TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
Giới thiệu
Trong những năm gần đây, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) đã trở thành một giải pháp tiềm năng để cải thiện độ chiếm dụng phổ tần, vốn bị giới hạn bởi chính sách phân bố cố định CR cho phép người dùng không đăng ký (người dùng thứ cấp - SU) tận dụng các băng tần đã được cấp phép mà không làm ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu của người dùng đã đăng ký (người dùng sơ cấp - PU) Chính vì vậy, CR được coi là chìa khóa để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần.
Vô tuyến nhận thức là hệ thống cho phép các phần tử điều chỉnh các tham số như công suất và tần số dựa trên sự tương tác với môi trường xung quanh Ứng dụng của công nghệ này mở ra cơ hội khai thác hiệu quả các khoảng trắng tần số, từ đó tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên tần số trong viễn thông.
Vô tuyến nhận thức đại diện cho một công nghệ mới mang tính cách mạng trong quản lý phổ tần, cho phép sử dụng và chia sẻ phổ linh hoạt mà không gây ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến đã được cấp phép.
Khả năng điều chỉnh các tham số công suất và tần số thông qua cảm biến thông minh hoạt động theo chu trình sensing-understanding-action giúp thiết bị tương tác hiệu quả với môi trường Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, thiết bị vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) đóng vai trò quan trọng, vì các tham số của SDR có thể được thay đổi linh hoạt qua phần mềm mà không cần thay đổi cấu trúc phần cứng.
Mục tiêu của vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô tuyến sử dụng các dải tần trống tạm thời mà không làm ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến ưu tiên cao hơn đang hoạt động trên cùng dải tần Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng tần số và giảm thiểu can nhiễu.
2 tối đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến nhận thức phải có những tính năng cơ bản sau:
Hệ thống có khả năng điều chỉnh tần số hoạt động ngay lập tức từ một băng tần này sang một băng tần khác còn trống trong dải tần cho phép.
- Thiết lập mạng thông tin và hoạt động trên một phần hoặc toàn bộ băng tần được cấp phát
Chia sẻ kênh tần số và điều chỉnh công suất phù hợp với điều kiện cụ thể của môi trường vô tuyến là rất quan trọng, đặc biệt khi có nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến cùng hoạt động trong cùng một không gian.
Để tối ưu hóa hiệu suất truyền dữ liệu, việc thực hiện thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hóa sửa lỗi là rất quan trọng Điều này cho phép hệ thống tự động điều chỉnh các tham số để đạt được thông lượng tốt nhất có thể, giúp nâng cao hiệu suất và giảm thiểu thời gian truyền dữ liệu.
- Tạo búp sóng và điều khiển búp sóng thích ứng theo đối tượng truyền thông nhằm giảm thiểu nhiễu đồng kênh và tối đa cường độ tín hiệu thu
Mô hình dạng nền thể hiện hiệu suất sử dụng phổ tốt hơn so với các mô hình khác nhờ khả năng cho phép hai hệ thống hoạt động đồng thời Tuy nhiên, công suất phát của thiết bị trong hệ thống thứ cấp bị giới hạn, dẫn đến vùng phủ sóng bị hạn chế Để mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống PU, nghiên cứu tích hợp công nghệ truyền thông chuyển tiếp vào mạng CR đang được chú trọng Điểm chuyển tiếp có thể sử dụng kỹ thuật Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc Giải mã và chuyển tiếp (DF) để truyền tải dữ liệu hiệu quả hơn.
Hiện nay, thiết bị không dây ngày càng phổ biến và thường sử dụng pin để cung cấp năng lượng Tuy nhiên, thời gian hoạt động của pin có hạn, dẫn đến việc cần phải thay thế hoặc sạc pin trong quá trình sử dụng, điều này gây bất tiện Để khắc phục vấn đề này, người ta đã nghiên cứu và phát triển các phương pháp thu gom năng lượng để cung cấp nguồn cho thiết bị hoạt động liên tục mà không gặp phải những hạn chế của pin.
Việc sử dụng năng lượng sạch từ nguồn tài nguyên thiên nhiên như năng lượng mặt trời và gió để cung cấp năng lượng cho thiết bị truyền thông không dây đang thu hút sự chú ý lớn, nhờ vào khả năng kéo dài hoạt động liên tục Tuy nhiên, nguồn năng lượng này thường không ổn định do phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Một giải pháp tiềm năng là thu năng lượng từ bức xạ tín hiệu vô tuyến (RF) do con người tạo ra, hay còn gọi là chuyển giao năng lượng không dây Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về mạng vô tuyến chuyển tiếp, trong đó có các hệ thống đánh giá hiệu năng mạng với các mô hình khác nhau và phân tích sự ảnh hưởng giữa mạng sơ cấp và thứ cấp Tuy nhiên, các nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào một trong hai loại mạng mà chưa xem xét sự kết hợp giữa thông tin sơ cấp và thứ cấp trong việc hỗ trợ thu thập năng lượng Do đó, bài viết này sẽ phân tích hiệu năng của mạng chuyển tiếp bao gồm cả thông tin sơ cấp và thứ cấp với khả năng thu thập năng lượng.
Ngoài tín hiệu vô tuyến từ thiết bị cá nhân, xung quanh chúng ta còn có nhiều tín hiệu vô tuyến từ các mô hình dịch vụ khác nhau, với nguồn năng lượng vô tuyến dồi dào và ổn định Để nghiên cứu vấn đề này, người thực hiện đã tiến hành đo phổ các tín hiệu vô tuyến tại thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương (tọa độ: 10° 57’15.862’’N, 106° 41’55.367’’E) bằng máy đo Rohde & Schwarz EFL340.
Hình 1.1: Mật độ phổ công suất của tín hiệu vô tuyến
Hình 1.1 biễu diễn phổ công suất của các tín hiệu vô tuyến RF từ
Phổ tần số từ 1MHz đến 2.5GHz bao gồm các tín hiệu như FM quảng bá, truyền hình số DTV, GSM900, GSM1800, 3G và WiFi Chúng ta sẽ khảo sát mức công suất tín hiệu ngõ vào của từng loại tín hiệu cụ thể.
Hình 1.2: Mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần FM
Mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần FM được thể hiện trong Hình 1.2, cho thấy sự phân bố của nhiều kênh tần số khác nhau, với mức ngõ vào cao nhất đạt 42 dBm, tương đương với 63.1 nW.
Hình 1.3: Mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần DTV
Mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần DTV được biểu diễn trong Hình 1.3, bao gồm các kênh tần số 25, 30, 33, 34, 50, 57, 58 Đặc biệt, tại vị trí gần nguồn phát của kênh 25 với công suất máy phát 5kW, mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào cho thấy sự mạnh mẽ và ổn định.
