TỔNG QUAN VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
Giới thiệu
Trong những năm gần đây, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) đã nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhằm cải thiện độ chiếm dụng phổ tần, vốn bị hạn chế 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) Do đó, công nghệ này được xem là chìa khóa để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần.
Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng tự điều chỉnh các tham số như công suất và tần số thông qua việc tương tác với môi trường xung quanh Ứng dụng của công nghệ này giúp tối ưu hóa việc khai thác các khoảng trắng tần số, mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực viễn thông.
Vô tuyến nhận thức không chỉ là một công nghệ mới mà còn mang lại những thay đổi cách mạng trong quản lý phổ tần Công nghệ này được thiết kế để sử dụng và chia sẻ phổ tần một cách linh hoạt, mà không gây ảnh hưởng đến các hệ thống vô tuyến đã được cấp phép.
Khả năng điều chỉnh các tham số như công suất và tần số dựa trên cảm biến thông minh hoạt động theo chu trình sensing-understanding-action cho phép thiết bị tương tác hiệu quả với môi trường Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) đóng vai trò quan trọng, vì các tham số của nó có thể được thay đổi linh hoạt thông qua phần mềm mà không cần thay đổi phần cứng.
Mục đích của vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị hoạt động trên các dải tần trống tạm thời mà không gây can nhiễu đến các hệ thống vô tuyến ưu tiên cao hơn Để tối ưu hóa tài nguyên phổ tần, vô tuyến nhận thức cần có những tính năng cơ bản như khả năng nhận diện và thích ứng với môi trường tần số, đảm bảo sự hoạt động hiệu quả và an toàn cho các hệ thống vô tuyến hiện có.
Hệ thống có khả năng điều chỉnh tần số hoạt động một cách nhanh chóng, chuyển đổi từ băng tần này sang 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 môi trường vô tuyến là cần thiết, đặc biệt khi có nhiều loại hình dịch vụ vô tuyến cùng tồn tại và sử dụng tài nguyên này.
Để đạt được thông lượng tối ưu, cần thực hiện điều chỉnh độ rộng băng tần, tốc độ truyền và các sơ đồ mã hóa sửa lỗi một cách linh hoạt.
- 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 cho 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 phạm vi vùng phủ sóng 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 nhận được nhiều sự quan tâm 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.
Hiện nay, thiết bị không dây ngày càng phổ biến, nhưng việc sử dụng pin để cung cấp năng lượng cho chúng gây ra nhiều bất tiện do thời gian hoạt động hạn chế Để duy trì kết nối liên tục, cần thay thế pin hoặc sạc thiết bị, điều này đôi khi không khả thi Một giải pháp tiềm năng là thu năng lượng từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như năng lượng mặt trời và gió, tuy nhiên, nguồn năng lượng này thường không ổn định do phụ thuộc vào điều kiện thời tiết Một phương pháp thú vị hơn là thu năng lượng từ bức xạ tín hiệu vô tuyến (RF) do con người tạo ra, được gọi là chuyển giao năng lượng không dây Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về mạng vô tuyến chuyển tiếp, tập trung vào việc đánh giá hiệu năng của các nút chuyển tiếp và thu thập năng lượng Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu phân tích hiệu năng của mạng sơ cấp hoặc thứ cấp mà chưa xem xét mạng chuyển tiếp hỗ trợ thu thập năng lượng từ cả thông tin sơ cấp và thứ cấp Do đó, đề tài này sẽ phân tích hiệu năng của mạng chuyển tiếp bao gồm cả hai loại thông tin này.
Ngoài tín hiệu vô tuyến từ thiết bị cá nhân, xung quanh chúng ta còn 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 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
Dải tần từ 1MHz đến 2.5GHz bao gồm các tín hiệu FM quảng bá, truyền hình số DTV, GSM900, GSM1800, 3G và WiFi Chúng ta sẽ tiến hành khảo sát mức công suất tín hiệu đầu vào của từng loại tín hiệu cụ thể này.
