Nghiên cứu cải thiện hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến bằng kỹ thuật chuyển tiếp

Luận án tiến sĩ nghiên cứu cải thiện hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến qua kỹ thuật chuyển tiếp, mang lại giải pháp tối ưu cho ngành viễn thông.

• Tác giả: Ngô Thái Anh
• Người hướng dẫn: PGS. Hoàng Đăng Hải
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Cải thiện hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến với kỹ thuật chuyển tiếp
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan và hệ thống thông tin vô tuyến
• 1.2. Kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin vô tuyến
• 1.2.1. Chuyển tiếp trong thông tin di động
• 1.2.2. Chuyển tiếp trong hệ thống thông tin vô tuyến đa chặng
• 1.2.3. Hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến
• 1.2.4. Chuyển giao và xác suất chuyển giao các gói
• 1.2.5. Xác suất rớt các gói CDP
• 1.2.6. Xác suất đăng OP
• 1.2.7. Xác suất chặn IP
• 1.3. Các nghiên cứu liên quan
• 1.3.1. Nghiên cứu liên quan kỹ thuật chuyển tiếp trong thông tin di động
• 1.3.2. Nghiên cứu liên quan kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin vô tuyến đa chặng
• 1.4. Kết luận Chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: GIẢI PHÁP DUY TRÌ VÀ CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG KẾT NỐI TRONG HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SẠ ĐẶNG TRÊM CHUYỂN TIẾP
• 2.1. Giải pháp sạ đặng trạm chuyển tiếp để duy trì kết nối
• 2.1.1. Mô hình các trạm chuyển tiếp kênh
• 2.1.2. Chuyển tiếp kênh tĩnh SCRS
• 2.1.3. Chuyển tiếp kênh chuyển giao HCRS
• 2.2. Duy trì kết nối với kỹ thuật chuyển tiếp kênh
• 2.2.1. Duy trì kết nối khi các trạm gác không dự trữ kênh để chuyển giao
• 2.2.2. Duy trì kết nối trong vùng lưu lượng cao
• 2.2.3. Duy trì kết nối khi các trạm gác dự trữ một kênh để chuyển giao
• 2.3. Kết quả mô phỏng
• 2.3.1. Mô hình và kết quả mô phỏng với 3 trạm gác không dự trữ kênh
• 2.3.2. Mô hình và kết quả mô phỏng với vùng mù nhiều trạm gác
• 2.3.3. Kết quả mô phỏng với các trạm gác dự trữ một kênh
• 2.3.4. Xác suất chuyển giao các gói
• 2.4. Kết luận Chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN XÁC SUẤT ĐĂNG VÀ XÁC SUẤT CHẶN TOÀN CHẶNG ĐỂ BẢO ĐẢM DUY TRÌ KẾT NỐI TRONG HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG
• 3.1. Mô hình và phương thức tính toán OP và IP cho HTTTVT chuyển tiếp đa chặng
• 3.1.1. Mô hình HTTTVT chuyển tiếp đa chặng
• 3.1.2. Phương thức tính toán OP và IP toàn chặng trong WSN MH LEACH
• 3.1.2.1. Tính toán OP
• 3.1.2.2. Tính toán IP
• 3.1.2.3. Kết quả mô phỏng của WSN MH LEACH
• 3.2. Mô hình và phương thức tính toán OP và IP cho mạng LEACH MIMO đa chặng
• 3.2.1. Mô hình mạng LEACH MIMO đa chặng
• 3.2.2. Lựa chọn anten và nút gây nhiễu
• 3.2.3. Lựa chọn anten phát và tái hấp gây nhiễu
• 3.2.4. Tính toán xác suất đăng OP và xác suất chặn IP toàn chặng trong mô hình MH LEACH MIMO
• 3.2.5. Kết quả mô phỏng của MH LEACH MIMO
• 3.3. Kết luận Chương 3
• DANH MỤC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Hệ thống thông tin vô tuyến (HTTTVT) đang phát triển mạnh mẽ với sự gia tăng nhanh chóng về số lượng người dùng và thiết bị kết nối. Việc cải thiện hiệu năng hệ thống là một yêu cầu cấp thiết để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng. Các kỹ thuật chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì kết nối và nâng cao chất lượng dịch vụ. Theo thống kê, số lượng thuê bao di động toàn cầu đã đạt 5.3 tỷ vào năm 2021, chiếm 67% dân số thế giới. Điều này cho thấy sự cần thiết phải tối ưu hóa hiệu suất của các HTTTVT, đặc biệt là trong bối cảnh công nghệ thông tin ngày càng phát triển.