Hình 1.4: Mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần GSM900
Hình 1.4 biễu diễn mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần GSM900 với mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào là 48 dBm15.8 nW
Hình 1.5: Mật độ phổ công suất băng tần GSM1800, 3G, WiFi
Mục đích của đề tài
Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ phân tích mạng sơ cấp gồm hai nút S và D, trong đó thông tin từ máy phát S được truyền đến D Khi D nằm ngoài phạm vi truyền dẫn của S, cần có một mạng hỗ trợ để khuếch đại tín hiệu từ S đến D Giả sử có một mạng thứ cấp với nút relay R, đóng vai trò là nút chuyển tiếp, giúp truyền tín hiệu từ S đến D Đồng thời, nút R cũng có thông tin riêng để truyền cho nút C Như vậy, R không chỉ chuyển tiếp thông tin sơ cấp mà còn cung cấp thông tin thứ cấp cho C, giúp C loại bỏ can nhiễu không mong muốn Hơn nữa, cả hai nút relay R và C có khả năng lưu trữ năng lượng từ tín hiệu phát sơ cấp.
Mục đích của đề tài là phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức trong việc thu thập năng lượng, tập trung vào xác suất dừng tại nút đích D và nút relay C Đề tài cũng đánh giá ảnh hưởng của các đại lượng liên quan đến xác suất dừng tại hai nút này Bên cạnh đó, nghiên cứu còn phân tích thông lượng tức thời thông qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu của nguồn phát, cũng như ảnh hưởng của hệ số phân chia công suất và khoảng cách giữa nguồn phát và nút relay đến năng lượng thu thập trung bình.
Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng
Tìm hiểu các kỹ thuật và giao thức được sử dụng trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng
Phân tích mô hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng phân chia công suất
Phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng phân chia công suất là rất quan trọng Nghiên cứu này tập trung vào thông lượng tức thời và năng lượng thu thập trung bình, giúp đánh giá khả năng hoạt động của mạng trong các điều kiện khác nhau Việc tối ưu hóa các yếu tố này không chỉ nâng cao hiệu suất mạng mà còn đảm bảo sự phân bổ công suất hợp lý, từ đó cải thiện khả năng thu thập năng lượng.
Mô phỏng đánh giá hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức cho thấy khả năng thu thập năng lượng phân chia công suất, đồng thời rút ra kết luận về thông lượng tức thời và năng lượng thu thập trung bình.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi phân tích cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức sử dụng giao thức thu năng lượng phân chia theo công suất để thu thập năng lượng và truyền thông tin Mạng sơ cấp bao gồm các nút S và D, đại diện cho nút nguồn và nút đích, trong khi mạng thứ cấp bao gồm các nút chuyển tiếp R và nút relay C Nút relay R đóng vai trò là nút chuyển tiếp, hỗ trợ truyền tín hiệu từ máy phát sơ cấp và cũng chứa thông tin quan trọng.
Nút relay thứ cấp R không chỉ chuyển tiếp thông tin sơ cấp mà còn đồng thời cung cấp thông tin thứ cấp cho nút C Mạng thứ cấp áp dụng giao thức thu thập năng lượng phân chia theo công suất, cho phép thu thập năng lượng và truyền thông tin trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức Cả hai nút relay thứ cấp R và C đều có khả năng lưu trữ năng lượng từ các tín hiệu nhận được, với tất cả các nút hoạt động ở chế độ bán song công và được trang bị một ăng-ten duy nhất.
Phương pháp nghiên cứu
Để thực hiện được đề tài này người thực hiện đề tài sử dụng một số phương pháp sau:
Tìm kiếm tài liệu trên internet, tham khảo từ một số bài báo khoa học
Sử dụng phương pháp phân tích để phân tích và tính toán cho mô hình hệ thống
Phương pháp đánh giá và mô phỏng
Đóng góp chính của đề tài
Nghiên cứu này phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức với khả năng thu thập năng lượng Hệ thống được cấu thành từ mạng sơ cấp với các nút S và D, đại diện cho nút nguồn và nút đích, cùng với mạng thứ cấp bao gồm các nút chuyển tiếp R và nút relay C Đóng góp chính của bài viết là cung cấp cái nhìn sâu sắc về cách thức hoạt động và tối ưu hóa hiệu suất của các mạng này trong việc thu thập năng lượng.
Mô hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng bao gồm cả mạng sơ cấp và thứ cấp Nút chuyển tiếp R sử dụng năng lượng thu được để truyền thông tin đến nút D, đồng thời phân phát tín hiệu kết quả và tín hiệu mong muốn cho nút relay thứ cấp C Tại nút C, công suất được tách ra để thu thập năng lượng, trong khi phần còn lại được sử dụng để loại bỏ nhiễu.
Tính toán và phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng là cần thiết để đánh giá thông lượng tức thời và năng lượng thu thập trung bình Qua đó, chúng ta có thể nhận diện và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố đến mô hình hệ thống, từ đó cải thiện hiệu quả hoạt động của mạng.
Bố cục
Nội dung gồm có 5 chương:
Chương 1: Tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức Bao gồm đặt vấn đề, tình hình nghiên cứu của đề tài, mục tiêu, nội dung thực hiện …
Chương 2 của bài viết tập trung vào cơ sở lý thuyết về mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng Nội dung chương này trình bày khái niệm về mạng vô tuyến nhận thức, các thuật toán chuyển tiếp trong truyền thông, cũng như các giao thức thu thập năng lượng trong mạng hợp tác, nhằm nâng cao hiệu suất và khả năng tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống truyền thông hiện đại.
Chương 3 tập trung vào phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng Nội dung chương trình bày cấu trúc của mạng này và giới thiệu thuật toán cho mô hình hệ thống Đồng thời, chương cũng tiến hành phân tích hiệu năng của mô hình hệ thống thông qua đại lượng xác suất dừng, nhằm đánh giá khả năng hoạt động và hiệu quả của mạng vô tuyến trong việc thu thập năng lượng.
Chương 4 trình bày kết quả mô phỏng và nhận xét dựa trên các tính toán từ chương 3 Trong chương này, phương pháp thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab sẽ được giới thiệu nhằm kiểm chứng các biểu thức đã đề cập Đồng thời, chương cũng sẽ phân tích các đại lượng ảnh hưởng đến xác suất dừng và năng lượng thu thập trung bình của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài tóm tắt các kết quả đạt được, từ đó đưa ra những kết luận quan trọng và định hướng phát triển cho nghiên cứu trong tương lai Những thành tựu này không chỉ khẳng định giá trị của đề tài mà còn mở ra các cơ hội mới để tiếp tục khai thác và ứng dụng trong thực tiễn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỖ TRỢ
Mạng vô tuyến nhận thức
2.1.1 Khái niệm vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức là một mô hình tiên tiến có khả năng tự nhận thức các thực thể và nhạy cảm với sự thay đổi trong môi trường xung quanh Mô hình này cho phép tương tác thích nghi với môi trường để tự cấu hình hoặc tái thiết lập mạng Đây là một ý tưởng kỹ thuật hoàn toàn mới trong các nghiên cứu tại Việt Nam, với nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức đang được phát triển.
Vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả năng nhận biết và thích nghi với môi trường xung quanh để tối ưu hóa hoạt động, bao gồm việc tối đa băng thông, giảm can nhiễu và truy cập phổ tần động Theo giáo sư Simon Hayskin, hệ thống này có thể điều chỉnh các tham số như công suất truyền, tần số sóng mang và phương pháp điều chế trong thời gian thực, nhằm đảm bảo truyền thông với độ tin cậy cao và sử dụng hiệu quả phổ vô tuyến.
Theo IEEE, vô tuyến nhận thức là hệ thống phát và nhận tần số vô tuyến, được thiết kế để phát hiện một cách thông minh xem một khoảng phổ tần số có đang được sử dụng hay không.
11 nhảy nhanh chóng qua một khoảng phổ tạm thời không sử dụng, hoặc thoát khỏi nếu cần thiết, để tránh gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phép khác.
2.1.2 Kiến trúc vật lý của vô tuyến nhận thức
Hệ thống thu phát vô tuyến nhận thức bao gồm hai phần chính: phần cao tần (RF front end) và phần xử lý băng gốc (baseband processing unit) Cả hai bộ phận đều có khả năng tái cấu hình thông qua đường điều khiển để thích nghi với các điều kiện môi trường thay đổi Phần xử lý băng gốc hoạt động tương tự như các hệ thống thu phát thông thường, trong khi phần cao tần nổi bật với khả năng nhận biết rộng và khả năng điều chỉnh linh hoạt trong dải phổ lớn Ngoài ra, phần cao tần còn có khả năng đo lường thông tin phổ từ môi trường, hỗ trợ cho chức năng nhận biết phổ.
Hình 2.1: Sơ đồ khối phần vô tuyến của hệ thống vô tuyến nhận thức
Chức năng cụ thể của các khối trong RF Front-End như sau:
Bộ lọc cao tần (RF Filter): Có tác dụng chọn lọc được khoảng băng thông mong muốn bằng cách cho tín hiệu qua bộ lọc thông dải
Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA-Low noise amplifier): Bộ khuếch đại nhiễu thấp có tác dụng loại nhiễu tần số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu ngõ
Máy thu thường sử dụng bộ khuếch đại thấp (LNA) để nâng cao độ nhạy và đổi tần số, với từ một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính LNA giúp khuếch đại tín hiệu mong muốn trong khi giảm thiểu tín hiệu nhiễu, đảm bảo chất lượng tín hiệu tốt hơn.
Bộ trộn tần (MIXER) là thiết bị quan trọng trong hệ thống thu phát, nơi tín hiệu từ máy thu được kết hợp với tần số gốc phát ra Quá trình này giúp chuyển đổi tín hiệu về dải băng gốc hoặc tần số trung tâm, tạo điều kiện cho việc xử lý và truyền tải thông tin hiệu quả.
Bộ VCO (Bộ điều chỉnh tần số bằng điện áp) là thiết bị quan trọng trong việc ổn định tần số đầu ra, hoạt động như một bộ khóa pha hiệu quả.
Bộ lọc lựa chọn tần số (Channel selection filter) : Được dùng để chọn kênh mong muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận
Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC) là một hệ thống hồi tiếp giúp điều chỉnh độ lợi của máy thu dựa vào biên độ tín hiệu nhận được Hệ thống này không chỉ mở rộng dải động mà còn cho phép tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu yếu hoặc mạnh, thông qua việc thay đổi điện áp phân cực.
Bộ vòng khóa pha (PLL - Phase Locked Loop) là một hệ thống hồi tiếp vòng kín, trong đó tín hiệu hồi tiếp được sử dụng để khóa tần số và pha của tín hiệu đầu ra theo tần số và pha của tín hiệu đầu vào.
2.1.3 Chức năng vô tuyến nhận thức
Hệ thống vô tuyến nhận thức có các chức năng chính như sau:
Nhận biết phổ giúp người dùng thứ cấp (SU) xác định các khoảng phổ trống, cho phép họ tận dụng những tần số này để truyền tín hiệu mà không gây ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp.
Quản lý phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức bao gồm hai chức năng chính: phân tích phổ và quyết định phổ Người dùng thứ cấp cần đưa ra quyết định thông minh về việc sử dụng phổ tần số để tối ưu hóa hiệu suất truyền thông.
13 khoảng phổ nào đáp ứng tốt nhất yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) trong những khoảng phổ trống Chia theo chức năng, quản lý phổ bao gồm:
Phân tích phổ đóng vai trò quan trọng trong việc ước lượng dung lượng và chất lượng của các hố phổ tốt nhất Một trong những nhiệm vụ chính của chức năng này là tính toán ước lượng dung lượng phổ, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng liên quan đến phân tích phổ.
Quyết định phổ: quyết định lựa chọn dải phổ phù hợp thỏa mãn các yêu cầu chất lượng dịch vụ của hệ thống thức cấp
Chia sẻ phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức tương tự như quá trình điều khiển truy nhập chung, nơi các hệ thống thứ cấp liên tục tìm cách truy cập vào các dải tần số trống Để tránh xung đột trong các phần phổ chồng lấn, việc điều phối truy cập là cần thiết nhằm đảm bảo sự hiệu quả và ổn định trong việc sử dụng phổ tần.
2.1.4 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức
Theo nghiên cứu của giáo sư Goldsmith và nhóm nghiên cứu, mạng vô tuyến nhận thức được phân loại thành ba mô hình chính: mô hình dạng nền (underlay), mô hình dạng chồng chập (overlay) và mô hình dạng đang xen (interweave).
2.1.4.1 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (underlay)
Kỹ thuật chuyển tiếp trong truyền thông
2.2.1 Mạng truyền thông truyền thống
Mô hình truyền thông thường có dạng kết nối điểm-điểm, cho phép tín hiệu được truyền thẳng từ nguồn phát đến thiết bị nhận, hay còn gọi là truyền thông tầm nhìn thẳng (LoS) Tuy nhiên, mô hình này gặp nhiều nhược điểm, đặc biệt là khi tầm nhìn thẳng giữa nguồn và đích bị hạn chế Để cải thiện chất lượng truyền thông, các kỹ thuật như mạng phân tập diện rộng (macro diversity) và phân tập diện hẹp (micro diversity) đã được nghiên cứu và ứng dụng Gần đây, kỹ thuật MIMO với những ưu điểm nổi bật cũng đã được áp dụng rộng rãi trong các mạng truyền thông Tuy nhiên, việc triển khai các mạng này vẫn còn phức tạp và tốn kém.