Hình 1.2: Mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần FM
Hình 1.2 thể hiện mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần FM, cho thấy sự phân bố mật độ phổ công suất với nhiều kênh tần số khác nhau, trong đó 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 Tại vị trí gần nguồn phát, tín hiệu ngõ vào của kênh 25 với công suất máy phát 5kW cho thấy mật độ phổ công suất đáng chú ý.
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
Biểu diễn mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của băng tần GSM1800, 3G và WiFi cho thấy mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào của từng băng tần này.
Mục đích của đề tài
Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ phân tích mạng sơ cấp bao gồm hai nút S và D, trong đó thông tin từ máy phát S được truyền đến điểm 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 Chúng ta giả định rằng tồn tại 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 muốn gửi đến nút C, một nút relay thứ cấp khác Điều này cho phép R không chỉ chuyển tiếp thông tin từ S mà còn cung cấp thông tin thứ cấp cho C, giúp C loại bỏ can nhiễu không mong muốn từ tín hiệu sơ cấp Hơn nữa, cả hai nút relay R và C đều 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 hỗ trợ thu thập năng lượng, tập trung vào xác suất dừng tại nút đích D và nút relay C Đề tài đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố liên quan đến xác suất dừng tại hai nút này, đồng thời phân tích thông lượng tức thời thông qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu của nguồn phát Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng xem xét 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 tập trung vào thông lượng tức thời và năng lượng thu thập trung bình, đặc biệt trong bối cảnh hỗ trợ thu thập năng lượng phân chia công suất Nghiên cứu này nhằm đánh giá khả năng tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên năng lượng trong các mạng vô tuyến, từ đó nâng cao hiệu suất truyền tải dữ liệu và tính bền vững của hệ thống.
Mô phỏng đánh giá hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức cho thấy khả năng thu thập năng lượng và phân chia công suất Kết quả cho thấy thông lượng tức thời và năng lượng thu thập trung bình được cải thiện, góp phần vào hiệu quả hoạt động của mạng.
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 nguồn S và đích D, trong khi mạng thứ cấp có các nút chuyển tiếp R và relay C Nút relay R không chỉ hỗ trợ truyền tín hiệu từ máy phát sơ cấp mà còn truyền thông tin riêng của nó đến nút C Mạng thứ cấp hoạt động theo giao thức thu thập năng lượng phân chia theo công suất, cho phép cả hai nút relay R và C lưu trữ năng lượng từ tín hiệu nhận được Tất cả các nút trong mạng 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
Đề tài nghiên cứu này phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng Hệ thống bao gồm mạng sơ cấp với các nút S và D, trong đó S là nút nguồn và D là nút đích Mạng thứ cấp bao gồm các nút chuyển tiếp R và nút relay C Bài viết này đóng góp chính vào việc cải thiện hiệu suất của mạng vô tuyến trong việc thu thập năng lượng.
Mô hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng bao gồm mạng sơ cấp và thứ cấp, trong đó nút chuyển tiếp R sử dụng năng lượng thu được để truyền thông tin đến nút D Đồng thời, R cũng 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.
Bài viết này tập trung vào việc tính toán, phân tích và mô phỏng hiệu năng cũng như thông lượng tức thời của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng Qua đó, chúng tôi đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến mô hình thu thập năng lượng trung bình, nhằm tối ưu hóa hiệu suất 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, thuật toán chuyển tiếp trong truyền thông, cũng như các giao thức thu thập năng lượng trong mạng hợp tác, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và tối ưu hóa quá trình truyền tải thông tin.
Chương 3 tập trung vào phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng Nội dung chương này trình bày cấu trúc mạng vô tuyến nhận thức và đề xuất thuật toán cho mô hình hệ thống Đồng thời, chương cũng phân tích hiệu năng của mô hình thông qua đại lượng xác suất dừng, nhằm đánh giá khả năng hoạt động của hệ thống.
