi Tp. Hồ Chí Minh Điện thoại cơ quan: Điện thoại nhà riêng: 0937363338 Fax: E-mail: truongminhdong2008@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: II.1. ĐẠI HỌC. Hệ đào tạo: Đại học chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2003 đến 5/2008 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện – Điện tử Tên đồ án tốt nghiệp: Khảo sát công nghệ mạng truy nhập xDSL và triển khai ứng dụng trên mạng viễn thông Tây Ninh Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 5/2008 Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Ngô Lâm II.2. SAU ĐẠI HỌC. Hệ đào tạo: Sau đại học (Thạc Sĩ) Thời gian đào tạo từ 2/2016 đến 2/2018 Nơi học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện tử Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN VỚI THU THẬP NĂNG LƯỢNG” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 05/05/2018 Người hướng dẫn: TS Phạm Ngọc Sơn i
III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công ty Cổ phần kỹ thuật viễn 8/2008 -10/2008 Kỹ sư kỹ thuật thông Hà Nội Trường Cao đẳng công nghệ cao 10/2008 – đến nay Giảng viên Đồng An ii
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 3 tháng 4 năm 2018 Học viên iii
LỜI CẢM ƠN Luận văn đã hoàn thành đúng thời gian quy định và đạt được kết quả như mong đợi. Để đạt được kết quả này, trướ c hết tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn, thầy TS. Phạm Ngọc Sơn đã tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành đề tài. Kế tiếp, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tác giả của một số bài báo khoa học, các học viên, nghiên cứu sinh đang học tập trong và ngoài nước đã tận tình cung cấp tài liệu, giải thích và trao đổi các vấn đề liên quan đến đề tài. Bên cạnh đó, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn học viên đã giúp đỡ, góp ý cho tôi trong quá trình nghiên cứu. TP. HCM, Ngày 3 tháng 4 năm 2018 Học viên iv
ABSTRACT Harvesting wireless energy is a promising solution for energy-constrained wireless networks. The thesis presents, new wireless energy harvesting protocol is proposed for an underlay cognitive relay network with the following requirements. Specify the maximum transmit power at the secondary and secondary relays, the interference influence on primary user to the second relay and secondary destination and the influence of primary users to secondary networks. The thesis presents a multihop cooperative communication under the influence of Rayleigh fading, and performs simulation to investigate and evaluate the system performance and throughput of system. When numerous of transmitters are system network performance decreases, even though harvesting energy is larger. Key word – Cognitive relay network; energy harvesting; multiple primary user transceivers v
TÓM TẮT Thu thập năng lượng không dây là một giải pháp hứa hẹn cho các mạng không dây hạn chế về mặt năng lượng. Trong luận văn nghiên cứu hiệu năng của giao thức thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp dạng nền với các yêu cầu sau. Chỉ định công suất truyền cực đại tại nguồn thứ cấp và chuyển tiếp thứ cấp, ảnh hưởng can nhiễu của máy phát sơ cấp đến chuyển tiếp thứ cấp và đích đến thứ cấp, ảnh hưởng của đa người dùng sơ cấp đến mạng thứ cấp. Luận văn trình bày nghiên cứu mô hình truyền thông hợp tác đa chặng dưới sự ảnh hưởng của fading Rayleigh và thực hiện mô phỏng để phân tích và đánh giá hiệu năng cũng như thông lượng của hệ thống. Kết quả cho thấy rằng hệ thống hoạt động tốt hơn khi các máy phát của người dùng sơ cấp ở gần nút nguồn thứ cấp, xa nút chuyển tiếp thứ cấp và nút đích thứ cấp. Khi số lượng máy phát lớn hệ thống hoạt động kém hiệu quả hơn mặc dù năng lượng hệ thống thu được lớn hơn. Từ khóa – Mạng vô tuyến nhận thức; thu thập năng lượng; đa người dùng sơ cấp và thứ cấp vi
MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................iii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iv ABSTRACT............................................................................................................ v TÓM TẮT .............................................................................................................. vi MỤC LỤC ............................................................................................................ vii DANH SÁCH HÌNH VẼ......................................................................................... x DANH SÁCH BẢNG BIỂU ................................................................................. xii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... xiii Chương 1 TỔNG QUAN........................................................................................ 1 1.1. Tổng quan chung. ..................................................................................... 1 1.2. Tình hình nghiên cứu đề tài ...................................................................... 3 1.3. Mục tiêu của đề tài ................................................................................... 4 1.4. Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu ............................................................. 5 1.4.1. Nhiệm vụ ........................................................................................... 5 1.4.2. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 5 1.5. Đóng góp chính của luận văn .................................................................... 5 1.6. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 7 1.7. Bố cục của luận văn .................................................................................. 7 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 8 2.1. Kênh truyền .............................................................................................. 8 2.1.1. Kênh truyền vô tuyến ......................................................................... 8 2.1.2. Các mô hình kênh truyền cơ bản ...................................................... 10 2.2. Kênh truyền thông thường ...................................................................... 13 2.3. Vô tuyến nhận thức................................................................................. 14 2.3.1. Khái niệm chung .............................................................................. 14 2.3.2. Mô hình trong vô tuyến nhận thức .................................................... 15 vii
2.3.3. Truyền thông vô tuyến nhận thức hợp tác mô hình Interweave ......... 18 2.3.4. Truyền thông vô tuyến nhận thức hợp tác mô hình Overlay ............. 18 2.3.5. Truyền thông vô tuyến nhận thức hợp tác mô hình Underlay............ 19 2.4. Truyền thông cộng tác ............................................................................ 19 2.4.1. Kỹ thuật chuyển tiếp ........................................................................ 19 2.4.2. Ưu, nhược điểm của truyền thông cộng tác ...................................... 20 Chương 3 MÔ HÌNH MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN ............ 23 3.1. Mô hình hệ thống ................................................................................... 23 3.2. Xác suất dừng ......................................................................................... 28 3.3. Thông lượng ........................................................................................... 30 3.3.1. Truyền dạng Delay-sensitive: ........................................................... 31 3.3.2. Truyền dạng Delay – Tolerant: ......................................................... 31 Chương 4 MÔ PHỎNG, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ ........................................ 32 4.1. Mô phỏng xác suất dừng theo PI với ngưỡng ràng buộc  th .................... 32 4.1.1. Mô phỏng......................................................................................... 32 4.1.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 34 4.2. Truyền kiểu Delay-sensitive: .................................................................. 35 4.2.1. Mô phỏng thông lượng với kiểu truyền Delay-Sensitive................... 35 4.2.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 36 4.3. Truyền kiểu Delay – Tolerant ................................................................. 37 4.3.1. Mô phỏng......................................................................................... 37 4.3.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 38 4.4. Mô phỏng xác suất dừng theo PPUtx ......................................................... 39 4.4.1. Mô phỏng......................................................................................... 39 4.4.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................ 41 4.5. Mô phỏng xác suất dừng theo PPU khi ngưỡng ràng buộc PI thay đổi ..... 42 tx 4.6. Mô phỏng thông lượng theo hàm PPU với hai dạng truyền Delay-Tolerant tx và Delay-Sensitive. ........................................................................................... 43 Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .............................. 45 viii
