Khảo sát hiệu năng mạng thu thập năng lượng và ảnh hưởng đến sai số ước lượng kênh

Đồ án nghiên cứu hcmute khảo sát hiệu năng mạng thu thập năng lượng có ảnh hưởng sai số ước lượng kênh, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả

• Tác giả: Châu Thế Vinh
• Người hướng dẫn: TS. Đỗ Đình Thuấn
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử - Truyền Thông
• Đề tài: Khảo Sát Hiệu Năng Mạng Thu Thập Năng Lượng Có Ảnh Hưởng Sai Số Ước Lượng Kênh
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 1.2. NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
• 1.3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.4. BỐ CỤC ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP
• 2.1. GIỚI THIỆU VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
• 2.2. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH FADING ĐA ĐƯỜNG
• 2.3. CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP
• 2.3.1. Giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward – DF)
• 2.3.2. Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-forward – AF)
• 2.4. CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP
• 2.4.1. Chuyển tiếp một chiều
• 2.4.2. Chuyển tiếp hai chiều
• 2.5. TỔNG QUAN VỀ CSI
• 3. CHƯƠNG 3: MẠNG TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ THU NĂNG LƯỢNG TRONG ĐIỀU KIỆN ƯỚC LƯỢNG KÊNH KHÔNG HOÀN HẢO
• 3.1. KIẾN TRÚC CỦA MẠNG THU NĂNG LƯỢNG TỪ SÓNG VÔ TUYẾN
• 3.2. CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP
• 3.2.1. Giao thức chuyển mạch theo thời gian (TSR)
• 3.2.2. Giao thức phân chia công suất (PSR)
• 3.3. MÁY THU CHUYỂN TIẾP LÝ TƯỞNG
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT
• 4.1. PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG
• 4.2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mạng thu thập năng lượng

Mạng thu thập năng lượng là một lĩnh vực nghiên cứu đang thu hút sự quan tâm lớn trong cộng đồng khoa học. Hiệu năng mạng trong bối cảnh này không chỉ liên quan đến khả năng truyền tải thông tin mà còn đến khả năng thu thập và sử dụng năng lượng tái tạo từ môi trường. Việc sử dụng năng lượng tái tạo từ sóng vô tuyến (RF) giúp giảm thiểu chi phí và tăng tính bền vững cho các hệ thống truyền thông. Nghiên cứu này tập trung vào việc khảo sát các mô hình mạng thu thập năng lượng, phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sai số ước lượng kênh và tìm ra các giải pháp tối ưu hóa hiệu năng mạng. Theo đó, việc tối ưu hóa năng lượng thu thập được từ các tín hiệu RF là rất quan trọng để đảm bảo rằng các nút trong mạng có thể hoạt động liên tục mà không cần phải thay pin hay sạc lại thường xuyên.

1.1. Các mô hình mạng thu thập năng lượng

Các mô hình mạng thu thập năng lượng thường được phân loại thành hai loại chính: mạng không dây và mạng có dây. Trong mạng không dây, các nút có thể thu thập năng lượng từ các tín hiệu RF mà không cần kết nối vật lý. Điều này giúp giảm thiểu chi phí lắp đặt và bảo trì. Mô hình này cũng cho phép các nút hoạt động trong các môi trường khó khăn mà không cần nguồn điện cố định. Ngược lại, mạng có dây thường yêu cầu nguồn điện ổn định và có thể gặp khó khăn trong việc mở rộng. Việc phân tích sai số ước lượng kênh trong các mô hình này là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền thông và khả năng thu thập năng lượng. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc cải thiện độ chính xác của kênh truyền thông có thể dẫn đến việc tối ưu hóa hiệu suất của mạng thu thập năng lượng.

II. Phân tích ảnh hưởng của nhiễu CSI

Nhiễu trong hệ thống truyền thông là một yếu tố không thể tránh khỏi và có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu năng mạng. Năng lượng tái tạo từ sóng vô tuyến thường bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiễu Gaussian trắng và các yếu tố môi trường khác. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng sai số ước lượng kênh (CSI) có thể làm giảm hiệu suất của mạng thu thập năng lượng. Việc phân tích nhiễu CSI cho phép các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về cách mà các yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng thu thập năng lượng và truyền thông. Các mô hình toán học đã được phát triển để mô phỏng các tình huống khác nhau và đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đến hiệu suất của hệ thống. Kết quả cho thấy rằng việc tối ưu hóa các giao thức thu năng lượng có thể giúp giảm thiểu tác động của nhiễu và cải thiện hiệu suất tổng thể của mạng.

