Tài liệu đánh giá xác suất dừng và dung lượng hệ thống song công thông qua giao thức khuếch đại và chuyển tiếp sử dụng tsr và psr

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG SONG CÔNG THÔNG QUA GIAO THỨC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG TSR VÀ PSR MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.........................................................................................IV DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU....................................................................................VI DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT...............................................................................VII CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG......................................................1 1.1 TỔNG QUAN................................................................................................................1 1.2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG........................................................................................2 1.2.1 Mạng không dây thế hệ đầu tiên.........................................................................2 1.2.2 Mạng 2G.............................................................................................................3 1.2.3 Mạng 3G.............................................................................................................5 1.2.4 Mạng 4G.............................................................................................................6 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG SONG CÔNG.......................................................................9 2.1 GIỚI THIỆU..................................................................................................................9 2.2 CÁC DẠNG KÊNH TRUYỀN..........................................................................................9 2.3 MÔ HÌNH KÊNH...........................................................................................................9 2.4 KỸ THUẬT CHUYỂN TIẾP TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG.........................................10 2.4.1 Giới thiệu..........................................................................................................10 2.4.2 Kỹ thuật chuyển tiếp.........................................................................................10 2.4.3 Các loại chuyển tiếp.........................................................................................11 2.4.4 Phương pháp chuyển tiếp tín hiệu....................................................................11 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ XÁC SUẤT DỪNG VÀ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG...13 3.1 MẠNG 5G.................................................................................................................13 3.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SONG CÔNG.............................................................................15 3.2.1 Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp theo TSR...................................................15 3.2.2 Mô hình khuếch đại và chuyển tiếp theo PSR...................................................18 4.1 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG:...............................................................................................22 ii 4.2.2 Mô phỏng theo α và ρ.......................................................................................29 4.2.3 Mô phỏng theo R...............................................................................................33 4.2.4 Mô phỏng theo ƞ...............................................................................................38 4.2.5 Mô phỏng theo Delay-Limited và Delay-Tolerant............................................43 