5.1. Kết luận .................................................................................................. 45 5.2. Hướng phát triển đề tài ........................................................................... 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 47 ix
DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình Trang Hình 2. 1: Kênh truyền vô tuyến .............................................................................. 8 Hình 2. 2: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh.......................................... 11 Hình 2. 3: Hàm mật độ xác suất của phân bố Ricean: ........................................... 12 Hình 2. 4: Mô hình truyền dữ liệu thông thường .................................................... 13 Hình 2. 5: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức ........................................................ 15 Hình 2. 6: Mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền .................. 15 Hình 2. 7: Mô hình các dạng vô tuyến nhận thức .................................................. 17 Hình 2. 9: Kỹ thuật chuyển tiếp DF ....................................................................... 20 Hình 2. 10: Kỹ thuật chuyển tiếp AF ...................................................................... 20 Hình 3. 1. Mô hình thu thập năng lượng của hệ thống vô tuyến nhận thức dạng nền .............................................................................................................................. 24 Hình 3. 2. Khe thời gian thu thập xử lý tín hiệu và truyền phát tín hiệu ................. 25 Hình 4. 1: Lưu đồ giải thuật mô phỏng xác suất dừng theo PI với M  3, PPUtx  0dBW .............................................................................................................................. 33 Hình 4. 2: Xác suất dừng theo PI với M  3, PPU  0dBW ..................................... 34 tx Hình 4. 3: Lưu đồ giải thuật mô phỏng thông lượng của dạng truyền Delay- Sensitive .............................................................................................................................. 35 Hình 4. 4: Thông lượng của hàm PI với M = 3, PUtx (0, 1) và  th  0dB khi kiểu truyền Delay-sensitive ...................................................................................................... 36 Hình 4. 5: Lưu đồ giải thuật mô phỏng thông lượng của kiểu truyền Delay-Tolerant .............................................................................................................................. 37 Hình 4. 6: Thông lượng của hàm PI với M = 3, PUtx (0, 1) và  th  0dB khi truyền dạng Delay-Tolerant ............................................................................................. 38 Hình 4. 7: Thông lượng của hàm PI với M = 3, PUtx (0, 1)  th  0dB ................... 39 Hình 4. 8: Lưu đồ giải thuật mô phỏng xác suất dừng theo PPU ........................... 40 tx x
Hình 4. 9: Mô phỏng xác suất dừng của hàm PPU với M  3,  th  10dB, PI  10dBW tx .............................................................................................................................. 41 Hình 4. 10: Mô phỏng xác suất dừng của hàm PPU với M = 3 và  th  10dB ....... 43 tx Hình 4. 11: Thông lượng của hàm PPU với M=3,  th  0dB .................................. 44 tx xi
DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng Trang Bảng 2. 1: Hệ số suy giảm trong các môi trường ................................................... 10 xii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp CR Cognitive radio Vô tuyến nhận thức CRN Cognitive Radio Network Mạng vô tuyến nhận thức DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp EH Energy Harvesting Thu thập năng lượng Energy Harvesting-Information Thu thập năng lượng - Truyền thông EH-IT Transmission tin LOS Line Of Sight Đường truyền thẳng MIMO Multiple-Input Multiple-Output Đa ngõ vào - Đa ngõ ra OP Outage Probability Xác suất dừng OSA Opportunistic Spectrum Access Truy cập phổ cơ hội PN Primary Network Mạng sơ cấp PS Power Splitting Chia công suất PSR Power Splitting Relay Chuyển mạch chia công suất PU Primary User Người dùng sơ cấp PUrx Primary Receivers Người nhận sơ cấp PUtx Primary Transmitters Người phát sơ cấp RF Radio Frequency Sóng vô tuyến SD Secondary destination Đích đến thứ cấp SN Secondary Network Mạng thứ cấp SR Secondary Relay Chuyển mạch trung gian SS Secondary Source Nguồn thứ cấp SU Secondary User Người dùng thứ cấp TS Time Switching Chia thời gian TSR Time Switching Relay Chuyển mạch theo thời gian xiii