2.1. Tối ưu hóa giao thức thu năng lượng

Các giao thức thu năng lượng như chuyển mạch theo thời gian (TSR) và phân chia công suất (PSR) đã được nghiên cứu để tìm ra phương pháp tối ưu nhất cho việc thu thập năng lượng. Giao thức TSR cho phép các nút thu thập năng lượng trong một khoảng thời gian nhất định, trong khi PSR cho phép chia sẻ năng lượng giữa các nút. Nghiên cứu cho thấy rằng giao thức TSR thường mang lại hiệu suất tốt hơn trong các điều kiện có nhiễu CSI thấp, trong khi PSR có thể hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện có nhiễu cao. Việc lựa chọn giao thức phù hợp không chỉ giúp tối ưu hóa năng lượng thu thập được mà còn cải thiện chất lượng dịch vụ (QoS) cho người dùng cuối.

III. Kết quả mô phỏng và đánh giá hiệu năng

Mô phỏng là một công cụ quan trọng trong việc đánh giá hiệu năng của các mạng thu thập năng lượng. Sử dụng phần mềm Matlab, các mô hình đã được xây dựng để mô phỏng các tình huống khác nhau và đánh giá hiệu suất của các giao thức thu năng lượng. Kết quả cho thấy rằng hiệu năng mạng có thể được cải thiện đáng kể thông qua việc tối ưu hóa các tham số như vị trí của các nút, tần số thu thập năng lượng và các giao thức truyền thông. Việc phân tích sai số ước lượng kênh cũng cho thấy rằng việc cải thiện độ chính xác của CSI có thể dẫn đến việc tăng cường hiệu suất của mạng. Các kết quả này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có thể được áp dụng thực tiễn trong việc thiết kế và triển khai các mạng thu thập năng lượng trong tương lai.

3.1. Đánh giá thực tiễn và ứng dụng

Các kết quả từ nghiên cứu này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ mạng cảm biến không dây đến các hệ thống truyền thông di động. Việc tối ưu hóa hiệu năng mạng không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao tính bền vững của các hệ thống này. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư có thể sử dụng các mô hình và phương pháp được phát triển trong nghiên cứu này để thiết kế các hệ thống thu thập năng lượng hiệu quả hơn, từ đó đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về năng lượng trong các ứng dụng truyền thông hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG CÓ ẢNH HƯỞNG SAI SỐ ƯỚC LƯỢNG KÊNH GVHD: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN SVTH : CHÂU THẾ VINH MSSV: 12141739 SKL 0 0 4 6 3 1 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2017 do an TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƢỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG THU THẬP NĂNG LƢỢNG CÓ ẢNH HƢỞNG SAI SỐ ƢỚC LƢỢNG KÊNH SVTH : CHÂU THẾ VINH MSSV : 12141739 Lớp : 12141CLVT Ngành : CNKT ĐIỆN TỬ- TRUYỀN THÔNG (Điện tử viễn thông) GVHD: TS. ĐỖ ĐÌNH THUẤN Tp.

Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2017 do an CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc ----***---- Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên:CHÂU THẾ VINH MSSV: 12141473933 Ngành:CNKT ĐIỆN TỬ- VIÊN THÔNG Lớp: 12141CLVT Giảng viên hƣớng dẫn: ĐỖ ĐÌNH THUẤN ĐT: [phone] Ngày nhận ề tài: Ngày nộp ề tài: 1. Thông tin đề tài: - Tên của ề tài: Khảo sát hiệu năng mạng thu năng lƣợng có ảnh hƣởng sai số ƣớc lƣợng kênh. - Mục ích của ề tài: Khảo sát sơ lƣợc về mạng truyền thông chuyển tiếp thu năng lƣợng từ tín hiệu vô tuyến, phân tích và ánh giá mô hình chuyển tiếp thu năng lƣợng thông qua việc thiết lập công thức toán học tính thông lƣợng của hệ thống, khảo sát sự ảnh hƣởng của nhiễu CSI lênh hệ thống và sự tối ƣu của thời gian truyền năng lƣợng ể ạt chất lƣợng tốt nhất.

Các nhiệm vụ cụ thể của đề tài - Tìm hiểu về mạng chuyển tiếp hợp tác trong truyền thông. - Khảo sát mạng thu năng lƣợng, các giao thức thu năng lƣợng tại nút. - Phân tích mô hình hệ thống mạng khuếch ại và chuyển tiếp thu năng lƣợng dƣới tác ộng của nhiễu CSI. - Mô phỏng, ánh giá hiệu năng của hệ thống bằng phần mềm Matlab.

Lời cam đoan của sinh viên Tôi – Châu Thế Vinh cam oan ĐATN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dƣới sự hƣớng dẫn của tiến sĩ Đỗ Đình Thuấn. Kết quả công bố trong ĐATN là trung thực và không sao chép từ bất kỳ công trình nào khác. Giảng viên hƣớng dẫn ĐỖ ĐÌNH THUẤN do an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: CHÂU THẾ VINH. Ngành:CNKT ĐIỆN TỬ- VIỄN THÔNG.

