Nghiên cứu giải pháp phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến

Hệthốngvôtuyến chuyểntiếp

Một trong những giải pháp nâng cao hiệu năng của hệ thống vô tuyến là sửdụng kỹ thuật phân tập phát và phân tập thu, hay gọi là MIMO (Multiple InputMultiple Output), nghĩa là dùng nhiều anten ở phía phát và nhiều anten (ăng ten) ởphía thu Việc này sẽ dẫn tới tăng kích thước thiết bị do yêu cầu về khoảng cáchgiữa các anten để đảm bảo tính độc lập của tín hiệu phát hay nhận Tuy nhiên, kíchthướccủathiếtbịthườngbịgiớihạntrongmộtsốtrườnghợpnhưcácthiếtbịthôngtin di động cầm tay yêu cầu phải nhỏ gọn Do đó, kỹ thuật phân tập không gian sẽkhông thể thực hiện do các ràng buộc về kích thước thiết bị, về năng lực xử lý củathiết bị, cũng như về năng lượng lưu trữ cần thiết Để khắc phục hạn chế đó, kỹthuật chuyển tiếp hay kỹ thuật truyền thông cộng tác (hợp tác) gần đây đƣợc xem làmột giải pháp hữu hiệu đểtăngđộlợi phântập không gian cho hệthốngkhim à phântậpthukhôngthểtriểnkhaitrêncácthiếtbịcầmtay.

Truyền thông hợp tác là khái niệm mới do tiến sĩ Laneman tại MIT đƣa ravào năm 2002 [13] Truyền thông hợp tác cho phép các hệ thống vô tuyến đơn antencó thể hợp tác với nhau để truyền tải dữ liệu về nút đích nhằm tăng chất lƣợng củahệthống,đạtđƣợcsựphântậpkhônggianphátnhƣhệthốngMIMO.Hệthốngnhƣvậy gọi là truyền thông hợp tác hay còn được gọi là hệ thống MIMO ảo Kỹ thuậttruyền thông hợp tác là trường hợp đặc biệt của truyền thông đa chặng chỉ với haichặng.Hailoạimô hìnhhệthốngvôtuyếnhợptáctiêubiểunhƣsau: a) Môhìnhhệthốngvôtuyếnchuyểntiếpmộtnútchuyểntiếp

Mô hình hệ thống vô tuyến chuyển tiếp có một nút chuyển tiếp có 3 thànhphần cơ bản:nút nguồn đƣợc ký hiệu là S; nút chuyển tiếp đƣợc ký hiệu R và nútthutínhiệuđích,kýhiệuD.ChitiếtcủamôhìnhnhưHình1.1dướiđây.

Hình1.1.M ô hìnhhệthống vôtuyếnchuyển tiếpmộtnútchuyển tiếp Để truyền dữ liệu từ nút S tới nút D sẽ diễn ra trong hai khoảng thời gian trựcgiao.Trong kh oản gt hờ i giant hứ n h ấ t : nú tn gu ồn S phátquảngbád ữ liệuvà tí nhiệu này đƣợc nhận bởi nút đích D và nút chuyển tiếp R Trong khoảng thời gianthứ hai, nút R sẽ chuyển tiếp dữ liệu thu được từ nút S và phát tới nút D Trongtrường hợp do nút D quá xa nút

S (không nằm trong vùng phủ sóng) sẽ coi nhưkhôngcóđườngtruyềntrựctiếptừnútStớinútD. b) Môhìnhhệthống vôtuyếnchuyểntiếpnhiềunútchuyểntiếp

Khác với mô hình hệ thống một nút chuyển tiếp, mô hình hệ thống chuyểntiếp nhiều nút chuyển tiếp như Hình 1.2 dưới đây Tín hiệu từ nút nguồn S đƣợcphát tớiNnút chuyển tiếp R nằm ở giữa nút nguồn và nút đích Các nút chuyển tiếpnhận dữ liệu và phát tới nút đích Mô hình này giúp tăng vùng phủ sóng của mạngthôngtinvôtuyến.

Hình1.2.M ô hình hệthống chuyểntiếpnhiềunútchuyển tiếp Để tăng độ lợi phân tập trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp, trong bối cảnhcủa truyền thông hợp tác chúng ta có thể sử dụng nhiều nút chuyển tiếp Tuy nhiên,phương pháptruyềnlặp lạitừcác nútchuyểntiếpdẫn đếnhiệusuấtphổtầnthấp do

 số lƣợng kênh trực giao sử dụng là bằng số lƣợng nút chuyển tiếp tham gia chuyểntiếp tín hiệu và hiệu suất phổ tần của hệ thống là tỉ lệ nghịch với số nút chuyển tiếp.Do đó, kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp ra đời đã khắc phục nhƣợc điểm này vàchophéphệthống đạt đƣợcđộlợi phântập khônggian đầyđủ.

Môhìnhtoán họckênhtruyền Nakagami-m

Theo kết quả thực nghiệm, kênh truyền Nakagami-mphù hợp cho sóng ngắntruyền trên tầng điện ly.Một tín hiệu có biên độ phân bố theo phân bố Nakagami-mlà tổng của nhiều tín hiệu phân bố Rayleigh độc lập và đồng nhất Kênh truyềnNakagami-mphù hợp với các mô hình có can nhiễu vô tuyến từ nhiều nguồn khácnhau Hệ số kênh truyền Nakagami-mlàh, biên độ đáp ứng xung|h| có phân bốtheo phân bố Nakagami Hàm mật độ phân bố xác suất của |h| đƣợc xác định nhƣsau: ình f( x) 2m m x 2m1

 x0 với= {|h| 2 } là công suất trung bình của kênh truyền, Г(.;.) là ký hiệu hàmGamma,mlà ký hiệu của tham số kênh truyền Nakagami-m, có giá trị từ0  Nếu giá trịmcàng nhỏ thì giátrị kênh truyền càng xấu đi.Độ lợikênh truyền| h| 2 của kênh truyền Nakagami-mlà biến ngẫu nhiên phân bố theo phân bố Gamma, dođóhàmphânbốtíchlũycủa|h|đƣợcxácđịnhnhƣsau: ình1 (m,mx/)

KênhtruyềnNakagami- mlàkênhtruyềncótínhtổngquátnhất.CáckếtquảnghiêncứuchothấytừkênhtruyềnNa kagami-mcóthểsuyracáckênhfadingkhácbằng cáchthayđổithamsốm.Nếu m  1thìkênhtruyềnNakagami-msẽtrởthànhkênh

Xácsuấtdừnghệthốngvôtuyến

Xác suất dừng hệ thống là tham số đánh giá chất lƣợng hệ thống vô tuyếnquan trọng đi từ khái niệm dung lƣợng Shannon của kênh truyền và tốc độ truyềnmong muốn Khi truyền tín hiệu vô tuyến trong môi trường đa đường thì tín hiệuthu đƣợc tại máy thu là một biến ngẫu nhiên Nếu tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)tức thời tại đầu vào máy thu nhỏ hơn một mức ngƣỡng xác định thì gần nhƣ máythu không thể giải mã thành công tín hiệu thu đƣợc Việc này sẽ xấu hơn nếukhoảng thời gian giữa các đường tín hiệu đến có độ trễ lớn Trong môi trườngfading chậm,xácsuấtdừng hệthốngOP (OutageProbability)được sửd ụ n g đ ể đánhgiáchấtlƣợnghệthốngvôtuyến.OPđƣợc địnhnghĩalàxácsuấttỷsốtí n hiệut r ê n n h i ễ u t ƣ ơ n g đ ƣ ơ n g t ứ c t h ờ i t ạ i đ ầ u v à o m á y thu g R trướcg th BiễudiễndạngtoánhọccủaOPnhưsau: g th nhỏhơnngƣỡngcho

Tổngquankỹthuậtthuthậpnănglƣợngvôtuyến

Kiếntrúcvậtlýmáythunănglƣợngvôtuyến

Cấu trúc khối thu năng lƣợng RF

Tụ điện Mạch chỉnh lưuMạch phối hợp trở kháng

KHỐI THU NĂNG LƢỢNG RF QUẢN LÝ NĂNG LƢỢNG

KHỐI THU PHÁT RF CÔNG SUẤT THẤP

CHÍP XỬ LÝ CÔNG SUẤT THẤP ỨNG DỤNG

Hình1.4.Sơđồ khốithiếtbị thu thậpnănglượng vôtuyến

Theo[14],thôngtinvôtuyếnthuđƣợcsẽtáchlàmhaiphần,mộtphầnđivàokhối xử lý thông tin, phần còn lại tới khối thu thập năng lƣợng Đối với khối thuthập năng lƣợng vô tuyến (Energy

Harvesting), tín hiệu vô tuyến đƣợc đi qua bộphốihợptrởkhángvàchỉnhlưuđểtạoranguồnđiện mộtchiều.Sauđónguồnnănglượngmộtchiềuđiquabộquảnlýnănglượngvàđượclưutrữtạikh ốilưutrữnănglượng Nguồn năng lượng này được cấp cho bộ phận xử lý thông tin vô tuyến, vàphát thông tin tới nút đích Các thành phần của phần thu thập năng lƣợng RF nhƣsau:

(i) Anten: đƣợc thiết kế để hoạt động ở một tần số đơn hoặc một dải tần sốsao cho các nút mạng có thể đƣợc thu thập năng lƣợng từ một hoặc nhiều nguồnkhácnhau.Thôngthườngthiếtkế antenhoạtđộngởdảitầnnhất định.

(ii) Mạch phối hợp trở kháng(Impedence matching): là một mạch cộnghưởng ở một dải tần số theo thiết kế ban đầu để tối ưu sự truyền năng lượng giữaanten và mạch chỉnh lưu Với dải tần số thiết kế, đảm bảo hiệu năng của mạch phốihợptrởkhánglàlớnnhất.

(iii) Mạch chỉnh lưu(Voltage multiplier): thành phần chính là đi-ốt tạothành mạch chỉnh lưu để chuyển đổi tín hiệu AC (tín hiệu RF) thu được thành tínhiệu mộtchiềuDC.

(iv) Tụ điện(Capacitor): là thành phần ổn định dòng ra cung cấp cho thànhphần quản lý năng lƣợng Khi năng lƣợng RF không có sẵn, các tụ điện có thể cungcấpnănglƣợngtrong mộtkhoảngthời gianngắn.

Nguồnnănglƣợngvôtuyến

Khác với thu thập năng lƣợng các nguồn tự nhiên, thu thập năng lƣợng vôtuyến (RF) phụ thuộc vào khoảng cách máy phát năng lƣợng tới máy thu nănglượng vô tuyến, có trường hợp máy thu năng lượng cố định, hoặc máy thu nănglƣợng là di động Vị trí của nguồn thu năng lƣợng vô tuyến sẽ quyết định mức nănglƣợng thu đƣợc Có nhiều nguồn năng lƣợng vô tuyến hiện nay nhƣ nguồn nănglƣợng từ máy phát truyền hình công suất lớn, liên tục (có thể lên tới 1000kW),nguồn năng lƣợng cung cấp cho thiết bị nhận dạng vô tuyến (RFID) là khoảng 4- 10W,đâyđƣợcxemnhƣnguồnnănglƣợngRFchuyêndụngcóthể đƣợcpháttriểnđể cung cấp cho những nút mạng cần nhiều năng lƣợng và liên tục Nguồn RFchuyên dụng có thể sử dụng ở dải tần số đƣợc miễn cấp phép sử dụng tần số.

MáyphátP ow er cast er h o ạ t đ ộ n g ở t ầ n s ố 9 1 5 M H z v ớ ic ô n g su ất 1 W tới3 W là v í d ụ điểnhìnhvềnguồnRFchuyêndụngđãđược thươngmạihoá.

Tỷ lệ thu thập năng lƣợng vô tuyến từ một số nguồn phát điển hình hiện naynhư [14] :máy phát đẳng hướng trên tần số 915 MHz, với công suất 4W, ở cự ly15m thỡ tỷ lệ thu thập năng lượng là 5,5àW; Mỏy phỏt đẳng hướng trờn tần số868MHz (băng tần RFID 866-868MHz) có công suất 1,78 W, ở cự ly 25m thì tỷ lệ thuthập năng lƣợng là 2,3àW; Một mỏy phỏt truyền hỡnh cụng suất 960kW (phỏt súngởtầnsố680MHz), ởcựly4,1kmthỡtỷlệthu thậpnănglƣợnglà60àW.

Giaothứcthunhậnnănglƣợngtrongmạngchuyểntiếp

Quátrìnhthuthậpnănglƣợngphânchiatheothờigian(TS-T i m e Switching) là quá trình xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp theo trình tự Đầu tiên, thuthập năng lƣợng cho nút chuyển tiếp, sau đó tín hiệu thông tin đƣợc xử lý tại nútchuyểntiếp,sauđónútchuyểntiếpsửdụngnănglƣợngthuthậpđƣợcđểtruy ền

Rx (S->R) Thu thập năng lƣợng (S->R) yr (t) (1-α)T/2

CHUYỂN MẠCH THỜI GIAN THU PHÁT THÔNG TIN

THU THẬP NĂNG LƢỢNG na(t)

Hình 1.5 Giao thứcthuthậpnănglượngtheo thời gian

Hình1 5m ô t ả giaothứcthuthậpthôngtin v à chuyểntiếpdữliệutạinút chuyểntiếpR.GọiTlàchukỳpháttínhiệutừnútnguồntớinútđích,l àhệsố phânc h i a t h ờ i g i a n , v ớ i01.N ú t c h u y ể n t i ế p

2 đểchuyểntiếpdữliệutớinútđíchD.Trongtrường hợpα = 0,nút nguồnSsẽ không thu thập năng lƣợng và không thể truyền thông tintới nút đích, hệ thống sẽ dừng Trường hợpα =1, nút nguồn S dành toàn bộ thờigianTđểthuthậpnănglƣợngnênkhôngcóthờigiantruyềnthôngtintớinútđích, hệthốngcũngdừng.Haynóicáchkháchệthốngchỉhoạtđộngkhi01.

Môhìnhmáythusửdụngkỹthuậtthuthậpnănglƣợngphânchiatheothờigianđ ược môtảnhưhình1.6dướiđây[14]: αkhithayT

Hình1.6 Môhìnhmáythu sửdụng giao thứcphân chia theothời gian

Tínhiệuthuđƣợctạinútchuyểntiếp y r (t ) códạngnhƣsau: y r (t) h SR s(t)n a (t), (1.4) với h SRl à độlợikênhtruyềnchặng 1 từStới R, d 1là khoảngcáchtừStớiR,P Slà d l

Chuyển tiếp thông tin tới D Tx (R-D)

Thu thập năng lƣợng tại R ρP côngsuấtpháttạinútnguồn;ll àhệsốsuyhaođườngtruyền; s(t) làtínhiệutừ nguồnvớicôngsuấttrungbìnhchuẩnhoá

Từcôngthức(1.5), côngsuấtphátcủa nútchuyển tiếpkhichuyểntiếpdữ liệutớinútđích P Rđ ƣ ợ c tínhnhƣsau:

Quá trình thu thập năng lƣợng phân chia theo ngƣỡng công suất (PS- PowerSplitting) là quá trình xử lý thông tin tại nút chuyển tiếp chia thành hai giai đoạn.Đầu tiên, tín hiệu tới nút chuyển tiếp đƣợc tách thành hai phần, phần tín hiệu dànhcho thu thập năng lƣợng, phần còn lại là thông tin cần chuyển tiếp Nửa thời giansau, tín hiệu đƣợc phát đi tới nút đích, ở đây nút chuyển tiếp dành toàn bộ nănglƣợng thu thập đƣợc để phát thông tin tới nút đích Mô hình giao thức truyền nhưhình1.7dưới đây:

Giaothứcthuthậpthôngtinvàchuyểntiếpdữliệutạinútchuyểntiếp.Gọilàt í n h i ệ u t h u đ ƣ ợ c t ạ i n ú t c h u y ể n t i ế p c ó c ô n g s u ấ t l à P G ọ i T là c h u k ỳ pháttínhiệu,nửachukỳđầuT2n ú tnguồnStruyềntínhiệutớinútchuyểntiếpR

0 1.T h e o đ ó , n ú t c h u y ể n t i ế p d à n h c ô n g s u ấ t Pc h u y ể ntiếpdữliệutừnút chuyểnt i ế p đ ế n n ú t đ í c h v à c ô n g s u ấ t(1)Pđểg i ả i m ã t h ô n g t i n H ì n h 1 8 d ƣ ớ i đâymôtảsơđồmáythuvớikỹthuậtphânchiatheongƣỡngcôngsuất[14].

