Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã Fountain trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền

Chia sẻ: Cảnh Phương Thanh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:54

Thêm vào BST

Báo xấu

10
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề án "Nghiên cứu mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã Fountain trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền" đưa ra cái nhìn tổng quan về truyền thông vô tuyến, tổng quát về mạng chuyển tiếp hai chiều, mã Fountain, mạng vô tuyến nhận thức; mô phỏng Monte-Carlo và mô phỏng kết quả lý thuyết trên phần mềm Matlab để kiểm chứng tính chính xác của mô hình hệ thống dựa trên lưu đồ mô phỏng và công thức toán học đã đạt được. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Đề án tốt nghiệp Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã Fountain trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- LÊ TIẾN BÌNH NGHIÊN CỨU MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN ĐỀ ÁN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG --------------------------------------- LÊ TIẾN BÌNH NGHIÊN CỨU MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG MÃ FOUNTAIN TRONG MÔI TRƯỜNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG MÃ SỐ: 8.52.02.08 ĐỀ ÁN THẠC SĨ KỸ THUẬT (Theo định hướng ứng dụng) NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG TP. HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023
i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong đề án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Lê Tiến Bình
ii LỜI CẢM ƠN Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Lê Quốc Cường, người Thầy đã định hướng, hỗ trợ và chỉ bảo cho tôi hoàn thành quyển Đề án “Nghiên cứu mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã Fountain trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền”. Tôi xin chân thành gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban lãnh đạo Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn thông, Ban chủ nhiệm Khoa Viễn thông 2 đã tạo điều kiện cho tôi được tham gia khóa học này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô thuộc Phòng Đào tạo và Khoa học Công nghệ và Khoa Đào tạo Sau đại học đã hết lòng hỗ trợ cho khóa học của chúng tôi được tiến hành suôn sẻ, trọn vẹn. Nhân dịp này, tôi cũng xin cảm ơn Quỹ Nafosted đã hỗ trợ trong suốt thời gian tôi thực hiện đề án, thông qua Đề tài “Nâng cao độ tin cậy truyền tin và bảo mật thông tin cho các mạng vô tuyến quảng bá sử dụng mã Fountain” với mã số 102.04- 2021.57. Trong quyển đề án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, tôi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý Thầy Cô và quý bạn đọc để đề án này được hoàn thiện hơn. TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023 Học viên thực hiện đề án Lê Tiến Bình
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................... ii MỤC LỤC ......................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT .....................................v DANH SÁCH BẢNG .........................................................................................vi DANH SÁCH HÌNH VẼ ................................................................................. vii MỞ ĐẦU ..............................................................................................................1 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM TỔNG QUAN ......................................................3 1.1. Tổng quan về truyền thông vô tuyến ...............................................3 1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển mạng vô tuyến...........................3 1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm hệ thống truyền thông vô tuyến ............5 1.1.3. Giới thiệu về mạng WSNs, IoTs ...................................................6 1.1.4. Fading kênh truyền .......................................................................8 1.1.5. Mô hình truyền tín hiệu trên kênh fading .....................................9 1.1.6. Hiệu năng mạng vô tuyến ...........................................................10 1.1.7. Mô phỏng Monte Carlo ...............................................................11 1.2. Tổng quan về mạng chuyển tiếp ....................................................12 1.2.1. Chuyển tiếp một chiều ................................................................14 1.2.2. Các kỹ thuật chuyển tiếp cơ bản .................................................15 1.2.3. Chuyển tiếp hai chiều..................................................................17 1.3. Vô tuyến nhận thức ........................................................................18 1.4. Mã Fountain ...................................................................................20 1.5. Khảo sát các nghiên cứu liên quan.................................................22 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ HIỆU NĂNG ............................23 2.1. Mô hình chuyển tiếp hai chiều 03 pha (MH-3P) ...........................23 2.2. Nguyên lý hoạt động của MH-3P ..................................................24 2.3. Phân tích hiệu năng mô hình MH-3P .............................................30 2.4. Mô hình chuyển tiếp hai chiều 04 pha (MH-4P) ...........................33 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT ...........................36 KẾT LUẬN .......................................................................................................42
iv DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................43
v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT Viết Tắt Tiếng Anh Tiếng Việt AWGN Additive White Gaussian Noise Nhiễu Gauss trắng AF Amplifier and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BS Base Station Trạm gốc CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp EC Ergodic Capacity Dung lượng kênh trung bình IoT Internet of Things Internet vạn vật MS Mobile Station Trạm di động PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất PR Primary Reveiver Nút thu sơ cấp PT Primary Transmitter Nút phát sơ cấp PU Primary User Người dùng sơ cấp SR Secondary Relay Nút chuyển tiếp trung gian thứ cấp SS Secondary Source Nguồn thứ cấp SU Secondary User Người dùng thứ cấp WSN Wireless Sensor Networks Mạng cảm biến không dây
vi DANH SÁCH BẢNG Bảng 3.1: Các tham số hệ thống................................................................................37
vii DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây ............................................................7 Hình 1.2: Mạng IoTs. ..................................................................................................7 Hình 1.3: Mô hình kênh Fading Rayleigh...................................................................8 Hình 1.4: Mô hình kênh truyền Fading Rician ...........................................................9 Hình 1.5: Mô hình truyền tín hiệu giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R. .................10 Hình 1.6: Mạng chuyển tiếp một chiều đường xuống. .............................................14 Hình 1.7: Mạng chuyển tiếp một chiều đường lên....................................................15 Hình 1.8: Kỹ thuật chuyển tiếp DF. ..........................................................................15 Hình 1.9: Kỹ thuật chuyển tiếp AF. ..........................................................................16 Hình 1.10: Chuyển tiếp hai chiều. .............................................................................17 Hình 1.11: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức. ........................................................19 Hình 1.12: Mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền. ...................................................20 Hình 1.13: Ví dụ về mã Fountain. .............................................................................21 Hình 2.1: Mô hình chuyển tiếp hai chiều 03 pha sử dụng mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền..........................................................................................23 Hình 2.2: Mô hình chuyển tiếp hai chiều 04 pha sử dụng mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. ...................................................................................33 Hình 3.1: Xác suất dừng vẽ theo  (dB) với H = 4 , Q = 5 , xR = 0.4 và ( xP , yP ) = ( 0.5,0.5) . ...................................................................................................38 Hình 3.2: Xác suất dừng vẽ theo  (dB) với H = 4 , Q = 4 , xR = 0.6 và (xP , yP ) = (0.5,0.4). .................................................................................................39 Hình 3.3: Xác suất dừng vẽ theo Q với  = 12.5 (dB), xR = 0.5 và (xP , yP ) = (0.5,0.5) ..................................................................................................40 Hình 3.4: Xác suất dừng vẽ theo Q với  = 25 (dB), xR = 0.5 và (xP , yP ) = (0.4,0.6) ..................................................................................................41