Tên ề tài: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG THU NĂNG LƢỢNG CÓ ẢNH HƢỞNG SAI SỐ ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN. Họ và tên Giáo viên hƣớng dẫn: ĐỖ ĐÌNH THUẤN. Về nội dung ề tài & khối lƣợng thực hiện:. Đề nghị cho bảo vệ hay không?.

Đánh giá loại:. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 2 năm 2017 Giáo viên hƣớng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) do an CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ và tên Sinh viên: CHÂU THẾ VINH. Ngành: CNKT ĐIỆN TỬ-VIỄN THÔNG. Tên ề tài: KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MẠNG THU NĂNG LƢỢNG CÓ ẢNH HƢỞNG SAI SỐ ƢỚC LƢỢNG KÊNH TRUYỀN.

Họ và tên Giáo viên phản biện:. Về nội dung ề tài & khối lƣợng thực hiện:. Đề nghị cho bảo vệ hay không?. Đánh giá loại:.

Hồ Chí Minh, ngày tháng 2 năm 2017 Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) do an LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành ề tài nghiên cứu này, lời ầu tiên ngƣời thực hiện ề tài xin chân thành cảm ơn các giảng viên Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM nói chung và các giảng viên trong Khoa ào tạo chất lƣợng cao nói riêng, những ngƣời ã giúp ỡ tôi trang bị những kiến thức nền tảng và chuyên ngành bổ ích, giúp tôi có ƣợc cơ sở lý thuyết vững vàng và tạo iều kiện trong quá trình học tập. Ngƣời thực hiện ề tài xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Đình Thuấn ã ƣa ra những ịnh hƣớng nghiên cứu, cũng nhƣ việc phản hồi các kết quả nghiên cứu trong thời gian qua. Trong thời gian làm việc với thầy, tôi ã không ngừng tiếp thu thêm nhiều kiến thức mới, tiếp cân ƣợc với nhiều công nghệ mới, tiên tiến, hiệu quả và rèn luyện ƣợc thái ộ nghiên cứu khoa học nghiêm túc, ây là iều rất cần thiết trong quá trình học tập và công tác sau này. Đồng thời tôi cũng gửi lời cảm ơn tới bạn vè, các anh chị trong Khoa ào tạo chất lƣợng cao ã góp ý, chia sẻ kinh nghiệm, hỗ trợ trong quá trình nghiên cứu và thực hiện ề tài tốt nghiệp này.

Em xin chân thành cảm ơn! TP.HCM, ngày 12 tháng 2 năm 2017 Ngƣời thực hiện ề tài CHÂU THẾ VINH i do an TÓM TẮT Truyền thông chuyển tiếp ã và ang thu hút nhiều sự quan tâm của nhiều nhà nhiên cứu trên khắp thế giới bởi những lợi ích mà nó em lại nhƣ: nâng cao hiệu năng, giảm công suất phát, tăng tầm bao phủ, dung luợng,… Tuy nhiên, khi triển khai trên diện rộng, với một số lƣợng lớn các thiết bị viễn thông thì iều cần thiết và cấp bách nhất là tìm ra một nguồn năng lƣợng phù hợp và ít tốn kém nhất. Do ó, mạng truyền thông thu năng lƣợng từ sóng vô tuyến (RF) ra ời nhằm áp ứng nhu cầu nêu trên. Và ây cũng là một hƣớng nghiên cứu mới áng ƣợc quan tâm. Trong ề tài này, ngƣời thực hiện ề tài giới thiệu về mạng truyền thông chuyển tiếp thu năng lƣợng từ sóng vô tuyến ể cung cấp năng lƣợng cho nút chuyển tiếp sóng vô tuyến.

Đề tài này thực hiện các nhiệm vụ chính, ầu tiên là giới thiệu về mạng thu năng lƣợng từ tín hiệu sóng vô tuyến, cụ thể hơn, ở ây là sai số do ƣớc lƣợng thông tin trạng thái kênh (CSI) và tín hiệu truyền từ nguồn; phân tích ể so sánh giữa hai giao thức thu năng lƣợng là: chuyển mạch theo thời gian (TSR) và phân chia công suất (PSR) ể so sánh hiệu năng và thông lƣợng ạt ƣợc của hai giao thức. Cuối cùng, ó là tìm hiểu và phân tích mô hình có thu năng lƣợng từ nhiễu CSI. Các kết quả ạt ƣợc giúp ta ánh giá một cách khách quan về sự ảnh hƣởng của nhiễu CSI lên hai mô hình sử dụng giao thức TSR và PSR. Từ ó, tùy theo nhu cầu sử dụng mà có thể ƣa ra những quyết ịnh tốt nhất ể lựa chọn hệ thống sao cho phù hợp.