Chương 4: Kết quả mô phỏng và nhận xét Trong chương này, chúng tôi sẽ trình bày phương pháp thực hiện và tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab, dựa trên kết quả tính toán từ chương 3, nhằm kiểm chứng các biểu thức đã đề xuất Đồng thời, chúng tôi cũng sẽ đưa ra nhận xét về các yếu tố 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 của bài viết tóm tắt các kết quả đạt được, từ đó đưa ra những kết luận quan trọng và định hướng phát triển cho đề tài Những thành tựu này không chỉ khẳng định tính khả thi của nghiên cứu mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu trong tương lai.
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, từ đó 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 Hiện nay, đã có nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức.
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 của nó Theo FCC, hệ thống này có thể tối đa hóa băng thông, giảm can nhiễu và truy cập phổ tần động Giáo sư Simon Hayskin, người sáng lập lĩnh vực này, định nghĩa vô tuyến nhận thức là khả năng điều chỉnh các tham số như công suất truyền, tần số sóng mang và phương pháp điều chế trong thời gian thực Mục tiêu chính của hệ thống là đảm bảo truyền thông với độ tin cậy cao mọi lúc, mọi nơi, đồng thời 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 thông minh xem một khoảng phổ có đang được sử dụng hay không Hệ thống này có khả năng nhảy nhanh chóng sang một khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm tránh gây nhiễu cho các hệ thống đã được cấp phép.
2.1.2 Kiến trúc vật lý của vô tuyến nhận thức
Hệ thống thu phát vô tuyến nhận thức bao gồm hai bộ phận chính: phần cao tần (RF front end) và phần xử lý băng gốc (baseband processing unit), có khả năng tái cấu hình thông qua đường điều khiển để thích ứng với 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, cho phép 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 chức năng nhận biết phổ hiệu quả.
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) là thiết bị quan trọng giúp loại bỏ nhiễu tần số ảnh và khuếch đại tín hiệu đầu vào của máy thu, từ đó nâng cao độ nhạy của thiết bị LNA thường bao gồm từ một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, với khả năng chọn lọc tần số và băng thông cho tín hiệu mong muốn Chức năng chính của LNA là khuếch đại tín hiệu cần thiết đồng thời giảm thiểu tín hiệu nhiễu, đảm bảo chất lượng tín hiệu đầu ra tốt hơn.
Bộ trộn tần (MIXER) là thiết bị quan trọng trong quá trình xử lý tín hiệu, nơi tín hiệu thu được từ máy thu được trộn với tần số gốc phát ra Quá trình này giúp chuyển đổi tín hiệu về dải băng gốc hoặc tần số trung tâm, đảm bảo chất lượng và độ chính xác của tín hiệu đầu ra.
Bộ VCO (Bộ dao động điều khiển bằng điện áp) là một thiết bị quan trọng trong việc điều chỉnh tần số, hoạt động như một bộ khóa pha để đảm bảo tần số đầu ra ổn định.
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 hệ thống hồi tiếp điều chỉnh độ lợi của máy thu dựa trên biên độ tín hiệu thu AGC giúp mở rộng dải động, cho phép tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu 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) phát hiện các khoảng phổ trống, từ đó tận dụng những tần số này để truyền tín hiệu mà không làm ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp.
Quản lý phổ bao gồm hai chức năng chính: phân tích phổ và quyết định phổ Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp cần xác định khoảng phổ nào phù hợp nhất với yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) trong các khoảng phổ trống Chia theo chức năng, quản lý phổ đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên tần số.
Phân tích phổ là một công cụ quan trọng trong việc ước lượng dung lượng và chất lượng của các hố phổ Một trong những nhiệm vụ chính của chức năng này là tính toán và đánh giá chính xác dung lượng phổ, giúp xác định những hố phổ tốt nhất.
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 người dùng thứ cấp nỗ lực truy cập vào các dải phổ trống Việc điều phối các truy cập này là cần thiết để tránh xung đột trong các phần phổ chồng lấn, đảm bảo hiệu quả sử dụng tài nguyên phổ.