1 MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây hệ thống thông tin vô tuyến đã phát triển một cách mạnh mẽ và nhanh chóng bởi nhu cầu ngày càng tăng của người dùng cũng như sự phát triển công nghệ của các thiết bị đầu cuối. Việc nghiên cứu ứng dụng những công nghệ tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này là hết sức cần thiết. Gần đây, mã Fountain (Fountain Codes hay Rateless Codes) đang được nghiên cứu rộng rãi trong và ngoài nước bởi vì mã Fountain là kỹ thuật mã hoá đơn giản và có khả năng thích ứng nhanh với sự thay đổi của điều kiện kênh truyền. Trong mã này, nguồn có thể gửi đi một số lượng không giới hạn các gói mã hoá của dữ liệu gốc. Ở nút đích, dữ liệu gốc được khôi phục nếu nút đích có thể nhận đủ số lượng gói dữ liệu được mã hoá. Bởi sự đơn giản trong việc cài đặt và triển khai, mã Fountain có thể thích hợp cho các hệ thống vô tuyến đơn giản như mạng cảm biến vô tuyến (WSN: Wireless Sensor Networks), mạng Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of Things), v.v. Chuyển tiếp hai chiều (Two-way relaying) là mô hình có hai nút nguồn muốn trao đổi dữ liệu với nhau thông qua một hoặc nhiều các nút chuyển tiếp trung gian. Thông thường, chuyển tiếp hai chiều được thực hiện thông qua 04 khe thời gian trực giao nên tốc độ dữ liệu sẽ là 02/04 = 1/2 (02 dữ liệu truyền trên 04 khe thời gian). Để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu, kỹ thuật chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa mạng số (Digital Network Coding) đã được đề xuất. Kỹ thuật này chỉ sử dụng 03 khe thời gian nên đạt được tốc độ dữ liệu cao hơn (mô hình thông thường), đó là 02/03 (02 dữ liệu trên 03 khe thời gian). Với sự khan hiếm phổ tần đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng trong thông tin vô tuyến bởi số lượng thiết bị vô tuyến ngày càng nhiều. Để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần, vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio) đã được đề xuất. Trong CR, mạng thứ cấp có thể sử dụng băng tần của mạng sơ cấp miễn là chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp vẫn được đảm bảo. Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay CR), nút phát thứ cấp được phép sử dụng các băng tần cùng lúc với mạng
2 sơ cấp, nhưng chúng phải hiệu chỉnh công suất phát của mình để hiệu năng của mạng sơ cấp không bị ảnh hưởng. Từ những phân tích trên, đề án đề xuất mô hình chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã Fountain trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. Đề án sẽ được cấu trúc với các chương như sau. Chương 1 - KHÁI NIỆM TỔNG QUAN Trong chương 1 đề án sẽ đưa ra cái nhìn tổng quan về truyền thông vô tuyến, tổng quát về mạng chuyển tiếp hai chiều, mã Fountain, mạng vô tuyến nhận thức. Chương 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ HIỆU NĂNG Nội dung chương 2, sẽ đưa ra mô hình về mạng chuyển tiếp hai chiều 3 pha, nguyên lý hoạt động và hiệu năng mạng chuyển tiếp hai chiều 3 pha và so sánh với mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều 4 pha. Chương 3 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT Chương 3 sử dụng mô phỏng Monte-Carlo và mô phỏng kết quả lý thuyết trên phần mềm Matlab để kiểm chứng tính chính xác của mô hình hệ thống dựa trên lưu đồ mô phỏng và công thức toán học đã đạt được.
3 CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về truyền thông vô tuyến 1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển mạng vô tuyến Trong những năm gần đây hệ thống thông tin vô tuyến đã phát triển một cách mạnh mẽ và nhanh chóng bởi nhu cầu ngày càng tăng của người dùng cũng như sự phát triển công nghệ của các thiết bị đầu cuối. Việc nghiên cứu ứng dụng những công nghệ tiên tiến để đáp ứng nhu cầu này là hết sức cần thiết. Khác với mạng hữu tuyến sử dụng các đường truyền cáp đồng hoặc cáp quang để kết nối các điểm đầu cuối cố định với nhau, mạng vô tuyến sử dụng sóng điện từ truyền tín hiệu số từ thiết bị ở đầu phát tới thiết bị ở đầu thu của hệ thống thông tin số thông qua antena hoặc cảm biến trong môi trường không gian tự do. Sau khi nhận được tín hiệu từ phía đầu phát, phía thu sẽ phải giải mã để nhận được tín hiệu ban đầu. Với sự ra đời và phát triển của các dịch vụ Internet di động, truyền dữ liệu băng thông rộng, truyền hình di động, IoTs,..v.v làm cho nhu cầu về tốc độ truyền dẫn ngày càng tăng, đặc biệt là trong các hệ thống thông tin di động tế bào. Các hệ thống thông tin di động tế bào đã phát triển đến thế hệ thứ 5 (5G) và đang được triển khai trên nhiều nước trên thế giới, hiện tại ở Việt Nam đã triển khai thử nghiệm tại một số tỉnh thành. Tuy nhiên vấn đề mà truyền thông vô tuyến hiện đang gặp phải là sự ảnh hưởng của nhiễu, suy hao kênh truyền, fading, …v.v. Khi tín hiệu truyền từ đầu phát tới đầu thu trong môi trường không gian tự do chịu ảnh hưởng của phản xạ, nhiễu xạ, và tán xạ. Do đó, hiện tượng đa đường gây nên sự thăng giáng về biên độ, pha, làm trễ và thường dẫn đến hiện tượng fading. Các mốc thời gian quan trọng trong lịch sử phát triển của vô tuyến đến ngày nay: - Vào năm 1838, Samuel Morse đã phát minh ra hệ thống điện báo đầu tiên được tình diễn tại Speedwell Iron Works ở Morristown, New Jersey.
