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 hiệu quả sử dụng phổ tần, vốn bị hạn chế bởi chính sách phân bổ cố định Vô tuyến nhận thức cho phép người dùng không đăng ký (người dùng thứ cấp - SU) tận dụng các băng tần đã được cấp phép, miễn là họ không gây ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu của người dùng đã đăng ký (người dùng sơ cấp - PU) Nhờ đó, CR được coi là chìa khóa giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần.
Vô tuyến nhận thức là một hệ thống cho phép các thành phần điều chỉnh các tham số như công suất và tần số dựa trên sự tương tác với môi trường xung quanh Ứng dụng của vô tuyến nhận thức mang lại cơ hội tối ưu hóa việc sử dụng các khoảng trắng tần số.
Vô tuyến nhận thức không chỉ là một công nghệ vô tuyến tiên tiến mà còn mang đến những cải cách đột phá trong quản lý phổ tần Công nghệ này được phát triển để sử dụng và chia sẻ phổ tần một cách linh hoạt, đồng thời đảm bảo 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 cho phép thiết bị vô tuyến trở nên linh hoạt hơn trong môi trường hoạt động Thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SDR (Software Defined Radio) đóng vai trò quan trọng trong hệ thống vô tuyến nhận thức, vì các tham số của SDR có thể được thay đổi linh hoạt thông qua phần mềm mà không cần thay đổi cấu trúc phần cứng.
Vô tuyến nhận thức nhằm mục đích 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 nâng cao hiệu quả trong truyền thông vô tuyến.
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.
Để đạt được thông lượng tối ưu, cần thực hiện việc thích ứng độ rộng băng tần, tốc độ truyền và áp dụng các sơ đồ mã hóa sửa lỗi hiệu quả.
- 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 vùng phủ sóng hạn chế Để mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống PU, việc tích hợp công nghệ truyền thông chuyển tiếp vào mạng CR đang thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu Các điểm chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc Giải mã và chuyển tiếp (DF) để truyền tải dữ liệu.
Hiện nay, việc sử dụng các thiết bị không dây ngày càng phổ biến, tuy nhiên, chúng thường phụ thuộc vào pin, dẫn đến thời gian hoạt động hạn chế Để duy trì kết nối liên tục, việc thay thế hoặc nạp năng lượng cho pin thường gặp nhiều bất tiện, đôi khi không thể thực hiện được Do đó, cần tìm kiếm giải pháp mới để cung cấp nguồn năng lượng cho thiết bị mà vẫn khắc phục được những hạn chế này, trong đó có việc thu gom năng lượng từ môi trường.
Năng lượng sạch từ các nguồn tài nguyên thiên nhiên như năng lượng mặt trời và gió đang thu hút sự chú ý lớn vì khả năng cung cấp giải pháp hiệu quả cho việc duy trì hoạt động liên tục của các thiết bị truyền thông không dây Tuy nhiên, sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết làm cho nguồn năng lượng này chưa đạt độ tin cậy cao Một giải pháp tiềm năng 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, trong đó có các hệ thống bao gồm nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích, và đánh giá hiệu năng mạng với các giao thức thu năng lượng khác nhau Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào hiệu năng của mô hình chuyển tiếp cho mạng sơ cấp hoặc thứ cấp mà chưa phân tích mạng chuyển tiếp hỗ trợ thu thập năng lượng cho cả hai loại thông tin Do đó, bài viết này sẽ tập trung vào phân tích hiệu năng mạng chuyển tiếp bao gồm 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 đề tài 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 thiết bị 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 1 MHz đến 2.5 GHz bao gồm các tín hiệu FM quảng bá, truyền hình số DTV, GSM900, GSM1800, 3G và WiFi Bài viết sẽ khảo sát mức công suất tín hiệu ngõ vào cho 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 nhiều kênh tần số khác nhau, với mức ngõ vào cao nhất đạt 42 dBm tương đương 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, chúng ta thấy mật độ phổ công suất tín hiệu ngõ vào rõ rệt.