Hình 2.5: Mô hình mạng truyền thông truyền thống
Mạng truyền thông hợp tác đang được nghiên cứu rộng rãi, sử dụng các thiết bị riêng lẻ để tạo ra một mô hình phân tập ảo Mô hình này cho phép các thiết bị hợp tác thu tín hiệu và truyền thông qua lại, từ đó cải thiện đáng kể chất lượng truyền thông với chi phí thấp Gần đây, mạng truyền thông chuyển tiếp cũng đã được phát triển, trong đó tín hiệu được tái truyền lại bởi một nút chuyển tiếp, giúp cải thiện kênh truyền thông và nâng cao chất lượng hệ thống một cách hiệu quả và tiết kiệm.
2.2.2 Mạng truyền thông chuyển tiếp
Trong lĩnh vực truyền thông, các nhà quản lý mạng viễn thông đặt mục tiêu tăng cường dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng và giảm chi phí vận hành Để đạt được điều này, nhiều kỹ thuật như nâng cao dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng và phân tập đã được áp dụng.
Kỹ thuật chuyển tiếp là một công nghệ tiên tiến, đóng vai trò quan trọng trong giải pháp đa anten MIMO và truyền dẫn đa điểm phối hợp, giúp đáp ứng và thỏa mãn các yêu cầu hiện đại.
Hình 2.6: Mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp
Mạng chuyển tiếp bao gồm một nút nguồn, một nút đích và nhiều nút chuyển tiếp, có thể được phân loại theo nhiều khía cạnh khác nhau Dựa trên số lượng chuyển tiếp, có mạng đơn chuyển tiếp và mạng đa chuyển tiếp Về chức năng, mạng có thể cải thiện chất lượng hoặc mở rộng phạm vi hoạt động Trong quá trình truyền thông, tín hiệu từ nguồn được gửi đến đích thông qua các nút chuyển tiếp, với nhiệm vụ của chúng là thu tín hiệu từ nguồn, xử lý và chuyển tiếp tín hiệu đã xử lý đến đích.
Hình 2.7: Mô hình chuyển tiếp đa chặng
Nhờ vào nguyên lý hoạt động như vậy mà mạng truyền thông chuyển tiếp có một số ưu nhược điểm như sau: Ưu điểm:
Lợi ích về hiệu suất trong hệ thống lớn bao gồm giảm độ suy hao đường truyền, phân tập và ghép kênh hiệu quả Những yếu tố này giúp giảm năng lượng truyền dẫn, tăng dung lượng và cải thiện vùng phủ sóng.
Chất lượng dịch vụ trong mạng truyền thông thường có thể bị suy giảm ở các khu vực rìa hoặc bị che khuất Tuy nhiên, việc chuyển tiếp giúp duy trì chất lượng đồng đều ở mọi nơi Hơn nữa, việc triển khai các nút chuyển tiếp cho phép mở rộng phạm vi và cải thiện chất lượng tín hiệu mà không cần đầu tư vào thiết bị truyền thông đắt tiền.
Chi phí giảm đáng kể khi xây dựng hệ thống chuyển tiếp, vì nó ít tốn kém hơn so với việc thiết lập một hệ thống truyền thông toàn diện Hơn nữa, chi phí bảo trì và vận hành hệ thống chuyển tiếp cũng thấp hơn, giúp tiết kiệm nguồn lực cho doanh nghiệp.
Nhược điểm: một số nhược điểm chính của việc sử dụng chuyển tiếp được đưa ra như sau:
Lập lịch trình phức tạp trong hệ thống nhiều nút chuyển tiếp và người dùng là một thách thức lớn, do sự đa dạng trong lưu lượng người dùng và lưu lượng chuyển tiếp Lợi ích từ việc chuyển tiếp lớp vật lý sẽ không được phát huy nếu không có sự xử lý hiệu quả tại lớp mạng và lớp truy cập.
Chi phí phụ gia tăng là một yếu tố quan trọng khi vận hành một hệ thống hoàn chỉnh, vì nó đòi hỏi sự chuyển giao, đồng bộ hóa và bảo mật Những yêu cầu này dẫn đến việc phát sinh chi phí bổ sung so với hệ thống không áp dụng giao thức chuyển tiếp.
Việc lựa chọn đối tác: để quyết định việc chuyển tiếp tối ưu và đối tác để hợp tác là một công việc khá phức tạp
Việc sử dụng các nút chuyển tiếp sẽ làm gia tăng nhiễu tại các nút, dẫn đến giảm hiệu suất hệ thống.
Thời gian chờ trong quá trình chuyển tiếp dữ liệu gia tăng do yêu cầu nhận và giải mã toàn bộ gói dữ liệu trước khi tái truyền Để giảm thiểu độ trễ này, cần áp dụng phương pháp truyền đơn giản hoặc phương pháp giải mã hiệu quả Bên cạnh đó, việc duy trì đồng bộ hóa chặt chẽ là cần thiết để thúc đẩy sự hợp tác, tuy nhiên điều này thường đòi hỏi phần cứng có chi phí cao.
Chi phí phụ về kỹ thuật lớn liên quan đến việc đồng bộ hóa các nút chuyển tiếp thường xuyên thông qua các hình thức báo hiệu hoặc kỹ thuật khả thi khác Việc sử dụng các nút chuyển tiếp không chỉ tăng hiệu quả số lượng của các kênh truyền vô tuyến mà còn yêu cầu ước tính cho nhiều hệ số kênh truyền hơn Do đó, cần cung cấp nhiều ký tự thí điểm hơn để đảm bảo việc điều chế nhất quán.
Các giao thức chuyển tiếp
Các kỹ thuật và cách thức hoạt động của nút chuyển tiếp để xử lý thông tin từ nút nguồn đến nút đích được gọi là giao thức Hai giao thức chuyển tiếp phổ biến trong các hệ thống truyền thông hợp tác là khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF) và giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward – DF), sẽ được trình bày cụ thể trong phần tiếp theo.
2.3.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp (AF) là cách đơn giản nhất để truyền thông chuyển tiếp Trong phương pháp này, mỗi nút chuyển tiếp nhận tín hiệu bị nhiễu từ đối tác, khuếch đại tín hiệu đó và chuyển tiếp đến nút đích Nút đích sẽ kết hợp thông tin từ các nút chuyển tiếp và đưa ra quyết định cuối cùng về nội dung tín hiệu Mặc dù nhiễu cũng được khuếch đại, nhưng nút đích chỉ nhận phiên bản tín hiệu bị fading độc lập, giúp cải thiện khả năng phát hiện thông tin.
Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống khuếch đại và chuyển tiếp
Sơ đồ khối của nút chuyển tiếp AF cho thấy mạch khuếch đại tín hiệu vô tuyến với hệ số khuếch đại cụ thể Trong phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp, nút đích cần biết hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút chuyển tiếp để thực hiện mã hóa tối ưu, do đó việc trao đổi thông tin này cần được tích hợp vào quá trình thực thi Một thách thức lớn là việc lấy mẫu, khuếch đại và truyền lại giá trị tương tự, điều này rất quan trọng trong kỹ thuật, khiến cho phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp trở thành một giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả cho việc phân tích.
Vì vậy nó đã rất hữu ích trong việc đẩy mạnh quan điểm của chúng ta về mạng hợp tác thu thập năng lượng β
KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP
Hình 2.9: Sơ đồ khối kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp
Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích mô hình hệ thống sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp AF, bao gồm ba nút chính: nút nguồn S, nút đích D và nút chuyển tiếp R Hệ số kênh truyền từ S đến R được ký hiệu là h, trong khi g là hệ số kênh truyền từ R đến D.
Hình 2 10: Sơ đồ khối mạng khuếch đại chuyển tiếp AF cơ bản
Trong giao thức khuếch đại chuyển tiếp (AF), relay nhận tín hiệu từ nút nguồn, sau đó khuếch đại và truyền tải tín hiệu đó đến nút đích.
24 nút nguồn x được thu tại nút relay như sau: S
Trong công thức R S S R y P hx n (2.1), h đại diện cho hệ số kênh truyền giữa nút nguồn và nút relay trong môi trường Rayleigh fading phẳng P S là công suất phát tại nút nguồn, trong khi n R CN 0, R 2 biểu thị cho nhiễu trong hệ thống.
Tín hiệu Gauss trắng tại nút relay có giá trị trung bình bằng không và phương sai R 2 Trong giai đoạn tiếp theo, relay sẽ khuếch đại tín hiệu nhận được và chuyển tiếp đến đích với công suất phát tại nút relay Tín hiệu tại nút đích sẽ được xác định dựa trên quá trình này.
Tín hiệu từ nút relay được khuếch đại với hệ số khuếch đại và công suất phát P R bị giới hạn bởi năng lượng thu thập trong quá trình thu thập năng lượng Hệ số kênh truyền giữa relay và đích được biểu diễn bằng g trên kênh Rayleigh fading phẳng, trong khi n D CN 0, D 2 đại diện cho nhiễu Gauss trắng cộng tại nút đích, với giá trị trung bình bằng không và phương sai D 2
Thông tin tương hỗ tức thời có thể được xác định như một hàm của các hệ số fading, phục vụ cho việc khuếch đại và chuyển tiếp, theo tài liệu [16]: log (12).
SNR D là tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại nút đích Để xác định thông lượng trong sơ đồ khuếch đại chuyển tiếp AF, cần tính xác suất dừng thông qua thông tin tương hổ tức thời, thấp hơn tốc độ truyền thông tin mục tiêu R, dựa trên phân phối độ lợi kênh theo cấp số nhân.
P R R SNR SNR (2.4) với giá trị SNR là ngưỡng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cho phép của hệ thống và có thể 0 được tính bằng SNR 0 2 R 1.
2.3.2 Giải mã và chuyển tiếp (DF)
Một kỹ thuật xử lý tại nút chuyển tiếp là giải mã tín hiệu nhận được, tái mã hóa và truyền lại đến máy thu, được gọi là giải mã và chuyển tiếp (DF) Tuy nhiên, tín hiệu được giải mã tại nút chuyển tiếp có thể không chính xác, dẫn đến việc giải mã tại nút đích trở nên vô nghĩa Do đó, hiệu suất của hệ thống bị giới hạn bởi các liên kết xấu nhất từ nguồn đến nút chuyển tiếp và từ nguồn đến đích.
Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống giải mã và chuyển tiếp
Chuyển tiếp DF mang lại lợi thế trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu tại nút chuyển tiếp so với chuyển tiếp AF, nhưng yêu cầu khả năng phát hiện lỗi, dẫn đến việc truyền lỗi Sơ đồ khối kỹ thuật DF bao gồm các thành phần như khối giải điều chế, khối giải mã và tái mã hóa kênh, cùng với khối điều chế, cho phép phát hiện và sửa lỗi nếu áp dụng phương pháp mã hóa có kiểm tra Tuy nhiên, sự phức tạp trong thiết kế hệ thống là một nhược điểm cần lưu ý.
VÀ TÁI MÃ HÓA KÊNH
GIẢI ĐIỀU CHẾ ĐIỀU CHẾ
GIẢI MÃ VÀ CHUYỂN TIẾP
Hình 2 12: Sơ đồ khối kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp
Các kỹ thuật chuyển tiếp
Kỹ thuật chuyển tiếp là yếu tố quan trọng trong mô hình chuyển tiếp mạng truyền thông, bao gồm hai loại chính: chuyển tiếp một chiều (One Way Relaying) và chuyển tiếp hai chiều (Two Way Relaying) Tùy thuộc vào chức năng của mạng, các kỹ thuật này sẽ được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất truyền tải dữ liệu.
Kỹ thuật chuyển tiếp một chiều, như mô tả trong Hình 2.13, là phương pháp kết nối giữa bên truyền tín hiệu và bên nhận tín hiệu Nút chuyển tiếp có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ nguồn truyền và sử dụng một trong các giao thức chuyển tiếp để gửi tín hiệu này đến đích.
Hình 2.13: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp một chiều
Mạng chuyển tiếp một chiều cho phép tín hiệu chỉ truyền theo một hướng đã được thiết lập, thường được ứng dụng trong các mạng truyền thông một chiều, mạng cảm biến, mạng phát thanh và mạng quảng bá Trong các hệ thống này, tín hiệu chỉ được gửi từ nơi phát đến nơi thu mà không cần tín hiệu phản hồi.
Kỹ thuật chuyển tiếp 2 chiều, như mô tả trong Hình 2.14 và được phân tích trong tài liệu [16], cho phép cả hai nguồn S1 và S2 truyền và nhận tín hiệu Nút chuyển tiếp sẽ nhận tín hiệu từ cả hai nguồn và sau đó chuyển tiếp tín hiệu này đến hai đích khác nhau.
Mạng chuyển tiếp hai chiều cho phép truyền tín hiệu theo cả hai hướng, cho phép hai nguồn thông tin trao đổi lẫn nhau Tùy thuộc vào kỹ thuật mà nút chuyển tiếp sử dụng, có thể phân loại thành các dạng chuyển tiếp như hai pha, ba pha và bốn pha Các kỹ thuật này đã được tác giả phân tích chi tiết trong tài liệu [16].
Hình 2.14: Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều
Các kỹ thuật tại nút chuyển tiếp
Kỹ thuật chuyển tiếp của nút chuyển tiếp, được đề xuất và phân tích trong [17], là khả năng nhận và truyền tín hiệu hiệu quả Các phương pháp chuyển tiếp bao gồm chuyển tiếp bán song công (Half Duplex-HD) và chuyển tiếp song công (Full Duplex-FD).