2.1.4 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức
Theo nghiên cứu của giáo sư Goldsmith, mạng vô tuyến nhận thức có ba loại 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)
Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, mạng thứ cấp và mạng sơ cấp hoạt động trên cùng tần số, yêu cầu máy phát thứ cấp điều chỉnh công suất phát để đảm bảo rằng công suất can nhiễu tại máy thu sơ cấp không vượt quá ngưỡng quy định Điều này đảm bảo rằng quá trình truyền dữ liệu của hệ thống thứ cấp không gây hại cho hệ thống sơ cấp, dẫn đến vùng phủ sóng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền thường nhỏ Một nhược điểm khác là máy phát thứ cấp cần thông tin kênh truyền lý tưởng từ máy phát đến máy thu sơ cấp, thường được cung cấp qua hồi tiếp từ hệ thống sơ cấp Tuy nhiên, thông tin kênh truyền thực tế thường có trễ và lỗi, khiến hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo mức can nhiễu quy định tại máy thu sơ cấp.
Hình 2.2: Chia sẽ phổ tần trong mô hình dạng nền
2.1.4.2 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập (overlay)
Kỹ thuật chuyển tiếp trong truyền thông
2.2.1 Mạng truyền thông truyền thống
Mô hình truyền thông thường có dạng điểm-điểm, cho phép tín hiệu truyền thẳng từ nguồn phát đến thiết bị nhận, được gọi là truyền thông tầm nhìn thẳng (LoS) Tuy nhiên, mô hình này gặp phải nhược điểm lớn khi kênh truyền không đảm bảo nếu tầm nhìn thẳng bị hạn chế Để khắc phục, các kỹ thuật như mạng phân tập diện rộng (macro diversity) và phân tập diện hẹp (micro diversity) đã được nghiên cứu và áp dụng nhằm cải thiện chất lượng truyền thông Gần đây, kỹ thuật MIMO với những ưu điểm vượt trội đã được ứng dụng rộng rãi trong các mạng truyền thông, mặc dù 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 là một giải pháp được nghiên cứu nhiều, sử dụng các thiết bị riêng lẻ để tạo ra mô hình phân tập ảo, giúp cải thiện chất lượng tín hiệu với chi phí thấp Gần đây, mạng truyền thông chuyển tiếp cũng đã được phát triển, trong đó tín hiệu được tái truyền bởi nút chuyển tiếp, 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 mạng truyền thông, các nhà quản lý viễn thông luôn hướng tới mục tiêu tăng cường dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng và giảm chi phí vận hành Để đạt được những mục tiêu này, nhiều kỹ thuật như nâng cao dung lượng, mở rộng vùng phủ sóng và phân tập đã được áp dụng hiệu quả.
Kỹ thuật chuyển tiếp là một công nghệ tiên tiến, được áp dụng như giải pháp đa anten MIMO và truyền dẫn đa điểm phối hợp, nhằm đáp ứng và thỏa mãn các yêu cầu hiện nay.
Hình 2.6: Mô hình mạng truyền thông chuyển tiếp
Mạng chuyển tiếp bao gồm một nút nguồn, một nút đích và một hoặc nhiều nút chuyển tiếp, có thể phân loại thành nhiều dạng khác nhau dựa trên các khía cạnh như số lượng chuyển tiếp, bao gồm mạng đơn chuyển tiếp và mạng đa chuyển tiếp Ngoài ra, mạng cũng có thể được phân loại theo chức năng, như mạng cải thiện chất lượng và mạng mở rộng phạm vi hoạt động Trong mạng truyền thông chuyển tiếp, tín hiệu từ nguồn được truyền đến đích thông qua các nút chuyển tiếp, với nhiệm vụ của nút chuyển tiếp là thu tín hiệu từ nguồn, xử lý và chuyển 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 việc giảm độ suy hao đường truyền, cùng với việc 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, công nghệ 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 nâng cao chất lượng tín hiệu mà không cần đầu tư vào các thiết bị truyền thông đắt tiền.
