ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU THẬP NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT CRN Cognitive Radio Network SWIPT Simultaneous wireless information and power transfer ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 4/54 CHƯƠNG GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Đặt vấn đề Hiện nay, nhu cầu sử dụng mạng thông tin vô tuyến ngày tăng cao khiến cho việc cải thiện chất lượng dịch vụ trọng quan tâm nhiều Nhưng biết, phổ tần mạng vô tuyến chưa sử dụng triệt để Câu hỏi đặt là: Làm để sử dụng hiệu băng tần cấp phép? Và mạng vô tuyến nhận thức CRN (Cognitive Radio Network) câu trả lời cho câu hỏi Giải pháp công nghệ giúp ta sử dụng hiệu băng tần cách cho phép dịch vụ vơ tuyến sử dụng chung dải phổ CRN có ba phương thức truyền: dạng (underlay), dạng chồng chập (overlay), dạng đan xen (interweave) Trong này, ta tập trung tìm hiểu CRN dạng Bên cạnh việc dành quan tâm CRN, kỹ thuật truyền tải lượng thông tin vô tuyến đồng thời SWIPT (Simultaneous wireless information and power transfer) nhà nghiên cứu ý Đây kỹ thuật hiệu để cung cấp lượng bền vững cách sử dụng tín hiệu tần số vơ tuyến mạng vơ tuyến có lượng hạn chế Trong đề tài này, em sâu tìm hiểu giải toán khai thác tối ưu lượng sử dụng hiệu băng tần nguồn sơ cấp CRN với relay có khả SWIPT 1.2 Mục tiêu phạm vi nghiên cứu 1.1.1 Mục tiêu Trong đề tài nghiên cứu em đưa hai mục tiêu sau: Xem xét CRN dạng nền, nơi mà relay thứ cấp thu hoạch lượng từ tín hiệu nguồn sơ cấp Để hệ thống hoạt động bình thường hoạt động mạng thứ cấp khơng ảnh hưởng đến chất lượng mạng sơ cấp nhiễu gây mạng thứ cấp cho mạng sơ cấp phải ngưỡng cho phép Việc đánh giá xác suất dừng (outage probability) hệ thống quan trọng Đánh giá hiệu thu thập lượng mạng vô tuyến nhận thức ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 5/54 Để đảm bảo kết phân tích đúng, ta phải kiểm tra cách mơ máy tính 1.1.2 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu đề tài tập trung vào CRN, kỹ thuật truyền thông kết hợp CRN dạng 1.3 Phương pháp thực Phương pháp thực đồ án thực bước sau: - Đưa giả thiết hệ thống Giả lập hệ số kênh truyền biến ngẫu nhiên Gausian Xác định hệ số tín hiệu nhiễu q trình truyền dẫn thơng tin - node thứ cấp Thiết lập điều kiện xác suất dừng: tỉ số tín hiệu nhiễu hệ thống thứ - cấp phải nhỏ ngưỡng cho trước Thực tính tốn để xác định cơng thức xác suất dừng hệ thống Tìm xác suất dừng tối ưu hệ thống cách tính đạo hàm cơng thức - xác suất dừng vừa tìm Thực mô Monte Carlo để kiểm tra kết 1.4 Đóng góp đồ án Đề tài “Đánh giá hiệu thu thập lượng mạng vô tuyến nhận thức” có đóng góp sau: - Đề xuất đánh giá hiệu mơ hình CRN với relay có khả - SWIPT Đưa phương pháp để nâng cao hiệu sử dụng hiệu băng tần cấp phép Tránh lãng phí băng tần thời đại ma nhu cầu sử dụng thông tin vô tuyến tăng cao Đánh giá hiệu thu thập lượng mạng vô tuyến nhận thức ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 6/54 CHƯƠNG LÝ THUYẾT CƠ BẢN 1.5 Tìm hiểu chung mạng vơ tuyến 1.1.3 Nguyên nhân đời Khi đời sống ngày cải thiện, nhu cầu ăn uống, vui chơi, giải trí, … người tăng theo mức sống Và nhu cầu thông tin nhu cầu quan trọng Chúng ta trao đổi thông tin qua thư tay đến đại điện thoại cố định, phương thức trao đổi thông tin nhiều hạn chế khơng đáp ứng kịp thời với phát triển xã hội Từ đó, mạng vơ tuyến đời Sự đời mạng vô tuyến