Bài báo khảo sát xác suất dừng của mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều có thu hoạch năng lượng vô tuyến sử dụng kỹ thuật phân chia theo thời gian và giao thức đa huy cập phi hực giao.. Bê
Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH YSC5.F125 KHẢO SÁT HIỆU NĂNG MÔ HÌNH THU HỌẠCH NĂNG LƯỢNG VÔ TUYỂN TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIÈŨ sử DỤNG KỸ THUẬT PHÂN CHIA THEO THỜI GIAN VÀ ĐA TRUY CẶP PHI TRựC GIAO ĐÀO THỊ THU THUỶ1’, NGUYỄN ĐÕ NHẬT HUY1, ĐINH TRÍ1 }Khoa Công nghệ Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Thành phổ Hồ Chỉ Minh *daothithuthuy@iuh edu.vn Tóm tắt Bài báo khảo sát xác suất dừng của mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều có thu hoạch năng lượng vô tuyến sử dụng kỹ thuật phân chia theo thời gian và giao thức đa huy cập phi hực giao Mô hình gồm hai nguồn và một thiết bị chuyển tiếp giải mã-và-chuỵển tiếp ở chế độ bán song công với kênh huyền Rayleigh fading Quá trình huyền nhận tín hiệu và biểu thức toán học của xác suất dừng của hai nguồn được phân tích Bên cạnh đó, phương pháp mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để khảo sát xác suất dừng của hệ thống theo tỉ lệ tín hiệu hên nhiễu, tỉ lệ phân chia thời gian và các thông số khác để thấy được ảnh hưởng của các thông số này lên hiệu năng của hệ thống Kết quả cho thấy xác suất dừng giảm khi tỉ lệ công suất tín hiệu hên nhiễu tăng và tùy theo vị hí của thiết bị chuyển tiếp có thể xác định được hệ số phân bổ công suất để tăng tính công bằng hong quá hình truyền nhận thông tin của hai nguồn Từ khóa Thu hoạch năng lượng vô tuyến, Mạng hợp tác hai chiều, Đa huy cập phi hực giao PERFORMANCE ANALYSIS OF AN ENERGY HARVESTING MODEL IN A TWO- WAY RELAY NETWORK USING TIME SPLITING AND NON-ORTHOGONAL MULTIPLE ACCESS TECHNIQUES Abstract In this article, we investigate the wireless power hansfer harvesting of a two-way relay network using time splitting and non-orthogonal multiple access techniques The model used in the article consists of two sources and a decode-and-forward (DF) relay in a half-duplex mode with Rayleigh fading channel The signal hansmission process and die mathematical expression of the outage probability of two sources are analyzed In addition, die Monte-Carlo simulation method is used to investigate the outage probability of the system according to die signal-to-noise ratio, time division ratio and other parameters to see the influence of these parameters The results show that die outage probability decreases as the signal-to-noise ratio increases Besides depending on the location of die relay, the power allocation factor can be determined to increase the fairness of die two sources Keywords Energy Harvesting, Two-Way Relay Network, Non-Orthogonal Multiple Access 1 GIỚI THIỆU Ngày nay, ứng dụng truyền không dây ngày càng phát hiển và yêu cầu về nguồn năng lượng để duy hì hoạt động của các thiết bị cũng ngày càng tăng Việc sử dụng nguồn năng lượng thông thường như pin để cung cấp điện cho các thiết bị này không chỉ tốn kém mà còn tiềm ẩn những rủi ro khi phải thay thế pin khi nó cạn kiệt Đe giải quyết vấn đề này, phương pháp thu thập năng lượng tái tạo đã được áp dụng Ngoài việc tận dụng các nguồn năng lượng xanh như gió, mặt hời, tín hiệu vô tuyến (RF) có thể được coi là một nguồn năng lượng tiềm năng hiện có trong môi trường xung quanh chúng ta [1] Phương pháp thu hoạch năng lượng vô tuyến và truyền tín hiệu đồng thời rất phù hợp cho các hệ thống loT có nguồn tài nguyên hạn chế và nguồn năng lượng thấp [2] Đồng thời để tăng hiệu năng huyền thông giúp mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ lợi phân tập không gian, các mạng vô tuyến hợp tác hai chiều được nghiên cứu