Hình1.8 Môhìnhmáythuvới kỹthuật phân chiatheo công suất

DonănglƣợngchỉthuthậptrongnửachukỳT2nênnănglƣợngthuthậpđƣợctại nút chuyểntiếpE h đƣợctínhnhƣsau[15]:

Tổngquantìnhhìnhnghiêncứuvềkỹthuậtthuthậpnănglƣợng

Thu thập năng lƣợng vô tuyến là một trong những chủ đề nghiên cứu chính củacác nhà khoa học trên thế giới hiện nay [13] Trong chủ đề này có thể tạm chia ralàmnhiều hướngnghiêncứu,cụthểlà:

(i) Thiết kếmạch (Circuit Design) thu thập năng lƣợng và thu thôngt i n đ ồ n g thời và không đồng thời, thiết kế mạch chia năng lƣợng theo thời gian haytheonănglƣợng.

(ii) Thiết kế các giao thức mạng vô tuyến thu thập năng lƣợng kết hợp với cáccông nghệ tiên tiến ở lớp vật lý: kỹ thuật đa anten (MIMO), truyền song công,vôtuyếnnhậnthức, bảo mậtlớpvậtlý,v.v.

Nếu phân loại theo nhóm nghiên cứu nổi bật về kỹ thuật thu thập năng lƣợngtrênthếgiới,chúngtacó thểliệtkênhƣsau:

 NhómnghiêncứucủagiáosƣRuiZhang(ĐạiHọcQuốcGiaSingapore,Singapore) là nhóm tiên phong trên thế giới về lĩnh vực này, đã có những đónggóprấtquantrọngtại[16].

 Nhóm của giáo sƣ I Krikidis (Đại Học Cyprus, Cyprus) đã khảo sát các kỹ thuậtbeamforming, chuyển tiếp, truyền thông hợp tác, chuyển tiếp đơn công/songcông và trả lời câu hỏi về tỷ lệ thời gian tối ƣu cho hệ thống giữa thời gianchuyển tiếp dữ liệu hay thời gian thu thập năng lƣợng khi các nút hệ thống vôtuyến sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng Các nghiên cứu tiêu biểu của nhómtại[26].

 Nhóm của giáo sƣ Aylin Yener (Pennsylvania State University, USA): nghiêncứu về các chính sách thích ứng cho hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật thu thậpnănglƣợng ởkênhfading.Nghiên cứutiêubiểuđãcôngbốtại[28].

 GS TS Trần Xuân Nam tập trung nghiên cứu về MIMO và các biến thể, ứngdụngcủaMIMO[30]-[31],[32];

 PGS TS Hồ Văn Khương nghiên cứu về hệ thống truyền thông hợp tác và vôtuyếnnhậnthức[33]-[37];

 TS Hà Hoàng Kha nghiên cứu về tối ƣu hiệu năng cho các hệ thống truyềnthônghợptác[38]-[40];

 TS Trương Trung Kiên nghiên cứu về MIMO và hệ thống vô tuyến cộng tác[47-49].

 Nhóm của PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo và TS Trần Trung Duy tập trungnghiên cứu về truyền thông hợp tác, truyền thông chuyển tiếp, vô tuyến nhậnthức, bảo mật lớp vật lý và gần đây là hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật thuthậpnănglƣợng.Cácnghiêncứutiêubiểucủanhómnhƣ[50]-[57].

Nhữngnghiêncứuliênquanvàhướngnghiêncứucủaluậnán

Để thấy rõ đƣợc bức tranh nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới vềhệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng vô tuyến, Nghiên cứu sinhkhảo sát đánh giá các công trình nghiên cứu liên quan đã công bố trên các tạp chí,hội nghị quốc tế uy tín để từ đó xác định ra hướng nghiên cứu riêng, xác định mụctiêunghiêncứuvàđềxuấtđƣợcnhữngđónggópkhoahọc.

Năm 2016, một số nhà khoa học đã có những nghiên cứu về mạng vô tuyếnchuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng ở nút chuyển tiếp [67-68]. Tại[67], Nút nguồn và nút đích sử dụng năng lƣợng sẵn có từ pin hay từ điện lưới,trong khi nút chuyển tiếp sử dụng năng lượng thu thập từ nguồn vô tuyến. Tuynhiên,tại[67],tácgiảchƣađƣarađƣợccôngthứcdạngđóngcủaxácsuấtdừnghệthống Tại nghiên cứu[68]tác giả chỉ xác định đƣợc xác suất dừng hệ thống ở dạngchuỗi vô hạn và kết quả nghiên cứu cho kênh truyền là hoàn hảo, giả thiết chƣa sátvớithựctế.Ngoàira,đểphântíchhiệunăngcủahệthống,cácnghiêncứutrướcđâyđều sử dụng kỹ thuật xấp xỉ hợp lý ở vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao dựa trên hàmBesselK đề xuất bởi Nasir và các cộng sự trong[72] Nhƣợc điểm của kỹ thuật nàylà độ sai lệch sẽ tăng nhanh ở vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp, đặc biệt là cácchặngkhôngđốixứng.

Năm 2017, các nhà khoa học có những nghiên cứu về mạng vô tuyến chuyểntiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng Tại[75], tác giả đã xem xétmạng chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lƣợng vô tuyến với một nút mạng khôngthu thập năng lƣợng và một nút mạng có sử dụng thu thập năng lƣợng Nhóm tácgiả đã đề xuất một giao thức truyền tối ƣu dựa trên mô hình thu thập năng lƣợngngẫu nhiên. Tại[76], nhóm tác giả đã phân tích chất lƣợng hệ thống truyền chuyểntiếp DF hai chiều ba pha thời gian trong đó nút chuyển tiếp thu thập năng lƣợng từtín hiệu vô tuyến trong hai pha đầu tiên để chuyển đổi thành nguồn phát tín hiệutrong pha thời gian thứ ba Với nghiên cứu này, nhóm tác giả phân tích chất lƣợnghệthốngtheohaithôngsốlàxácsuấtdừngvàthônglƣợng.Tuynhiên,nhó mtácgiả chưa đưa ra biểu thức dạng tường minh của xác suất dừng của toàn hệ thống vàchƣanghiêncứuvớikênhtruyềnNakagami-m.

Năm 2018, nhiều nhà nghiên cứu đã kết hợp hệ thống chuyển tiếp song công(Full-Duplex) sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng nhƣ các bài báo [84]

[85] Cácnghiên cứu đều tập trung vào mô hìnhm à n ú t c h u y ể n t i ế p t h u n h ậ n t h ô n g t i n v à năng lƣợng từ một nguồn chính Tuy nhiên, vấn đề tránh ảnh hưởng của nhiễu dôidư(RSI)chưađượcquantâmgiảiquyết.

 Hệthốngthuthậpnănglƣợngvôtuyếncónhƣợcđiểmlàhiệusuấtthuthậpnănglƣợng thấp dẫn đến vùng phủ sóng kém Để cải thiện vùng phủ sóng của mạngthuthậpnănglƣợngvôtuyến,chúngtacầnápdụngnhiềukỹthuậtnhƣ:

 Kỹ thuật chuyển tiếp một chiều/hai chiều hay truyền thông hợp tác, kỹ thuậtMIMO,kỹthuậtlựachọnnútchuyểntiếp.

 Phân tích hiệu năng của hệ thống thu thập năng lƣợng vô tuyến ở dạng tườngminh là chưa nhiều, hiện nay chỉ tồn tại xấp xỉ xác suất dừng hệ thống (doNassir) đề nghị ở vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao khim à h ệ t h ố n g l ạ i h o ạ t độngởvùngtỷlệtínhiệutrênnhiễuthấpdonănglƣợngthu thậpthấp.

 Để áp dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng vào trong thực tế, ví dụ nhƣ mạng5Gvàsau5G,chúngtacầnphảixemxétkỹthuậtnàytrongbốicảnhthựctếvídụ nhƣ kênh truyền ƣớc lƣợng không hoàn hảo hay kết hợp với các kỹ thuật khácnhƣtruyềnsongcông,v.v.,

Sau khi đánh giá, phân tích, NCS đƣa ra những vấn đề chính mà Luận án cầntậptrungnghiêncứugiảiquyếtnhƣ sau:

 Đối với hệ thống vô tuyến chuyển tiếp một chiều sử dụng kỹ thuật thu thậpnăng lƣợng, chƣa có nhiều nghiên cứu về kỹ thuật MIMO, truyền song công,kênh truyền ƣớc lƣợng không hoàn hảo (tức là đã có đầy đủ thông tin về trạngtháikênhtruyền(CSI)).TrongthựctếthìrấtkhócóđƣợcCSIđầyđủ.Dođ ó,chỉ khi nghiên cứu với kênh truyền không hoàn hảo sẽ đánh giá chính xác hơn,sát thực hơn về chất lƣợng và hiệu năng hệ thống Một số nghiên cứu chƣa đƣara đƣợc công thức dạng tường minh cho xác suất dừng hệ thống nên việc đánhgiá hiệu năng hệ thống chƣa đạt đƣợc kết quả mongmuốn Luận án sẽ đƣa ranghiên cứu với kênh truyền ƣớc lƣợng không hoàn hảo, kỹ thuật MIMO, full- duplexvàxácđịnhcôngthứcdạngtườngminhcủaxácsuấtdừnghệthống.

 Đối với hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật thu thập nănglƣợng chƣa có nhiều nghiên cứu trên kênh truyền Nakagami-m, một số nghiêncứu dừng lại ở kênh truyền fading Rayleigh, đây là kênh truyền thiếu tính tổngquáttrongthôngtinvôtuyến.CácnghiêncứuởkênhtruyềnNakagami- msẽcóý nghĩa khoa học nhiều hơn Một số nghiên cứu đã đánh giá chất lƣợng của hệthốngvôtuyếnnhƣngmộtsốcôngtrìnhnghiêncứuchƣađƣarađƣợccôngthứcdạng đóng của xác suất dừng hệ thống hay dung lƣợng hệ thống, chỉ biểu diễn ởdạng chuỗi vô hạn Luận án sẽ nghiên cứu hệ thống vô tuyến hai chiều sử dụngkỹ thuật thu thập năng lƣợng vô tuyến với kênh truyền Nakagami-mvà đề xuấtphươngphápgiảitích mớiđểxácđịnhcôngthứctínhxácsuấtdừnghệthống.

 Với hệ thống vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng đã cómột số nghiên cứu nhƣng vấn đề thu thập năng lƣợng linh động từ một nguồnngoài ổn định và nguồn phát công suất lớn của mạng sơ cấp chƣa đƣợcnghiêncứu để làm nâng cao hơn nữa hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức sử dụng kỹthuật thu thập năng lƣợng vô tuyến Nếu chỉ nghiên cứu áp dụng kỹ thuật thuthập năng lƣợng từ mạng sơ cấp thì sẽ làm cho chất lƣợng hệ thống thấp vì phảiđảmbả o m ứ c n g ƣ ỡ n g c ô n g s u ấ t k h ô n g g â y n h i ễ u c h o h ệ t h ố n g t h ứ c ấ p T u y nhiên việc đề xuất phương thức sử dụng linh hoạt hai nguồn năng lượng và cáckênh truyền gây nhiễu cho mạng vô tuyến nhận thức từ mạng sơ cấp sẽ dẫn tớixác định công thức cho xác suất dừng hệ thống trở lên phức tạp hơn rất nhiều.Luận án sẽ nghiên cứu mạng vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật thu thập nănglƣợng linh hoạt từ nguồn ngoài và nguồn máy phát của mạng sơ cấp,đồng thờixây dựng mô hình toán học của hệ thống, đề xuất phương pháp giải tích mới đểxác định công thức dạng tường minh của xác suất dừng hệ thống và kiểm chứngbằng môphỏngMonte-Carlo.

PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾNCHUYỂN TIẾP MỘT CHIỀU SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNGLƢỢNG

Giớithiệu

Tại chương 2, Luận án thực hiện nghiên cứu đánh giá hệ thống vô tuyếnchuyển tiếp một chiều sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng Chương 2 khảo sátđánh giávới ba loại hìnhkhácnhautrong hệthốngchuyển tiếpmộtchiều, bao gồm: (i) Hệ thống chuyển tiếp một chiều với kênh truyền ƣớc lƣợng không hoàn hảo, sửdụng nhiều nút chuyển tiếp (R); (ii) Hệ thống chuyển tiếp một chiều có nút phát vànút thu sử dụng đa ăng ten; (iii) Hệ thống một chiều sử dụng truyền song công, cónguồn cung cấp năng lƣợng ổn định bên ngoài Với ba điều kiện khác nhau của hệthống chuyển tiếp một chiều, nội dung chương 2 trình bày cụ thể mô hình toán họchệ thống, các bước phân tích giải tích cụ thể để đưa ra biểu thức dạng đóng của xácsuấtdừnghệthống. Đónggóp củachương2được trìnhbàytạicôngtrìnhcôngbốsố1,2và3.

Trong mô hình (i), luận văn nghiên cứu cả hai phương pháp thu thập nănglƣợng vô tuyến phân chia theo thời gian (TS-Time Switching) và phân chia theocông suất (PS-Power Splitting) Để nâng cao hiệu năng của hệ thống, kỹ thuật chọnlựanútchuyểntiếpđơnphần(PartialRelaySelection)vàkỹthuậttruyềngi atăngđã đƣợc đề xuất Luận án cũng khảo sát bài toán thực tế trong đó việc ƣớc lƣợngkênh là không hoàn hảo. Phần này cũng đã đƣa ra các phân tích toán học mới chophépđánhg iá xácsu ất dừ ng củ ahệ t h ố n g trênkên ht ru yề nf ad in gRa yl ei gh Kết quả mô phỏng Monte-Carlo xác nhận tính chính xác của phương pháp phân tích đềxuất và mô hình đề xuất có ưu điểm so với phương pháp truyền trực tiếp ở vùng tỷlệ tín hiệu trên nhiễu trung bình và cao Đồng thời, các phân tích đánh giá cũng chỉra rằng hiệu năng của hệ thống TS và PS là nhƣ nhau nếu hệ số phân chia thời gianvàphânchianănglượnglàtốiưu.

Với mô hình hệ thống thứ hai (ii), chương 2 đề xuất mô hình chuyển tiếp02chặngMIMOthuthậpnănglƣợngvôtuyếnkhinútnguồnvànútđíchtrangbịnhiềuăng ten, và nút chuyển tiếp chỉ có 01 ăng ten Để cung cấp năng lƣợng hiệu quả chonútchuyểntiếpvànângcaochấtlượngkênhtruyềntạichặngthứnhất,chương2đềxuấtkỹth uậtchọnlựaăngtenpháttốtnhấttạinguồn.Mặtkhác,kỹthuậtkếthợp

MRCđượcsửdụngđểnângcaohiệuquảgiải mãtạinútđích.Hơnthếnữa,chương2 cũng đã đưa ra các phân tích và đánh giá mới cho phép xấp xỉ tốt hơn xác suấtdừng hệ thống so với phương pháp phân tích xấp xỉ truyền thống, vốn chỉ phù hợpcho mạng với nút mạng đơn ăng ten Các kết quả phân tích đề xuất đƣợc kiểmchứng với kết quả mô phỏng Đồng thời đặc tính của mạng nghiên cứu cũng đƣợcnghiêncứuvàkiểmchứng.

Khác với hai mô hình trên, mô hình (iii) nghiên cứu kỹ thuật truyền songcông (full-duplex) nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn của hệ thống chuyển tiếp mộtchiều Hơn nữa, mô hình (iii) cũng đề xuất một mô hình thu thập năng lƣợng hiệuquả, trong đó nguồn ngoài PB cung cấp năng lƣợng cho nút nguồn và nút chuyểntiếp Công thức toán học của xác suất dừng hệ thống được xác định dưới dạngtườngminh khixemxétvớikênh truyềnfadingNakagami-m.