4 - Vào năm 1864, J.C Maxwell đã trình bày lý thuyết hợp nhất điện từ và từ trường, phát triển các phương trình tổng quát của trường điện từ, chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ và cho thấy sóng này có thể truyền trong không gian tự do. - Vào năm 1895, Marconi đã gởi và nhận thành công những tín hiệu sóng vô tuyến đầu tiên. - Vào năm 1915, hê thống truyền tín hiệu thoại không dây được thiết lập để truyền thoại giữa New York và San Francisco. Sau 30 năm, các dịch vụ điện thoại di động công cộng đã được giới thiệu ở 25 thành phố của Mỹ. - Vào năm 1927, hệ thống thông tin vô tuyến nối liền Bắc Mỹ và Châu Âu được thành lập. - Năm 1933 Edwin Howard Armstrong phát minh ra sóng vô tuyến biến tần (frequency-modulated) hay còn gọi là sóng vô tuyến FM. - Vào năm 1963, Viện kỹ sư điện- điện tử (IEEE) được thành lập. - Năm 1965 một hệ thống antena phát sóng FM đầu tiên trên thế giới được xây dựng trên toà nhà Empire State ở New York. - Vào năm 1971, hệ thống mạng vô tuyến gói đầu tiên ALOHANET ra đời tại trường đại học Hawaii. Mạng lưới cho phép các trang web máy tính tại các địa điểm trên bốn hòn đảo giao tiếp với một máy tính trung tâm đặt tại Oahu thông qua truyền dẫn vô tuyến. - Trong suốt những năm 1970 đến đầu những năm 1980 các dự án nâng cao quốc phòng (DARPA) đầu tư đáng kể nhằm phát triển mạng lưới sử dụng vô tuyến gói cho truyền thông chiến thuật trên chiến trường - Vào năm 1984, Uỷ ban truyền thông liên bang (FCC) cấp phép phân bố khoảng phổ cho di động từ 40 MHz đến 50MHz. Hệ thống di động tương tự đầu tiên từ phòng thí nghiệm AT&T Bell được triển khai ở Chicago. - Vào năm 1985, FCC cho phép thương mại hoá mạng LAN không dây (WLANs) bằng việc cấp phép phát triển và sử dụng đại trà các băng tần dùng
5 trong lĩnh vực công nghiệp, nghiên cứu và y tế (ISM) cho các sản phẩm dùng mạng LAN không dây. - Những năm 1990, hệ thống di động thế hệ thứ 2 ra đời (2G). Chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số cung cấp các dịch vụ cho thoại ngoài ra 2G cũng rất quan trọng vì nó cho phép người dùng gửi tin nhắn văn bản và truyền dữ liệu. Cho đến thời điểm hiện tại, đã trải qua nhiều thế hệ như mạng 2G, 3G, 4G và hiện tại là mạng 5G. Xuyên suốt quá trình phát triển, dung lượng/tốc độ mạng ngày càng được nâng cao, thời gian trễ ngày càng thấp, cung cấp ngày càng nhiều ứng dụng hữu ích cho người dùng. 1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm hệ thống truyền thông vô tuyến Hệ thống truyền thông vô tuyến truyền dẫn trong môi trường không gian tự do nên có những ưu điểm so với các hệ thống khác: Ưu điểm : - Tiện lợi trong việc kết nối : Không cần