4.3 NHẬN XÉT CHUNG....................................................................................................44 CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN...............................................................................................45 5.1 KẾT LUẬN.................................................................................................................45 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO...............................................................................................46 PHỤ LỤC A......................................................................................................................47 iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ HÌNH 1-1: SỰ PHÁT TRIỂN CỦA MẠNG DI ĐỘNG [2]..................................1 HÌNH 1-2: ĐIỆN THOẠI THẾ HỆ ĐẦU TIÊN [2]..............................................2 HÌNH 1-3: ĐIỆN THOẠI 2G [2]............................................................................4 HÌNH 1-4: ĐIỆN THOẠI 3G [2]............................................................................5 HÌNH 1-5: ĐIỆN THOẠI 4G [2]............................................................................7 HÌNH 1-6: QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN 4G [1] HÌNH 2-1: MÔ HÌNH CHUYỂN TIẾP [1].........................................................10 HÌNH 2-2: CHUYỂN TIẾP LOẠI I VÀ II [1]....................................................11 HÌNH 2-3: CHUYỂN TIẾP AF [1]......................................................................11 HÌNH 2-4: CHUYỂN TIẾP DF [1]....................................................................12Y HÌNH 3-1: TỐC ĐỘ LÝ THUYẾT 5G [2]..........................................................14 HÌNH 3-2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG SONG CÔNG............................................15 HÌNH 3-3: MÔ HÌNH TSR...................................................................................15 HÌNH 3-4: MÔ HÌNH PSR 1 HÌNH 4-1: MÔ HÌNH MÔ PHỎNG....................................................................22 HÌNH 4-2: ĐỒ THỊ XÁC SUẤT DỪNG THEO PS (TSR)................................23 HÌNH 4-3: ĐỒ THỊ THÔNG LƯỢNG THEO PS (TSR)...................................24 HÌNH 4-4: ĐỒ THỊ XÁC SUẤT DỪNG THEO PS (PSR).................................25 HÌNH 4-5: ĐỒ THỊ THÔNG LƯỢNG THEO PS (PSR)...................................25 HÌNH 4-6: XÁC SUẤT DỪNG THEO TSR VÀ PSR.........................................26 HÌNH 4-7: THÔNG LƯỢNG THEO TSR VÀ PSR...........................................27 HÌNH 4-8: DUNG LƯỢNG ERGODIC TSR VÀ PSR.......................................28 HÌNH 4-9: THÔNG LƯỢNG DT THEO TSR VÀ PSR.....................................28 HÌNH 4-10: ĐỒ THỊ XÁC SUẤT DỪNG............................................................30 HÌNH 4-11: ĐỒ THỊ THÔNG LƯỢNG..............................................................30 HÌNH 4-12: ĐỒ THỊ DUNG LƯỢNG HỆ THỐNG...........................................31 iv HÌNH 4-13: ĐỒ THỊ THÔNG LƯỢNG THEO DT...........................................32 HÌNH 4-14: XÁC SUẤT DỪNG THEO R (TSR)...............................................33 HÌNH 4-15: THÔNG LƯỢNG THEO R (TSR)..................................................34 HÌNH 4-16: XÁC SUẤT DỪNG THEO R (PSR)...............................................35 HÌNH 4-17: THÔNG LƯỢNG THEO R (PSR)..................................................35 HÌNH 4-18: XÁC SUẤT DỪNG THEO R ( TSR VÀ PSR)...............................36 HÌNH 4-19: THÔNG LƯỢNG THEO R (TSR VÀ PSR)...................................37 HÌNH 4-20: XÁC SUẤT DỪNG THEO HIỆU SUẤT TSR...............................38 HÌNH 4-21: THÔNG LƯỢNG THEO HIỆU SUẤT (TSR)...............................39 HÌNH 4-22: XÁC SUẤT DỪNG THEO HIỆU SUẤT (PSR).............................40 HÌNH 4-23: THÔNG LƯỢNG THEO HIỆU SUẤT (PSR)...............................40 HÌNH 4-24: DUNG LƯỢNG ERGODIC THEO HIỆU SUẤT..........................41 HÌNH 4-25: THÔNG LƯỢNG DT THEO HIỆU SUẤT....................................42 HÌNH 4-26: THÔNG LƯỢNG THEO PS...........................................................43 HÌNH 4-27: THÔNG LƯỢNG THEO HIỆU SUẤT..........................................44 v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU BẢNG 1-1: BẢNG ĐẶC TÍNH CÁC THẾ HỆ....................................................8 BẢNG 4 -1: BẢNG THÔNG SỐ DL MÔ PHỎNG THEO PS...........................23 BẢNG 4-2: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG THEO Α VÀ Ρ......................................29 BẢNG 4-3: THÔNG SỐ MÔ PHỎNG THEO R................................................33 BẢNG 4-4: BẢNG THÔNG SỐ MÔ PHỎNG THEO Ƞ....................................38 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT TSR Time Switching-Based Relaying Chuyển tiếp theo thời gian PSR Power Splitting-Based Relaying Chuyển tiếp theo phân chia 1G First Generation Thế hệ thứ nhất NMT Nordic Mobile Telephone Hệ thống điện thoại di động Advanced Mobile Phone Services Dịch vụ điện thoại di dộng công suất Bắc Âu AMPS tiên tiến TACS Total Access Communications Systems Hệ thống truyền thông truy nhập toàn phần 2G Second Generation Thế hệ thứ hai DECT Digital European Cordless Telecoms Chuẩn điện thoại không dây Personal Digital Cellular Chuẩn Mạng tế bào ky thuâ ̣t IS-95 Interim Standard -1995 Tiêu chuẩn tạm thời 1995 3G Third Generation Thế hệ thứ ba 4G Fourth Generation Thế hệ thứ tư 5G Fifth Generation Thế hệ thứ năm AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp FD Full duplex Song công FDMA Frequency Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo của châu âu PDC số ca nhân mã tần số vii GSM IEEE Global System for Mobile Hệ thống thông tin di động Communications toàn cầu Institude of Electrical and Viện kĩ nghệ Điện và Điện tử Electronics Engineers IMT- 2000 International Mobile Thông tin di động quốc tế 2000 Telecommunications 2000 IP Internet Protocol Giao thức Internet ITU International Telecommunications Liên minh viễn thông Union quốc tế LTE Long Term Evolution Phat triển dài hạn OFDM Orthogonal Frequency Ghép kênh phân chia theo Division Multiple tần số trực giao Orthogonal Frequency Đa truy nhập phân chia Division Multiple Access theo tần số trực giao Time Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo OFDMA TDMA thời gian UMTS Universal Mobile Hệ thống viễn thông di động Telecommunications System toàn cầu HAPS High Altitude Stratospheric Platform Stations DL Delay Limited Transmission DT Delay Tolerant Transmission viii Trang 1/57 CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG THÔNG TIN DI DỘNG 1.1Tổng quan Thông tin di động được biết đến là một trong những thành tựu nổi bậc nhất về công nghệ thông tin và thương mại trong hàng thập niên trở lại đây. Kể từ khi có sự ra đời, nó đã được phat triển một cach nhanh chóng từ một thiết bị mang tính chuyên biệt sau đó trở thành một thiết bị không thể thiếu đó với nhu cầu sinh hoạt của con người và cac lĩnh vực khac. Mạng thông tin di động đã trãi qua cac thế hệ từ 1G đến 4G và thế hệ tiếp theo là 5G cũng đang chuẩn bị ra mắt. Qua đây cho ta thấy tầm quan trọng của truyền thông di động đối với cuộc sống con người. Hình 1-1: Sự phát triển của mạng di động [2] 1.2Mạng thông tin di động 1.2.1 Mạng không dây thế hệ đầu tiên KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 2/57 Thế hệ thứ nhất (1G) là một hệ thống thông tin di động tương tự, nó được khơi mào ở đất nước Nhật Bản vào năm 1979 và giới thiệu năm 1980. Những công nghệ chính thuộc thế hệ đầu tiên này là:  NMT được dùng ở cac nước Bắc Âu vào năm 1981 sử dụng băng tần 450MHz ở Tây Âu và Nga.  AMPS được dùng ở Bắc My vào năm 1978 sử dụng băng tần 800MHz, cho đến năm 1982 thì triển khai ở nhiều nước trên thế giới.  