Phân tích hiệu năng hệ thống vô tuyến chuyển tiếp một chiều với kênh truyềnướclượngkhônghoànhảo

Hệ thống vô tuyến chuyển tiếp không những mở rộng vùng phủ sóng củamạng vô tuyến, mà còn có khả năng trong việc chống lại các ảnh hưởng xấu của cáckênh fading mà không cần sử dụng nhiều tài nguyên tần số thêm Kỹ thuật phân tậpgồm kỹ phân tập phát và phân tập thu [40-45] (đa ăng ten ở nút nguồn và đa ăng tenở nút đích) áp dụng cho mạng chuyển tiếp với mục đích cải thiện vùng phủ sóngvà/hoặcnângcaohơnnữa hiệunăngcủamạng.

Khi áp dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng tại nút chuyển tiếp dẫn tới hiệusuất thu thập và năng lượng thu thập qua kênh truyền fading thường không cao, dẫnđến vùng phủ sóng rất hạn chế[58] Để giải quyết bài toán này, kỹ thuật chuyển tiếpvà truyền thông hợp tác thường được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng của cácmạng vô tuyến sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng, ví dụ nhƣ[61] Tuy nhiên,nhƣợc điểm cố hữu của kỹ thuật chuyển tiếp và truyền thông hợp tác là hiệu suấtphổ tần không cao, cần ít nhất hai khe thời gian cho một đơn vị dữ liệu, ngay cả khikênh truyền trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích là đủ tốt để giải điều chế đúng dữliệu Một trong giải pháp cải thiện hiệu suất phổ tần cho kỹ thuật chuyển tiếp vàtruyềnthônghợp táclàkỹthuậttruyềngiatăng,nhiềunútchuyểntiếp[65].

Tại phần này sẽ xem xét hệ thống vô tuyến chuyển tiếp một chiều có nhiềunút chuyển tiếp với kênh truyền không lý tưởng, sử dụng kỹ thuật thu thập nănglƣợng tại các nút chuyển tiếp Việc sử dụng nhiều nút chuyển tiếp để tăng độ lợiphân tập trong hệ thống vô tuyến Tuy nhiên, phương pháp này cho hiệu suất phổtầnthấpvàtỷlệnghịchvớisốnútchuyểntiếp. Đã có những nghiên cứu về mạng vô tuyến chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thuthập năng lƣợng ở nút chuyển tiếp [67-68] Tại [67], Nút nguồn và nút đích sử dụngnăng lượng sẵn có từ pin hay từ điện lưới, trong khi nút chuyển tiếp sử dụng nănglượng thu thập Tuy nhiên, kết quả phân tích của xác suất dừng hệ thống trong[67]không đƣợc biểu diễn ở dạng đóng và kết quả trong[68]đƣợc biểu diễn ở dạngchuỗivôhạnvàcảhaiđềugiảsử kênhtruyềnlàhoànhảo.

Phần này đưa ra phương pháp phân tích mới để phân tích hiệu năng của hệthống truyền gia tăng với kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần trong điềukiện kênh truyền không lý tưởng Cả hai giao thức thu thập năng lượng phân chianăng lƣợng theo thời gian và theo công suất đều đƣợc xem xét Công thức toán họccủa xác suất dừng hệ thống được xác định ở dạng tường minh và được kiểm chứngbằng mô phỏng Monte-Carlo Kết quả phân tích đã chỉ ra ƣu điểm của hệ thốngnghiêncứuởvùngtỷlệtínhiệutrênnhiễu trungbìnhđếncao.

Nnútchuyểntiếpthuthậpnănglƣợng,lầnlƣợt kýhiệulà R 1 ,,R N K h á c v ớ i m ạ n g c h u y ể n t i ế p g i a t ă n g t r u y ề n t h ố n g , c á c n ú t chuyểntiếpởđâythuthậpnănglƣợngtừnútnguồnvàsửdụngnănglƣợngnàyđểhỗtrợđƣ ờngtruyền trực tiếp. m m

Hình2.1.Môhình hệthốngchuyểntiếptruyền giatăng làhệsốkênhtruyềntừnútnguồnđếnnútchuyểntiếp R m C á c n út chuyểnt i ế p t h ƣ ờ n g s ử d ụ n g k ỹ t h u ậ t đ i ề u c h ế h ỗ t r ợ k ỹ t h u ậ t c h u ỗ i h u ấ n l u y ệ n

R thôngquamôhìnhsau: h SR h SR  1 2 h, (2.1) vớilà hệ số tương quan kênh truyền đồng thời thể hiện chất lượng của quá trìnhước lượng kênh truyền Trong thực tế,phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễutrung bình và chiều dài của chuỗi ƣớc lƣợng Trong (2.1),hlà sai lệch trong quátrìnhướclượngđượcmôhìnhhóalàbiếnngẫunhiênGaussphứcvớiphươngsailà

Khicónhiềunútchuyểntiếp,hệthốngsẽsửdụngkỹthuậtchọnnútchuyển tiếp từng phần để chọn nút chuyển tiếp có tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu tốt nhất bằng kỹthuật định thời đƣợc đề xuất bởi Bletsas trong [69] Sau khi nhận tín hiệu từ nútnguồn, thời gian định thời của mỗi nút chuyển tiếp sẽ tỷ lệ nghịch với độ lợi kênhtruyền từ nút nguồn đến chính nó Nút chuyển tiếp có thời gian định thời ngắn nhấtsẽ phát trước tiên và cũng là nút chuyển tiếp của hệ thống trong pha chuyển tiếptrongkhicácnútkhácsẽ giữimlặng.Tuynhiên,doảnhhưởngcủakênhtru yền khônghoànhảo,nênnútchuyểntiếpđƣợcchọn,kýhiệulà m m m m m

P Sl à côngsuấtpháttrungbìnhcủanútnguồnvà N 0 làphương saicủanhiễutrắngtạimáythu.Cầnchúýrằng: argmax m1,,M g SR argmax m1,,M g SR , (2.4) vớig SR  m m

Với kỹ thuật truyền gia tăng, quá trình truyền dữ liệu từ nút nguồn đến nútđích diễn ra trong hai pha: pha truyền quảng bá và pha truyền gia tăng Trong phaquảng bá, nút nguồn sẽ truyền quảng bá dữ liệu, dữ liệu này sẽ đƣợc nhận tại nútđích và nút chuyển tiếp Tại cuối pha này, nút đích sẽ kiểm tra tỷ số tín hiệu trênnhiễu nhận được, nếu tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn giá trị cho trước, nút đích sẽthực hiện giải điều chế mà không cần pha truyền gia tăng và sau đó tiếp tục vớikhung dữ liệu kế tiếp Ngƣợc lại, nút đích sẽ gửi tín hiệu hồi tiếp yêu cầu phachuyển tiếp từ các nút chuyển tiếp Trong pha truyền gia tăng, nút đích sẽ sử dụngtín hiệu hồi tiếp yêu cầu nút chuyển tiếp đƣợc lựa chọn chuyển tiếp tín hiệu mà nónhậnđƣợc từnútnguồn.

Tại nút chuyển tiếp, xem xét hai phương thức thu thập năng lượng theo haigiaothứcđólàphânchiatheothờigianvàphânchiatheonănglượngnhưdướiđây. a Với hệ thống sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng giao thức phân chiatheothờigian:

Khảo sát hệ thống sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng với giao thức phânchia năng lƣợng theo thời gian (sau đây gọi là hệ thống TS), ta đặtTlà khoảng thờigian truyền của một symbol vàlà hệ số phân chia thời gian để thu thập nănglƣợng.Quátrìnhtruyềnthôngtintừnútnguồnđếnnútđíchsẽdiễnratronghaipha: phaq u ả n g b á v à p h a t r u y ề n g i a t ă n g v ớ i t ỷ l ệ t h ờ i g i a n l ầ n l ƣ ợ t l à 1  .T v à

Trongphatruyềngiatăng,nútchuyểntiếpsẽthựchiệnthuthậpnănglƣợngtrongk hoảngthờigianTvàsauđóthựchiệnc h u y ể n tiếptínhiệutrong khoảng thờigian1  T.Nănglƣợngmànútchuyểntiếpthuthậpđƣợcnhƣsau:

Giảsửnútchuyểntiếpsửdụngkỹthuậtgiảimãvàđiềuchế,tỷsốtínhiệutrên nhiễutươngđươngcủahệthốngnhưsau: g S  min( g SR , g RD ) , (2.7) với g S

Khác với giaothức phân chiatheothờigian,hệ thốngsửdụngg i a o t h ứ c phân chia theo mức công suất (sau đây gọi là hệ thống PS) sẽ cho phép chia nănglƣợngtínhiệuthuđƣợcthànhhaithànhphần:phầnđểgiảiđiềuchếtínhiệuvàphần thuthậpđểchuyểntiếptínhiệu.Khiđó,mộtnửathờigianđầu T, nútng uồ n sẽ

Quansát(2.9)và(2.14),tathấygRD cócùngdạngnhƣsau: với g RD  c 2 g SR b

2xy g SRb |g SRb ình2 , TS c 2 

Rayleighcódạngnhƣsau: g SR và g SR với gSR m c 1

SRm SR m (1 )g SR (1) g SR  với I( x)1

0  0 zeroth-order modified Besselfunctionofthefirstkind)[70]. Ởđây,giảsửrằngcácnútchuyểntiếpdoquátrìnhgomnhóm(cluster)nên cókhoảngcáchđốivớinútnguồnlànhƣnhau,cụthểlàg SR m c 1 P S  SR m

SR bS R b SR b (2.20) với f (x|y)l à hàmPDFđiềukiệncủag trêng ,đƣợcviếtlạinhƣsau:

SR m(y) Thaythế(2.21)vào(2.20),viếtlạihàmPDFcủagSRn h ƣsau:

SRm (y) Khiđó,hàmPDFcủa g SR c ó dạngnhƣsau: f (g)MF

Thaythế(2.19),(2.25),và(2.26)vào(2.22)vàthựchiệntích phântheo gx á cđịnhđƣợchàmPDFcủag nhƣsau: b

(2.27) Giảsửnútchuyểntiếpsửdụngkỹthuậtgiảimãvàchuyển tiếp,tỷlệtínhiệutrênnhiễucủakênhtruyền chuyển tiếplànhƣsau: g min(g SR , g RD ) (2.28)

Trongtrườnghợpnày,dochỉcóthờigian1  T sử dụngđểtruyềndữ liệu, 2 áp dụng định lý tổng xác xuất, vớisuấtdừngcủahệthốngnhƣsau: làtốcđộdữliệumong muốn,có thểviếtxác g g

Pr 2 log 2 (1gSD) t Pr 2 log 2 (1g)  t 

KhiF 2  g  h RbD cócùngdạngvới Fg  g  ,thaythế(2.27)vào(2.32),tacó:

 exp  2 dx (2.33) g   RDx gSR1(m1)(1)  Khiởvùngtỷlệtínhiệutrênnhiễucao,nêncóthểxấpxỉ F g  g nhƣsau: g

Cuối cùng, thay (2.31) và (2.34) lần lƣợt vào (2.29) và (2.30) xác định đượcdạngđóngcủacôngthứctínhxácsuấtdừnghệthốngchohaitrườnghợpTSvàPS.

Trong phần này, NCS sẽ thực hiện mô phỏng hệ thống TS và PS trên phầnmềm Matlab nhằm kiểm chứng phương pháp phân tích đề xuất và chứng minh ưuđiểm của mô hình đề xuất trong trường hợp kênh truyền không hoàn hảo. KênhtruyềnxemxétlàkênhtruyềnfadingRayleighvớiđộlợitrungbìnhcủacác kênh truyềnl ầ n l ƣ ợ t l à : SD 1, SR 2, v à RD 3.C á c t h a m s ố c ủ a h ệ t h ố n g đ ƣ ợ c chọnnhƣsau: 1bit/s/Hz, 0.6,0.3, 0.5, và 0.7.

Hình2.2 Xác suấtdừnghệthống theotỷsố tínhiệu trên nhiễu

Trong hình 2.2 biểu diễn xác suất dừng của hệ thống TS và PSkhi số lƣợng nútchuyển tiếp thay đổi từ 01 đến 03 Có thể thấy rằng, hiệu năng của hệ thống đượccải thiện khi số lượng nút chuyển tiếp tăng lên trong cả hai trường hợp Tuy nhiên,mức độ cải thiện sẽ giảm khi số lƣợng nút càng tăng Để tham chiếu, NCS vẽ xácsuất dừng của hệ thống truyền trực tiếp (DT) Giả thiết rằng nút nguồn trong cả haitrường hợp đều sử dụng cùngmộtmức công suất phát và tốc đột r u y ề n d ữ l i ệ u mong muốn Hình 2.2 chỉ ra rằng mô hình truyền gia tăng đề xuất chỉ hiệu quả ởvùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trung bình đến cao, nghĩa là không hiệu quả ở vùngnhiễu thấp Cụ thể, mô hình TS và PS sẽ tốt hơn mô hình truyền trực tiếp lần lƣợt ởxấp xỉ 12 dB và 14 dB Kết quả này đƣợc lý giải là do mô hình truyền gia tăng sửdụng nhiều hơn một pha truyền khi mà kênh truyền trực tiếp không đảm bảo tốc độtruyền mongmuốn.

Hình 2.3 Ảnh hưởng của  lên xác suất dừng hệ thống TS và  lên xác suất dừng hệthống PS

Hình 2.3 biểu diễn xác suất dừng hệ thống OP theo giá trị củacho hệ thống TS vàgiátrịcủahệthốngPS.Hệsốphầnchiat h ờ i g i a nv àh ệ s ố p h â n c h i a n ă n g lƣợn gl àhệsốquantrọngvàảnhhưởngnhiềutớihiệunănghệthống.Xemxét vớihaitrườnghợptỷsốtínhiệutrênnhiễutrungbình(SNR)lầnlượtlà10dBvà

20 dB Hình 2.3 chỉ ra rằng giá trị tối ƣu củavàđối với hệ thống TS và PS vàkhông phụ thuộc vào SNR Cụ thể, trong cùng một điều kiện kênh truyền, giá trị tốiưu củaxấp xỉ là 0.21 và giá trị tối ưu củaxấp xỉ là 0.59 và đặc biệt là khôngphụthuộcvàotỷsốtínhiệutrênnhiễuSNR.

0,21và0,59.Sosánhxács u ấ t d ừ n g hệthốngTSvà PStrong cù ng đ i ề u kiệnkênhtruyềnnhận thấyrằngxác suấtdừngcủahệthốngtrongcảhaitrườnghợpvớicùngsốlượngnútchuyểntiếplàhoàntoàntư ơngđương.

Phân tích hiệunăng hệ thốngvô tuyến chuyển tiếpmột chiềusửdụng kỹthuậtđaanten

Trong phần này sẽ phân tích kỹ thuật lựa chọn anten phía máy phát (TAS-Transmit Antenna Selection) và kỹ thuật kết hợp tối ƣu tại phía nút đích (MRC-Maximal Raito Combining) để nâng cao hiệu năng của mạng chuyển tiếp hai chặngthuthậpnănglƣợng.Đểđánhgiáhiệunănghệthống,NCSphântíchxácsuấtdừng

R D S ở kênh truyền fading Rayleigh Các kết quả phân tích sẽ đƣợc kiểm chứng bởi môphỏngMonte-Carlo trênphầnmềmMatlab. Để phân tích hiệu năng của mạng, các nghiên cứu trước đây đều sử dụng kỹthuật xấp xỉ hợp lý ở vùng tỷ lệ trên nhiễu cao dựa trên hàm BesselK đề xuất bởiNasir và các cộng sự trong[72] Nhƣợc điểm của kỹ thuật này là độ sai lệch sẽ tăngnhanh ở vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp, đặc biệt là các chặng không đối xứng.Với mô hình đề xuất, nghiên cứu sinh đề xuất một kỹ thuật phân tích mới dựa vàophân tích chuỗi của hàm mũ và các kết quả phân tích cho kết quả chính xác hơnphương pháp truyền thống của Nasir và có thể áp dụng cho hệ thống sử dụng nhiềuanten.

Xem xét mô hình hệ thống nhƣ hình 2.5 bao gồm một nút nguồn (S), một nútchuyểntiếp(R)vàmộtnútđích(D).Giảsửrằngnútnguồnvànútđíchlầnlƣợtcó

N S và N Danten trong khi nútchuyểntiếp chỉcómộtanten.