bước đột phá giúp người kết nối với nhanh hơn, đâu thời gian Hình 2-1: Mạng vơ tuyến 1.1.4 Mạng vơ tuyến gì? Mạng vô tuyến hệ thống truyền dẫn số, truyền tải thông tin không gian mà sử dụng dây dẫn Thông tin mạng vô tuyến truyền Đánh giá hiệu thu thập lượng mạng vô tuyến nhận thức ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 7/54 cách xạ sóng điện từ từ bên phát, bên phát nhận sóng tách lấy thơng tin cách sử dụng số phương pháp 1.1.5 Ưu điểm hạn chế  Ưu điểm: - Ưu điểm dễ thấy mạng vô tuyến so với mạng hữu tuyến tính linh hoạt Chúng ta sử dụng đâu, không bị ràng buộc khơng gian thời gian - Tín hiệu truyền xa hơn, không gian rộng - Tốc độ nhanh chóng - Tiết kiệm chi phí, thời gian lắp đặt mạng hữu tuyến - Dễ thiết kế triển khai mở rộng  Nhược điểm: - Mạng vô tuyến dễ bị ảnh hưởng tác động bên ngồi mơi trường truyền, vật chắn, thời tiết, … - Khả bảo mật không cao mạng hữu tuyến - Phụ thuộc nhiều vào băng thông - Dễ xảy giao thoa tín hiệu, làm giảm chất lượng thơng tin truyền 1.6 Mạng vô tuyến nhận thức 1.1.6 Nguyên nhân đời mạng vô tuyến nhận thức Hiện nay, nhu cầu sử dụng mạng thông tin vô tuyến ngày tăng cao khiến cho việc cải thiện chất lượng lưu lượng, dịch vụ trọng nhiều Câu hỏi đặt là: Làm để sử dụng hiệu băng tần cấp phép? Như biết, phổ tần mạng vô tuyến chưa thật khai thác triệt để, vấn đề tạo khoảng tần số không sử dụng hay gọi hố Đánh giá hiệu thu thập lượng mạng vô tuyến nhận thức ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 8/54 phổ Các hố phổ không cố định mà thay đổi liên tục theo thay đổi hiệu suất sử dụng hệ thống sơ cấp Công nghệ vô tuyến nhận thức đời để sử dụng triệt để hố phổ [1] Hình 2-2: Hố phổ CRN thiết kế để sử dụng chia sẻ linh hoạt phổ mà không làm ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp cấp phép 1.1.7 Khái niệm mạng vô tuyến nhận thức CRN định nghĩa sau: Vô tuyến nhận thức hệ thống truyền thơng vơ tuyến thơng minh, nhận thức mơi trường xung quanh, từ tự huấn luyện để thích nghi với thay đổi môi trường việc thay đổi thông số như: cơng suất phát, tần số sóng mang, phương pháp điều chế,…[2] CRN giải pháp công nghệ đầy hứa hẹn giúp sử dụng hiệu băng tần Đối với hệ thống thứ cấp có mức ưu tiên thấp, CRN phù hợp Đánh giá hiệu thu thập lượng mạng vô tuyến nhận thức ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 9/54 1.1.8 Cấu trúc vật lí mạng vơ tuyến nhận thức Bộ phận hệ thống bao gồm hai phần phần cao tần (RF font end) phần xử lý băng gốc (baseband processing unit) Hai phận tái cấu hình thơng qua bus điều khiển (control) nhằm thích nghi với điều kiện thay đổi liên tục mơi trường Phần xử lí băng gốc tương tự hệ thống thu phát bình thường Ưu điểm trội phần đầu cao tần hệ thống vô tuyến nhận thức khả nhận biết rộng, điều chỉnh đến phần dải phổ rộng lớn Hơn phần cao tần đo lường thông tin phổ từ môi trường để phục vụ cho chức nhận biết phổ Hình 2-3: Sơ đồ khổi phần vô tuyến hệ thống vô tuyến nhận thức - Bộ lọc tần số (RF Filter): Chọn lọc khoảng băng thông mong muốn - cách cho tín hiệu qua lọc thơng dải Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA-Low noise amplifier): Có tác dụng khuếch - đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm tín hiệu nhiễu Bộ trộn tần (MIXER): Tín hiệu thu từ máy thu trộn với tần số - gốc phát chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tâm Bộ VCO (Voltage controlled