ii do an DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Hệ thống giải mã và chuyển tiếp (DF) .2: Hệ thống khuếch ại và chuyển tiếp (AF) .3: Phân loại mạng truyền thông hợp tác .4: Sơ ồ khối mạng chuyển tiếp một chiều .5: Sơ ồ khối của truyền hai chiều hai, ba, bốn khe thời gian.1: Kiến trúc hệ thống RF-EHN .2: Sơ ồ khối một nút mạng iển hình .3: Sơ ồ khối bộ chuyển ổi tín hiệu RF thành tín hiệu một chiều .4: Các thông số chính của giao thức TSR và PSR.5 Minh hoạ của các thông số quan trọng trong giao thức TSR cho thu năng lƣợng và xử lý thông tin tại các chuyển tiếp……………………………………….6 Khối sơ ồ của máy thu chuyển tiếp trong giao thức TSR. Minh hoạ của các thông số quan trọng trong giao thức PSR cho thu năng lƣợng và xử lý thông tin tại các chuyển tiếp. Khối sơ ồ của máy thu chuyển tiếp trong giao thức PSR……….1(a) τ thông qua tại các nút ích ối với α cho giao thức TSR .1(b) τ thông qua tại các nút ích ối với ρ cho giao thức PSR .2(a) băng thông τ tối ƣu cho ngƣờinhận lý tƣởng, các giao thức TSR và PSR cho giá trị khác nhau của ăng-ten nhiễu không úng. băng thông τ tối ƣu cho máy thu lý tƣởng, các giao thức TSR và PSR cho giá trị khác nhau của nhiễu chuyển ổi sai.

thông lƣợng τ tối ƣu cho các giao thức TSRvà PSR cho các giá trị khác nhau của khoảng cách từ nguồn ến chuyển tiếp, d1. băng thông τ tối ƣu cho các giao thức TSR và PSR trong chế ộ truyền tải giới hạn delay cho các giá trị khác nhau của tốc ộ truyền dẫn nguồn. 41 iii do an Hình 4. Tối ƣu băng thông τ cho TSR và PSR giao thức, tƣơng ứng với giá trị khác nhau về hiệu quả năng lƣợng thu hoạch, η.

42 iv do an BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết Từ tiếng anh Từ tiếng việt tắt AF Ampily-and-Forward Khuếch ại và chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng cộng BC Broadcasting Phát quảng bá CSI Channel State Information Ƣớc lƣợng thông tin trạng thái kênh Cumulative Distribution CDF Hàm phân phối tích lũy Function DC Direct Current Dòng iện một chiều DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp EH Energy Harvesting Thu năng lƣợng EHN Energy Harvesting Network Mạng thu năng lƣợng IT Information Transmission Truyền dữ liệu LoS Line of Sight Tầm nhìn thẳng MA Multiple Access Đa truy cập PDF Probability Density Function Hàm mật ộ xác suất PNC Physical Layer Network Lớp vật lý mạng Chuyển tiếp dựa trên phân chia theo PSR Power Splitting-based Chuyển công suất tiếping QoS Quality of Service Chất lƣợng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RF- Radio Frequency Energy Mạng thu năng lƣợng từ sóng vô EHN Harvesting Network tuyến v do an Signal-to-Interference-plus- Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu cộng với SINR Noise ratio nhiễu CSI SIR Signal-to-Interference Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu CSI SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu Chuyển tiếp dựa trên chuyển mạch TSR Time Switching-based Chuyển theo thời gian tiếping vi do an MỤC LỤC TÓM TẮT. ii DANH MỤC HÌNH. iii BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT. v CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI .3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI .2 Giới hạn đề tài .4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI.

6 CHƢƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP 2.1 GIỚI THIỆU VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC .2 MÔ HÌNH PHÂN TÍCH FADING ĐA ĐƢỜNG .3 CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP .1 Giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward – DF) .2 Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-forward – AF) .4 CÁC KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP .1 Chuyển tiếp một chiều .2 Chuyển tiếp hai chiều .5 TỔNG QUAN VỀ CSI.16 CHƢƠNG 3 MẠNG TRUYỀN TÍN HIỆU VÀ THU NĂNG LƢỢNG TRONG ĐIỀU KIỆN ƢỚC LƢỢNG KÊNH KHÔNG HOÀN HẢO 3.1 KIẾN TRÖC CỦA MẠNG THU NĂNG LƢỢNG TỪ SÓNG VÔ TUYẾN .2 CÁC GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP .1 Giao thức chuyển mạch theo thời gian (TSR).2 Giao thức phân chia công suất (PSR) .