GiảsửrằngnộtnútnguồnSvàmộtnútđích Dđƣợccungcấpnănglƣợngổn định,nútRbịgiớihạnvềnguồncungcấpnănglƣợngvàphảithuthậpnănglƣợngvôtuyếnt ừ Sđểthuphátthôngtin.

Hình2.5 Môhình lựachọn nútchuyển tiếptừng phần

GiảsửkhôngtồntạikênhtruyềntrựctiếptừnútnguồnStớinútđíchD,dovùngph ủsóngcủanútnguồngiớihạnhoặc docóvậtcảngiữanútnguồnvà nút đích.Gọi h 1, i vớii1,,N S và h 2,j với j1,,N D lầnlƣợtl àhệ số k ê n h t r u y ề n củakênhtruyềntừantenthứicủanútnguồnStớiRvàkênhtruyềntừnútchuyểntiếpRđ ếnantenthứjcủa nút đíchD. h

XemxétởkênhtruyềnfadingRayleigh,độlợikênhtruyềnh 1,i và h 2,j có phânbốhàmmũvớithamsố 1v à  2

Giả sử rằng hệ thống sử dụng kỹ thuật bán song công và nút chuyển tiếp sửdụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF (Decode-Forward) để chuyển tiếp dữ liệuđến nút đích, sử dụng giao thức phân chia năng lƣợng theo thời gian ĐặtTlà chukỳ phát của một symbol, quá trình truyền bán song công diễn ra theo ba pha thờigiannhƣ sau:

Pha1:làphathuthậpnănglƣợngcủanútchuyểntiếp,diễnratrongkhoảngthời gianTv ớ il àhệsốphânchiathờigianthuthậpnănglƣợng,01.Khiđó, nănglƣợngmànútchuyểntiếpthuthậpđƣợclà:

1 và P S làcôngsuấtphát tạinútnguồnS.Kýhiệu i * l àchỉsốcủaantencótỷsốtínhiệutrênnhiễulớnnhất củachặng1,vớii * argmax

(1)T 2.V ớ i k ỹ t h u ậ t l ự a c h ọ n a n t e n p h á t t ạ i n ú t n g u ồ n , n ê n t ạ i a n t e n c ó t ỷ s ố công suất tín hiệu trên nhiễu lớn nhất của chặng 1, sẽ đƣợc chọn để truyền dữ liệuvềnútchuyểntiếpvớigiảsửrằngkênhtruyềnlàkhôngđổitrongpha1vàpha

Pha3:làphach uy ển tiế p dữliệucủa nú tchuyểntiếpđế nnútđíchdiễnratrong khoảngt h ờ i g i a n(1)T 2 vớicôngsuấtn h ƣ sau:

Pha1 Thu thập năng lƣợng

Khi nútchuyển tiếpsử dụng kỹ thuậtgiảimãvà chuyểntiếp,hiệu năngc ủ a h ệ thống sẽ bị quyết định bởi chặng yếu hơn Biểu diễn theo biểu thức toán học, tỷ sốtínhiệutrênnhiễutươngđươngcủahệthống nhưsau: gSmin(g1,g2)

2 là doquátrìnhthu thậpnănglƣợngvà truyềnđơn công.Từ(2.41), cóthểxácđịnhxácsuấtdừngcủahệthốngnhƣsau:

  vớig th 2 1   1, làtốcđộdữliệumongmuốn. Đểdễdàngphântích,đặtthamsốnhƣsau:

1 Để có thể tínhtoánxácsuất dừngOP, cần biếtđƣợchàmCDF vàPDF của  1 v à  2

Hình2.7.Miềntíchphâncủa côngthức2.45 Đặta g th

(2.53) Tíchphân trong(2.53)chƣatồntạiởdạngđóng.Đểgiảiquyếtvấnđềnày,quan sáttạivùngtỷlệtínhiệutrênnhiễulớnthì cáchthayđổicậnt ừavề0nhƣsau: g t h

Kỹ thuật xấp xỉ cho OP đạt đƣợc ở (2.55) dựa trên giả sử rằng hệ thống hoạtđộng ở vùng tỷ lệ tínhiệu trên nhiễu cao vàchặng đầu tiênyếuh ơ n c h ặ n g t h ứ 2 Tuy nhiên, khi hệ thống thu thập hoạt động ở vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp cóthểgâyranhữngsailệch cho OP. Để xác định OP chính xác hơn, NCS sẽ đề xuất một kỹ thuật xấp xỉ mới, chophép đánh giá chính xác hơn xác suất dừng của hệ thống ở vùng tín hiệu trung bìnhvàthấp.Cụthểnhƣsau:

Từtíchphân  e  dx a x ở(2.54)vàsử dụngchuỗichohàmmũ,côngthức [21Eq.(1.211.1)]ở[80],cụthểnhƣsau:

Trongthựctế,không thểtiếnhànhkhảosátvớigiátrị k t i ế n tớivôhạn Khimà chuỗiv ô h ạ n c ủ ae x màs ử d ụ n g l à c h u ỗ i h ộ i t ụ , c ó t h ể s ử d ụ n g m ộ t s ố t h à n h p h ầ n đầutiêncủachuỗiđểxấpxỉvàđạtkếtquảmongđợi.Gọitiêncủ achuỗi(2.60),cóthểxấpxỉ OPnhƣsau:

Mục đích của phần này bao gồm: i) Kiểm chứng tính đúng đắn của các phântích lý thuyết ở trên, ii) Khảo sát ƣu và nhƣợc điểm của giao thức đề xuất, iii) Khảosátảnhhưởngcủacácthamsốhệthốngvàkênhtruyềnlênhiệunăng hệthống.

Trong hình 2.8 biểu diễn xác suất dừng hệ thống theo SNR, khảos á t đ á n h giákỹthuậtxấpxỉđềrabằngcáchthayđổisốlƣợngthànhphầntrongchuỗit ừ1 đến 10 và đồng thời so sánh với kết quả mô phỏng (là kết quả chính xác) và với kếtquả của kỹ thuật xấp xỉ truyền thống Nhƣ chỉ ra trên hình 2.8, chỉ cần số lƣợngthànhphầnN t là03trởlênlàchokếtquảtốthơnkỹthuậttruyềnthốngtrongvùngt ỷ lệ tín hiệu trên nhiễu từ 0 đến 40 dB Các kết quả này đƣợc xác nhận một lần nữatrong hình 2.9, so sánh tỷ số của xác suất dừng xấp xỉ theo kỹ thuật truyền thống vớixác suất dừng mô phỏng và tỷ số của xác suất dừng xấp xỉ theo kỹ thuật đề xuất vớixác suất dừng mô phỏng Một lần nữa khẳng định kỹ thuật xấp xỉ đề xuất chính xáchơnkỹthuậtxấpxỉtruyềnthốngkhiN t từ 03trởlên.

Hình2.8.So sánhkỹthuậtxấpxỉ đềxuất vàkỹthuật xấpxỉtruyềnthống

Hình 2.10 Xác suất dừng theo hệ số thời gian thu thập năng lượng với các trường hợptỷsố tín hiệutrên nhiễukhácnhau

Trong hình 2.10 khảo sát ảnh hưởng của hệ số phân chia thời giantới xác suấtdừnghệthốngOPkhithayđổitỷsốcôngsuấttínhiệutrênnhiễuSNR.Khảos átOP khi thay đổi SNR qua các giá trị 5, 10, 15, 20, 25 dB Xác suất dừng hệ thốngcàng nhỏ, hiệu năng hệ thống càng cao khi SNR tăng Để xác suất dừng hệ thốngnhỏ nhất ta xác định đƣợc giá trịtối ƣu Có thể thấy rằng, khi tỷ lệ tín hiệu trênnhiễu của hệ thống tăng thì giá trịtối ưu cũng thay đổi và có xu hướng tăng. ĐiềunàycóthểlýgiảikhiSNRcaothìthờigiandànhchothuthậpnănglƣợngnhiềuhơnvàhiệun ănghệthốngtănglên.

Hình 2.11 Xác suất dừng hệ thống theo hệ số thời gian thu thập năng lượng với cấuhìnhnútnguồn và nút đích khácnhau

Mục đích của hình 2.11 là khảo sát ảnh hưởng của cấu hình nút nguồn và cấu hìnhnút đích (số lƣợng anten) lên giá trị tối ƣu củakhi thay đổi số lƣợng anten của SvàDvớiSNRlựachọnlầnlƣợtlà10dBvà30dB.Khảosátbacấuhìnhtiêubiểu,cụ thể N S  1,N D 1; N S 2,N D  3 ;v à N S 3,N D 2 H i ệ u n ă n g c ủ a h ệ t h ố n g tăng khi số lƣợng anten S và anten D tăng lên Có thể kết luận rằng giá trịlà mộthàm phức tạp của số lƣợng anten nút phát và thu cũng nhƣ tỷ số tín hiệu trên nhiễucủahệthống.

Hình 2.12 Xác suất dừng hệ thống theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu với các cấu hình khácnhaucủanút nguồn vànút đích

Trong hình 2.12, khảo sát độ lợi phân tập của hệ thống bằng cách xem xét 03 cấuhìnht i ê u b i ể u v à đ ồ n g t h ờ i v ẽ c á c đ ƣ ờ n g t h a m c h i ế u1 SNR1,1 SNR2,1 SNR3đểso sánh Độ lợi phân tập của các hệ thống là min(N S , N D )khi mà độ dốc của cácđườngxácsuấtdừnglàbằngđộdốccủacácđườngthamchiếu,cụthểđộlợiphân tậpcủacáchệthống N S 1,N D 1;N S 2,N D 2;N S 3,N D 3l ầ n lƣợtlà1,2 và 3 Đến đây có thể kết luận rằng độ lợi phân tập của hệ thống thu thập năng lượnglàtươngđươngvớiđộlợiphântậpcủahệthốngchuyểntiếptươngtựtruyềnthống.

Hệthốngvôtuyến chuyểntiếp mộtchiều songcông

Cho đến nay đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào phân tích hiệu năng củacác mạng chuyển tiếp song công (FD: Full-duplex) ví dụ nhƣ [101-103] Các nhànghiên cứu đã xác định đƣợc biểu thức toán học cho xác suất dừng hệ thống(OP)cũng như chứng minh rằng dưới tác động nhiễu nội dôi dư (RSI), hiệu năng hệthống đạt đến mức bão hòa trên miền tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao Các nghiên cứucũng chỉ ra rằng sử dụng phương pháp tối ưu năng lượng cho chế độ FD có thể cảithiện hiệu năng hệ thống nhƣ [104] Ngoài ra, bằng cách sử dụng kỹ thuật loại bỏnhiễunội(SIC)chocácthiếtbịFD,hệthốngchuyểntiếpFDcóthểcóhiệunăng

S h SR R h RD D cao hơn so với hệ thống chuyển tiếp truyền thống [105] Gần đây, có một số nghiêncứukếthợpưuđiểmcủakỹthuậttruyềnchuyểntiếpsongcôngsửdụngkỹt huậtthu thập năng lƣợng vô tuyến, ví dụ nhƣ [106-107], với giả thiết rằng các nút mạngvừa thu nhận thông tin vừa thu thập năng lƣợng Tuy nhiên, còn rất ít nghiên cứumô hình mạng chuyển tiếp song công thu thập năng lƣợng từ nguồn ngoài ổn địnhdoviệcxácđịnhcôngthức toánhọcđánhgiáhiệunăngmạngvôtuyếnphứ ctạphơn và cần có những đề xuất phương pháp giải tích mới để giải quyết bài toán đánhgiá hiệu năng mạng vô tuyến chuyển tiếp song công sử dụng kỹ thuật thu thập nănglƣợngvôtuyến.

Trong phần này, NCS đề xuất và phân tích hệ thống vô tuyến với một nútchuyển tiếp sử dụng truyền thông song công, trong đó nút nguồn (S) và nút chuyểntiếp (R) nhận năng lƣợng vô tuyến từ một nguồn ngoài PB (Power Beacon). NCSxác định, phân tích công thức dạng tường minh của xác suất dừng hệ thống ở kênhtruyền tổng quát Nakagami-mvà đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các tham số hệthống và kênh truyền lên hiệu năng của hệ thống Các kết quả phân tích đƣợc kiểmchứng bằng mô phỏng Monte-Carlo cho thấy các bước phân tích hoàn toàn chínhxác.

Mô hình hệ thống có 04 nút gồm một nút nguồn S, nút chuyển tiếp R,nútđích (D) và một nút phát năng lƣợng vô tuyến PB Nút đích D nhận thông tin từ nútnguồn S thông qua nút chuyển tiếp R Giả thiết không tồn tại đường truyền trực tiếptừStớiDdokhoảngcáchquáxa.Trongmôhìnhnày,SvàDcómộtanten,trong h h h h

 P B 1  khi đó, R có 02 anten (một anten nhận tín hiệu, một anten phát tín hiệu) Nút R hoạtđộng ở chế độ song công, có thể thu và phát thông tin cùng lúc trên cùng một tần số.Trong khi đó, S và D hoạt động ở chế độ đơn công (Half-Duplex) Trong mô hìnhnày, giả thiết S và R có nguồn cung cấp năng lượng hạn chế và trước tiên cần thuthập năng lượng từ nguồn PB Sau đó, S và R sử dụng năng lƣợng thu thập này đểphát và nhận thông tin Giả thiết rằng, năng lƣợng thu đƣợc sẽ đƣợc dùng hết chonhận và phát thông tin của S và R Nguồn ngoài PB truyền năng lƣợng vô tuyến choS và R Giả thiết vị trí của PB là phù hợp cho việc truyền năng lƣợng Phân tích môhìnhhệthốngvớikênhtruyềnNakagami-m.

K h i s ử d ụ n g c ô n g n g h ệ thu thập năng lƣợng với kỹ thuật chuyển tiếp, hệ thống chia chu kỳ truyền thôngTthànhh a i p h ầ n t h ờ i g i a n t h e o t ỷ s ố p h â n c h i a t h ờ i g i a nvới01, c ụ t h ể l à phầnthờigianđầu.Tdànhchohoạtđộngthuthậpnănglƣợngvàphầnthờig ian cònlại(1).T dànhchohoạtđộngtruyềnvànhậnthôngtin.Gọiαkhithaylàtỷsốphân chiathờigian,tacóthờigianlầnlƣợtchophathờigianđầulàαT.Xemxéttrongphầnt hờigianđầuαT,cácnútthuthậpnănglƣợngvôtuyếntừPBđểphụcvụhoạt độngtruyềnnhận.Gọi S v à R lầ nlƣợtlànănglƣợngthuthậptạiSvàR,tacó:

(2.62) (2.63) với P Bl à công suấtphátcủaPB;l à h i ệ usuấtthuthậpnănglƣợngvô tuyếnvàcó giát r ị01.h với   S,R và  R,D làh ệ s ố c ủ a c á c k ê n h t r u y ề n v ô tuyếntừ Từ (2.62)và(2.63),chúngtacóthểxácđịnhcôngsuấtphátcủaS vàRtừnănglƣợngthuthậplànhƣsau:

Xem xét trong phần thời gian sau(1)T, S phát thông tin tới R và đồng thời Rchuyển tiếp thông tin tới D dùng kỹ thuật DF khi mà R hoạt động theo chế độ songcông.Tínhiệunhậntại RvàDlần lƣợtnhƣsau:

(2.66) (2.67) với x S và x Rlần lƣợtlàtínhiệusauđiềuchếtạiSvàR.Khihệthốngsửdụngkỹ thuậtDF, x Rl à tínhiệumànútRđiềuchếlạisaukhigiảiđiềuchếtínhiệunhậntại nútnguồn.Trong(2.66

R làhệsốkênhtruyềntựcannhiễutừ anten phátđến antent h u c ủ a R g â y r a d o c h ế đ ộ t r u y ề n s o n g c ô n g n làn h i ễ u t r ắ n g ( A d d i t i v e WhiteGaussianNoise)tạimáythu cótrungbìnhbằngkhôn gvàphươngsaibằng

N0.Từ(2.66),chúngtacóthểxácđịnhđƣợccôngsuấtcủatínhiệutựcannhiễu (Self-Interference)tạiRnhƣsau: với làtoántử kỳvọng thốngkê.