1.1 Tầm quan trọng của hiệu năng hệ thống

Hiệu năng của HTTTVT không chỉ ảnh hưởng đến trải nghiệm người dùng mà còn quyết định đến khả năng cạnh tranh của các nhà cung cấp dịch vụ. Các tiêu chí như tỷ lệ thất bại cuộc gọi (CDP), xác suất gián đoạn (OP) và xác suất chặn (IP) là những chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất. Việc cải thiện các chỉ số này thông qua các kỹ thuật chuyển tiếp sẽ giúp nâng cao chất lượng dịch vụ và giảm thiểu sự gián đoạn trong quá trình truyền tải thông tin.

II. Kỹ thuật chuyển tiếp trong hệ thống thông tin vô tuyến

Kỹ thuật chuyển tiếp là một trong những giải pháp hiệu quả để cải thiện hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến. Các trạm chuyển tiếp (Relay Station - RS) và các nút chuyển tiếp (Relay Node - RN) có khả năng cung cấp kết nối giữa các trạm gốc (Base Station - BS) và người dùng. Việc sử dụng các trạm chuyển tiếp giúp tăng cường khả năng truyền tải dữ liệu và giảm thiểu tỷ lệ thất bại trong quá trình chuyển giao. Theo nghiên cứu, việc áp dụng các kỹ thuật chuyển tiếp có thể cải thiện đáng kể chất lượng dịch vụ và giảm thiểu các vấn đề liên quan đến tín hiệu vô tuyến.

2.1 Các mô hình chuyển tiếp

Có nhiều mô hình chuyển tiếp khác nhau được áp dụng trong HTTTVT, bao gồm mô hình chuyển tiếp kênh tĩnh (SCRS) và mô hình chuyển tiếp kênh động (HCRS). Mỗi mô hình có những ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên, việc lựa chọn mô hình phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và duy trì kết nối ổn định trong quá trình truyền tải thông tin. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng mô hình chuyển tiếp kênh động có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ thành công trong việc chuyển giao thông tin.

III. Phân tích và đánh giá hiệu suất

Để đánh giá hiệu suất của các kỹ thuật chuyển tiếp, cần thực hiện các phân tích chi tiết về các chỉ số như CDP, OP và IP. Các mô hình mô phỏng có thể được sử dụng để dự đoán hiệu suất của hệ thống trong các điều kiện khác nhau. Việc phân tích này không chỉ giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống mà còn cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa các kỹ thuật chuyển tiếp. Các kết quả từ mô phỏng cho thấy rằng việc cải thiện các chỉ số này có thể dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong chất lượng dịch vụ.