sử dụng dây cáp để thiết lập kết nối mạng, dễ dàng kết nối mạng không dây nhanh chóng. Có thể truy xuất đến mọi nơi trong vùng phủ sóng như các toà nhà, cao ốc. Đặc biệt thuận lợi khi mà thiết bị hỗ trợ thu phát ngày càng được sử dụng rộng rãi như smartphone, laptop, các thiết bị IoTs. - Tiết kiệm chi phí đầu tư: Chi phí thiết lập phần cứng mạng ban đầu của hệ thống truyền thông vô tuyến cao hơn nhưng xét về chi phí lâu dài toàn hệ thống và giá thành tuổi thọ đáng kể hơn nhiều so với mạng hữu tuyến. - Linh động: Có thể kết nối bất kỳ nơi nào trong vùng phủ sóng mà không cần cáp dây như mạng hữu tuyến, mạng vô tuyến đáp ứng nhu cầu thông tin người dùng khi di chuyển mọi lúc mọi nơi. - Dễ thiết kế và triển khai mở rộng: Cài đặt hệ thống mạng không dây nhanh chóng và dễ dàng, giảm bớt việc phải kéo dây qua các vị trí khó khăn. Truyền thông không dây cho phép mạng đi đến các nơi mà mạng có dây không thể.
6 Dễ dàng mở rộng có thể đáp ứng tức thì khi có sự gia tăng lớn về số lượng truy cập. Ngoài những ưu điểm trên thì truyền thông vô tuyến cũng có những nhược điểm nhất định: Nhược điểm : - Suy hao : Truyền thông trong môi trường không gian tự do nên thường xảy ra các vấn đề về nhiễu sóng do thời tiết, do giao thoa sóng với các thiết bị vô tuyến khác hay do các vật chắn như các công trình, toà nhà cao tầng, đồi núi,…v.v gây ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của mạng. - Bảo mật: Có thể nói chính là nhược điểm lớn nhất của mạng không dây bởi tính quảng bá khả năng bị tấn công là rất lớn. - Phạm vi hoạt động: Còn hạn chế về phạm vi, nhanh chóng bị suy giảm tín hiệu khi sự tăng lên giữa các thiết bị thu và phát. - Chất lượng dịch vụ: Không ổn định bằng mạng hữu tuyến vì tốc độ chậm hơn, độ trễ cao hơn và nhiễu, và tỉ lệ lỗi cao. 1.1.3. Giới thiệu về mạng WSNs, IoTs Trong những năm gần đây, với sự phát triển vượt bậc của công nghệ kỹ thuật điện tử truyền thông và công nghệ thông tin tạo động lực thúc đẩy cho việc phát triển các hệ thống thông minh trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp, nông nghiệp, y tế, sản xuất và dân dụng. Đồng thời, với xu thế IoTs (Internet of Things) đã mở ra rất nhiều thuận lợi cho việc nghiên cứu, xây dựng và triển khai hệ thống mạng thông minh trên toàn cầu, trong đó hệ thống mạng cảm biến đóng vai trò quan trọng cho hệ thống thông minh này. Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) là tập hợp các nút cảm biến sử dụng các liên kiết không dây như vô tuyến, hồng ngoại hoặc quang học để phối hợp thực hiện thu thập thông tin dữ liệu phân tán với quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vị trí địa lý nào.