Chúng ta giả sử rằng nút R đƣợc trang bị kỹ thuật loại bỏ tín hiệu tự can nhiễu(Self- Interference Cancellation - SIC) Tuy nhiên, trong thực tế tín hiệu tự can nhiễutại sẽ không bị loại bỏ hoàn toàn do tính không hoàn hảo của phần cứng mà sẽ còntồntạimộtphần,gọilàcannhiễunộidôidƣ(ResidualSelf-Interference-RSI),gọi làI RSI , I RSI làbiếnngẫunhiêntuântheophânbốGausscóphươngsailà:

Kếthợp(2.66)và(2.69),chúngtaxấpxỉtínhiệunhậntạiRn h ƣ sau: y R h SR x S I RSI n R

(2.70)Từ (2.67) và (2.70), chúng ta có thể xác định tỷ số tín hiệu trênn h i ễ u c ộ n g v ớ i nhiễunộitạigâyratại RvàDnhƣsau:

 B BR RD (1)N 0 Đối với hệ thốngchuyểntiếp giảimã và chuyển tiếp cố định,hiệu năng củah ệ thống phụ thuộc vào chặng có tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhỏ nhất, do đó ta có thể môhìnhhóatỷsốtínhiệutrênnhiễutươngđươngcủahệthốngnhưsau: g e min(g SR ,g RD ) (2.73) XemxétởkênhtruyềnfadingNakagami- mvàgiớihạnchotrườnghợpm nguyên,tacóhàmCDFvàPDF củag lầnlƣợtcódạngnhƣsau: f g (g) ( m

Trong phần này sẽ phân tích xác suất dừng của hệ thống ở kênh truyền fadingNakagami-m Từtỷ lệt í n h i ệ u t r ê n n h i ễ u t ƣ ơ n g đ ƣ ơ n g c ủ a h ệ t h ố n gg e, t a v i ế t x á c suấtdừngcủahệthốngtheođịnh nghĩanhƣsau:

Pr ge  gth  , với làtốcđộtruyềnmongmuốn củahệthốngvàgth2 1  

OPPr min( g SR,g RD )g th 

(2.77) Quans á tg SR vàg RD ởc ô n g t h ứ c ( 2 7 1 ) v à ( 2 7 2 ) , t a c ó t h ể t h ấ y r ằ n gg SR vàg RD độclậpthốngkêvớinhaukhicácnútmạngthuthậpnănglƣợngtừnguồnphátbênngoàiPB Dođó, tacóthểtriểnkhaicôngthức(2.77)nhƣsau: m

BS BS BS k  2   m 1 SR SR  ,

OP1Pr min( g SR , g RD ) g th 

1Pr gSR  gth  Pr  gRD  gth  (2.78)

Chúngtacũngthấyrằngg SRv à g RDở côngthức(2.71)và(2.72)cócùng mộtdạng, nênchúngtacóthểtìmhàmCDFcủag SRv à từđósuyradạngcủag RD

Fg( gth)Pr gSR  gth 

Fg( gth)Pr gSR  gth 

Thaythế(2.74)và(2.75)vào(2.80)vàsửdụngbiếnđổisố(3.351.3)và(3.471.9)của[80],tacó:

Thaythế(2 8 1) và(2.82)vào(2.78),ta sẽcóđƣợcdạngđóngchính xáccủaxá csuấtdừnghệthống.

Phần trước đã xác định được công thức tính OP của hệ thống cho mạng chuyển tiếpsongcông.Phầnnàysẽkhảosát,môphỏngđểchứngminhtínhđúngđắncủaphântíchl ýthuyết.Hệsốthuthậpnănglƣợnglà 0,85.CáckếtquảkhảosátvớiSNRtrungbìnhvàc ácthamsốNakagami- m,ảnhhưởnglớntớihệthống.Trước tiên, khảosátvớixácsuấtdừngh ệ t h ố n g O

Hình2.14.Khảo sátOPtheoSNR vớitham sốpha đinhm khácnhau

Trong hình 2.14, các tham số kênh Nakagami-mđƣợc thay đổi để xác định ảnhhưởng của chúng tới hiệu năng hệ thống Xem xét 3 trường hợp của giá trị fading là[22 22],[3333], và[4 44 4].Thamsốmlànghịch đảocủaphươngsaichuẩnhóa.Hoặccóthểcoigiátrịmnhưlàcáctiatruyềntrựctiếptừ nútphátđếnnútnhận.

0,85 GiátrịSICđƣợc xem xétvới-30dB Nhƣk ế t q u ả t ạ i h ì n h 2 1 4 , k h i tăngg i á t r ịm thìh i ệ u n ă n g h ệ t h ố n g t ă n g B ậ c p h â n t ậ p c ủ a h ệ t h ố n g đ ạ t đ ƣ ợ c g ầ n xấpxỉtheogiátrịm.

Hình2.15.Khảo sátảnhhưởng củaSIC tớihiệunăng hệthống

Hình 2.15, khảo sát ảnh hưởng của SIC tới xác suất dừng hệ thốngbằng cách xemxét 4 giá trị củatừ -40 dB, - 30 dB, -20 dB, và -10 dB Các tham số hệ thống thiếtlập cho Hình 3 là0.5v à [ mBS, mSR, mBR,mRD] =[2 2 2 2] Quan sát trên đồ thị,có thể thấy rằng can nhiễu nội dôi dư có ảnh hương rất lớn đến hiệu năng hệ thống.Ví dụ nhƣ, khi nhiễu dƣ bằng -10 dB hoặc -20 dB, xác suất dừng hệ thống gần nhƣbão hòa ở giá trị 20 dB.Từ kết quả này chúng ta có thể nhận định rằng để đảm bảohiệu năng hệ thống thì việc thiết kế hệ thống FD cần thiết phải lựa chọn công suấttruyềnphùhợpvàbộloạibỏcannhiễu(SIC)cầncóphẩmchấttốt.

Hình 2.16 trình bày kết quả khảo sát xác suất dừng hệ thống theo hệ số phân chiathờigianαkhithayvớibatrườnghợpcủahệsốfadinglầnlượtlà[1212],[2221],và[222 2] Hình 2.16 chỉ ra rằng tồn tại giá trị αkhithay làm cho xác suất dừng hệ thống nhỏ nhất.Với cùng một tỷ số SNR, khimcàng lớn, điểm cực tiểu

OP càng nhỏ, hay nói cáchkhác phẩm chất của hệ thống càng tốt Hình 2.16 cũng chỉ ra rằng để hiệu năng hệthống tốt nhất, giá trị hệ số phân chia thời gian tối ƣu xấp xỉ 0.5 trong cả 3 trườnghợp.

Hình2.17 Khảo sát OPtheo αkhi thayđổiSNRcủa hệthống

Hình 2.17 trình bày kết quả mô phỏng và phân tích giá trị OP theo hệ số phân chiathờigianαkhithay.TrongkếtquảnàykhithayđổiSNRvớicác giátrịkhác nhaulầnlƣợtlà10, 15, 20 dB, tham số pha đinh Nakagami-mđƣợc cài đặt nhƣ trên đồ thị Từ kếtquả chỉ ra rằng khi SNR lớn thì OP đƣợc cải thiện, điều này phù hợp với các hệthống vô tuyến Ở các mức tín hiệu nhận được khác nhau, tương ứng với công suấtphát khác nhau, do trong phân tích và mô phỏng cố định tham số trung bình độ lợikênhtruyềnnhƣnghệsốphânchiathờigiancógiátrịxấpxỉở0.5thìxácsuấtdừnghệ thống nhỏ nhất Kết quả này có thể sử dụng để cấu hình phần mềm phương thứcphân chia thời gian TS trong hệ thống thu thập năng lƣợng để đảm bảo hiệu năngluônđạtlớnnhất.

PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG VÔ TUYẾNCHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNGLƢỢNGVÔTUYẾN

Giớithiệu

Khác với chương 2 là nghiên cứu về hệ thống vô tuyến chuyển tiếp mộtchiều, thông tin truyền từ nút nguồn tới nút đích thông qua nút chuyển tiếp, chương3 nghiên cứu về hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hai chiều, hai nút nguồn trao đổithông tin thông qua nút chuyển tiếp Chương này lần lượt phân tích đánh giá hiệunăng mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng vôtuyến, với kênh truyền fading rayleigh, kênh truyền Nakagami-m Nghiên cứu lầnlƣợt đƣa ra đƣợc biểu thức dạng đóng của xác suất dừng hệ thống và mô phỏngMonte-Carlođểkiểmchứngkếtquả. Đónggóp củachương3đượctrìnhbàytạicôngtrìnhcôngbốsố4và5.

[76].Cụthể,trong[73],nhómtácgiảđã đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền chuyển tiếp hai chiều trong môi trườngvô tuyến nhận thức với nút chuyển tiếp thu thập năng lượng trong điều kiện suygiảm phần cứng Trong[74], Tutuncuoglu và cộng sự đã đề xuất các giao thức chophép tối đa tổng thông lƣợng của mạng chuyển tiếp hai chiều với giả sử các nútmạng hoạt động dựa trên năng lƣợng thu thập và không có bộ đêm Các kết quảphân tích đã chỉ ra rằng kỹ thuật chuyển tiếp có ảnh hưởng đáng kể lên giao thứctruyền tối ƣu Tại[75]đã xem xét mạng chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lƣợngvô tuyến với một nút mạng không thu thập năng lƣợng và một nút mạng có sử dụngthu thập năng lƣợng Nhóm tác giả đã đề xuất một giao thức truyền tối ƣu dựa trênmô hình thu thập năng lƣợng ngẫu nhiên Gần đây, tại[76], nhóm tác giả đã phântích chất lƣợng hệ thống truyền chuyển tiếp DF hai chiều ba pha thời gian trong đónút chuyển tiếp thu thập năng lƣợng từ tín hiệu vô tuyến trong hai pha đầu tiên đểchuyển đổi thành nguồn phát tín hiệu trong pha thời gian thứ ba Tại đây, nhóm tácgiả phân tích xác suất dừng hệ thống Tuy nhiên, nhóm tác giả chưa đưa ra biểuthức dạng tường minh của xác suất dừng toàn hệ thống Các nghiên cứu về mạng vôtuyếnchuyểntiếphaichiềusửdụngkỹthuậtthuthậpnănglƣợngtừnguồnngoài h PA hPR h PB hAR hBR

Trong chương 3, NCS sẽ phân tích xác suất dừng hệ thống chuyển tiếp haichiều sử dụng nguồn ngoài cung cấp năng lƣợng vô tuyến cho tất cả các nút mạng.Đồng thời phân tích hiệu năng hệ thống lần lƣợt trên kênh truyền Rayleigh vàNakagami-m.

HệthốngchuyểntiếphaichiềuvớikênhtruyềnfadingRayleigh

Trong phần này sẽ đề xuất mô hình chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuậtgiải mã và chuyển tiếp sử dụng năng lƣợng thu thập với bốn khe thời gian. Các nútmạng thu thập năng lƣợng từ nguồn phát năng lƣợng độc lập Nội dung nghiên cứusẽ phân tích và biểu diễn xác suất dừng hệ thống ở kênh truyền fading Rayleigh ởdạngtườngminh.

Hình 3.1 Hệ thống chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng sử dụng kỹthuậtchuyểntiếpDF vớimộtnguồnphátnănglượng

Hệ thống chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lƣợng gồm hai nút nguồn(kýhiệu A và B), một nút chuyển tiếp (ký hiệu R) và một nút cung cấp năng lƣợng(kýhiệu PB) Giả sử rằng các nút A, B, và R đều không đƣợc trang bị nguồn nănglƣợng và phải sử dụng năng lƣợng thu thập từ PB Mô hình này rất thực tế thườngứng dụng cho mạng cảm biến vô tuyến với các nút mạng thường dựa vào nănglƣợngthuthậpđể hoạt động.

Quátrìnhtruyềnnănglƣợngvàthôngtincủahệthốngdiễnratrongbốnkhe thờigi an c o n c ót h ờ i g i a n l ầ n lƣ ợ t l à:T, ( 1   )T , ( 1   )T , v à ( 1   )T vớil à hệ

3 3 3 sốphânchiathờigianvới(0,1) vàTl à t h ờ i giantruyềncủamộtsymbolchuẩn trongc h ế đ ộ t r u y ề n t r ự c t i ế p T r o n g t h ự c t ế , g i á t r ịl àm ộ t t h a m s ố h i ệ u n ă n g quantrọng, vàcóthểchọnαkhithayđểhiệu nănghệthốngtốiưu[77]và[78].

Trongkhethờigianconthứnhất,PBphátnănglươngcho cácnútA,B,vàR.Trong khe thời gian con thứ 2 và 3, nút nguồn A và B lần lƣợt truyền thông tin vềnút chuyển tiếp R Trong khe thời gian cuối cùng, nút R chuyển tiếp thông tin nhậnđƣợctừnútA(và B)vềnguồnB(vàA)dùnggiaothứcgiảimãvàchuyểntiếp.

Gọih XY với   A,B,R,P  và   A,B,R l à hệsốkênhtruyềntừ ,tacó h 2cóphânbốhàmmũvớigiátrịtrungbình  XY khixemxéthệ thốngởkênh truyềnfadingRayleigh.

Xemxét khethờigianconthứnhất,nănglƣợngthuthậptạinút A,BvàRtừPBlầnlƣợt nhƣsau:

R PB PR vớil àhiệusuấtthuthậpnănglƣợngvàP PBlà côngsuấtpháttrungbìnhcủaPB.

Xemxéttr o n g khoả ng t h ờ i gian(1 ) T, x á c đ ị n h đ ƣợ c c ông s uấ t p h á t c ủ a A ,B , 3 vàRnhƣsau:

Trong phần này, NCS sẽ phân tích xác suất dừng của hệ thống ở kênh truyền fadingRayleigh.Sửdụngbakhethờigianconđểtruyềnthôngtin,hệthốngchuyể ntiếphai chiều sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp sẽ xem là dừng nếu bất kỳ mộtkhethờigianconnàokhôngđảmbảotốcđộdữliệutruyềnmongmuốnchotrước, Ápdụngđịnhluậttổngxácsuất,cóthểviếtxácsuấtdừnghệthốngnhƣsau:

,f(gR)  , (3.11) với f( g với   AR,BR,R  ;g Rl à tỷsốtínhiệutrên nhiễutươngđươngcủakhethờigianconthứ4.Khinútchuyểntiếpsửdụngkỹthuậtgiảim ã và chuyểntiếp (DF),ta có: g R  min(g RA ,g RB ) (3.12)

Từ(3.7),(3.8),và(3.12),cóthểviếtOPlạidotínhđộclậpthốngkêcủag AR, g AR, vàg Rnhƣ sau:

OPPr gAR  gth  Pr  gAR  gth )Pr( gBR  gth 

 Pr( gAR  gth )Pr( gBR  gth )Pr  gR  gth 

1Pr gAR  gth  Pr  gBR  gth  Pr  gR  gth 

Pr g XYg th  1Pr  g XYg th  ĐểtìmđƣợcOP,cầntínht o á n thểvi ếtlại(3.7)nhƣsau:

Prg AR g th  , Pr g BR g th  vàP r g R g th  C ụ

Pr g g 1Pr PB PA ARg  (3.14)

2(g) lầnlƣợtlàhàm CDFcủa h AR vàhàmPDFcủa h PA

Pr g AR g th  1   1 exp   3  th 0

 Bâygiờsẽtìm Prg R g th  bằngcáchxemxét g RA vàg RB ở(3.9)và(3.10)vànhận thấyg vàg làtươngquanvớinhaudocómộtthànhphầnchungh Dođó, áp

RA RB PR dụngxácxuấtcóđiều kiện,chúngta cóthểviết Pr g R g th  nhƣ sau:

Prg R g th  1  F g R γ PR ( g th )fγ PR (γPR)dγPR.

F g γ (g th )1Pr g RA γ PR  gth,gRBγ PR gth  (3.22)

PR,gRA γ PR v àg RB γ PR làđộclậpthốngkêvớinhau,nêntacóthể viếtlại(3.22)nhƣsau:

F g γ (g th )1Pr g RA ĐốivớikênhfadingRayleigh: γ PR g th  Pr  g RBγ PR g th  (3.23)

Pr g RA γ PRgth  Prh RA  th 0  2

Pr  g RB γ PR  g th  exp   g th N 0 (1  ) 

Pr  gR gth  1   1exp  th 0 exp th 0 

0  3P PB  RA gPR  3P PB  RB gPR (3.26)

Cuối cùng, thay thế (3.19), (3.20) và (3.27) vào (3.13), ta xác định đƣợc kết quảdạngđóngcủaxácsuấtdừnghệthốngởkênhtruyềnfadingRayleigh.