Chi phí giảm đáng kể khi xây dựng một hệ thống chuyển tiếp thay vì một hệ thống truyền thông đầy đủ, giúp duy trì chất lượng dịch vụ mà vẫn tiết kiệm Hệ thống này không chỉ giảm thiểu chi phí xây dựng mà còn có chi phí bảo trì và vận hành thấp hơn, mang lại hiệu quả kinh tế cho doanh nghiệp.
Nhược điểm: một số nhược điểm chính của việc sử dụng chuyển tiếp được đưa ra như sau:
Lập lịch trình bảo dưỡng 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 thích hợp tại lớp mạng và lớp truy cập.
Chi phí phụ gia tăng do yêu cầu về chuyển giao, đồng bộ hóa và bảo mật trong việc vận hành một hệ thống hoàn chỉnh Những yếu tố này dẫn đến chi phí cao hơn so với hệ thống không sử 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 điểm gia tăng trong quá trình chuyển tiếp thường do việc nhận và giải mã toàn bộ dữ liệu gói trước khi tái truyền Để giảm thiểu độ trễ này, cần áp dụng phương pháp truyền đơn giản hoặc giải mã hiệu quả Đồng bộ hóa phức tạp là yếu tố cần thiết để duy trì sự hợp tác, tuy nhiên, điều này yêu cầu phần cứng đắt tiền và chi phí kỹ thuật cao do các nút chuyển tiếp cần được đồng bộ thường xuyên Việc sử dụng các nút chuyển tiếp cũng nâng cao hiệu quả của các kênh truyền vô tuyến, tuy nhiên, điều này đòi hỏi ước tính nhiều hệ số kênh truyền hơn và cung cấp nhiều ký tự thí điểm để đảm bảo điều chế nhất quán.
Các giao thức chuyển tiếp
Các giao thức là các kỹ thuật và cách thức hoạt động của nút chuyển tiếp để xử lý thông tin từ nút nguồn và chuyển tiếp đến nút đích 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 chi tiết trong phần tiếp theo.
2.3.1 Khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp (AF) là hình thức truyền thông chuyển tiếp đơn giản nhất, trong đó mỗi nút nhận tín hiệu bị nhiễu từ đối tác, khuếch đại tín hiệu đó và chuyển tiếp đến nút đích Nút đích kết hợp thông tin từ các nút chuyển tiếp để đưa ra quyết định cuối cùng về nội dung truyền đi Mặc dù nhiễu tín hiệu cũng bị khuếch đại trong phương thức AF, 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 xác định 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 là cần thiết trong quá trình thực thi Một thách thức lớn trong kỹ thuật là việc lấy mẫu, khuếch đại và truyền lại giá trị tương tự, vì vậy 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 đề tài này, chúng tôi phân tích mô hình hệ thống bao gồm một nút nguồn S, một nút đích D và một nút chuyển tiếp R, sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp AF Hệ số kênh truyền từ nút S đến nút R được ký hiệu là h, trong khi hệ số kênh truyền từ nút R đến nút D được ký hiệu là g.
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, khuếch đại tín hiệu đó và sau đó truyền tải đến nút đích Tín hiệu được cải thiện giúp tăng cường khả năng truyền dẫn trong mạng.
D h g d1 d2 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, σ R²) biểu thị 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 2, relay khuếch đại tín hiệu nhận được và phát lại đến đích với công suất tại nút relay Tín hiệu tại nút đích được xác định như sau:
Tín hiệu từ nút relay được khuếch đại với hệ số khuếch đại β và công suất phát PR bị giới hạn bởi năng lượng thu thập trong quá trình thu thập năng lượng Hệ số kênh truyền g giữa relay và đích trên kênh Rayleigh fading phẳng, trong khi nD CN(0, σD²) biểu thị nhiễu Gauss trắng cộng tại nút đích với giá trị trung bình bằng không và phương sai σD².