3.1 Ứng dụng thực tiễn

Các kỹ thuật chuyển tiếp không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc cải thiện hiệu suất của các HTTTVT hiện nay. Việc áp dụng các giải pháp này trong các mạng di động và IoT có thể giúp nâng cao khả năng kết nối và giảm thiểu sự gián đoạn trong quá trình truyền tải thông tin. Điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh ngày càng nhiều thiết bị kết nối và nhu cầu sử dụng dịch vụ ngày càng cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Bà THÔNG TIN VÀ TRUYÄN THÔNG HàC VIäN CÔNG NGHä B¯U CHÍNH VIâN THÔNG --------------------------------------- NGHIÊN CĀU CÀI THIäN HIäU NNG Hä THàNG THÔNG TIN VÔ TUYÀN SĄ DĀNG Kþ THU¾T CHUYàN TIÀP LU¾N ÁN TIÀN S) Kþ THU¾T HÀ NàI 3 NM 2023 Bà THÔNG TIN VÀ TRUYÄN THÔNG HàC VIäN CÔNG NGHä B¯U CHÍNH VIâN THÔNG --------------------------------------- NGHIÊN CĀU CÀI THIäN HIäU NNG Hä THàNG THÔNG TIN VÔ TUYÀN SĄ DĀNG Kþ THU¾T CHUYàN TIÀP CHUYÊN NGÀNH: KĀ THUÀT VIÈN THÔNG Mà Sà: 9.08 LU¾N ÁN TIÀN S) Kþ THU¾T NG¯âI H¯àNG DẪN KHOA HàC: 1. HOÀNG ĐNG HÀI 2. NGUYâN CÀNH MINH HÀ NàI 3 NM 2023 -i- LâI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan LuÁn án này là công trình nghiên cāu cÿa bÁn thân, d°ßi sự h°ßng d¿n khoa hác cÿa PGS. Hoàng Đng HÁi và PGS.

NguyÉn CÁnh Minh. Các kÃt quÁ đ°āc trình bày trong LuÁn án là hoàn toàn trung thực và không xung đát vßi bÃt kỳ tác giÁ nào khác. Những tham khÁo trong quá trình nghiên cāu đã đ°āc trích d¿n đÅy đÿ. Nghiên cāu sinh Ngô ThÁ Anh -ii- LâI CÀM ¡N ĐÇ hoàn thành đ°āc LuÁn án này, tr°ßc hÃt, tôi xin đ°āc bày tß lòng biÃt ¢n sâu sÃc đÃn PGS.

Hoàng Đng HÁi và PGS. NguyÉn CÁnh Minh, 2 ThÅy h°ßng d¿n trực tiÃp cÿa tôi, vì những h°ßng d¿n khoa hác, và những đßnh h°ßng quan tráng vào những thái điÇm khó khn trong quá trình nghiên cāu. Tôi v¿n biÃt viËc hác ch°a bao giá là dÉ dàng, và thực sự, viËc nghiên cāu luôn là mát thách thāc rÃt lßn. Chính vì thÃ, tôi càng trân tráng và biÃt ¢n những quan tâm và đáng viên kßp thái tă các ThÅy, bên c¿nh sự h°ßng d¿n tÁn tình, đã dành cho tôi đÇ hoàn thành LuÁn án này.

Tôi luôn biÃt ¢n và mãi ghi nhÁn những tình cÁm đó cÿa các ThÅy. Tôi xin đ°āc cÁm ¢n các Giáo s°, TiÃn sĩ cÿa Hác viËn Công nghË B°u chính ViÉn thông vì những bài giÁng trong các môn hác, những nhÁn xét khoa hác chân thành và sâu sÃc trong các buái báo cáo đßnh h°ßng và tiÃn đá nghiên cāu, báo cáo chuyên đÅ và tiÇu luÁn. Tôi cũng xin đ°āc cÁm ¢n những nhÁn xét và trao đái khoa hác cÿa các phÁn biËn trong các hái thÁo và t¿p chí chuyên ngành mà tôi đã gąi bài. MÁc dù không đ°āc gÁp mÁt, nh°ng những trao đái chân thành và nghiêm túc cÿa các phÁn biËn đã giúp tôi rÃt nhiÅu đÇ hoàn thiËn nghiên cāu.