nhiều hong các năm gần đây [3] Đồng thời kết hợp kĩ thuật đa truy cập phị trực giao (NOMA) để hỗ hợ huyền thông giúp tăng tính © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 267 Hội nghị Khoa học trẻ lần 5 nám 2023(YSC2023)-ỈUH công bằng giữa các thiết bị nhận ở gần rà ở xa và tăng dung lượng hệ thống [4], NOM A trong mạng hợp tác hai chiều gồm NOM A đường xuống rà NOM A đường lên Trong NOM A đưòng xuống [5], tại nguồn phát tồng hợp các tín hiệu bằng mã hóa xếp chồng với tỉ lệ công suất truyền khác nhau, phân bổ công suất cao hơn cho thiết bị có điều kiện kênh truyền yếu (hay ở xa nguồn phát) và công suất thấp hon cho các thiết bị thu có đỉều kiện kênh truyền tốt hơn (hay ở gần nguồn phát hơn) Các thiết bị thu sẽ sử dụng kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự để giải mã tín hiệu Có hai phương pháp thu hoạch năng lương vô tuyến là phân chia theo năng lượng và phân chia theo thời gian [6], Trong bài [7] phân tích mô hình mạng hợp tác hai chiều có thu hoạch năng lượng theo phương pháp phân chia theo năng lượng và sử dụng kỹ thuật mã hóa mạng số Tiếp theo các xu hướng nghiên cứu trên với mục đích nâng cao hiệu năng mạng, tăng tính công bằng cho các thiết bị thu và dùng nguồn năng lượng xanh Trong bài báo này các tác giả đề xuất mô hình thu hoạch năng lượng vô tuyến trong mạng hợp tác hai chiều sử dụng phương pháp phân chia theo thời gian và sử dụng kỹ thuật NOMA đường xuống tại thiết bị chuyển tiếp Quá trình truyền nhận tín hiệu và xác suất dừng của của hai nguồn được phân tích và sử dụng mô phỏng để đánh giá hiệu năng của mô hình theo các thông số của hệ thống 2 MÔ HÌNH NGHIÊN cứu ỉ^lb&s^tiìứ,ĩtbổ!j - *■ Khethffi'gimthi'ehai: — — — — — — ► Khe thòi sign thứ tư: — - - ■ —► Hình 1 Mô hình hệ thống Mô hình hệ thống gồm hai nguồn (Sị, Sỉ) và một thiết bị chuyển tiếp (R) Hai nguồn (Sĩ, Sỉ) truyền tín hiệu ,Ấ2 tương ứng cho nhau thông qua R và không có đường truyền trực tiếp giữa hai nguồn Khoảng cách chuẩn hóa từ Si, Sỉ đến R lần lượt là dì, dỉ với dĩ + íè =1 Giả sử nguồn Sỉ gần thiết bị chuyển tiếp hơn nguồn Sz nghĩa là di F(x) = ỉ-eMi với \ =đ~? và/? là hệ số mũ suy hao đường truyền Ạ Quá trình truyền nhận tín hiệu diễn ra trong bốn khe thời gian được mô tả trong Hình 2 Trong khe thời gian đầu chuyển tiếp thu hoạch năng lượng từ hai nguồn, hai khe thời gian tiếp theo chuyển tiếp lần lượt nhận và giải mã tín hiệu từ hai nguồn và ở khe thòi gian cuối cùng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật NOMA để truyền tín hiệu thu được về hai nguồn với công suất phát đã thu được trong khe thời gian thứ nhất Trong bài báo này giả sử thời gian của ba khe thời gian đầu bằng nhau và a (với 0 < a < 1 / 3) là hệ số phân chia khe thời gian. _ ơT Ơ.T Ơ.T (1-3CỘT EH >R -*1 >R S2 X2 >R r—^s1,s2 s2 EH >R T Hình 2 Sơ đồ thu hoạch năng lượng và truyền nhận tín hiệu của mô hình 268 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH 2.1 Quá trình thu hoạch năng lượng và truyền nhận dữ liệu - Khe thời gian thứ nhất: Năng lượng thu hoạch được của chuyển tiếp từ hai nguồn lần lượt là: E^r/P^ aT (1) E2 =77F|/z2|2arZ (2) Trong đó 77 là hệ số chuyển đổi năng lượng (0 < ĨỊ < 1) Từ công thức (1) và (2) ta có tổng năng lượng thu tại chuyển tiếp là: E = El +E2 = ĩịP^^2 aT +ĩ]P\h^ aT = rịPaT^h^ + |/z212 j (3) - Khe thời gian thứ hai: Tín hiệu nhận được và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu để giải mã tín hiệu được tại (4) chuyển tiếp lần lượt là: yR'=4Php^+nR- rSxi=^- = r\hi\ ■ (5) p AT Trong đó Ỵ = ——, ỉlR là nhiễu trắng với giá trị hung bình bằng 0 và phương sai 2V 0 No - Khe thòi gian thứ ba: Tín hiệu nhận được và tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu để giải mã tín hiệu X) được tại chuyển tiếp lần lượt