Dựa trên những thông tin đã nêu, chúng ta có thể xác định mối quan hệ tức thời giữa các hệ số fading, liên quan đến việc khuếch đại và chuyển tiếp, được biểu diễn qua công thức log (12) trong tài liệu [16].
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 bằng cách so sánh thông tin tương hổ tức thời với 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 và chuyển tiếp (DF), trong đó tín hiệu nhận được được giải mã, tái mã hóa và truyền lại đến máy thu Tuy nhiên, nếu tín hiệu được giải mã không chính xác, việc truyền lại đến nút đích sẽ dẫn đến việc giải mã không có ý nghĩa Điều này cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống bị giới hạn bởi các liên kết kém nhất từ nguồn đến nút chuyển tiếp và từ nguồn đến đích, do đó chỉ đạt được sự phân tán hạn chế.
Hình 2.11: Sơ đồ hệ thống giải mã và chuyển tiếp
Chuyển tiếp DF mang lại lợi thế hơn so với chuyển tiếp AF trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu tại nút chuyển tiếp, 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 khi áp dụng phương pháp mã hóa có kiểm tra Tuy nhiên, sự phức tạp trong thiết kế hệ thống là một nhược điểm cần cân nhắc.
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 một phần 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 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 chuyển tiếp tín hiệu từ nguồn đến đích Nút chuyển tiếp sẽ nhận tín hiệu từ bên truyền và sử dụng một trong các giao thức chuyển tiếp để gửi tín hiệu này đến bên nhận.
Hình 2.13: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp một chiều
Mạng chuyển tiếp một chiều cho phép tín hiệu 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 những trường hợp này, tín hiệu chỉ cần được truyền từ nơi phát đến nơi thu mà không cần phản hồi.
Kỹ thuật chuyển tiếp 2 chiều, như mô tả trong Hình 2.14 và được phân tích trong tài liệu [16], được áp dụng khi cả hai nguồn S1 và S2 đều tham gia vào việc truyền và nhận tín hiệu Trong quá trình này, nút chuyển tiếp sẽ nhận tín hiệu từ hai nguồn và sau đó chuyển tiếp tín hiệu đã nhận đến hai đích tương ứng.
Mạng chuyển tiếp hai chiều cho phép hai nguồn trao đổi thông tin lẫn nhau Tùy thuộc vào kỹ thuật mà nút chuyển tiếp áp dụng, có thể phân loại thành các dạng chuyển tiếp hai chiều như hai pha, ba pha và bốn pha Các kỹ thuật này được 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 đề cập đến khả năng nhận và truyền tín hiệu, được phân tích trong tài liệu [17] Hai kỹ thuật chính được đề xuất là 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 gửi đến nút chuyển tiếp, nơi tín hiệu được xử lý Sau đó, tín hiệu sẽ được truyền từ nút chuyển tiếp đến đích Một điểm quan trọng là nút chuyển tiếp chỉ được trang bị một anten, do đó 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 truyền đi hoặc thu về 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 minh họa 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 trong cùng một dải tần số Tuy nhiên, việc này dẫn đến hiện tượng tự can nhiễu, ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Mặc dù đã có nhiều phương pháp được đề xuất để khắc phục vấn đề này, nhưng can nhiễu vẫn tồn tại và hạn chế hiệu suất của 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 dạng chuyển tiếp song công hai chiều, trong đó sự tự nhiễu xuất hiện tại nút chuyển tiếp và cả hai nguồn phát Điều này dẫn đến việc giảm đáng kể chất lượng của hệ thống.
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, bài viết sẽ giới thiệu về kỹ thuật thu thập năng lượng, với hình 2.18 minh họa sơ đồ hoạt động của một máy thu năng lượng điển hình Máy thu này có khả năng chuyển đổi tín hiệu thu được thành nguồn năng lượng lưu trữ trong Pin Tín hiệu thu được sẽ được chuyển đổi từ tín hiệu vô tuyến RF thông qua kiến trúc rectenna, trong đó tín hiệu y R được biến đổi thành dòng điện một chiều (DC) i DC bằng 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 tới đích.