Tôi cũng xin đ°āc trân tráng cÁm ¢n PGS. Lê NhÁt Thng và TS. Lê Thß Hßng YÃn, Khoa Đào t¿o Sau Đ¿i hác, vì những giúp đÿ và hß trā nhiËt tình và chu đáo trong suát quá trình làm nghiên cāu sinh t¿i Hác viËn Công nghË B°u chính ViÉn thông, tă lúc bÃt đÅu cho đÃn khi hoàn thành luÁn án. Tôi xin đ°āc cÁm ¢n các đßng nghiËp t¿i Bá môn Kā thuÁt ViÉn thông, Tr°áng Đ¿i hác Giao thông VÁn tÁi, và các đßng nghiËp t¿i Bá môn ĐiËn 3 ĐiËn tą, Phân hiËu Tr°áng ĐH GTVT t¿i Thành phá Hß Chí Minh vì những chia s¿ công viËc trong giai đo¿n làm nghiên cāu sinh cÿa tôi.

Tôi xin đ°āc cÁm ¢n TS.Hà Duy H°ng_Tr°áng Đ¿i hác Tôn Đāc ThÃng vì những kÃt nái và chia s¿ kiÃn thāc vÅ chuyÇn tiÃp trong truyÅn thông vô tuyÃn. ĐÁc biËt là những kÃt nái cÿa TS. TrÅn Trung Duy_Hác viËn Công nghË B°u chính ViÉn thông trong viËc giÁi quyÃt bài toán chuyÇn tiÃp. -iii- Tôi xin đ°āc trân tráng cÁm ¢n PGS.

TrÅn Trung Duy vì những chia s¿ kiÃn thāc rÃt sâu sÃc trong lĩnh vực chuyÇn tiÃp, vßi viËc cáng tác trong các nghiên cāu. Trong quá trình cáng tác, tôi hác hßi đ°āc ã PGS. Duy tinh thÅn làm viËc nghiêm túc, thái đá chân thành, và viËc giữ lái hāa. Tôi luôn giữ gìn và biÃt ¢n những điÅu này.

Tôi xin đ°āc cÁm ¢n tÃt cÁ những b¿n bè, ng°ái quen đã dành cho tôi những đáng viên, quan tâm trong những khoÁnh khÃc nhÃt đßnh cÿa cuác sáng. Những lái đáng viên dù rÃt nhß, nh°ng cũng đã giúp tôi rÃt nhiÅu trên con đ°áng hoàn thành LuÁn án này. Cuái cùng, tôi xin đ°āc cÁm ¢n Cha-Mẹ, vā, các con, và các em trong gia đình vì những hy sinh và yêu th°¢ng vô điÅu kiËn đã dành cho tôi, cũng nh° những chia s¿ vÅ những áp lực và khó khn cÿa tôi trong suát những nm văa qua. Tôi nā gia đình những tình cÁm và những lo lÃng mà tôi đã mang đÃn cho há.

Món nā này, tôi v¿n luôn ghi nhß và mong sÁ đ°āc đÅn đáp phÅn nào. Tôi biÃt ¢n tÃt cÁ những điÅu đó. Nghiên cāu sinh Ngô ThÁ Anh -iv- MĀC LĀC LàI CAM ĐOAN. iv DANH MĂC HÌNH VÀ.

vii DANH MĂC BÀNG. ix DANH MĂC KÝ HIÊU TOÁN HàC .x DANH MĂC VIÂT TÂT. xii LàI Mâ ĐÄU. - 1 - CH¯¡NG 1 TàNG QUAN .1 Táng quan vÅ hË tháng thông tin vô tuyÃn.1 HË tháng thông tin di đáng .2 HË tháng thông tin vô tuyÃn thà hË mßi .3 ChuyÇn giao cuác gái trong thông tin di đáng .2 Kā thuÁt chuyÇn tiÃp trong hË tháng thông tin vô tuyÃn .1 ChuyÇn tiÃp trong thông tin di đáng .2 ChuyÇn tiÃp trong hË tháng thông tin vô tuyÃn đa chÁng .3 HiËu nng hË tháng thông tin vô tuyÃn .3 ChuyÇn giao và xác suÃt chuyÇn giao cuác gái .4 Xác suÃt rßt cuác gái CDP .5 Xác suÃt dăng OP.6 Xác suÃt chÁn IP .4 Các nghiên cāu liên quan .1 Nghiên cāu liên quan kā thuÁt chuyÇn tiÃp trong thông tin di đáng.2 Nghiên cāu liên quan kā thuÁt chuyÇn tiÃp trong HTTTVT đa chÁng- 33 - 1.5 KÃt luÁn Ch°¢ng 1.