Chương 1: Tổng quan Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan chung. Những năm 90 của thế kỷ 20, khái niệm vô tuyến nhận thức bắt đầu được đề cập đến nhưng ít được các nhà khoa học quan tâm. Từ khi giới thiệu ý tưởng vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm cho đến năm 1998 trong một cuộc hội thảo tại Viện Công nghệ Hoàng gia ở Stockholm, Joseph Mitola đã đưa khái niệm vô tuyến thông minh và được công bố năm 1999. Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm giúp tăng cường tính linh hoạt của các dịch vụ cá nhân thông qua một “ngôn ngữ đại diện”. Đây là ngôn ngữ được biết như là giao thức vô tuyến của thiết bị, phần mềm, sự lan truyền sóng trong môi trường, mạng lưới hạ tầng, nhu cầu người dùng và các thiết lập luận lý về nhu cầu của người sử dụng. Điều này thực hiện được thông qua lựa chọn phổ tần số khi đã xét đến sự ảnh hưởng của không gian, thời gian và bối cảnh người dùng. Chính khả năng này đã làm thay đổi các “nút chuyển tiếp mù” với giao thức định sẳn thành các nút chuyển tiếp “thông minh” tự động tìm phương thức để cung cấp các dịch vụ mà người dùng mong muốn. Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (Software- defined radio) là nền tảng để thực hiện mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio) [1]. Các mạch vô tuyến vừa và nhỏ hoạt động với nguồn pin gặp hạn chế về tuổi thọ, giá thành, bảo trì bảo dưỡng, khả năng mở rộng và độ tin cậy những nhược điểm này được khắc phục khi sử dụng phương pháp thu thập năng lượng không dây. Thu thập năng lượng là quá trình thu năng lượng từ môi trường xung quanh cung cấp cho các mạch vô tuyến để kéo dài khả năng hoạt động của hệ thống mà không cần cung cấp thêm nguồn năng lượng trực tiếp, năng lượng tồn tại ở nhiều dạng trong môi trường xung quanh thiết bị như nhiệt độ, ánh sáng, gió, sóng vô tuyến,… có thể sử dụng nhiều phương pháp để thu lấy năng lượng này cấp cho các mạch không dây [2]. Tuy nhiên, thu năng lượng từ sóng vô tuyến (Radio Frequency – RF) thì khả thi hơn 1
Chương 1: Tổng quan do sự tiện lợi từ việc tự cung tự cấp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến công suất thấp đã được phát triển mạnh trong thời gian gần đây cả trong công nghiệp lẫn trong nghiên cứu. Đây là hướng phát triển cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong tương lai như nút mạng cảm biến không dây [3]. Có hai cấu trúc cơ bản của thiết bị nhận để thu năng lượng từ sóng vô tuyến, thứ nhất là dạng chia công suất (Power Splitting – PS) thứ hai là dạng chuyển mạch theo thời gian (Time Switching – TS) [4]. Trong thiết bị nhận dùng cấu trúc chia công suất (PS) thì một phần nhỏ năng lượng thu thập được dùng thể thu thập năng lượng, phần còn lại dùng để thu thập thông tin. Thiết bị chuyển mạch theo thời gian (TS) thì sử dụng một phần thời gian để thu thập năng lượng từ các bộ phát tín hiệu và phần thời gian còn lại dùng để nhận tín hiệu và truy xuất thông tin [4]. Nền tảng của sự cân bằng năng lượng thu và phát trong mạng không hỗ trợ chuyển tiếp (non-relay) nghiên cứu trong các mô hình [5]. Hệ thống thông tin truyền đồng thời năng lượng và thông tin đến thiết bị thu tạo ra sự thuận tiện cho người sử dụng, tuy nhiên vẫn còn hạn chế lớn trong vấn đề thiết kế thiết bị đầu cuối. Hai dạng thiết bị thu thực tế dựa trên chuyển mạch thời gian (TSR) và chia công suất (PSR) được nghiên cứu về khả năng thu thập năng lượng và tốc độ truyền dữ liệu [6]. Lấy ý tưởng từ cấu trúc của thiết bị nhận TS và PS đưa ra hai giao thức chuyển tiếp thu năng lượng đó là giao thức chuyển tiếp TSR và giao thức chuyển tiếp PSR sử dụng nhằm khuếch đại và chuyển tiếp trong mạng dual-hop [7], năng lượng thu được từ tín hiệu RF được sử dụng một phần cung cấp cho mạch hoạt động và phần năng lượng còn lại dùng để chuyển tiếp thông tin từ nút nguồn đến nút đích. Sai số thời gian trễ và giới hạn trễ được trình bày trong [7]. 2