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 với 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 Giả sử có một nút relay R trong mạng thứ cấp, nó sẽ giúp truyền tín hiệu từ S đến D Đồng thời, R cũng có thông tin riêng cần truyền đến nút C Như vậy, 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 Hơn nữa, cả hai nút 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 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 đại lượng liên quan đến xác suất dừng tại hai nút này, đồng thời phân tích thông lượng tức thời qua tỷ số tín hiệu trên nhiễu của nguồn phát Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng xem xét tác động 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 là rất quan trọng, đặc biệt khi xem xét thông lượng tức thời và năng lượng thu thập trung bình Nghiên cứu này tập trung vào việc hỗ trợ thu thập năng lượng trong bối cảnh phân chia công suất, nhằm tối ưu hóa hiệu suất mạng Các yếu tố như thông lượng và năng lượng thu thập sẽ được đánh giá để cải thiện khả năng hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức trong môi trường năng lượng hạn chế.
Mô phỏng đánh giá hiệu năng và thông lượng tức thời của mạng vô tuyến nhận thức, trong đó có hỗ trợ thu thập năng lượng và phân chia công suất, giúp rút ra kết luận về 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, nhằm thu thập năng lượng và truyền thông tin hiệu quả Mạng sơ cấp bao gồm các nút S (nút nguồn) và D (nút đích), trong khi mạng thứ cấp có các nút chuyển tiếp R và nút relay C Nút relay R đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ truyền tín hiệu từ máy phát sơ cấp, đồng thời cũng chứa thông tin cần thiết cho quá trình truyền tải.
Nút relay R không chỉ chuyển tiếp thông tin sơ cấp mà còn cung cấp thông tin thứ cấp cho nút C, cho phép truyền tải đồng thời Mạng thứ cấp áp dụng giao thức thu thập năng lượng phân chia theo công suất, phục vụ cho việc 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, và tất cả các nút hoạt động ở chế độ bán song công với 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 hỗ trợ thu thập năng lượng, bao gồm mạng sơ cấp với các nút nguồn S và đích D, cùng với mạng thứ cấp có các nút chuyển tiếp R và relay C Bài viết tập trung vào việc cải thiện hiệu suất thu thập năng lượng trong môi trường mạng vô tuyến nhận thức, từ đó nâng cao khả năng hoạt động của hệ thống.
Đề xuất mô hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng bao gồm 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 gửi tín hiệu kết quả và tín hiệu mong muốn cho nút relay thứ cấp C Tại nút C, công suất sẽ 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 rất quan trọng Bằng cách mô phỏng thông lượng tức thời và năng lượng thu thập trung bình, chúng ta có thể đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến mô hình hệ thống.
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: Cơ sở lý thuyết về mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng, trình bày các khái niệm cơ bản về mạng vô tuyến nhận thức, thuật chuyển tiếp trong truyền thông và các giao thức thu thập năng lượng trong mạng hợp tác Chương này cung cấp cái nhìn tổng quan về cách thức hoạt động và ứng dụng của mạng vô tuyến nhận thức trong việc tối ưu hóa việc thu thập năng lượng.
Chương 3 tập trung vào phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức nhằm hỗ trợ thu thập năng lượng Nội dung chính bao gồm cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức và việc đưa ra 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, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về khả năng hoạt động của hệ thống.
Chương 4 sẽ trình bày kết quả mô phỏng và nhận xét dựa trên các tính toán ở chương 3 Phương pháp thực hiện mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab sẽ được giới thiệu nhằm kiểm chứng các biểu thức đã nêu Ngoài ra, chương này 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 của bài viết tóm tắt các kết quả đạt được từ nghiên cứu, từ đó đưa ra những kết luận quan trọng và đề xuất hướng phát triển cho đề tài Những thành tựu này không chỉ khẳng định giá trị của nghiên cứu mà còn mở ra cơ hội mới cho các nghiên cứu tiếp theo.