- 36 - -v- CH¯¡NG 2 GIÀI PHÁP DUY TRÌ VÀ CÀI THIÊN CHÂT L¯ĀNG KÂT NàI TRONG HÊ THàNG THÔNG TIN VÔ TUYÂN SĄ DĂNG TR¾M CHUYÆN TIÂP .1 GiÁi pháp są dăng tr¿m chuyÇn tiÃp đÇ duy trì kÃt nái .1 Mô hình các tr¿m chuyÇn tiÃp kênh .2 ChuyÇn tiÃp kênh tĩnh SCRS .3 ChuyÇn tiÃp kênh chuyÇn giao HCRS.2 Duy trì kÃt nái vßi kā thuÁt chuyÇn tiÃp kênh .1 Duy trì kÃt nái khi các tr¿m gác không dự trữ kênh đÇ chuyÇn giao .2 Duy trì kÃt nái trong vùng l°u l°āng cao.3 Duy trì kÃt nái khi các tr¿m gác dự trữ mát kênh đÇ chuyÇn giao.3 KÃt quÁ mô phßng .1 Mô hình và kÃt quÁ mô phßng vßi 3 tr¿m gác không dự trữ kênh .2 Mô hình và kÃt quÁ mô phßng vßi vùng m¿ng nhiÅu tr¿m gác .3 KÃt quÁ mô phßng vßi các tr¿m gác dự trữ mát kênh .4 Xác suÃt chuyÇn giao cuác gái .5 KÃt luÁn Ch°¢ng 2. - 64 - CH¯¡NG 3 TÍNH TOÁN XÁC SUÂT DĂNG VÀ XÁC SUÂT CHÀN TOÀN CHÀNG ĐÆ BÀO ĐÀM DUY TRÌ KÂT NàI TRONG HÊ THàNG VÔ TUYÂN CHUYÆN TIÂP ĐA CHÀNG .1 Mô hình và ph°¢ng thāc tính toán OP và IP cho HTTTVT chuyÇn tiÃp đa chÁng .1 Mô hình HTTTVT chuyÇn tiÃp đa chÁng.2 Ph°¢ng thāc tính toán OP và IP toàn chÁng trong WSN MH LEACH .1 Tính toán OP .2 Tính toán IP .3 KÃt quÁ mô phßng cÿa WSN MH LEACH .2 Mô hình và ph°¢ng thāc tính toán OP và IP cho m¿ng LEACH MIMO đa chÁng .1 Mô hình m¿ng LEACH MIMO đa chÁng .2 Lựa chán an ten và nút gây nhiÉu .3 Lựa chán an ten phát và tá hāp gây nhiÉu .4 Tính toán xác suÃt dăng OP và xác suÃt chÁn IP toàn chÁng trong mô hình MH LEACH MIMO .5 KÃt quÁ mô phßng cÿa MH LEACH MIMO .4 KÃt luÁn Ch°¢ng 3. - 96 - DANH MĂC KÂT QUÀ NGHIÊN CĀU. - 100 - TÀI LIÊU THAM KHÀO.

ThiÃt lÁp táa đá cho mô hình 3 BS và 13 RS. Khãi t¿o vß trí và tham sá cuác gái cho tÃt cÁ các MU trong m¿ng. CÁp nhÁt tr¿ng thái m¿ng. Tính thái gian di chuyÇn ra ngoài BS và RS.