là: Tz = 4Ph2x2+nR (6) _p2|/z2|2 _ , |2 ~ ^1^1 ■ (7) 7rx2 ~ - Khe thời gian thứ tư: Thiết bị chuyển tiếp R dùng năng lượng thu được trong khe thời gian thứ nhất để truyền tín hiệu thu được ở hai khe thời gian thứ 2 và thứ 3 về hai nguồn Công suất phát của thiết bị chuyển tiếp là: p Thiết bị chuyển tiếp sử dụng kĩ thuật NOMA đường xuống nên sẽ phân chia công suất lớn hơn cho nguồn ở xa và công suất nhỏ hơn cho nguồn ở gần Tín hiệu N được huyền từ R tới nguồn xa s\ vó’i công suất (ự và tín hiệu x2 được truyền từ R tới nguồn gần s với công suất a2PR Trong đó là hệ số phân chia công suất với Oy + a2 = 1 và Cly> [8] Tín hiệu nhận được tại nguồn s : Js = ylaỉ^jỉKxỉ +\la2^nKx2 + ỉỉs ■ (9) Trong đó ns là nhiễu trắng với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai ,\' Theo nguyên lý xử lý tín hiệu của kỹ thuật NOMA, nguồn Sj sẽ giải mã tín hiệu Xl hước do công suất huyền của tín hiệu này lớn hơn và xem x2 là nhiễu Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu để giải mã tín hiệu X1 là: © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 269 Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH Sau khi giải mã X1 nguồn sẽ hừ đi thành phần chứa Xị trong công thức (9), sau đó %2 được giải mã Tỉ lệ tín hiệu hên nhiễu để giải mã tín hiệu x2 là: (11) Tín hiệu nhận được tại s2: í2>2 = JIfcL1PjAfh^zx.1 z A z z +nOv (12) Nguồn s2 sẽ giải mã tín hiệu Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu để giải mã tín hiệu là: ^/(I^r+krjki2 (13) 2.2 Phân tích xác suất dùng của hệ thống 2.2.1 Xác suất dùng tại nguồn Sj Hiện tượng dừng hoạt động tại nguồn Sj xảy ra khi R không giải mã đc x2 hoặc R giải mã được x2 nhưng Sj không giải mã được và giải mã được Xl nhưng không giải mã được x2 Và thiết bị không giải mã được tín hiệu khi tỉ lệ tín hiệu hên nhiễu nhỏ hơn giá trị ngưỡng V Xác suất dừng của nguồn Sj như sau: OPSỈ = ^^2 < ĨT^ + ” ĨT' Zsixl < ĨT ] +Pr|-rAx2 “ ĨT' Zsixl “ rr’rsix2 < ĨT ] 2.2.2 Xác suất dùng tại nguồn y Hiện tượng dừng hoạt động tại nguồn S2 xảy ra khi R không giải mã được hoặc R giải mã được X nhưng không giải mã được Vị Xác suất dừng của nguồn S1 như sau: ops2 - - 'T^ + Prí - rT 1 270 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH 3 MÔ PHỎNG VÀ NHẶN XÉT Trong tất cả các hình các thông số mô phỏng được chọn như sau: /3 = 3, ỵT = 1, d2 = i-d^ «2 = 1 - ữp /7 = 0.8 Đường màu đỏ là xác suất dừng của nguồn s và đường màu xanh là xác suất dừng của nguồn s2 Hình 3 Xác xuất dừng của hai nguồn theo p ỉ Nữ với 2 giá trị khoảng cách dx - {0.2,0.4} Hình 3 biểu diễn xác suất dừng của hai nguồn theo tỉ lệ công suất phát trên nhiễu p / Nq (dB) với hệ số phân chia thời gian a = 0.25 (nghĩa là bon khe thời gian bằng nhau), dỵ = {0.2,0.4} và aỵ = 0.6 Quan sát Hình 3 ta thấy xác suất dừng của cả hai nguồn đều giảm khi p / Nữ tăng và ở vùng p/ NQ 0 dB- Xác suất dừng của nguồn S2 nhỏ hơn của xác suất dừng của nguồn Sỉ Khi chọn hệ số phân bố công suất phù hợp tùy theo khoảng cách giữa thiết bị chuyển tiếp và các nguồn, thì xác suất dừng của hai nguồn sẽ ít chênh lệch hơn có nghĩa là tăng tính công bằng cho người dùng ở gần và người dùng ở xa Hình 4 Xác xuất dừng của hai nguồn theo p/ Nữ với a = {0.1,0.2,0.3} Hình 4 biểu diễn xác suất dừng của hai nguồn theo p INữ (dB) với dx = 0.4, Oị =0.6 và các hệ số phân chia thời gian thay đổi a = {0.1,0.2,0.3} • Quan sát Hình 4 ta thấy cũng như hình 3, xác suất dừng của hai nguồn © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 271 Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH cùng giảm khi p / N tăng Bên cạnh đó giá trị a thay đổi cũng ảnh hưởng đến xác suất dừng của hệ thống, với bộ thông số đã chọn thì ct càng tăng thì xác suất dừng của hai nguồn càng giảm Tuy nhiên ảnh hưởng của cc