2.5.1 Chuyển tiếp bán song công
Trong kỹ thuật này, quá trình truyền thông diễn ra theo từng pha, bắt đầu từ việc nguồn tín hiệu truyền đến nút chuyển tiếp, nơi tín hiệu được xử lý Sau đó, tại pha tiếp theo, tín hiệu được gửi từ nút chuyển tiếp đến đích Một điểm quan trọng là nút chuyển tiếp chỉ được trang bị một anten, vì vậy nó chỉ có khả năng thực hiện hoặc thu hoặc phát tín hiệu trong một khoảng thời gian nhất định.
Tín hiệu pha 1 Tín hiệu pha 2
Hình 2.15: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp bán song công một chiều
Tín hiệu chỉ có thể được truyền hoặc thu tại một thời điểm, dẫn đến hiệu suất phổ chưa tối ưu Tuy nhiên, mô hình này có ưu điểm là sự chuyển tiếp của nút không bị ảnh hưởng bởi tự nhiễu, đồng thời có cấu trúc đơn giản và dễ thực hiện Mô hình kỹ thuật này được mô tả trong Hình 2.15.
Trong kỹ thuật truyền thông này, nút chuyển tiếp sử dụng hai anten để đồng thời nhận và truyền tín hiệu trên cùng một dải tần số, dẫn đến hiện tượng tự can nhiễu Mặc dù đã có nhiều phương pháp được đề xuất để khắc phục vấn đề này, nhưng can nhiễu vẫn tồn tại và ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Hình 2.16 minh họa một hệ thống song công với tác động của tự can nhiễu tại nút chuyển tiếp.
Hình 2.16: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp song công 1 chiều
Hình 2.17 minh họa một loại chuyển tiếp song công hai chiều, trong đó sự tự nhiễu xuất hiện tại nút chuyển tiếp và cả hai nguồn phát Sự tự nhiễu này gây ảnh hưởng tiêu cực, làm giảm đáng kể chất lượng của hệ thống.
Hình 2.17: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp song công hai chiều
Sơ đồ khối thu năng lượng từ nguồn bức xạ vô tuyến
Hình 2.18: Sơ đồ thu năng lượng ở nút relay
Trong phần này, người nghiên cứu giới thiệu kỹ thuật thu thập năng lượng, minh họa qua sơ đồ hoạt động của một máy thu năng lượng điển hình Máy thu này chuyển đổi tín hiệu thu được thành nguồn năng lượng dự trữ trong Pin Tín hiệu thu được sẽ được chuyển đổi từ sóng vô tuyến RF qua kiến trúc rectenna, trong đó tín hiệu y R được chuyển đổi thành dòng điện một chiều (DC) i DC thông qua bộ chỉnh lưu, bao gồm đi-ốt Schottky và bộ lọc thông thấp (LBF) Dòng điện một chiều i DC sau đó được lưu trữ trong Pin và sử dụng cho quá trình truyền dẫn thông tin từ nguồn đến đích.
Dòng điện bão hòa I s được định nghĩa, trong khi là tỷ lệ nghịch của điện áp nhiệt của đi-ốt Schottky Hệ số a n được xác định qua khai triển chuỗi Taylor của hàm mũ, với a n = I s n / !, n = 1, 2, 3, Tín hiệu thu được y R tại ngõ vào của máy thu năng lượng được biểu diễn bởi y R = 2 { y R}, trong đó {.} là phần thực của số phức Thay thế (2.1) vào y R, ta có tín hiệu phức được mô tả bởi công thức sau:
Diode LPF Battery nA(t) y(t) i(t) iDC(t)
Trong đó, x S 2 cos(2A ft S ) 2 { Ae j ft ( S ) }, n R 2 { n ~ R ( )t e j 2 ft }
S S h h e và f là tần số sóng mang Thay các biểu thức (2.6) ta có tín hiệu
~ y R được viết lại như sau:
Thay (2.7) vào (2.5) và loại bỏ các thành phần có mũ bậc cao, chỉ giữ lại thành phần mũ bậc 2, vì các thành phần mũ cao sẽ cho giá trị gần bằng 0 Do đó, chúng ta có biểu thức:
Dòng điện một chiều (DC) từ đi-ốt được lọc qua bộ lọc thông thấp (LBF) nhằm loại bỏ các thành phần hài bậc cao f và 2f Quá trình này giúp tạo ra dòng điện DC sạch hơn Nếu có nhiễu cộng tại bộ chỉnh lưu n rec, tín hiệu đầu ra của bộ lọc sẽ bị ảnh hưởng.
Hệ số a là hằng số do đi-ốt xác định, với giả định a = 2 và n rec được chuẩn hóa theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR Giả sử n rec tuân theo phân phối chuẩn N(0, rec^2), thay thế các phương trình (2.7), (2.8) và (2.9) vào (2.11) sẽ cho kết quả cần thiết cho tính toán.
Chúng ta giả định rằng năng lượng chuyển đổi là một hàm tuyến tính với hệ số chuyển đổi năng lượng 0 < η < 1, và ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống là không đáng kể Theo các phương trình đã nêu, năng lượng thu thập được trong pin, ký hiệu là E_h, được xác định như sau:
Các giao thức thu thập năng lượng trong mạng hợp tác
Có nhiều giao thức để thu thập năng lượng từ các nguồn tín hiệu RF Bài viết này giới thiệu một số giao thức đơn giản, bao gồm Giao thức chuyển đổi thời gian (TSR), Giao thức phân chia công suất (PSR) và Giao thức kết hợp chuyển đổi thời gian và công suất (TPSR).
Giao thức chuyển đổi thời gian (TSR) cho phép phân chia thời gian thu năng lượng và thời gian truyền tin tức một cách riêng biệt, tối ưu hóa hiệu suất truyền tải thông tin.
Giao thức phân chia công suất (PSR) là một phương pháp hiệu quả, trong đó công suất nhận được tại nguồn được chia thành hai phần: một phần dành cho việc thu năng lượng và phần còn lại để thu thập thông tin.
Giao thức kết hợp chuyển đổi thời gian và công suất là sự kết hợp của 2 giao thức TSR và PSR
2.7.1 Giao thức dựa trên chuyển đổi thời gian (TSR) Để thực hiện, quá trình này được chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn thu năng lượng và giai đoạn truyền thông tin Với T được định nghĩa là tổng thời gian được sử dụng trong một lần truyền từ nguồn đến đích và 0 ≤ α ≤ 1 là một phần chuyển đổi thời gian Trong đó một khoảng αT được sử dụng cho việc thu năng lượng ở nút chuyển tiếp và khoảng thời gian còn lại (1-α)T được sử dụng cho việc truyền thông
Cấu trúc giao thức TSR cho phép truyền tải thông tin từ nguồn tới đích thông qua các nút chuyển tiếp Nút chuyển tiếp chịu trách nhiệm chuyển tiếp thông tin tới đích, sử dụng toàn bộ năng lượng thu được trong thời gian thu năng lượng Thời gian thu thập năng lượng (α) tại nút chuyển tiếp có ảnh hưởng trực tiếp đến thông lượng đạt được tại đích.