TACS được dùng ở Anh vào năm 1985 sau đó được mở rộng thành JTACS chủ yếu được triển khai ở khu vực Châu Á Thai Bình Dương. Hình 1-2: Điện thoại thế hệ đầu tiên [2] Hầu hết cac hệ thống trên đều là hệ thống thông tin di động tương tự, sử dụng phương phap truy nhập phân chia theo tần số FDMA. Một số đặc điểm cần lưu ý:  Dịch vụ của mạng chỉ đơn giản chủ yếu là thoại.  Dung lượng còn thấp, phân bố tần số hạn chế. KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 3/57  Xac suất gây rớt cuộc gọi cao và khả năng chuyển cuộc gọi không đang tin cậy, chất lượng âm thanh của cuộc gọi kém.  Tính bảo mật rất hạn chế dễ bị nghe lén bởi bên thứ ba.  Dễ xảy ra nhiễu khi may di dộng di chuyển trong môi trường fading nhiều tia. 1.2.2 Mạng 2G Thế hệ thứ 2 (2G) là hệ thống thông tin di động tế bào sử dụng bằng cach truyền vô tuyến số với tốc độ 19.2 kbps. Thế hệ được triển khai ở Châu Âu năm 1987 dùng ky thuật TDMA, CDMA kết hợp với FDMA. Đặc điểm của hệ thống là sử dụng chuyển mạch kênh, mỗi kênh tần số chia ra cho nhiều người dùng theo mã hoặc chia theo thời gian. Ưu điểm:  Tần số sử dụng hiệu quả hơn.  Dung lượng hệ thống lớn hơn thế hệ đầu tiên.  Cho chất lượng thoại và dịch vụ data tốt. KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 4/57 Hình 1-3: Điện thoại 2G [2] Hệ thống có 4 chuẩn chính gồm:  GSM được đề xuất bởi cac nước Bắc Âu vào năm 1982, sử dụng băng tần 900MHz dùng ky thuật đa truy cập theo thời gian TDMA.  DECT được dùng ở Châu Âu.  PDC được sử dụng tại Nhật Bản dùng ky thuật TDMA.  IS-95 được Qualcomm cho ra mắt vào những năm 1990 sử dụng ky thuật truy cập vô tuyến CDMA cho phép chia sẻ cùng một dãy tần chung. Hệ thống này được triển khai tại Bắc My và Hàn Quốc. Ở Việt Nam GSM được sử dụng từ 1993 cho nhà mạng Mobifone và triển khai hệ thống thông tin di động sử dụng ky thuật CDMA cho nhà mạng SFone vào thang 7 năm 2003 và ky thuật CDMA 2000-1X cho nhà mạng EVNTelecom. Mặc dù hệ thống có những tiến bộ đang kể nhưng vẫn có những hạn chế như: Tốc độ thấp và tài nguyên vẫn còn hạn hẹp. 1.2.3 Mạng 3G KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 5/57 Thế hệ thứ 3 (3G) đưa vào sử dụng khoảng năm 2004, ITU công bố chuẩn IMT2000 (International Mobile Telecommunications 2000). Mạng 3G dùng kĩ thuật đa truy cập CDMA và W-CDMA (Wideband Code Division Multiple Access). Một số ưu điểm:  Mạng cung cấp dịch vụ thoại chất lượng tốt hơn.  Cac dịch vụ tin nhắn: SMS, email…  Đa phương tiện truy cập internet như: xem phim, nghe nhạc, xem tin tức… Hình 1-4: Điện thoại 3G [2] Cac hệ thống của mạng 3G: KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 6/57  UMTS sử dụng công nghệ W-CDMA là thế hệ kế tiếp sau GSM và được chuẩn hóa bởi 3GPP.  CDMA 2000 sử dụng công nghệ CDMA dựa trên thế hệ trước đó là IS-95 và được quản lý bởi 3GPP2. 1.2.4 Mạng 4G Thế hệ thứ 4 (4G) là mạng thông tin di động được biết đến với tên gọi LTE (Long Term Evolution). Với mong muốn của 4G là cung cấp kết nối mọi lúc mọi nơi, tốc độ truy cập dữ liệu cao, hệ thống bảo mật tốt, phục vụ đa phương tiện nhanh hơn với tốc độ tối đa trong điều kiện lý tưởng từ 1Gbps đến 1.5Gbps. 4G dùng ky thuật truyền tải truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDM, ky thuật được truyền một lúc nhiều tần số khac nhau. Ưu điểm nổi bật:  Tốc độ truy cập cao hơn rất nhiều so với 3G.  Tăng hiệu quả sử dụng phổ và giảm thời gian trễ.  Cấu trúc mạng đơn giản.  Độ rộng của băng tần linh hoạt.  Dung lượng lớn. KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 7/57 Hình 1-5: Điện thoại 4G [2] Qua trình nghiên cứu và phat triển lên 4G có 2 hướng chính:  Phat triển bởi 3GPP tiến lên 4G thông qua 3G LTE.  