đến xác suất dừng của nguồn S2 nhiều hơn so với nguồn s Khi hệ số a quá nhỏ thì thời gian thu thập năng lượng ít dẫn đến năng lượng để phát tín hiệu trong khe thời gian thứ 4 sẽ nhỏ Tuy nhiên (Ắ không vượt quá 1/3 để đảm bảo tồn tại khe thời gian thứ tư để huyền tín hiệu từ thiết bị chuyển tiếp về hai nguồn 4 KÉT LUẬN Bài báo đã được thực hiện khảo sát về mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng thu hoạch năng lượng vô tuyến và kỹ thuật phân chia theo thời gian, kết hợp với giao thức đa truy cập phi trực giao Đánh giá xác suất dừng của hệ thống và ảnh hưởng của các yếu tố như tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu, tỉ lệ phân chia thời gian đã được thực hiện Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng xác suất dừng giảm khi tỉ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu tăng Đồng thời, nhờ phân tích vị hí của thiết bị chuyển tiếp, ta có thể tìm được hệ số phân bổ công suất thích hợp để đảm bảo tính công bằng trong quá hình truyền nhận thông tin từ hai nguồn tín hiệu Từ những kết quả này, ta có thể nhận thấy tầm quan trọng của việc cân nhắc tỉ lệ phân chia khe thời gian và tỉ lệ phân chia công suất theo vị hí của thiết bị chuyển tiếp trong mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều Điều này cung cấp thông tin quan trọng để thiết kế và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống huyền thông không dây sử dụng thu hoạch năng lượng vô tuyến và kỹ thuật phân chia theo thời gian cùng giao thức đa huy cập phi hực giao Các kết quả này có thể đóng góp vào việc phát hiển các hệ thống truyền thông không dây hiệu quả và đáng tin cậy trong tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I Ahmed, M M Butt, c Psomas, A Mohamed, I Krikidis, andM Guizani, "Survey onenergy harvesting wireless communications: Challenges and opportunities for radio resource allocation," Computer Networks, vol 88, pp 234- 248, 2015 [2] M A Hossain, R M Noor, K.-L A Yau, I Ahmedy, and s s Anjum, "A survey on simultaneous wireless information and power transfer with cooperative relay and future challenges," IEEE access, vol 7, pp 19166-19198,2019 [3] p N Son and T T Duy, "A new approach for two-way relaying networks: improving performance by successive interference cancellation, digital network coding and opportunistic relay selection," Wireless Networks, vol 26, no 2, pp 1315-1329, 2020 [4] T Đ Hưng, V M Hảo, Đ T T Thủy, N T Luân, and p T Tín, "Nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều dùng noma và lựa chọn chuyển tiếp," Tạp chí Khoa học và Công nghệ, vol 57, pp 45-52, 2022 [5] L Dai, B Wang, Y Yuan, s Han, I Chih-Lin, and z Wang, "Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends," IEEE Communications Magazine, vol 53, no 9, pp 74-81, 2015 [6] H N Huy, N T Hải, Đ T T Thủy, N T Luân, and p T Tín, "Thu thập năng lượng trong mạng hợp tác đa truy cập phi trực giao có đường truyền hực tiếp," in Hội nghị Khoa học trẻ lần 3 năm 2021 (YSC2021) - IUH, HCM 2021, pp 213-220: Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh [7] Nguyễn Linh Tâm, Đỗ Ngọc Thanh, and Đ T T Thủy, "Phân tích xác suất dừng của mạng hợp tác hai chiều có thu hoạch năng lượng vô tuyến và kỹ thuật mã hóa mạng số," in Hội nghị Khoa học hẻ lần 4 năm 2022 (YSC2022) Đại học Công nghiệp Tp Hồ Chí Minh, Ho Chi Minh city, Vietnam., 2022, pp 170-177 272 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh Hội nghị Khoa học trẻ ỉần 5 năm 2023(YSC2023)-ỈUH [8] X Wang, M Jia, I W.-H Ho, Q Guo, andF c Lau, "Exploiting full-duplex two-way relay cooperative non-orthogonal multiple access," IEEE Transactions on Communications, vol 67, no 4, pp 2716-2729, 2018 © 2023 Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh 273