Trong phần này, NCSsẽ thực hiệnm ô p h ỏ n g M o n t e - C a r l o đ ể k i ể m c h ứ n g kết quả lý thuyết phân tích ở phần trên và khảo sát đặc tính của hệ thống Để đơngiản, giảsửhệthốngđƣợcđặttrênmộtmặtphẳng haichiềuvàcácnútnguồnA,B,

RvàPBcótọađộlầnlƣợtlà:(0,0),(1,0),(0.5,0),và (x PB , y PB ) ngoạitrừcác khaibáokhác Vớikênhtruyền,sử dụngmôhìnhsuyhaođườngtruyềnđơngiảnđể môhìnhhóađộlợikênhtruyềntrung bình,cụthể với d làkhoảng cáchvậ t l ý g i ữ a và và lh ệ sốsu yhaođường truyềncóg iá trịt ừ 2 đến6, chọn l3 Cácthamsốhệth ống cógiát rị nhƣsau:0.6 vàtốcđộdữliệutối thiểulà 1bit/s/Hz.

Hình 3.2 khảo sát ảnh hướng của hệ sốαlên xác suất dừng của hệ thốngbằng cách khảo sát xác suất dừng hệ thống theoP PB Xem xét ba trường hợp của hệsố,đ ó là 0 2 5 , 0 5 v à 0 7 5 K ế t q u ả tr o n g h ì n h 3 2 c h ỉ r a r ằ n g g i á tr ị h ệ th ốn g s ẽ cógiátrịx á c s u ấ t d ừ n g t h ấ p n h ấ t k h i0.2

0.75.B ê n c ạ nh đ ó , k ế t q u ả l ý th uy ế t v à k ế tq u ả m ô p h ỏ n g tr ù n g k h í t n h a u , xá c nhậnphương phápphântíchxácsuấtdừngởphântrênlàđúngđắn.

Hình3.3.Khảosátxácsuất dừnghệthốngtheoα Để hiểu rõ ảnh hưởng của giá trịtới xác suất dừng hệ thống, khảo sát xácsuất dừng hệ thống theovới ba trường hợp củaP PBtrong hình 3.3 Từ hình 3.3 cóthể thấy rằng, xác suất dừng hệ thống phụ thuộc mạnh vào giá trị.Khi giá trịlớn hơn 0.7, thì hệ thống hoàn toàn bị dừng, nghĩa là thời gian không đủ để truyềndữ liệu theo tốc độ mong muốn Hình 3.3 chỉ ra rằng tồn tại một giá trịtối ƣu làmcho xác suất dừng hệ thống là nhỏ nhất Kết quả phân tích mô phỏng trong hình 3.3cũng chỉ ra rằng giá trịtối ƣu là không phụ thuộc vào P PB và đều cho cùng mộtgiátrịxấpxỉlà0.3.

Trong hình 3.4, khảo sát ảnh hưởng vị trí của PB lên xác suất dừng của hệthống.Xemxétbavị trítiêubiểucủaPBbaogồm:Trườnghợp1:PBrấtgầnnguồnA tại tọa độ (0, 0.3), Trường hợp 2: PB rất gần nút chuyển tiếp R tại tọa độ (0.5,0.3), và trường hợp 3: PB rất gần nút nguồn

B tại tọa độ (1, 0.3) Trường hợp 2 choxác suất dừng tốt hơn trường hợp 3, và trường hợp 3 cho xác suất dừng tốt hơntrường hợp 1 Hay nói cách khác, cải thiện năng lượng thu thập tại nút chuyển tiếpsẽcảithiệnhiệunăngcủa hệthốngmộtcáchđángkể.

Hình3.4.Xácsuấtdừng hệthốngtheoP PB :ảnhhưởngcủavịtríPB

Hình3.5.Xácsuấtdừnghệthốngtheo α:ảnh hưởngcủavị tríPB

Trong hình 3.5 khảo sát xác suất dừng hệ thống theo hệ số phân chia thời gian khithay đổi vị trí PB, chọnd AR =0.5;P PB = 10 dB.Có thể nhận thấy rằng giá trị tối ƣucủal ạ i k h ô n g p h ụ t h u ộ c v à o v ị t r í c ủ a P B n h ƣ c h ỉ r a ở h ì n h 3 5 H ì n h 3 5 c ũ n g chỉ ra rằng trong cả 3 trường hợp, xác suất dừng hệ thống là nhỏ nhất khixấp xỉ0.3.

Tronghình3.6và3.7dướiđây,khảosátảnhhưởngcủavịtrínútchuyểntiếpR lên hiệu năng của hệ thống Giả sử rằng R nằm trên đường thẳng kết nối giữa nútnguồn A và B và khoảng cách giữa nguồn

A và B là chuẩn hóa bằng 1, xem xét 3trường hợp tiêu biểu của R, cụ thể là R rất gần nguồn A tại tọa độ (0.1, 0), R rất gầnnguồn Btạitọađộ (0.5,0),vàRnằmngaygiữa nguồnAvànguồnB tạitọa độ(0.8,

0).Chọn (x PB ,y PB )(0.5,1),=0.3,P PB =10 dB.Tươngtựnhư cácmạ ng chuyển tiếp hai chiều truyền thống, nút chuyển tiếp nằm tại ngay giữa nguồn A và nguồnBcho xác suất dừng hệ thống thấp nhất, tiếp theo là trường hợp nút chuyển tiếp nằmgần nguồn B và cuối cùng là trường hợp nút chuyển tiếp nằm gần nguồn A.Các kếtquả đạt đƣợc là hợp lý với kết quả phân tích và dễ dàng lý giải bằng cách vận dụnghiệuứngsuyhaođườngtruyền.

Hình3.6 Xácsuấtdừnghệthốngtheo P PB :ảnhhưởng của vịtríR

Trong hình 3.7, khảo sát xác suất dừng hệ thống theo hệ số phân chia thờigiankhi thay đổi vị trí R Có thể khẳng định một lần nữa là hệ thống sẽ bị dừngkhi giá trịlớn (hay nói cách khác nếu dùng trên 70% một chu kỳ thời gian cho thuthập năng lƣợng thì hệ thống sẽ dừng) Giá trị tối ƣu củakhông phụ thuộc vào vịtrí của nút chuyển tiếp trong cả ba trường hợp khảo sát Trong trường hợp này giátrịtốiưucủax ấ pxỉ0.3.

Trong phần này đã đề xuất mô hình chuyển tiếp hai chiều giải mã và chuyểntiếp vớimột nút cungc ấ p n ă n g l ƣ ợ n g P h ầ n n à y đ ã p h â n t í c h x á c s u ấ t d ừ n g h ệ thống ở kênh truyền fading Rayleigh và sử dụng mô phỏng Monte-Carlo để kiểmchứng tính chính xác của phương pháp phân tích đề xuất Các kết quả mô phỏng đãchỉ ra rằng giá trịtối ƣu không phụ thuộc vào vị trí của PB và R và hiệu năng củahệthốngsẽ cảithiệntốtnhấtnếu PBđƣợcđặt gầnnútchuyểntiếp.

Hệthốngchuyểntiếphaichiều vớikênhtruyềnNakagami-m

Nhƣng để đánh giá một cách tổng quát, phần này sẽ đánh giá hiệu năngcủahệthốngtrênkênh truyềnNakagami-mvớimôhìnhhệthốngkhôngthayđổi.

Trướchết,taxemxéthàmCDFvàPDFcủag ởkênhtruyềnNakagami-m, cụthểhàmCDFvàPDFcủag sẽlầnlƣợtcódạng: m1  m   t

(3.29) m với ml à hệsốNakagami-mvà  b ằ n g nghịchđảogiátrịtrungbình củag củakênhtruyềntừ tới

Trong phần này, NCS sẽ phân tích xác suất dừng của hệ thống ở kênh truyềnNakagami-m Tương tự như hệ thống hoạt động ở kênh truyền Rayleigh fading, khisử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp, hệ thống sẽ dừng nếu bất kỳ một khe thờigian con nào không đảm bảo tốc độ dữ liệu mong muốn cho trước ( ) Do đó, taxácđịnhxácsuấtdừng hệthốngnhƣsau:

3R vớig th 2 1   1v àg R  min(g RA ,g RB ).

Hơnn ữ a , d o t í n h đ ộ c l ậ p t h ố n g k ê c ủ ag AR , g BR ,v à g R dạngsau: ,cóthểviếtlạiOPdưới

OPPr gAR  gth  Pr  gAR  gth )Pr( gBR  gth 

 Pr( gAR  gth )Pr( gBR  gth )Pr  gR  gth 

1Pr gAR  gth  Pr  gBR  gth  Pr  gR  gth 

Dođ ó , đ ể t ì m đ ƣ ợ c O P , t a c ầ n x á c đ ị n h đ ƣ ợ c Pr g ARg th  , Pr  g BRg th  v à

Pr g Rg th .Đầutiên,xétxácsuấtP rg AR g th  nhƣs a u : với  g th

Pr g ARg th Prg PA g AR   , (3.33)

ThaycáchàmCDFvàPDFđãđƣara trong(3.28)và(3.29)vàotrong(3.34),ta có:

Pr g AR  g th   ARA R m  PAPA

Pr g AR  g   ARAR  PA PA  P A PA  th

AR t  2 t0  m PA m AR  PA  AR  m AR  t

m PA1 1 2 m PA m AR  PA  AR  2 K m AR  t  2 m PA m AR  PA  AR   , t0 t! mAR 1  ! với K t  x  làmhàmBesselđiềuchỉnhloại2vớibậc m AR t [70].

TươngtựnhưP r g ARg th ,taxácđịnhP r g BRg th nhưsau: m BR  t mPB2 m PB m BR  PB  BR  2

BR  t  2 m PB m BR  PB  BR   (3.37) Saukhicó t0

Pr g BRg th ,t a c ó t h ể x á c đ ị n h Pr g Rg th  bằngc á c h xemxétg RA vàg RB ở( 3 9 ) v à ( 3 1 0 ) v à n h ậ n t h ấ yg

RA vàg RB làtươngquanvới nhaudocómộtthànhphầnchungg PR Dođó,ápdụngxácxuấtcóđiềukiện,cóthể viết Pr g R g th  nhƣ sau:

Pr g R  g th  Pr  g PR min gRA,gRB   (3.38) Đặt min  g RA , g RB ,tatìmđƣợchàmCDFcủanhƣsau:

1   t! v! x exp   m RA  RA m RB  RB x  t  0v0

Tươngtự,cóthểviếtlại Pr g R g th  như sau:

Pr g R  g   PRP R  RAR A RBRB  tv th

 tv  2  m RA  RA m RB  RB  m PR  PR  

Cuối cùng, thay các kết quả ở (3.35), (3.37) và (3.41) vào (3.32), ta xác định đƣợcbiểuthức củaxácsuấtdừngOP.

Trong phần này, NCS sẽ thực hiện mô phỏng Monte-Carlo để thực hiện haimục đích (i) kiểm chứng tính chính xác của phương pháp và kết quả lý thuyết phântíchởphầntrênvà(ii)khảosátđặctínhcủahệthống.Đểđơngiản,chúngtaxe mxéthệthốngđƣợcđặttrênmộtmặtphẳnghaichiềuvớicácnútnguồnA,B,Rvà PBc ó t ọ a đ ộ l ầ n l ư ợ t l à : ( 0 , 0 ) , ( 1 , 0 ) , (x R ,0) ,v à ( x P ,y P ) Vớisuyhaođường truyền,chúngtasửdụngmôhìnhsuyhaođườngtruyềnđơngiảnđểmôhìnhhóa độlợikênhtruyềntrungbình,cụthể với d làkhoảngcáchvậtlý giữa và vàll àhệsốsuyhaođườngtruyềncógiátrịtiêubiểutừ2đến6.Ởđây, tachọnl3.C á c thamsốhệthốngcógiátrịnhƣsau:0.6v à bit/s/Hz.Hình 3.8 khảo sát ảnh hưởnghệ số kênh truyền tới xác suất dừng của hệthống với 04 trường hợp: (i)[mARmBRmPAmPBmPR] = [1 1 1 1 1];(ii)[mARmBRmPAmPBmPR]=[22111];(iii)[mARmBRmPAmPBmPR]=[22222];(iv)[mAR mBRmPAmPBmPR]=[33333];C ó thểnhận thấytrườnghợp(i)cho takếtquả xấunhất Hình 3.8 cũng cho thấy với giá trị hệs ố k ê n h t r u y ề n c à n g c a o t h ì x á c s u ấ t dừng hệ thống càng đƣợc cải thiện Kết quả mô phỏng cho thấy tính đúng đắn củaphântíchgiảitíchnêutrên.

Hình3.9 Khảo sátảnhhưởnghệsốαtới OPkhithayđổi giátrịm

Hình 3.9 và 3.10 tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của giá trị hệ số phân chia thời gianthu thập năng lượngtới xác suất dừng hệ thống Hình 3.9 khảo sát 04 trường hợpthayđổigiátrịthamsốkênhtruyềnNakagami-m:(i)

[mARmBRmPAmPBmPR][11111];(iv)[mARmBRmPAmPBmPR]=[22222].Cóthểnhậnthấyhiệunănghệ thống tăng cải thiện khi hệ số kênh truyền tăng lên Hệ số phân chia thời gian tốiưukhôngphụthuộcvàohệsốkênhtruyền vàxấpxỉ0,3.

Kết quả khảo sát ở hình 3.10, với giá trị SNR thay đổi 10 dB, 15 dB, 20 dB Có thểnhận thấy rằng, xác suất dừng hệ thống ở tất cả các trường hợp là nhỏ nhất khi giátrị phân chia thời gian thu thập năng lƣợngtối ƣu Thứ hai là, hệ thống sẽ dừnghoạtđộngkhihệsốl ớ nhơnmộtgiátrịnhấtđịnh.Thứbalà,cùngvớimột hệ thốngg i á t r ị t ố i ƣ u c ủ a k h ô n g p h ụ t h u ộ c v à o S N R v à h ệ s ố k ê n h t r u y ề n

Nakagami-m Giá trị củatối ƣu trong khảo sát này là xấp xỉ 0,3 khi giá trịSNRthayđổitừ 10dB,15dB,20dB.

PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG THÔNG TINVÔ TUYẾN NHẬN THỨC SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNG LƢỢNGVÔTUYẾN

Giớithiệu

Trongchương4,NCSsẽnghiêncứuvềhệthốngvôtuyếnnhậnthứcsửdụngkỹ thuật thu thập năng lƣợng từ nguồn phát năng lƣợng là máy phát của mạng sơcấp và một nguồn ngoài độc lập Nút nguồn phát dữ liệu của mạng thứ cấp không cónăng lượng lưu trữ mà sử dụng năng lượng thu thập từ hai nguồn phát năng lượnglinh hoạt để cung cấp cho các hoạt động truyền phát thông tin Chương này đề xuấtphương pháp để phân tích xác suất dừng chính xác của hệ thống và biểu diễn đượcdưới dạng tường minh Kết quả mô phỏng đã xác nhận tính chính xác của kết quảphân tích và chỉ ra công suất máy phát sơ cấp và vị trí của mạng thứ cấp ảnh hưởngtớihiệunănghệthống. Đónggóp củachương4đượctrìnhbàytạicôngtrìnhcôngbốsố6và7.

Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio-CR) là công nghệ hứa hẹn, giúp đạtđược hiệu quả sử dụng tần số tốt hơn so với phương pháp phân bổ phổ tần truyềnthống bằng cách cho phép mạng sơ cấp (đƣợc cấp phép sử dụng tần số) hoạt độngtrên cùng băng tần của mạng thứ cấp (miễn cấp phép sử dụng tần số) mà không gâycan nhiễu lẫn nhau Vô tuyến nhận thức thường được áp dụng trong thực tế khi màvùng phủ sóng của mạng sơ cấp lớn hơn rất nhiều so với mạng thứ cấp, ví dụ nhƣmạng cảm biến vô tuyến trong nhà hay trong văn phòng hoạt động trong băng tầncủatruyềnhìnhquảngbá.