Dòng điện bão hòa được ký hiệu là I s, trong khi đại diện cho tỷ lệ nghịch của điện áp nhiệt của đi-ốt Schottky Hệ số a n được xác định thông qua khai triển chuỗi Taylor của hàm mũ, với công thức a n I s n / !, n=1,2,3 n Tín hiệu thu được y R tại ngõ vào của máy thu năng lượng được tính bằng y R 2 { y R }, trong đó {.} biểu thị phần thực của số phức Khi thay thế (2.1) vào y R, tín hiệu phức sẽ được biểu diễn theo công thức đã nêu.
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 giá trị 2.7 vào 2.5 và loại bỏ các thành phần mũ bậc cao, chỉ giữ lại các thành phần mũ bậc 2, vì các thành phần mũ cao sẽ có giá trị xấp xỉ bằng 0 Chúng ta nhận được biểu thức như sau:
Dòng điện một chiều (i DC) từ đi-ốt được lọc qua bộ lọc thông thấp (LBF) nhằm loại bỏ các thành phần hài bậc cao f và 2 f, từ đó tạo ra dòng điện DC tinh khiết 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 xác định bởi đi-ốt, và để thuận tiện cho việc tính toán, người nghiên cứu giả định rằng a = 2 = 1, với n rec được chuẩn hóa theo tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR Giả sử n ~N(0,σ²), thay thế các phương trình (2.7), (2.8), và (2.9) vào (2.11), ta sẽ có kết quả cần thiết.
Chúng ta giả sử rằng năng lượng chuyển đổi là một hàm tuyến tính với hệ số chuyển đổi năng lượng trong khoảng 0 và 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, được định nghĩa là E h, có thể được xác định.
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.
Giao thức phân chia công suất (PSR) chia công suất nhận được từ nguồn thành hai phần: một phần để 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 đến đích qua các nút chuyển tiếp Nút chuyển tiếp chịu trách nhiệm chuyển tiếp thông tin đến đích, sử dụng toàn bộ năng lượng thu được trong thời gian thu năng lượng Việc lựa chọn thời gian α cho quá trình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp có ảnh hưởng lớn 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: khoảng ρP được sử dụng để thu năng lượng cho việc chuyển tiếp thông tin, trong khi (1-ρ)P được dùng để thu thập dữ liệu trong khoảng thời gian T/2 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 chuyển tiếp Trong khoảng thời gian này thì áp dụng như nửa thời gian đầu của PSR, nó sẽ sử dụng một công suất ρP cho việc thu năng lượng và phần công suất còn lại là (1-ρ)P được sử dụng cho quá trình thu tín hiệu từ nguồn đến nút chuyển tiếp Sau đó phần thời gian (1-α)T sẽ được dùng cho quá trình truyền tín hiệu từ nút chuyển tiếp tới 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, với S là nút nguồn và D là nút đích Trong khi đó, mạng thứ cấp bao gồm các nút chuyển tiếp R và nút relay C.
Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ xem xét mạng sơ cấp gồm hai nút S và D, trong đó thông tin từ máy phát S được truyền đến điểm D Khi D nằm ngoài phạm vi truyền dẫn của S, cần thiết phải có một mạng hỗ trợ chuyển tiếp 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 để truyền tín hiệu từ S, đồng thời R cũng có thông tin riêng để gửi đến nút C Nút relay R không chỉ chuyển tiếp thông tin từ S mà còn cung cấp thông tin thứ cấp cho 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 một ăng-ten duy nhất.
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 thu được tại R, ký hiệu là , cho phép tín hiệu truyền từ S đến R trong pha 1 với thời gian T/2 Tại R, một phần công suất 1 y R thu năng lượng, trong khi (1 1 )y R được dùng để truyền tin tức từ S Đồng thời, trong pha 1, C cũng nhận tín hiệu từ S trong môi trường vô tuyến, với công suất 2 y R được sử dụng để thu thập năng lượng và (1 2 )y R dùng để nhận thông tin từ S.