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 biến đổi môi trường xung quanh Mô hình này cho phép tương tác thích nghi với môi trường, tự cấu hình và tái thiết lập mạng, mở ra những ý tưởng kỹ thuật mới cho các nghiên cứu tại Việt Nam Đến 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 Theo FCC, hệ thống này tối đa hóa băng thông, giảm can nhiễu và truy cập phổ tần động Giáo sư Simon Hayskin định nghĩa vô tuyến nhận thức là hệ thống có khả năng thay đổi 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 đáng tin cậy 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 thông minh phát hiện liệu một khoảng phổ tần số có đang được sử dụng hay không.
Nhảy qua một khoảng phổ tạm thời không sử dụng là một phương pháp hiệu quả để tránh gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phép khác Điều này cho phép các thiết bị hoạt động nhanh chóng và linh hoạt, đồng thời đảm bảo tuân thủ các quy định về quản lý phổ.
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 Cả hai bộ phận đều có khả năng tái cấu hình qua đường điều khiển để thích ứng 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, 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 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 sử dụng LNA (Amplifier Noise Low) để cải thiện độ nhạy và đổi tần số, thường có 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 tín hiệu thu được rõ ràng và chính xác 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 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, đảm bảo chất lượng và độ chính xác của tín hiệu đầu ra.
Bộ VCO (Bộ dao động điều khiển bằng điện áp) là thiết bị điều chỉnh tần số thông qua tín hiệu điện áp, 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 giúp điều chỉnh độ lợi của máy thu dựa trên biên độ tín hiệu thu AGC 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 và tận dụng các khoảng phổ trống, cho phép truyền tín hiệu mà không gây 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 đưa ra quyết định về việc sử dụng phổ một cách hiệu quả.
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 là quá trình quan trọng trong việc tính toán và ước lượng dung lượng cũng như chất lượng của các hố phổ tốt nhất Một trong những nhiệm vụ chủ yếu của chức năng này là xác định ước lượng dung lượng phổ một cách chính xác.
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, trong đó các người dùng thứ cấp nỗ lực truy cập vào các dải phổ trống Việc điều phối các truy cập là cần thiết để tránh xung đột trong những phần phổ chồng lấn, đảm bảo hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số.
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 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)
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, trong đó tín hiệu được truyền thẳng từ nguồn phát đến thiết bị nhận, gọi là truyền thông tầm nhìn thẳng (LoS) Tuy nhiên, nhược điểm lớn của mô hình này là không đảm bảo kênh truyền khi 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, công nghệ MIMO với những ưu điểm vượt trội cũng đã được ứng dụng nhiều trong các mạng truyền thông, mặc dù việc triển khai các mạng này thường phức tạp và tốn kém.
Hình 2.5: Mô hình mạng truyền thông truyền thống
Mạng truyền thông hợp tác là một giải pháp hiệu quả, 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 đã xuất hiện như một kỹ thuật mới, cho phép tín hiệu được tái truyền qua một nút chuyển tiếp, từ đó cải thiện kênh truyền thông và nâng cao chất lượng hệ thống một cách đáng kể.
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 những mục tiêu này, nhiều kỹ thuật như nâng cao dung lượng, mở rộng phạm vi phủ sóng và phân tập được áp dụng.
Kỹ thuật chuyển tiếp là một công nghệ tiên tiến, được giới thiệu 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, và có thể được phân loại theo nhiều khía cạnh khác nhau Theo số lượng chuyển tiếp, có mạng đơn chuyển tiếp và mạng đa chuyển tiếp Theo chức năng, có mạng cải thiện chất lượng và mạng mở rộng phạm vi hoạt động Trong quá trình truyền thông, tín hiệu từ nguồn được truyền đến đích thông qua các nút chuyển tiếp, nơi chúng thu tín hiệu, xử lý và chuyển tiếp 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 các hệ thống lớn có thể đạt được thông qua việc giảm thiểu suy hao đường truyền, cùng với sự phân tập và ghép kênh hiệu quả Điều này giúp giảm năng lượng truyền dẫn, tăng dung lượng và cải thiện vùng phủ sóng.