Xây dựng 4G từ nền tản WiMAX. Hình 1-6: Quá trình phát triển 4G [1] KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 8/57 WiMAX và LTE cả hai đều sử dụng công nghệ đa truy cập phân chia theo tần số trực giao OFDMA. Lợi thế của LTE so với WiMAX là được phat triển từ cơ sở hạ tầng của GSM có sẵn, còn WiMAX là một hướng hoàn toàn mới. Bảng 1-1: Bảng đặc tính các thế hệ Tên mạng di First Second Third Fourth động Generation Generation Generation Generation (Thế hệ thứ (Thế hệ thứ 2) (Thế hệ thứ 3) (Thế hệ thứ 4) Thời gian xuất nhất) Năm 1980 Năm 1993 Năm 2001 Năm 2009 hiện Hệ thống mạng NMT, AMPS, GSM, DECT, UMTS, LTE, WiMAX Hình thức truy TACS Ky thuật PDC, IS-95 Ky thuật CDMA2000 Ky thuật Ky thuật cập FDMA TDMA, W-CDMA OFDMA Hình thức Kênh CDMA Kênh và gói Gói Gói chuyển mạch Tốc độ dữ liệu Đặc tính của 2.4 Kbps Công nghệ 19.2 Kbps Công nghệ số 2 Mbps Công nghệ số 100 Mbps Công nghệ số mạng tương tự tăng tốc độ tốc độ cao KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 9/57 CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG SONG CÔNG 1.1 Giới thiệu Truyền thông dữ liệu qua mạng vô tuyến là một lĩnh vực mũi nhọn trong ngành công nghệ thông tin ở hiện tại và tương lai. Tuy nhiên, việc truyền dẫn thông tin qua cac kênh vô tuyến sẽ gặp những khó khăn, gây ảnh hưởng như thời tiết, địa hình, thiết bị... Trong thực tế, tín hiệu được truyền từ may phat đến may thu sẽ đi theo nhiều đường khac nhau gây ra nhiễu về biên độ, pha và góc tới của tín hiệu tại may thu, hiện tượng này được gọi là fading đa đường. Vấn đề này đã nhận được rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu và tìm ra cac phương phap khac nhau để hạn chế ảnh hưởng của fading này như sử dụng ky thuật phân tập, MIMO… nhưng với mỗi phương phap đều có tồn tại những ưu và khuyết điểm riêng. 1.2 Cac dạng kênh truyền  Dạng kênh chọn lọc thời gian.  Dạng kênh chọn lọc tần số.  Dạng kênh không chọn lọc theo thời gian.  Dạng kênh không chọn lọc theo tần số. 1.3 Mô hình kênh Phân bố Rayleigh thường được sử dụng để mô tả bản chất thay đổi theo thời gian của đường bao tín hiệu fading phẳng thu được hay là đường bao của một thành phần đa đường riêng lẻ. Hiểu cach khac, đường bao của tổng hai tín hiệu nhiễu Gauss trực giao được tuân theo phân bố Rayleigh. Phân bố Rayleigh có hàm mật độ xac suất là:   r2   r 2 2 p (r )  2 e , 0 r     0, r  0 Trong đó: KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG (2.1) Trang 10/57  là tham số của phân bố Rayleigh 1.4 Ky thuật chuyển tiếp trong mạng truyền thông 1.1.1 Giới thiệu Một trong những thành phần quan trọng của mạng truyền thông là nút chuyển tiếp (Relay) và cac thiết bị đầu cuối. Để nắm được ky thuật chuyển tiếp nhằm tạo tiền đề cho việc phân tích hoạt động của hệ thống. 1.1.2 Ky thuật chuyển tiếp Trong mạng truyền thông di dộng, việc tăng cường dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng và hạ thấp chi phí vận hành là mục tiêu của cac nhà quản lý mạng viễn thông hiện tại. Đồng thời, nhằm giảm sự suy yếu của tín hiệu truyền đi do suy giảm kênh truyền như fading, hiệu ứng bóng râm…. Ky thuật chuyển tiếp AF là một công nghệ hiện đại đap ứng được nhu cầu đặt ra. Hình 2-1: Mô hình chuyển tiếp [1] 1.1.3 Cac loại chuyển tiếp Theo tiêu chuẩn 3GPP LTE-Advanced có hai loại là chuyển tiếp loại 1 (Type-I) và loại 2 (Type-II). KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 11/57 Hình 2-2: Chuyển tiếp loại I và II [1] 1.1.4 Phương phap chuyển tiếp tín hiệu  Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) Hình 2-3: Chuyển tiếp AF [1] Phương phap AF: Trạm chuyển tiếp (Relay) được nhận tín hiệu từ nguồn ( Source) nhưng đã bị suy hao và cần phải khuếch đại cả tín hiệu và nhiễu trước khi truyền tiếp đến đích ( Destination).  Giải mã và chuyển tiếp (DF) KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG Trang 12/57 Hình 2-4: Chuyển tiếp DF [1] Phương phap DF: sử dụng hình thức truyền tín hiệu số. Tín hiệu từ nguồn ( Source) được truyền đến Relay. Tại đây tín hiệu được giải mã và sau đó mã hóa rồi truyền đến đích (Destination), do đó phương phap này thành phần nhiễu không được khuếch đại trong tín hiệu nhận. KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP TRONG HỆ THỐNG SONG CÔNG