Trong pha 2, sau khi năng lượng được chuyển đổi, tại nút R cần khuếch đại tín hiệu 1−λ1yR và truyền thông tin thứ cấp x2 đến nút C Công suất thu được tại nút R có thể 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, và phần công suất còn lại (1−α)PR 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 gửi thông tin đến C trong pha 2 C có khả năng nhận tín hiệu sơ cấp từ S trong môi trường không dây, cho phép phân chia công suất nhận được; một phần được sử dụng để thu thập năng lượng, phần còn lại để xử lý loại 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 và cần thu năng lượng từ các tín hiệu nhận được để duy trì hoạt động truyền thông Trong bối cảnh kênh truyền Rayleigh fading phẳng, g 1 và g 2 lần lượt là hệ số kênh giữa S và C, cũng như giữa R và C Hệ số h 1 và h 2 đại diện cho kênh truyền giữa S và R, cũng như giữa R và D Cả hai hệ số này được mô tả dưới dạng tổng quát, với h i CN(0,Ω i) cho i = 1,2 và g j CN(0,Ω j + 2) cho 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 pha 1, nút truyền thông tin đến các nút R và C, tín hiệu nhận được tại R và C sẽ được phân tích để tối ưu hóa quá trình thu thập và truyền tải dữ liệu.
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 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, vì nút R cần tách lấy năng lượng để chuyển tiếp thông tin sơ cấp đến đích Do đó, công suất phát của nút R không bằng 0 và không bằng 1.
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 chuyển đổi năng lượng, nút R cần khuếch đại tín hiệu 1−λ1yR và truyền thông tin thứ cấp x2 đến C Tại nút R, năng lượng có thể bị 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 đến nút C Do đó, thông tin tại nút R được xác định theo [30, Eq.(6)].
Trong quá trình truyền thông, x2 là thông tin thứ cấp cần gửi đến C Nhiễu Gaussian trắng, ký hiệu là n b 1 ~ CN(0, σ b²), 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:
Nút R tạo ra nhiễu Gaussian trắng thích nghi (AWGN) n 3 ~CN(0,σ 3 2 ) thông qua anten thu Nút relay D cần tín hiệu x 1 không bị nhiễu từ tín hiệu thứ cấp x 2 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại D được xác định 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
Nhiễu Gaussian trắng thích nghi có trung bình bằng không và phương sai σb² được tạo ra ở nút đích D bởi anten thu khi chuyển từ dải thông sang dải nền ở nút C Để loại bỏ can nhiễu sơ cấp x₁ tại nút C, ta có thể sử dụng tín hiệu (1−λ₂) yc + nb² Kết quả loại bỏ nhiễu sơ cấp x₁ từ quá trình này được trình bày theo [30, Eq.(11)].
Nếu khi 2 1, toàn bộ công suất sẽ 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 Kết quả là, giống như D, C coi x 1 là nhiễu và sau đó tiến hành giải mã thông tin thứ cấp x 2 Do đó, SNR tại nút C có thể được tính toán khi 2 1.
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 dãi nền lớn hơn nhiều so với 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 việc sử dụng 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 và C nhỏ hơn giá trị ngưỡng t i Khi đó, dữ liệu x x 1, 2 sẽ không được giải mã thành công Ngược lại, nếu tỷ lệ này lớn hơn hoặc bằng t i, dữ liệu sẽ được giải mã Nói cách khác, xác suất dừng là tỷ lệ dữ liệu của máy thu sơ cấp D và máy thu thứ cấp C nằm dưới ngưỡng xác định trước Điều này xảy ra khi tốc độ truyền dữ liệu tại D và C thấp hơn tốc độ mục tiêu đã định Công thức tính xác suất dừng cho tốc độ mục tiêu T i được sử dụng để xác định xác suất này.
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