Chất lượng dịch vụ trong mạng truyền thông thông thường có thể bị suy giảm ở các rìa hay khu vực bị che khuất Tuy nhiên, việc sử dụng chuyển tiếp giúp đảm bảo 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 thiết bị truyền thông đắt đỏ.
Chi phí giảm là một lợi ích quan trọng khi xây dựng hệ thống chuyển tiếp, vì nó giúp đạt được chất lượng dịch vụ mong muốn mà không cần đầu tư vào một hệ thống truyền thông đầy đủ Hơn nữa, chi phí bảo trì và vận hành hệ thống chuyển tiếp cũng thấp hơn, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn 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 lưu lượng người dùng và lưu lượng chuyển tiếp khác nhau 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 là hệ quả của việc vận hành một hệ thống hoàn chỉnh, đòi hỏi chuyển giao, đồng bộ hóa và bảo mật Những yêu cầu này dẫn đến chi phí bổ sung so với các 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 có thể dẫn đến việc gia tăng nhiễu, gây ra sự suy giảm hiệu suất của hệ thống.
Thời gian chờ trong quá trình chuyển tiếp dữ liệu có thể gia tăng do việc cần phải nhận và giải mã toàn bộ gói dữ liệu trước khi tái truyền Để giảm thiểu độ trễ này, cần áp dụng các phương pháp truyền đơn giản hoặc giải mã hiệu quả Đồng thời, việc duy trì đồng bộ hóa chặt chẽ là cần thiết để thúc đẩy sự hợp tác, tuy nhiên điều này thường đòi hỏi đầu tư vào phần cứng đắt tiền.
Chi phí phụ về kỹ thuật lớn từ 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 mà còn yêu cầu ước tính nhiều hệ số kênh truyền hơn Do đó, cần cung cấp nhiều ký tự thí điểm để đảm bảo việc điều chế nhất quán trong quá trình truyền tải.
Các giao thức chuyển tiếp
Các kỹ thuật và phương 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 chi tiết 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 thực hiện 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 để đưa ra quyết định cuối cùng về nội dung tín hiệu Mặc dù nhiễu tín hiệu 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 cần tích hợp cơ cấu trao đổi thông tin này 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 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
Giao thức khuếch đại và chuyển tiếp AF là yếu tố quan trọng trong nghiên cứu này, bao gồm mô hình hệ thống với ba nút: nguồn S, 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
Công thức R S S R y P hx n (2.1) mô tả mối quan hệ giữa công suất phát tại nút nguồn P S và hệ số kênh truyền h giữa nút nguồn và nút relay trong kênh Rayleigh fading phẳng Trong đó, n R CN 0, R 2 biểu thị nhiễu ảnh hưởng đến tín hiệu.
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 chuyển tiếp đến đích với công suất phát tại nút relay, tạo ra tín hiệu nhận được tại nút đích.
Tín hiệu từ nút relay được khuếch đại với hệ số khuếch đại β, trong khi công suất phát PR bị giới hạn bởi năng lượng thu thập trong quá trình thu thập năng lượng Hệ số g đại diện cho kênh truyền giữa relay và đích trên kênh Rayleigh fading phẳng, trong khi nD CN(0, σD²) thể hiện 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 thu thập dữ liệu tương hỗ tức thời, được biểu diễn như một hàm của các hệ số fading liên quan đến việc khuếch đại và chuyển tiếp, theo tài liệu [16]: log (12).
Tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại nút đích (SNR D) là yếu tố quan trọng để xác định thông lượng trong sơ đồ khuếch đại chuyển tiếp AF Để tính toán thông lượng, cần xác định xác suất dừng bằng cách so sánh thông tin tương hổ tức thời với tốc độ truyền thông tin mục tiêu R, dựa trên các 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 cho 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 kém 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 có ưu điểm vượt trội so với chuyển tiếp AF trong việc giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu tại nút
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, với các phương pháp như chuyển tiếp một chiều (One Way Relaying) và chuyển tiếp hai chiều (Two Way Relaying) tùy thuộc vào chức năng của mạng truyền thông.
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 đến và sau đó sử dụng một trong các giao thức chuyển tiếp để gửi tín hiệu này tới đích.