Vß trí hiËn thái cÿa các MU khi xÁy ra sự kiËn kÃt thúc cuác gái hoÁc chuyÇn giao. ThiÃt lÁp táa đá mô hình 7 BS và 24 RS. Các tính toán trung gian cho IP. Tính công thāc (3.

Tính công thāc (3. - 119 - -vii- DANH MĀC HÌNH V¾ Hình 1. S¢ đß kiÃn trúc HTTTVT đa chÁng thà hË mßi (tham khÁo tă [3]) .1 Mô hình hË tháng thông tin di đáng .2 HË tháng thông tin vô tuyÃn thà hË mßi .3 BÁo đÁm kÃt nái vÁt lý cho cuác gái chuyÇn giao .4 ChuyÇn tiÃp trong thông tin di đáng .5 Mô hình chuyÇn tiÃp trong HTTTVT đa chÁng .6 Mô hình tính toán xác suÃt chuyÇn giao Ph cÿa MU trong BS .7 GoS vßi thái gian chiÃm kênh 2 phút và 2.8 GoS vßi thái gian chiÃm kênh 3 phút và 5 phút.9 GoS vßi thái gian chiÃm kênh 10 phút và 15 phút .10 GoS vßi thái gian chiÃm kênh 20 phút và 25 phút .11 GoS vßi thái gian chiÃm kênh 30 phút .12 Mô hình truyÅn thông 2 chÁng .1 Mô hình chuyÇn tiÃp kênh CRS .2 Các khÁ nng chuyÇn giao trong mô hình 1 kênh dự trữ .3 Xác suÃt chuyÇn giao thành công cÿa HCRS có và không dự trữ kênh - 46 - Hình 2.4 Mô hình mô phßng vùng m¿ng 3 BS są dăng HCRS [J.5 L°u đß thuÁt toán cÿa ch°¢ng trình mô phßng .6 Mô hình nghÁn căc bá trong vùng 7 BS và 24 RS .8 Phs vßi thái gian đàm tho¿i trung bình 120s .9 Phs vßi thái gian đàm tho¿i trung bình 150s .10 Phs vßi thái gian đàm tho¿i trung bình 180s .11 Xác suÃt chuyÇn giao thành công Phs (%) vßi NC = 5 và NC = 10 .12 Xác suÃt chuyÇn giao thành công Phs (%) vßi NC = 15 và NC = 20 .13 Xác suÃt chuyÇn giao thành công Phs (%) vßi NC = 25 và NC = 30 .14 Xác suÃt chuyÇn giao thành công HCRS-ORC 19 BS .15 Xác suÃt chuyÇn giao Ph vßi R = 1500m, có và không có HCRS .16 So sánh tỉ lË chuyÇn giao Ph giữa lý thuyÃt và mô phßng vßi R = 1500m.17 Xác suÃt chuyÇn giao cuác gái Ph (%) vßi NC = 5 và NC = 10 .18 Xác suÃt chuyÇn giao cuác gái Ph (%) vßi NC = 15 và NC = 20 .19 Xác suÃt chuyÇn giao cuác gái Ph (%) vßi NC = 25 và NC = 30 .1 Mô hình hË tháng MH LEACH EH-CJ [C.2 Mái quan hË giữa OP và IP vßi SNR .3 Mái quan hË giữa OP và IP vßi sá chÁng.4 Mái quan hË giữa IP và OP khi M=4, vßi các thái gian EH khác nhau - 74 - Hình 3.5 Mái quan hË giữa OP và IP vßi M=3 và phÅn cāng không hoàn hÁo .6 Mô hình MH LEACH MIMO EH-CJ [J.7 OP(  ) vßi M=4, NT=2, NE=3, K=4, ñ ý 0.8 IP(  ) vßi M=4, NT=2, NE=3, K=4, ñ ý 0.9 Quan hË OP và sá chÁng M vßi sá l°āng ng ten khác nhau t¿i CH .