7 Hình 1.1: Mô hình mạng cảm biến không dây Như hình 1.1 mô tả mạng WSNs trong đó các nút cảm biến được triển khai để thu thập thông tin các thông số về môi trường, nhiệt độ, độ ẩm,.v..v và gửi thông tin thu được về trung tâm. Trong mạng WSNs, có thể lắp đặt các Sink để thu thập dữ liệu theo từng vùng. Các thiết bị cảm biến có thể gửi trực tiếp dữ liệu về Sink hoặc sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để gửi thông tin về. Mạng cảm biến không dây có các đặc điểm nổi trội như : Mạng WSNs sử dụng các nút cảm biến nói chung có kích thước nhỏ với chi phí đầu tư thấp, có thể triển khai ở các điều kiện địa hình và khí hậu phức tạp, phục vụ tốt cho việc thu thập dữ liệu. Tuy nhiên bên cạnh đó thì mạng WSNs vẫn còn một số hạn chế nhất định như: Thiết bị cảm biến bị giới hạn về mặt năng lượng nên cần được cung cấp năng lượng thường xuyên, có kích thước nhỏ nên hạn chế về mặt xử lý và lưu trữ, và công suất phát thấp dẫn tới giới hạn về vùng bao phủ. Tương tự như mạng WSNs, mạng IoTs có nhiều ứng dụng nổi bật như ứng dụng vào smart city, smart home, các thiết bị đeo tay thông minh, hỗ trợ trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp, y tế..v..v Hình 1.2: Mạng IoTs
8 1.1.4. Fading kênh truyền Các yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng truyền dẫn trong một kênh vô tuyến bao gồm: hiệu ứng đa đường, tổn thất đường truyền và mờ dần. Fading kênh là sự thay đổi cường độ của tín hiệu sóng mang tần số cao do tác động từ môi trường phát, do đó làm méo tín hiệu thu được tại anten thu. Các tác động môi trường có thể bao gồm những thay đổi không đồng đều trong chỉ số khúc xạ của khí quyển, mặt đất và phản xạ của nước đối với sóng vô tuyến đi qua. Một số kênh fade phổ biến hiện nay có thể kể đến như Rayleigh, Rician, Nakagami-m: Kênh fading Rayleigh: Hình 1.3: Mô hình kênh Fading Rayleigh Kênh fading Rayleigh là một kênh truyền thông phổ biến hiện nay và là kênh được hình thành bởi các đường tín hiệu gián tiếp từ các thiết bị phát (Non Line of Sight). Hệ số kênh (thường được ký hiệu là h) có phân bố Rayleigh và có hàm mật độ xác suất (PDF - Probability Density Function): x  x2  f|h| ( x ) = 2 exp  − 2  , x  0 (1.1)   2  Độ lợi kênh được ký hiệu là  =| h |2 , ta có hàm phân bố xác suất tích luỹ (CDF - Cumulative Distribution Function) và hàm mật độ xác suất (PDF - Probability Density Function) của  =| h |2 lần lượt là (xem tài liệu [1]):
9 F ( y ) = 1 − exp ( − y ) , (1.2) f ( y ) =  exp ( − y ) , (1.3) ( ) với  = 1 / 2 là tham số đặc trưng của biến ngẫu nhiên có phân phối mũ, 2 cụ thể  bằng 1 chia cho giá trị trung bình của  , và cũng bằng 1 chia cho độ lệch chuẩn của  : 1 1 = = . (1.4)  var   Kênh fading Rician: Hình 1.4: Mô hình kênh truyền Fading Rician Với kênh fading Rayleigh, không có thành phần tín hiệu nào trực tiếp đến máy thu mà không bị phản xạ hoặc tán xạ với công suất vượt trội. Khi thành phần chiếm ưu thế này có mặt, phân phối sẽ là Rician. Trong kênh này, các thành phần đa đường ngẫu nhiên đến máy thu với các góc khác nhau được đặt chồng lên các tín hiệu được truyền trực tiếp từ máy phát đến máy thu. 1.1.5. Mô hình truyền tín hiệu trên kênh fading Hình 1.5 miêu tả sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R. Tín hiệu nhận được tại nút R được viết như sau:
10 yR = PT hTR x + nR , (1.5) với x là tín hiệu chứa dữ liệu của nút T, PT ký hiệu công suất phát của nút T, hTR là hệ số kênh fading Rayleigh giữa nút T và nút R, nR là nhiễu Gauss trắng cộng tính (AWGN: Additive White Gaussian Noise) tại nút R. Hơn nữa, nhiễu nR là biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là  02 . T R Hình 1.5: Mô hình truyền tín hiệu giữa thiết bị phát T và thiết bị thu R Từ công thức (1.5), tỷ số SNR (Signal-to-noise ratio) tức thời đạt được tại nút đích R được tính như sau: PT | hTR |2  TR = . (1.6)  02 Tỷ số SNR trong công thức (1.6) được gọi là tỷ số SNR tức thời bởi vì tỷ số này thay đổi theo thời gian. Tiếp đến, dung lượng kênh tức thời trên 01 đơn vị băng thông (BW = 1) được viết như sau:  P | h |2  CTR = log 2 (1 +  TR ) = log 2 1 + T TR  . (1.6)   02  1.1.6. Hiệu năng mạng vô tuyến Các hiệu năng mạng vô tuyến có thể kể đến như xác suất dừng (OP: Outage Probability), tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate), dung lượng kênh trung bình (EC: Ergodic Capacity). Trong đề án này, học viên nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng, đó là xác suất mà dung lượng kênh CTR nhỏ hơn một ngưỡng cho trước, ký hiệu Cth . Sử dụng công thức (1.6), ta có xác suất dừng của đường truyền từ thiết bị phát T sang thiết bị thu R như sau: OP = Pr ( CTR   Cth ) = Pr  | hTR |  2 ( ) 2Cth − 1  0  2 . (1.7)  PT   
11 Sử dụng hàm CDF của biến ngẫu nhiên | hTR |2 như đã đưa ra trong công thức (1.2), xác suất dừng được tính như sau: OP = F|h |2  ( )  2Cth − 1  0  2  = 1 − exp  − ( )   2Cth − 1  0  2 . (1.8) TR     PT PT     1.1.7. Mô phỏng Monte Carlo Để kiểm chứng tính chính xác của các công thức toán học. Mô phỏng Monte Carlo thường được sử dụng. Mô phỏng Monte Carlo là quá trình sử dụng các phương pháp ngẫu nhiên để tạo ra các kịch bản mô phỏng và xác định các kết quả xác suất hoặc ước lượng giá trị của một vấn đề hay một hệ thống. Phương pháp này được sử dụng để mô phỏng các quá trình và sự kiện có tính ngẫu nhiên, trong đó các kết quả không thể dự đoán chính xác từng trường hợp cụ thể. Quá trình mô phỏng Monte Carlo bao gồm các bước sau: - Xác định mô hình: Đầu tiên, cần xác định mô hình của vấn đề hoặc hệ thống cần mô phỏng. Mô hình này có thể là một hàm toán học hoặc một bộ luật, mô tả các quy tắc và quy trình của vấn đề. - Tạo ra dữ liệu ngẫu nhiên: Sử dụng các phương pháp tạo số ngẫu nhiên, như phân phối đều hay phân phối Gaussian, dữ liệu ngẫu nhiên được tạo ra. Số lượng và phân phối của dữ liệu ngẫu nhiên phụ thuộc vào mô hình và mục tiêu của mô phỏng. - Thực hiện mô phỏng: Sử dụng dữ liệu ngẫu nhiên, mô hình được áp dụng để mô phỏng các kịch bản và tính toán các giá trị đầu ra. Quá trình này thường được lặp lại nhiều lần để thu thập thông tin đầy đủ về phân phối và kết quả mong muốn. - Xác định kết quả: Sau khi hoàn thành các quá trình mô phỏng, kết quả được thu thập và xử lý để xác định các giá trị xác suất, ước lượng hoặc đánh giá hiệu năng của hệ thống.