Gần đây, kỹ thuật thu thập năng lƣợng đƣợc xem xét tích hợp cho mạng vôtuyến nhận thức khi mà cho phép tận dụng đƣợc ƣu điểm của cả hai công nghệ. Cụthể, trong bài báo [89], nhóm tác giả nghiên cứu mạng vô tuyến chuyển tiếp trongmôi trường vô tuyến nhận thức Trong bài báo này, tác giả phân tích hiệu năng hệthống nhƣng chƣa xác định đƣợc công thức dạng đóng của xác suất dừng hệ thống.Tại [90], nhóm tác giả đã đề xuất cơ chế truyền thông hợp tác mà ở đó hệ thống thứcấp thu thập năng lƣợng từ máy phát của hệ thống sơ cấp Bài báo [91] đã đề xuấtkỹ thuật thu thập năng lượng và phương thức sử dụng tần số của hệ thống vô tuyếnnhận thứcxem xétphầncứngkhônghoànhảo.Nhómtácgiảđãchỉrarằngxácsuất dừng hệ thống đã đƣợc cải thiện bằng việc tăng số lƣợng anten của máy phát và thucủa hệ thống thứ cấp Tại [92], nhóm tác giả nghiên cứu thông lƣợng tối đa chotrườnghợpmộtmáyphátthứcấpthuthậpnănglượngvôtuyếntừ môitrườngxungquanh Tại

[93], tác giả xem xét mạng chuyển tiếp trong môi trường vô tuyến nhậnthức, nút nguồn và nút chuyển tiếp củamạng thứ cấp có thể thu thập năng lƣợng từmáyphátcủam ạ n g sơcấpđểphátthôngtin.Tại[94],nhómtácgiảđềxuấtphươngthức mới cho thu thập năng lƣợng vô tuyến với mạng vô tuyến nhận thức có nhiềumáythusơcấp(PU).Vớiđềxuấtnày,nútmạngcủahệthốngvôtuyếnnhậnthức có thể thu thập năng lượng từ mạng sơ cấp Nhóm tác giả cũng xem xét ảnh hưởngcủa các tham số trong hệ thống đề xuất và xác định đƣợc công thức dạng tườngminhchoxácsuấtdừnghệthốngthứcấp.

Thêm vào đó, nhiều nhà nghiên cứu đã tập trung vào nghiên cứu việc truyềnnăng lƣợng vô tuyến từ một nguồn ngoài có nguồn năng lƣợng vô hạn Với việc thuthập năng lƣợng từ một nguồn ngoài ổn định tăng hiệu năng của hệ thống vô tuyếnsử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng [95-97] Tại [95], nhóm tác giả xem xét vàphântíchhiệunănghệthốngđachặng,ởđócácnútthuthậpnănglƣợngvôtuyếntừ nhiều nguồn ngoài PB và dùng năng lƣợng thu thập đƣợc để truyền và thu thôngtin từ các nút khác Nút đích có nhiều anten và áp dụng kỹ thuật MRC để tổng hợptín hiệu thu đƣợc Tại [96], nhóm tác giả đã đề xuất phương thức thu phát thông tinvà truyền năng lượng vô tuyến, ở đó việc thu thập năng lƣợng từ một nguồn ngoài.Tại [97], nhóm tác giả xem xét lợi ích của hướng tính anten từ nguồn ngoài PBtruyền năng lượng vô tuyến Hơn nữa, phương thức điều kiển thu thập năng lượngđã được đề xuất để có thể tăng khả năng thu thập năng lƣợng và kéo dài thời gianhoạt động của hệ thống. Hầu hết các mô hình nghiên cứu trước đây đều thu thậpnăng lượng từ máy phát của mạng sơ cấp (PT) hoặc nguồn ngoài PB mà rất ítnghiêncứukếthợpthuthậpnănglƣợngđồng thờitừcảhainguồnPTvàPB.

Có thể nhận thấy, nhƣợc điểm của hệ thống vô tuyến nhận thức là hiệunăng của cả mạng sơ cấp và thứ cấp phụ thuộc lẫn nhau, đặc biệt là trong trườnghợp mạng thứ cấp thu thập năng lượng từ mạng sơ cấp Cụ thể, khi công suất củamáyphátmạngsơcấp cànglớnthìnănglƣợngthuthậptạimạngthứcấpcaonhƣngcũngdẫnđếnhiệusuấttruyềnth ôngtingiảmxuốngdocannhiễutừmangsơcấp

PT Mạng sơ cấp h PS h PD h SU PU h BS h SD

PB đếnmạng thứ cấp cao.Và khi chúng ta giảm công suấtphát củamạng sơ cấpP T dẫn tới năng lƣợng thu thập đƣợc tại hệ thống thứ cấp giảm và hiệu năng hệ thốngthứ cấp giảm theo Vì vậy, một nguồn năng lƣợng ngoài ổn định cung cấp nănglƣợng cho hệ thống thứ cấp sẽ tăng hiệu năng của hệ thống Hơn nữa, để tăng hiệunăng của hệ thống thứ cấp, tại chương 4, NCS đề xuất cơ chế thu thập năng lượngcủa hệ thống thứ cấp đó là linh động kết hợp của hai nguồn năng lƣợngPT và PB.Bằng phương pháp xấp xỉ mới, NCS đã đề xuất phương pháp xác định công thứcxác suất dừng hệ thống thứ cấp và xác định các tham số tối ƣu để hệ thống có hiệunăngcaonhất.

Môhìnhhệ thống

Hình 4.1 trình bày mô hình hệ thống vô tuyến nhận thức thu thập năng lƣợng,bao gồm hệ thống sơ cấp và hệ thống thứ cấp Hệ thống thứ cấp gồm nút phát (kýhiệu S) và nút đích (ký hiệu D) Nút S phát thông tin tới D nhƣng S bị hạn chế vềnăng lƣợng Do đó, nút S sẽ thu thập năng lƣợng từ PT (Primary Transmitter) làmáy phát của hệ thống sơ cấp hoặc/và từ nguồn năng lƣợng ngoài ổn định

PB(PowerBeacon).GọiTlàchukỳtruyềnthôngtintừnguồnStớiD.Ởmỗichukỳ,phầnthờigianđầuTlàthờigianS thuthập nănglƣợng từPB hoặc/vàPT,khoảng

. thờigian 1   Tlàdùngđểphátthôngtintừ StớiD,αlàhệsốphânchiathờigian,với

Y vàd XY tươngứnglàhệsốkênhtruyềnvàkhoảngcáchgiữahai nútXv à Y,với X,Y B(PB),S,P(PT),U(PU),D .Đ ộ lợ i kê nht ru yền h XY | 2  cóphânbốhàmmũvớigiátrịtrungbình d  l ,vớ il làhệs ố s u y haođ ƣờ ng truyền.Tốcđộdữliệutruyềnmongmuốnchotrướclà

Phương thức BS: Chỉ nguồn năng lượng ngoài ổn định cung cấp năng lƣợngcho nút S trong hệ thống thứ cấp Giả thiết máy phát của hệ thống sơ cấp PT ở xa vàkhônggâynhiễuchohệthốngthứ cấp.

Phươngthức PTS:ChỉcómáyphátPTtruyềnnănglượngvôtuyếnchonútS.Nhưng máy phát PT của hệ thống sơ cấp có thể gây nhiễu cho hệ thống thứ cấp.Trườnghợp nàykhông cónguồn nănglượng ngoàiPB.

Phương thức MBT: Có hai nguồn năng lượng đó là máy phát PT và mộtnguồn năng lƣợng ngoài PB Nhƣng nút S sẽ lựa chọn nguồn năng lƣợng có mứccaonhấtđểthuthập nănglƣợng.

Phương thức SBT:Hai nguồn năng lượng PT và PB cung cấp cho nút S.

NútS thu thập năng lƣợng của cả đồng thời hai nguồn để đƣợc mức năng lƣợng caonhất nhƣng vẫn đảm bảo phát thông tin tới D không gây nhiễu cho PU và cũngkhôngbịnhiễugâyrabởiPT.

BS (4.1) vớil àhiệusuấtchuyểnđổinănglƣợng,h BS làhệsốkênhtruyềntừPBtớiS.

S PT PS vớih PS làhệsốkênhtruyềntừPTtớiS.

Phântíchhiệu nănghệthốngthứcấp

Phần này sẽ tính xác suất dừng của hệ thống trong bốn phương thức thu thậpnăng lƣợng Công thức xác định xác suất dừng hệ thống tổng quát đƣợc xác địnhnhƣsau:

PschPr 1    log  1 g sch   (4.11) với sch   BS,PTS,MBT,SBT  , thlàtốcđộdữliệumongmuốn. Đểtốiưutrìnhbàycácbiểuthứctoánhọc,tađịnhnghĩamộtsốhàmvàhệsốnhưsau:

Xács u ấ t d ừ n g c ủ a h ệ t h ố n g t h ứ c ấ p t h e o t ừ n g p h ư ơ n g t h ứ c t h u t h ậ p năng lượngđượcxác định lần lượtnhưdướiđây: a PhươngthứcBS

VớitrườnghợpchỉcóPBlàtruyềnnănglượngvôtuyếnchohệthốngthứcấp, tỷsốcôngsuấttínhiệutrênnhiễu(SNR) đƣợcxácđịnhnhƣsau: g BS  minP h

I 2   exp  B S p  1exp S D t h  SUexp   SU x  dx

Thay(4.14)và(4.15)vào(4.13)cóthểxácđịnhđƣợcxácsuấtdừngcủahệthốngchop hươngthứcBS.

Với trường hợp này, hệ thống thứ cấp thu thập năng lượng từ nguồn phát PT của hệthốngsơcấp.Xácđịnh SNRcủahệthống thứcấpnhƣsau:

Thay(4.18)vàobiểuthứcthứnhấtcủacôngthức(4.17),chúngtacóthểxácđịnhđƣ ợcbiểuthứcI 3 nhƣ sau:

I3 PS exp   PS    0,   PS    ,  PS , SU 

I4 SU exp  P S SUxdx  ,SU,PS  (4.21)

Sau đó, thay thế (4.20) và (4.21) vào (4.17), ta xác định đƣợc xác suất dừng hệthốngchophươngthứcPTS. c Phươngt h ứ c MB T :

Trường hợp này, nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống thứ cấp bao gồm cả PTvà PB Nguồn năng lƣợng đƣợc chọn là nguồn năng lƣợng có mức cao hơn.

Iexp      0,      BS  exp   BS     0,  BS  

PS SU   SU     PS SU  

BS PS P PT h SU h SU P P

Thay thế (4.28) và (4.30) vào (4.23), ta xác định đƣợc xác suất dừng hệ thống chophươngthứcMBT. d PhươngthứcSBT Đối với phương thức SBT, nguồn năng lượng cung cấp cho nút S của hệ thống thứcấp bao gồm cả PT và PB Nút S sẽ tổng hợp năng lƣợng của cả hai nguồn PT vàPB.SNRcủahệthốngthứcấpđƣợcxácđịnhnhƣsau: g

BS PS h PS h BS h PS h PS  h 

 BS PS PS BS PS PS 

Thay thế CDF củaX(4.18) và PDF củaQ(4.35) vào công thức (4.33), ta xác địnhđƣợc:

   0,     BS  h PS  exp   h PS    0, h PS  

BS PS  SU exp   xd x x h SU  

Thay thế công thức (4.36) và (4.37) vào công thức (4.32), ta xác định đƣợc xác suấtdừnghệthốngchophươngthứcSBT.

Kếtquảmôphỏng vàphântích

Trongphầntrướcđãxácđịnhđượccôngthứctínhxácsuấtdừnghệthốngvôtuyến nhận thức có sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng tại nút nguồn S với nguồnnăng lƣợng từ nguồn năng lƣợng ngoài PT và PB Phần này sẽ sử dụng mô phỏngMonte-Carlo để chứng minh tính đúng đắn của phân tích lý thuyết Các tham số sửdụngđểkhảosátđƣợcchọn: hệsốsuyhaol =3;hiệusu ất thuthậpnănglƣợn g

Hình4.2 Xác suất dừnghệthống theo PT vàP B

Tại hình 4.2 biểu diễn xác suất dừng hệ thống theo công suất của PT và PB,công suất máy phát PB và PT từ- 2 0 t ớ i 4 0 d B t r o n g p h ƣ ơ n g t h ứ c B S , P T S , M B T và SBT Kết quả mô phỏng cho thấy kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng làtrùng khít cho thấy tính đúng đắn của phân tích và xác định biểu thức tính xác suấtdừng hệ thống Có thể nhận thấy, với phương thức

PTS, MBT và SBT, hiệu năngcủahệthốngcaokhicôngsuấtmáyphátcủaPTvàPBthấptừ-

20tới10dB.Sauđó hiệu năng hệ thống giảm xuống khi công suất PT và PB tăng lên Với phươngthức BS thì ngƣợc lại, hiệu năng hệ thống thấp khi nguồn năng lƣợng PB có côngsuất thấp và hiệu năng tăng lên khi công suất lớn từ 10 dB tới 40 dB Nguyên nhânlà trong các phương thức PTS, MBT và SBT, nút nguồn thu thập năng lượng từ cảPB và PT, do đó khi công suất PT tăng lên sẽ tỷ lệ thuận với công suất nhiễu gây rachohệthốngthứ cấp.Kếtquảlàhiệunănghệthốnggiảm.Trongkhiđóvớiphươngthức BS, nút nguồn chỉ thu thập năng lƣợng từ PB nên khi tăng công suất PB sẽ kéotheosự cảithiệnhiệunănghệthống.

Hình4.3 Xác suất dừnghệthống theo I p (dB)

Hình 4.3 mô phỏng xác suất dừng hệ thống theoI p Xác suất dừng của tất cảcácphươngthứcđạtbãohòa khiI p caohơn5dB.Nguyên nhânlàtỷlệcông suấttínhiệu trên nhiễu (SNR) của tất các các phương thức đều bị giới hạn bởi ràng buộc vềmức can nhiễu tối đa thể hiện như trong công thức (4.3) đối với các phương thứcBS, PTS, MBT và SBT Hơn nữa, hình 4.3 còn thể hiện hiệu năng hệ thống vớiphương thức SBT tốt nhất trong tất cả các phương thức đề xuất khi xét cùng trongmột yêu cầu về ngƣỡng nhiễuI p của mạng vô tuyến nhận thức Nguyên nhân vìphươngthứcSBTtổng hợpcảhainguồnnăng lượngPTvàPBđểthuthập,dẫnđếnhiệu năng của hệ thống vượt trội hơn so với các phương thức BS, PTS và MBT.Phương thúcSBT chohiệu năng hệthống tốt nhất do sửdụng cơc h ế l i n h đ ộ n g , tổnghợp nguồn nănglƣợngtừcảPTvà PB.

Hình4.4 Xácsuất dừnghệthống theo hệsố α

Hình 4.4 biểu diễn xác suất dừng của hệ thống là một hàm phức tạp theo biếnαkhithay và hàm có đặc tính “hàm lồi” (convex function) Do đó tồn tại một giá trị tối ƣulàm cho xác suất dừng đạt cực tiểu Đối với phương thức MBT và SBT, giá trị αkhithay tốiưukhoảng0.6và0.55trongkhicủaphươngthứcBSvàPTSlầnlượtlàkhoản g

0.65 và 0.7, tương ứng Như vậy là hiệu năng của hệ thống tối ưu khi hệ thống tiêutốn khoảng 60% của một chu kỳ thời gian để thu thập năng lƣợng tại nút nguồn S.Một lần nữa cho thấy, hiệu năng của phương thức SBT là tối ưu nhất trong cácphươngthứcthu thậpnănglƣợngđềxuất.

Hình4.5 Xácsuất dừnghệthống theovị trí của PB vàPT

Hình 4.5 mô phỏng xác suất dừng hệ thống theo khoảng cách của PT và PB tới Nútnguồn S của hệ thống vô tuyến nhận thức Cự ly của PB tới S thay đổi từ 0.1 tới 1theo trục X Giả thiết khoảng cách từ S tới PB và PT là bằng nhau Nhận thấy xácsuấtdừngcủahệthốngcảithiệnvớicácphươngthứcSBT.Hình4.5cònthểhiện sự phụ thuộc quan trọng của hiệu năng hệ thống vào việc định vị các vị trí của cácnútPBvàPTtrongmạngcũngnhƣvịtrícủachúngđốivớinútnguồnS.Cụthể,khicác nút PB và

PT di chuyển gần về phía nút nguồn, hiệu năng của các phương thứctăng lên vì nút nguồn có nhiều cơ hội thu thập đƣợc một lƣợng lớn năng lƣợng.Ngƣợc lại, khi các nút PB và PT di chuyển ra xa nút nguồn, hiệu năng của cácphươngthứcxấuđivìnútnguồnthuthậpnănglượngtừPBvàPTmộtcáchhạnchếhơn.