Hình 2.20: Sơ đồ khối kỹ thuật TSR
2.7.2 Giao thức dựa trên phân chia công suất (PSR) Để thực hiện quá trình này thì được chia làm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu là truyền từ nguồn tới nút chuyển tiếp, giai đoạn sau là chuyển từ nút chuyển tiếp tới đích
Hình 2.21: Cấu trúc giao thức PSR
Trong giai đoạn đầu của quá trình truyền tín hiệu từ nguồn đến nút chuyển tiếp, công suất được chia thành hai phần: ρP được sử dụng để thu năng lượng phục vụ cho việc chuyển tiếp tin tức, trong khi (1-ρ)P được dùng để thu thập thông tin trong khoảng thời gian T/2 đầu tiên Thời gian còn lại sẽ được dành cho việc truyền tín hiệu từ nút chuyển tiếp đến nút đích.
Hình 2.22: Sơ đồ khối kỹ thuật PSR
2.7.3 Giao thức dựa trên chuyển tiếp thời gian và công suất (TPSR) Đây là giao thức được sử dụng bằng cách kết hợp cả 2 giao thức trên Cũng tương tự như giao thức TSR thì T được định nghĩa là khoảng thời gian truyền từ nút nguồn tới nút đích thông qua nút chuyển tiếp và α là thời gian chuyển đổi Với khoảng thời gian đầu αT sẽ được dùng cho việc xử lý tín hiệu thu được tại nút
Trong giai đoạn 34 chuyển tiếp, tương tự như nửa thời gian đầu của PSR, công suất ρP sẽ được sử dụng để thu năng lượng, trong khi phần công suất còn lại (1-ρ)P sẽ được dành cho việc thu tín hiệu từ nguồn đến nút chuyển tiếp Sau đó, thời gian (1-α)T sẽ được sử dụng để truyền tín hiệu từ nút chuyển tiếp đến đích.
Hình 2.23: Cấu trúc giao thức TPSR
Hình 2.24: Sơ đồ khối giao thức TPSR
PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỖ TRỢ THU THẬP NĂNG LƯỢNG
Mô hình hệ thống
Hình 3.1: Mô hình hệ thống mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng và truyền thông tin
Mạng sơ cấp bao gồm các nút S và D, đại diện cho nút nguồn và nút đích, trong khi mạng thứ cấp bao gồm các nút chuyển tiếp R và nút relay C.
Trong nghiên cứu này, chúng ta xem xét mạng sơ cấp với hai nút S và D, trong đó thông tin từ máy phát S được truyền đến D Khi D ở xa S và ngoài phạm vi truyền dẫn, cần có một mạng hỗ trợ để khuếch đại tín hiệu từ S đến D Giả sử có một mạng thứ cấp với nút relay R, hoạt động như một nút chuyển tiếp, không chỉ truyền tín hiệu từ S mà còn gửi thông tin riêng đến nút C Mạng thứ cấp sử dụng giao thức thu thập năng lượng và truyền thông tin trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức, với khả năng lưu trữ năng lượng từ tín hiệu nhận được Tất cả các nút hoạt động ở chế độ bán song công và được trang bị ăng-ten đơn.
Phân tích hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng dựa trên giao thức phân chia công suất PSR
Gọi 1, 2 011,02 1 là hệ số phân chia công suất tại R và C,
Hệ số phân chia công suất tại điểm R được ký hiệu là Trong pha 1, trong khoảng thời gian T/2, tín hiệu được truyền từ S đến R, nơi mà một phần công suất 1 y R được sử dụng để thu năng lượng, trong khi phần còn lại (1 1 )y R được dùng để truyền thông tin từ S đến R Đồng thời, trong pha 1, C cũng nhận tín hiệu từ S do môi trường vô tuyến, và C có khả năng phân chia công suất 2 y R để thu thập năng lượng cũng như nhận thông tin từ S với phần còn lại là (1 2 )y R.
Trong pha 2, sau khi chuyển đổi năng lượng, tại nút R cần khuếch đại tín hiệu 1−λ 1 y R và truyền thông tin thứ cấp x 2 đến C Công suất thu được tại nút R có thể chia thành hai phần: P R = αP R + (1 − α) P R Trong đó, αP R là phần công suất để chuyển tiếp thông tin còn lại từ S đến đích D, trong khi phần công suất còn lại (1−α) P R được sử dụng để phát thông tin thu được đến nút C.
Hình 3.2: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng dựa trên giao thức phân chia công suất PSR
Trong pha 1, S truyền thông tin đến R sau khi thu năng lượng từ S để tiếp tục truyền thông tin đến C trong pha 2 C nhận tín hiệu sơ cấp từ S trong môi trường không dây, cho phép C phân chia công suất nhận được: một phần dùng để thu thập năng lượng, phần còn lại để xử lý nhiễu sơ cấp trong pha 2.
Giả sử nút S được cấp nguồn cố định P S, trong khi nút R không có nguồn cố định Do đó, nút R cần thu năng lượng từ các tín hiệu nhận được để duy trì hoạt động truyền thông tin Trong trường hợp kênh truyền là kênh Rayleigh fading phẳng, g 1 và g 2 lần lượt là hệ số kênh giữa S và C, R và C Hệ số kênh giữa S và R, R và D được ký hiệu là h 1 và h 2 Cụ thể, h i theo phân phối CN(0, Ω i) với i = 1,2, và g j theo phân phối CN(0, Ω j + 2) với j = 1,2.
Svà R, giữa Rvà D, giữa Svà C, giữa Rvà C tương ứng d 1 ,d 2 1 d 1 ,
3 1 4 , d d d d 4 và giá trị trung bình của kênh truyền với hệ số suy hao đường truyền m=3 ta có 1 1/d 1 3 , 2 1/d 2 3 , 3 1 /d 3 3 và
3.2.2 Giao thức thu thập năng lượng và truyền thông tin dựa trên phương pháp phân chia công suất PSR
Hình 3.2 trình bày mô hình hệ thống sử dụng giao thức thu thập năng lượng phân chia công suất nhằm mục đích thu thập năng lượng và truyền thông tin Trong giai đoạn đầu tiên, nút truyền thông tin đến nút R và C, với tín hiệu nhận được tại R và C.