oscillator): Điều chỉnh tần số điện áp, có - tác dụng khóa pha giúp tần số ổn định Bộ lọc lựa chọn tần số (Channel selection filter): Dùng để chọn kênh mong - muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC - Automatic gain control): Là hệ thống hồi tiếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời mở rộng dải động, cho phép ta tăng giảm độ khuếch đại tín hiệu thu yếu hay mạnh cách thay đổi điện áp phân cực Đánh giá hiệu thu thập lượng mạng vô tuyến nhận thức ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 10/54 - Bộ vòng khóa pha (PLL - Phase locked loop): Là hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu hồi tiếp dùng để khóa tần số pha tín hiệu theo tần số pha tín hiệu vào 1.1.9 Đặc điểm mạng vơ tuyến nhận thức CRN có đặc điểm sau: - Khả nhận thức: khả cảm biến thông tin từ môi trường vô tuyến, CRN có khả để tránh trường hợp gây nhiễu, ảnh hưởng đến người - dùng Khả tự cấu hình: có khả lập trình tự động theo thay đổi môi trường vô tuyến 1.1.10 Chức mạng vô tuyến nhận thức Bốn chức CRN đề cập đây: - Nhận biết phổ: phát khoảng phổ trống, sử dụng khoảng phổ trống để truyền tín hiệu mà không gây ảnh hưởng đến hệ thống thứ - cấp Quản lí phổ: quản lí để chọn khoảng phổ phù hợp tốt nhất, đáp ứng yêu cầu chất lượng dịch vụ Trong chức chia làm - bước phân tích phổ định phổ Sử dụng phổ linh hoạt: thay đổi tần số sử dụng linh hoạt để đảm - bảo chất lượng dịch vụ Chia sẻ phổ: chia sẻ phổ CRN để sử dụng băng tần hợp lí 1.7 Mạng vơ tuyến nhận thức dạng Hiện có mơ hình CRN: Trong Dạng (underlay) Dạng chồng chập (overlay) Dạng đan xen (interweave) phần ta sâu tìm hiểu CRN dạng Đây mơ hình sử dụng nhiều CRN Trong mơ hình mạng thứ cấp mạng sơ cấp hoạt động tần số Trong máy phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất phát để đảm bảo nhiễu gây tác động lên hệ thống sơ cấp phải nhỏ ngưỡng cho Đánh giá hiệu thu thập lượng mạng vô tuyến nhận thức ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trang 38/54 a1 = -(A.*lamda_h_ss_pu./lamda_h_ss_sr); a2 = -(A./lamda_h_ss_sr).*(lamda_h_ss_pu+(lamda_h_ss_sr./si)); D = @(x1)(exp(-x1)./x1); E1 = -integral(D,-a1,inf); F = @(x2)(exp(-x2)./x2); E2 = -integral(F,-a2,inf); G1 = (exp(lamda_h_ss_pu.*A./lamda_h_ss_sr)./lamda_h_ss_sr)*(((exp(lamda_h_ss_pu.*A)./lamda_h_ss_sr)./lamda_h_ss_pu)+(A./lamda_h_ss_sr).*E1-(exp((A./lamda_h_ss_sr)*(lamda_h_ss_pu+lamda_h_ss_sr./si))./(lamda_h_ss_pu+lamda_h_ss_sr./si))(A./lamda_h_ss_sr).*E2); B = ((si./lamda_h_sr_sd)+(1/lamda_h_sr_pu))*Q./delta; b1 = -(B.*lamda_h_ss_pu./lamda_h_ss_sr); b2 = -(B./lamda_h_ss_sr).*(lamda_h_ss_pu+(lamda_h_ss_sr./si)); G = @(x3)(exp(-x3)./x3); E3 = -integral(G,-b1,inf); H = @(x4)(exp(-x4)./x4); E4 = -integral(H,-b2,inf); G2 = (exp(lamda_h_ss_pu.*B./lamda_h_ss_sr)./lamda_h_ss_sr)*(((exp(lamda_h_ss_pu.*B)./lamda_h_ss_sr)./lamda_h_ss_pu)+(B./lamda_h_ss_sr).*E3-(exp((B./lamda_h_ss_sr)*(lamda_h_ss_pu+lamda_h_ss_sr./si))./(lamda_h_ss_pu+lamda_h_ss_sr./si))(B./lamda_h_ss_sr).*E4); P_out_ana3(p) = 1-lamda_h_ss_sr*lamda_h_ss_pu.*G1+ ((lamda_h_ss_sr*lamda_h_ss_pu*lamda_h_sr_pu.*si)./(lamda_h_sr_pu.*si+lamda_h_sr_sd)).*G2; SINR1 = (Q./Rh_sr_pu).*(Rh_sr_sd/N_0); SINR2 = ((2*n*alpha(p).*(Q./Rh_ss_pu).*Rh_ss_sr)./(1-alpha(p))).*(Rh_sr_sd/N_0); gama_sd = min(SINR1,SINR2); I = ((1-alpha(p))./2).*min(log2(1+(Q.*Rh_ss_sr)./(N_0.*Rh_ss_pu)),log2(1+gama_sd)); P_out_sim3(p) = sum(I