Kếtluậnchương

Tại chương 4, đã phân tích đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến nhận thức sử dụngkỹ thuật thu thập năng lƣợng Nút nguồn S của hệ thống thứ cấp thu thập nănglƣợng linh hoạt từ hai nguồn năng lƣợng đó là nguồn ngoài ổn định PB và nguồnmáy phát PT của hệ thống sơ cấp Thu thập năng lƣợng của nút nguồn S phụ thuộcnhiềuvàocôngsuấtPTđảmbảohệthốngthứcấpvàsơcấpkhôngảnhhưởnglẫn nhau Chương 4 đã đề xuất 4 phương thức thu thập năng lượng Kết quả khảo sátxác suất dừng hệ thống cho thấy phương thức SBT cho hiệu năng hệ thống tốt nhất.Kết quả phân tích cũng đã xác định đƣợc giá trị hệ số phân chia thời gian thu thậpnăng lƣợng tối ƣu để hiệu năng hệ thống tốt nhất Đồng thời cũng chỉ ra rằng côngsuấtvàvịtrícủaPT,PBảnhhưởng lớntớihiệunănghệthống. Đóng góp chính của chương 4 là đề xuất mô hình thu thập năng lượng sóngvô tuyến trong môi trường vô tuyến nhận thức Dưới sự tác động của nút phát sơcấp lên hệ thống thứ cấp, cũng nhƣ sự giới hạn công suất phát của nút phát thứ cấp,chương4đềxuấtbốnphươngthứcthuthậpnănglượngtạinútnguồncủamạngthứcấp nhằm nâng cao hiệu năng cho mạng thứ cấp Phương pháp giải tích xấp xỉ đãđược sử dụng để xác định xác suất dừng hệ thống dưới dạng công thức dạng đóng.Hiệunăngcủamôhìnhđềxuấtđƣợcđánhgiáthôngquamôphỏngvàphântích.

Công thức toán học của xác suất dựnghệ thống ởdạngđóngs ẽ ứ n g d ụ n g cho thiết kế mạng cảm biến không dây ứng dụng trong thực tế nhẳm sử dụng hiệuquảt à i n g u y ê n t ầ n s ố c ủ a m ạ n g v ô t u y ế n n h ậ n t h ứ c Đ ồ n g t h ờ i t ậ n d ụ n g đ ƣ ợ c nguồnnănglƣợngtừmáyphátcôngsuấtlớncủamạngsơcấp.

1 Sự cần thiết nâng cao hiệu năng hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật thuthậpnănglượng:

Kết quả nghiên cứu của luận án chỉ ra rằng, so với hệ thống vô tuyến thôngthường, hệ thống vô tuyến sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng sẽ phức tạp hơn vàhoặc kích thước lớn hơn, cụ thể là các thiết bị vô tuyến phải trang bị bộ thu thậpnăng lượng sóng vô tuyến nên đòi hỏi công nghệ tốt để việc thu thập năng lƣợnghiệu quả và cung cấp đủ công suất mong muốn cho các thiết bị trong mạng Sự phứctạp đến từ việc đồng bộ cao giữa thiết bị phát và thiết bị thu trong pha thu thập nănglƣợng hay đồng bộ giữa các thiết bị và nguồn cung cấp năng lƣợng sóng vô tuyếnbên ngoài Do đó, hệ thống sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng sẽ có nhiều yếu tốtác động làm suy giảm chất lƣợng truyền dữ liệu Hiệu năng hệ thống sử dụng kỹthuậtthuthậpnănglƣợng cóthểthấphơndohệ thống sửdụngmộtkhoảngth ờigian cho việc thu thập năng lƣợng, nên thời gian dành cho việc truyền dữ liệu sẽ íthơn, dẫn đến tốc độ truyền thông tin thấp hơn phương pháp truyền thông thường.Bên cạnh đó, năng lượng thu thập sử dụng cho việc truyền dữ liệu có thể thấp (docông nghệ) cũng ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống Việc phân bổ thời giandành cho việc thu thập năng lƣợng cần đƣợc tính toán thích hợp để nâng cao hiệunăng hệ thống nên cần có cơ chế tính toán thích hợp Mặc dù vậy, việc tính toán nàysẽ phức tạp hơn nhiều so với mô hình truyền thống vì cần đánh giá và lựa chọn nútmạngđểtínhtoántrongmỗimôhìnhnghiêncứu.

Trong luận án, đã đề xuất ba mô hình tiêu biểu và đƣa ra giải pháp phân tíchvà khảo sát đánh giá hiệu năng hệ thống Luận án đã đƣa ra đƣợc những kết quảnhằmnăngcaohiệu nănghệthống.Cụthểnhƣ sau:

#Mô hình 1: Hệ thống chuyển tiếp một chiều gồm 03 nút, nút nguồn

(S)truyền thông tintớinút đích (D) thông qua nút chuyển tiếp(R).T r ƣ ờ n g h ợ p t h ứ nhất phân tích hệ thống với nhiều nút chuyển tiếp R và kênh truyền ƣớc lƣợngkhông hoàn hảo, kết quả phân tích đã chỉ ra ƣu điểm của hệ thống ở vùng tỷ số tínhiệu trên nhiễu ở mức trung bình và cao Trường hợp thứ 2 phân tích hệ thống vớimôhìnhcónútnguồnSsửdụngnhiềuanten,nútchuyểntiếpRđơnantenvànú t đích D có đa anten Đối với mô hình này, NCS đã đề xuất một phương pháp mới đểphân tích xác suất dừng của hệ thống chuyển tiếp hai chặng với nút nguồn và nútđích đƣợc trang bị nhiều anten với nút chuyển tiếp sử dụng năng lƣợng thu thập vôtuyến để chuyển tiếp dữ liệu nhận từ nút nguồn Phương pháp phân tích mới chophép xấp xỉ tốt hơn xác suất dừng hệ thống so với phương pháp phân tích xấp xỉtruyền thống, vốn chỉ phù hợp cho mạng với nút mạng đơn anten Trường hợp thứ 3được xem xét khi nút chuyển tiếp R sử dụng kỹ thuật truyền song công Khác vớinhữngnghiêncứutrướcđâyđãkhảosáttrêntrườnghợpgiảmnhiễunộikhônghoànhảo, Luận án này đã đưa ra được dạng tường minh công thức tính xác suất dừng hệthốngvớ ikê nh tr uy ền Nak aga mi - m.Đ ồn gt hờ i Luậnánđã k hả o sátvà p hâ n t íc hảnh hưởng của công suất nguồn năng lượng ngoài PB, tham sốmcủa kênh truyềnNakagami-m, thời gian thu thập năng lƣợng và xem xét khả năng khắc phục nhiễunộidohaiantencủanútRgâynhiễulẫnnhau.Kếtquảmôphỏngsửdụngnguyên lýMonte-Carlođƣợcsửdụngđểchứngminhtínhđúngđắncủakếtquảgiảitích.

# Mô hình 2 Hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hai chiều gồm 3 nút, hai nút

A,B trao đổi thông tin hai chiều với nhau thông qua nút chuyển tiếp R Các nút mạngsử dụng năng lƣợng thu thập từ nguồn phát năng lƣợng (nguồn ngoài độc lập) đểthực hiện các hoạt động truyền phát thông tin Luận án đã nghiên cứu lần lượt mạngchuyển tiếp hai chiều với kênh truyền fading Rayleigh và kênh truyền Nakagami-m.Luận án đã đề xuất phương pháp để phân tích xác suất dừng chính xác của hệ thốngvà biểu diễn dưới dạng tường minh Kết quả mô phỏng đã xác nhận tính chính xáccủa kết quả phân tích và chỉ ra rằng vị trí của nguồn phát và nút chuyển tiếp ảnhhưởng rất lớn đến hiệu năng của hệ thống Từ kết quả phân tích xác suất dừng hệthống đã đề xuất giá trị hệ số phân chia thời gian thu thập năng lƣợng tối ƣu và kếtluận hệ số phân chia thời gian tối ƣu không phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễuvàhệsốkênhtruyền.

# Mô hình 3: Hệ thống vô tuyến nhận thức thu thập năng lƣợng vô tuyến từnguồnngoàiPBvàtừchính nguồnPTlàmáyphátcủahệthốngsơcấpvớicông suấtlớ n Hệ t h ố n g vô t u y ế n n hận th ức gồ m n ú t n gu ồn S t r u y ề n th ôn gt in tớ i n ú t đích D, sử dụng kênhtần số của hệ thống sơcấp (giả thiếtm á y p h á t t r u y ề n h ì n h (PT)tới máythutruyềnhình(PU)).NútnguồnSthuthậpnănglƣợngtừPThoặc/và

PB Nghiên cứu được khảo sát ảnh hưởng can nhiễu của PT tới D và từ S tới PU.Mức năng lƣợng thu thập tại S cũng có tính quyết định tới mức nhiễu tại PU vàkhoảngc á c h c ủ a D t ớ i P T c ũ n g q u y ế t đ ị n h m ứ c n h i ễ u t ạ i D N g h i ê n c ứ u đ ã x á c định đƣợc công thức dạng đóng đối với xác suất dừng hệ thống OP, và khảo sát cáctham số liên quan ảnh hưởng tới xác suất dừng hệ thống Có thể kết luận rằng hiệunăng hệ thống phụ thuộc vào mức ngƣỡng đầu vào máy thu sơ cấp (I p ), vị trí vàcông suất của máy phát sơ cấp và nguồn ngoài PB, đặc biệt là hệ số phân chia thờigian thu thập năng lượng Với mô hình này, luận án đã đề xuất phương thức thuthập năng lượng linh hoạt từ PT và PB để nâng cao hiệu năng hệ thống Đồng thờiđãđềxuấtgiátrịhệ số phânchiathờigiantốiưuđểhiệunănghệthốngtốtnhất.

Khácvớihệthốngthôngthường,việcphântíchđánhgiáxácsuấtdừngcho hệthốngsửdụngkỹthuậtthuthậpnănglƣợngphứctạphơnnhiều.Đểcóđƣợcbiểuthức xác định xác suất dừng hệ thống, Luận án đã đề xuất phương pháp xấp xỉ mớiđể xác định được công thức dạng tường minh cho xác suất dừng hệ thống Để phântích hiệu năng của hệ thống, các nghiên cứu trước đây đều sử dụng kỹ thuật xấp xỉhợp lý ở vùng tỷ lệ trên nhiễu cao dựa trên hàm BesselK Nhƣợc điểm của kỹ thuậtnày là độ sai lệch sẽ tăng nhanh ở vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp, đặc biệt là cácchặng không đối xứng Tại luận án đã đề xuất một kỹ thuật phân tích mới dựa vàophân tích chuỗi của hàm mũ và các kết quả phân tích cho kết quả chính xác hơnphươngpháptruyềnthống.

Luận án đã xây dựng các mô hình mạng sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp,nútmạngsửdụngđaăngten,hệthốnghaichiều,vôtuyếnnhậnthức.Phântíchđán hgiá các mô hình đƣợc xem xét với kênh truyền ƣớc lƣợng không hoàn hảo, kênhtruyền Nakagami-m, truyền song công mang ý nghĩa tổng quát và sát với thực tế.Tuy nhiên, đổi lại sẽ làm phức tạp hơn việc phân tích đánh giá hiệu năng hệ thống.Mặc dù vậy, Luận án đã đƣa ra được các phương pháp phân tích phù hợp để xácđịnh được hiệu năng hệ thống và đƣa ra đƣợc các giá trị tham số tối ƣu để đạt hiệunănghệthốngcaonhất.

Các kết quả nghiên cứu của luận án bao gồm các mô hình hệ thống vô tuyếnsửdụngkỹthuậtthuthậpnănglượngvàphươngphápphântích,đánhgiáhiệunănghệthố ngvôtuyếncóthểứngdụngnhƣ sau:

1 Đã đề xuất một số phương pháp giải tích mới để đánh giá hiệu năng của các hệthống vô tuyến chuyển tiếp sử dụng thu thập năng lượng Các phương pháp nàycó ƣu điểm là phù hợp cho cả vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp và cao và ápdụng cho cả kênh truyền fading Rayleigh và Nakagami-m Các biểu thức toánhọc dạng đóng của xác suất dừng hệ thống có thể sử dụng trong việc thiết kế vàtốiưuhệthốngvôtuyếnthếhệmớisửdụngkỹthuậtthuthậpnănglượng.

2 Đã đề xuất 3 mô hình áp dụng các ƣu điểm của kỹ thuật thu thập năng lƣợng, kỹthuậtchuyểntiếpchophéptăngvùngphủ sóngcũngnhƣnângcaohiệună ngcủa hệ thống thu thập năng lƣợng vô tuyến, có thể ứng dụng cho các mạng cảmbiếnvôtuyếnhayứngdụngcho mạngkếtnốivạnvật(IoT),quảnlýnănglƣợng,cảnhbáothiêntai,phát triểnnôngnghiệpthôngminh.

3 Tối ưu các tham số ảnh hưởng tới hiệu năng hệ thống vô tuyến chuyển tiếp sửdụngkỹthuậttruyềnnănglƣợngvôtuyếnvàthuthậpnănglƣợngvôtuyến.Đƣaracáctha msốtốiưuchogiaothứcthuthậpnănglượngvôtuyếnnhằmnângcaohiệu năng của hệ thống vô tuyến chuyển tiếp Các mô hình đề xuất có thể tănghiệu năng sử dụng phổ tần, kết hợp tận dụng nguồn năng lƣợng từ máy phát vôtuyến công suất lớn sẵn có đối với mạng vô tuyến nhận thức hạn chế về nguồnnănglƣợngcungcấp.

1 Nghiênc ứ u m ô h ì n h m ạ n g c h u y ể n t i ế p m ộ t c h i ề u s ử d ụ n g k ỹ t h u ậ t t h u t h ậ p năng lƣợng tại nút chuyển tiếp và nút chuyển tiếp sử dụng đa ăng ten Với môhình này sẽ làm tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên tần số và năng cao độ tin cậykhi truyền thông tin tới nút đích, kết hợp sử dụng nhiều nguồn ngoài cung cấpnăng lƣợng vô tuyến.Nhƣng đổi lại việc xác định xác suất dừng hệ thống phứctạp hơn nhiều, đòi hỏi những đề xuất mới trong giải tích để tính toán xác suấtdừnghệthống.

2 Nghiên cứu mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật thu thập nănglƣợng tại tất cả các nút mạng, đồng thời kết hợp sử dụng kỹ thuật truyền songcông (Full-Duplex) tại nút chuyển tiếp Với mô hình mạng này sẽ thích hợp vớimạng thông tin vô tuyến thế hệ mới nhƣng việc xử lý nhiễu kênh truyền tại nútchuyển tiếp sẽ rất phức tạp Với các nghiên cứu hiện nay chƣa xác định đượcbiểuthứctường minhcủaxácsuấtdừnghệthống.

3 Nghiên cứu mạng vô tuyến nhận thức có sửd ụ n g k ỹ t h u ậ t t h u t h ậ p n ă n g l ƣ ợ n g vô tuyến với nguồn ngoài ổn định sử dụng đa ăng ten hoặc với số lượng lớn Đâylà mô hình phức tạp nhưng có tính ứng dụng thực tế cao trong tương lai Tuynhiêu, bài toán giải quyết nhiễu vô tuyến giữa các kênh truyền vô tuyến là tươngđốiphức tạp.

1 Võ Nguyễn Quốc Bảo,Nguyễn Anh Tuấn“Ảnh hưởng của kênh truyềnkhông hoàn hảolên hiệu năngc ủ a m ạ n g c h u y ể n t i ế p g i a t ă n g t h u t h ậ p nănglƣợngvôtuyến,TạpchíKhoahọccôngnghệThôngtinvàTruyềnthông,t rang48-α).T/257,Số3(CS.01),2016.