Trong đó, x 1 là thông tin sơ cấp cần truyền đến nút D và được phát bởi nguồn Ta có E x 1 2 1, trong đó E là kỳ vọng, n 1 CN 0, 1 2 , n 2 CN 0, 2 2 là nhiễu
Gaussian băng hẹp bởi ăng-ten tại nút relayR và C
Dựa trên giao thức thu thập năng lượng phân chia theo công suất, tại nút R, thông tin nhận được được chia thành hai phần: một phần để thu thập năng lượng và một phần để truyền thông tin Tương tự, nút C cũng thu tín hiệu và lưu trữ năng lượng từ tín hiệu đó Năng lượng thu được tại R được xác định bằng một công thức cụ thể.
(3.2) Tương tự, ta có năng lượng thu được tại C là:
(3.3) Trong đó, năng lượng thu được tại nút R và C phụ thuộc phần chia công suất
Tín hiệu nhận được tại nút D phụ thuộc vào năng lượng thu được tại nút R Nút R cần tách lấy năng lượng để chuyển tiếp thông tin sơ cấp đến đích, vì vậy điều kiện 1 0 và 1 1 được đặt ra Do đó, công suất phát của nút R sẽ được xác định dựa trên những yếu tố này.
Vì thế, năng lượng lưu trữ ở nút C được xác định bằng công thức sau:
Theo [28, Eq.(25)] năng lượng thu thập trung bình trong pha 1 của C được tính như sau: 1 2 3
Trong đú, hệ số ẵ được hiểu là hệ số chu kỡ thời gian của mỗi pha là ẵ Ta cú,
0 1 là hệ số chuyển đổi năng lượng và nó phụ thuộc vào bộ chuyển đổi và năng lượng thu được từ S
Trong pha 2, sau khi năng lượng được chuyển đổi, nút R cần khuếch đại tín hiệu 1−λ1yR và truyền thông tin thứ cấp x2 đến C Tại nút R, năng lượng sẽ được chia thành hai phần: PR = αPR + (1−α)PR Trong đó, αPR là công suất dùng để chuyển tiếp thông tin còn lại từ S đến đích D, trong khi phần công suất còn lại (1−α)PR được sử dụng để phát thông tin thu được đến nút C Do đó, thông tin tại nút R được xác định theo [30, Eq.(6)].
Trong hệ thống truyền thông, thông tin thứ cấp x2 cần được truyền đến C Nhiễu Gaussian trắng, ký hiệu là n b 1 ~ CN(0, σ b^2 1), phát sinh từ việc chuyển đổi tín hiệu từ dãi thông sang dãi nền tại nút R Hệ số công suất tại nút R được ký hiệu là β và được tính theo công thức cụ thể.
Tín hiệu nhận được tại nút sơ cấp D là:
Tại nút R, nhiễu Gaussian trắng thích nghi (AWGN) n 3 ~CN(0,σ 3 2) được tạo ra bởi anten thu Nút relay D mong muốn nhận tín hiệu x 1 không bị nhiễu từ tín hiệu thứ cấp x 2 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại D được tính từ tín hiệu x 1 theo công thức cụ thể.
(3.9) Ở nút C, tín hiệu nhận được cùng với thông tin dự định truyền cho nút C có thể được viết bởi công thức:
Trong đó, n 4 ~CN(0, 4 2 ) là nhiễu Gaussian trắng thích nghi(AWGN) ở nút C Trong pha 1, thông tin truyền đến C là 12 y c 1n b 2 nếu 2 1 và
2 ~ (0, 2) b b n CN là nhiễu Gaussian trắng thích nghi có trung bình bằng không và
Tại nút đích D, 41 phương sai b 2 2 được tạo ra bởi anten thu khi tín hiệu chuyển từ dải thông sang dải nền ở nút C Để loại bỏ can nhiễu sơ cấp x 1 tại nút C, có thể sử dụng tín hiệu 12 y c 1n b 2 Kết quả loại bỏ nhiễu sơ cấp x 1 từ quá trình này được trình bày theo [30, Eq.(11)].
Khi 2 = 1, toàn bộ công suất nhận được được sử dụng để thu năng lượng trong pha 1, dẫn đến việc C không loại bỏ được can nhiễu tín hiệu sơ cấp trong pha 2 Do đó, C coi x1 như là nhiễu và tiến hành giải mã thông tin thứ cấp x2 Nếu 2 ≠ 1, SNR tại nút C có thể được tính toán theo công thức cụ thể.
Ngược lại, 2 1 ta có SNR được xác định như sau:
Trong thực tế, nhiều tài liệu đã chỉ ra rằng công suất nhiễu của dải nền lớn hơn công suất nhiễu của anten Để đơn giản hóa quá trình tính toán, chúng ta sẽ giả định rằng công suất nhiễu của anten bằng 0.
[21] ( 1 2 2 2 0) Do đó ta sẽ có 3 2 4 2 b 2 1 b 2 2 0 2 1 Như vậy từ công thức (3.9), (3.12), (3.13) chúng ta có thể viết lại SNR ở nút D và C như sau:
Theo đó, từ SNR tính được được tại nút C và D ở công thức (3.14) và (3.15) chúng ta có thể tính toán tốc độ truyền tại nút C và D như sau:
Trong luận văn này, chúng tôi đánh giá hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức trong việc hỗ trợ thu thập năng lượng, thông qua đại lượng xác suất dừng.
Xác suất dừng được định nghĩa là xác suất mà tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu tại nút nhận D,C nhỏ hơn giá trị ngưỡng t i Khi đó, nút nhận D,C không thể giải mã thành công dữ liệu x x 1, 2 Ngược lại, nếu tỷ lệ này lớn hơn hoặc bằng t i, nút nhận sẽ có khả năng giải mã dữ liệu Nói cách khác, xác suất dừng phản ánh tỉ lệ dữ liệu của máy thu sơ cấp D và máy thu thứ cấp C nằm dưới giá trị ngưỡng xác định Xác suất dừng xảy ra khi tốc độ truyền dữ liệu tại D và C thấp hơn tốc độ mục tiêu Do đó, xác suất dừng của tốc độ mục tiêu T i được tính bằng một công thức cụ thể.
Trong đó i= D hoặc C Đặt t i 2 2 T i 1 Theo như công thức (3.14), chúng ta có những mệnh đề sau:
1 S / 0 q P , m (1 ) 1 P S / 0 2 , k 1 / (1 1 ) Xác suất dừng ở nút D mô hình hệ thống được tính như sau:
Chứng minh: Từ công thức (3.14) D được viết lại như sau:
(3.19.2) Chúng ta tính hàm phân bố tích lũy CDF của W như sau:
P F qXY mXY kY qXY mXY kY
Với K n là hàm Bessel loại 2 bậc n được tính theo công thức trong [23]
Từ công thức (3.14) là lim
Sự kiện dừng của nút D xảy ra ở mọi thời điểm nếu
Do đó, công thức (3.18) sẽ xảy ra