Hình 2.13: Sơ đồ khối mạng chuyển tiếp một chiều
Mạng chuyển tiếp một chiều chỉ cho phép tín hiệu truyền theo một hướng đã được xác định trước, do đó thường được sử dụng trong các ứng dụng như 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 từ phía nhận.
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 hai nguồn và sau đó gửi tín hiệu đã nhận đến hai đích tương ứng.
Mạng chuyển tiếp hai chiều cho phép tín hiệu được truyền đi và nhận lại giữa hai nguồn, tạo điều kiện cho việc trao đổi thông tin Tùy thuộc vào kỹ thuật chuyển tiếp được sử dụng, như bán song công hoặc song công, có thể phân loại thành các dạng chuyển tiếp hai chiều như hai pha, ba pha và bốn pha Các kỹ thuật này đã 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] 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 qua các 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 tiếp đến đích trong pha tiếp theo Một điểm quan trọng là nút chuyển tiếp chỉ được trang bị một anten, điều này có nghĩa là nó chỉ có thể 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, kỹ thuật này có ưu điểm là chuyển tiếp không bị ảnh hưởng bởi tự nhiễu, cùng với cấu trúc đơn giản và dễ thực hiện Mô hình kỹ thuật này được minh họa trong Hình 2.15.
Trong kỹ thuật này, nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền và nhận tín hiệu đồng thời thông qua hai anten trong cùng một dải tần số Tuy nhiên, hiện tượng tự can nhiễu xảy ra, gây ảnh hưởng đến chất lượng hệ thống Để khắc phục vấn đề này, nhiều phương pháp đã được đề xuất, nhưng can nhiễu vẫn tồn tại và hạn chế hiệu suất của hệ thống Hình 2.16 minh họa hệ thống song công cùng 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 cả nút chuyển tiếp và hai nguồn phát Điều này dẫn đến việc 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, tác giả giới thiệu kỹ thuật thu thập năng lượng, với hình 2.18 minh họa sơ đồ hoạt động của máy thu năng lượng tiêu biểu Máy thu này chuyển đổi tín hiệu thu được thành nguồn năng lượng dự trữ trong Pin Cụ thể, tín hiệu vô tuyến RF được chuyển đổi thông qua kiến trúc rectenna, trong đó tín hiệu y R được biến đổi thành dòng điện một chiều (DC) i DC nhờ 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 việc truyền dẫn thông tin từ nguồn đến đích.
Dòng điện bão hòa I s được xác định, với là tỷ lệ nghịch của điện áp nhiệt của đi-ốt Schottky Hệ số a n được tính toán qua khai triển chuỗi Taylor của hàm mũ, cụ thể là a n = I s n / !, với n = 1, 2, 3, Tín hiệu thu được y R tại ngõ vào của máy thu năng lượng được biểu diễn bằng 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 diễn tả bởi công thức tiếp theo.
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 các thành phần mũ bậc 2, vì các thành phần mũ cao sẽ cho giá trị xấp xỉ gần bằng 0 Kết quả thu được là một biểu thức đơn giản hơn.
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 Quá trình này giúp tạo ra dòng điện một chiều ổn định 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 ), khi thay thế các phương trình (2.7), (2.8) và (2.9) vào (2.11), ta có kết quả cần thiết cho tính toán.
Chúng ta giả định rằng năng lượng được chuyển đổi theo một hàm tuyến tính với hệ số chuyển đổi năng lượng nằm trong khoảng 0 và 1, đồng thời các ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống là không đáng kể Từ 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 khoảng 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 nguồn 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 sẽ đảm nhiệm việc chuyển tiếp thông tin, sử dụng toàn bộ năng lượng thu được trong thời gian thu năng lượng để gửi tín hiệu tới đích Thời gian thu thập năng lượng (α) tại nút chuyển tiếp có ảnh hưởng đáng kể 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 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 khoảng thời gian 34 chuyển tiếp, áp dụng tương tự như nửa thời gian đầu của PSR, công suất ρP được sử dụng để thu năng lượng, trong khi phần công suất còn lại (1-ρ)P được dùng để thu tín hiệu từ nguồn đến nút chuyển tiếp Tiếp theo, thời gian (1-α)T sẽ được dành cho việc 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, với S là nút nguồn và D là nút đích, trong khi mạng thứ cấp bao gồm các nút chuyển tiếp R và nút relay C.
Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ phân tích mạng sơ cấp với 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, một mạng hỗ trợ chuyển tiếp là cần thiết để khuếch đại tín hiệu từ S đến D Giả sử có một mạng thứ cấp với nút relay R, đóng vai trò là điểm chuyển tiếp tín hiệu từ S, đồng thời R cũng truyền thông tin của riêng mình đến nút C Mạng thứ cấp áp dụng giao thức thu thập năng lượng và truyền thông tin trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức, cho phép cả hai nút relay R và C lưu trữ năng lượng từ các 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 đó C có khả năng phân chia công suất 2 y R để thu thập năng lượng và 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−λ1yR và truyền thông tin thứ cấp x2 đến C Công suất thu được tại nút R có thể chia thành hai phần: PR = αPR + (1−α)PR Trong đó, αPR là phần công suất dùng để chuyển tiếp thông tin từ S đến đích D, còn phần công suất còn lại (1−α)PR được sử dụng để phát thông tin 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 có khả năng nhận tín hiệu sơ cấp từ S trong môi trường không dây, từ đó có thể phân chia công suất nhận được Một phần công suất được sử dụng để thu thập năng lượng, trong khi phần còn lại được dùng 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 đảm bảo hoạt động truyền thông tin Trong trường hợp các kênh truyền là kênh 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 tương ứng là giữa S và R, và giữa R và D Các hệ số này được mô tả dưới dạng tổng quát h i CN(0, Ω i) với i = 1,2 và g j 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
Mô hình hệ thống sử dụng giao thức thu thập năng lượng phân chia công suất được trình bày trong Hình 3.2 nhằm mục đích thu thập năng lượng và truyền thông tin Trong giai đoạn 1, nút truyền thông tin đến các 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, nút R nhận thông tin được chia thành hai phần: một phần dùng 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 nút 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, 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 thể bằng 0 hoặc 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, tại nút R cần khuếch đại tín hiệu 1 1 y R và truyền thông tin thứ cấp x 2 đến C Năng lượng tại nút R được chia thành hai phần: P R P R 1 P R Trong đó, P R là công suất dùng để chuyển tiếp thông tin còn lại từ S đến đích D, còn phần công suất còn lại 1 P R được sử dụng để phát thông tin đến nút C Theo [30, Eq.(6)], thông tin tại nút R được xác định.
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 1), xuất hiện do việc chuyển đổi tín hiệu từ dãi thông sang dãi nền tại nút R Hệ số công suất tại nút R, ký hiệu là β, được xác định bởi 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 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 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
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 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 trong [30, Eq.(11)].
Nếu khi 2 = 1, toàn bộ công suất nhận được 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 x1 là nhiễu và sau đó giải mã thông tin thứ cấp x2 Do đó, SNR tại nút C có thể được tính toán như sau, nếu 2 ≠ 1.
Ngược lại, 2 1 ta có SNR được xác định như sau:
Trong thực tế, chúng ta nhận thấy rằng công suất nhiễu từ dãi nền vượt trội hơn so với công suất nhiễu của anten Để đơn giản hóa việc tính toán, chúng ta sẽ giả định rằng công suất nhiễu của anten là 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 khả năng mà tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu tại nút nhận D,C nhỏ hơn một ngưỡng t i đã cho Khi D,C < t i, nút nhận D,C không thể giải mã thành công dữ liệu x x 1, 2 Ngược lại, nếu D,C ≥ t i, dữ liệu sẽ được giải mã thành công Xác suất dừng phản ánh tỷ lệ dữ liệu của máy thu sơ cấp D và máy thu thứ cấp C dưới ngưỡng xác định 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 của tốc độ mục tiêu T i được áp dụng để xác định giá trị 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
