Trang 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT VIỆN KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT CÁC HỆ THỐNG THU NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG CHUYỂN T
HỆ THỐNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG TSR-PSR TRÊN KÊNH TRUYỀN LOG- CHUẨN: PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG
Đ Ề XUẤT MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
Hình 2.1 Mô hình hệ thống giao thức TSR-PSR
Hình 2.1 thể hiện mô hình hệ thống truyền không dây bằng tín hiệu RF bao gồm trạm truyền (BS), một rơ le chuyển tiếp (R) và một trạm nhận thông tin (D) Giả sử không có kênh truyền trực tiếp, giao tiếp truyền thông từ BS-đến-D chỉ có thể được thực hiện thông qua R, với công suất truyền của BS là ! ! Một phần tín hiệu gửi từ BS được thu thập bởi R cho nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin, một phần truyền năng lượng Chúng tôi biểu thị khoảng cách từ BS-đến-R, và từ R-đến-D, tương ứng, với
" " $à " # , và theo hệ số kênh của ℎ " và ℎ # , tương ứng Hệ thống xem xét sử dụng kênh truyền log-normal với mật độ phân phối độc lập và giống hệt nhau (i.i.d.) theo thời gian, với hai biến ngẫu nhiên h 1 2 và h 2 2 với tham số ( 1 1 ) và
LN à s tương ứng với giá trị trung bình là được ký hiệu là và độ lệch chuẩn của được ký hiệu là , '∈{1,2}
Hình 2.2 mô tả cơ chế lai xem xét truyền thông giữa công suất truyền thu năng lượng và khe thời gian xử lý năng lượng và thông tin Giả sử, chúng ta có hai khối thời gian T phục vụ truyền thông giữa các trạm, được chia theo tỉ lệ thời gian truyền với hệ số ) # , thành ) # * và (1 − ) #) * , ) # ∈ 0,1
Trong đó ) # * là thời gian đầu dành cho R nhận tín hiệu từ BS Đặc biệt, chúng tôi chia khoảng thời gian đầu tiên này, công suất truyền tín hiệu từ trạm BS được tách thành hai phần là 1) " ! ! và 1(1 − ) " )! ! , với hệ số công suất là , ) " ∈ [0,1], 5ụ 7ℎể chúng tôi sử dụng đoạn √)" cho việc truyền năng lượng đến rơ-le R bằng sóng RF và đoạn 1(1 − ) " ) để nhận thông tin từ BS Sau đó, trong khoảng thời gian thứ 2 (1 − ) #) *, năng lượng thu được mà chúng ta có ở R được sử dụng để giải mã và chuyển tiếp tín hiệu qua liên kết BS-đến-D Bên cạnh đó, chúng tôi giả định rằng công suất xử lý của R bị bỏ qua vì nó tương đối nhỏ so với công suất truyền từ R-đến-D [11], [39]
Hình 2.2 Cấu trúc phân chia tỷ lệ theo giao thức TSR-PSR
P HÂN TÍCH HIỆU SUẤT
Trong khối thời gian thứ nhất, chúng ta có tín hiệu được truyền từ BS đến R để giải mã như sau
(2.1) trong đó, chúng tôi chuẩn hóa tín hiệu truyền từ BS và ký hiệu nó bằng : % , m ký hiệu của số mũ mất mát path-loss trên đường truyền, m ≥ 2, ; & là hệ số nhiễu tại trạm rơ-le
Sau đó, tín hiệu nhận được cho truyền năng lượng chuyển tiếp đến rơ-le trong khe thời gian đầu tiên là
(2.2) trong đó, < ký hiệu là hiệu suất chuyển hóa năng lượng với < ∈ (0,1)
Trong khoảng thời gian thứ 2, chúng ta có tín hiệu truyền từ R đến D với công suất tại rơ-le R được tính lại là
(2.3) Sau quá trình xử lý và khuếch đại tín hiệu tại R, tín hiệu phát thông tin từ R là
(2.4) trong đó chúng ta có độ lợi R, của hệ thống truyền tín hiệu HD-AF là
(2.5) Từ (5), chúng ta có công thức tín hiệu nhận được tại D là
Tiếp theo, chúng tôi thay thế (2.3) và (2.5) vào (2.6) để xem xét tỷ lệ tín hiệu truyền thông trên nhiễu (SNR) tại D là
Bây giờ, đánh giá hiệu suất của hệ thống bằng cách phân tích tốc độ truyền có thể đạt được, cụ thể là tỷ lệ số bit được truyền đi hoặc xử lý trong mỗi đơn vị thời gian (bps/Hz) và xác suất dừng truyền hệ thống
2.2.1 Tốc độ truyền có thể đạt:
Chúng tôi xem xét tốc độ truyền dữ liệu có thể đạt được ở trạm nhận tín hiệu cuối cùng D là
(2.8) trong đú tỉ lệ ẵ là do chỳng ta xem xột hệ thống truyền nhận ở chế độ truyền bỏn song
Dựa trên tốc độ truyền dữ liệu tức thời giảm xuống dưới tốc độ truyền (bps/Hz) với ngưỡng giá trị được chỉ định trước Chúng ta có xác suất dừng truyền hệ thống OP tại D giao thức AF PSR-TSR cho kênh truyền log-normal như sau:
(2.9) với , và hàm xác suất được ký hiệu là Pr Để dễ dàng tính toán bằng công thức toán học, chúng tôi đề xuất xác suất dừng truyền OP có thể được viết lại như sau
Vui lòng xem chứng minh tại Phụ lục A.
K ẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Trong phần này, chúng tôi nghiên cứu tỉ lệ ảnh hưởng của hệ thống bởi yếu tố tác động là tỉ lệ thời gian truyền TS, và tỉ lệ phân chia công suất PS, tín hiệu truyền/nhiễu SNR, xác suất dừng truyền OP của hệ thống lai giao thức PSR-TSR qua kênh truyền log-normal thông qua kết quả mô phỏng Monte Carlo của các biểu thức suy ra trước đó
Thông số hệ thống trong các mô phỏng được trình bày tại Bảng 2.1
10 ln( ( )) 2 ln( ) 2 ln ln(10) ln(10)
Bảng 2.1 Thông số mô phỏng hệ thống PSR-TSR
Ký hiệu Giá trị Ký hiệu Giá trị
Hình 2.3 và Hình 2.4 mô tả xác suất dừng truyền OP của giao thức PSR-TSR bị ảnh hưởng bởi hệ số phân chia theo khe thời gian TS, và hệ số phân chia của công suất PS Cụ thể, hình 2.3 cho ta thấy nếu thay đổi giá trị phân chia khe thời gian theo giao thức TSR, chúng ta sẽ thu được đường cong OP thấp nhất mang lại hiệu suất hệ thống tốt nhất Điều thú vị là tất cả các đường cong trong Hình 2.3 đều đạt đến giá trị tối ưu
Mặt khác, như minh họa trong Hình 2.4, đối với đường cao nhất (OP gần về 1) cho thấy hiệu suất hệ thống sẽ kém nhất Các giá trị phân chia theo tỉ lệ công suất truyền tối ưu cho các đường cong trong Hình 2.4 phân bố từ 0,7 đến 0,9 Một đặc điểm rõ ràng khác cho cả hai số liệu là khi các yếu tố tác động là tỉ lệ thời gian truyền TS, và tỉ lệ phân chia công suất PS tiếp cận bằng không hoặc bằng một, chúng ta có xác suất dừng truyền ngừng hoạt động 100% Điều này là do khi và quá nhỏ hoặc quá lớn trong khe thời gian thứ nhất, công suất phát từ quá trình thu năng lượng trong khe thời gian thứ hai trở nên không đủ hoặc lớn không cần thiết dẫn đến dung lượng hệ thống kém, [28]
Hình 2.3 Hiệu suất dừng truyền với tỉ lệ khe thời gian
Hình 2.4 Hiệu suất dừng truyền với tỉ lệ phân chia công suất
Bên cạnh đó, Hình 2.5 và Hình 2.6 vẽ biểu đồ xác suất dừng truyền OP so với tỉ lệ SNR, tương ứng các điều kiện chuyển khe thời gian và công suất khác nhau, tức là () # = 0.3, ) " = 0.5), () # = 0.3, ) " = 0.3), () # = 0.5, ) " = 0.3) và hai giá trị tốc độ truyền dữ liệu, F ' = 2 (bps/Hz), and F ' = 4 (bps/Hz)
Nhìn chung, chúng ta có thể thấy rằng OP giảm khi SNR tăng Sơ đồ PSR-TSR với tác động của hệ số phân chia khe thời gian cao hơn hoạt động tốt hơn Ngoài ra, OP trở nên thấp hơn khi tốc độ truyền tăng lên do công suất cho truyền năng lượng đến trạm chuyển tiếp R và thời gian truyền giảm ở khe thứ 2 theo tài liệu [11] Nói chung, kết quả mô phỏng và lý thuyết phù hợp với nhau
Hình 2.5 Xác suất dừng truyền với SNR trong điều kiện khe thời gian và công suất
Hình 2.6 Xác suất dừng truyền với SNR ảnh hưởng bởi tốc độ truyền dữ liệu
K ẾT LUẬN CHƯƠNG
Trong chương 2 này nghiên cứu một giao thức PSR-TSR trong mạng chuyển tiếp EH AF hợp tác với kênh truyền log-normal, nhằm đánh giá và phân tích tác động các yếu tố giao thức TSR và PSR ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống, như xác suất dừng truyền OP Từ kết quả mô phỏng, chúng tôi có thể kết luận rằng sơ đồ PSR-TSR vượt trội hơn hẳn so với sơ đồ chỉ xem xét độc lập ảnh hưởng của giao thức PSR và TSR trong mạng chuyển tiếp EH AF hợp tác với kênh truyền log-normal Hơn nữa, chúng tôi chứng minh rằng hiệu suất hệ thống có thể được nâng lên cùng với sự gia tăng của hệ số EH TS và giảm tốc độ truyền dữ liệu.
LỰA CHỌN RƠ-LE TRONG MẠNG CẢM BIẾN KHÔNG DÂY THU THẬP NĂNG LƯỢNG: PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG HOẠT ĐỘNG CHUNG HỆ THỐNG
G IỚI THIỆU MÔ HÌNH
Hình 3.1 Mô hình mạng lựa chọn rơ-le
Hình 3.1 bên dưới mô tả sơ dồ mạng cảm biến không dây thu hoạch năng lượng một điểm nhận (D), sơ đồ đề xuất thiết lập điển hình và thích hợp để nghiên cứu các tác động của sơ đồ RS hoạt động trong mạng không dây tương tự như đã được nghiên cứu trong [44], [45] Ngoài ra, kịch bản mở rộng vùng phủ sóng của chúng tôi được giả định giao tiếp giữa (S) và (D) được thực hiện với sự trợ giúp của các rơ-le trung gian [46], [47]
Mỗi thiết bị đầu cuối biết trước thông tin trạng thái kênh (CSI) của chính nó
Nguồn phát (S) được cung cấp bởi nguồn điện ổn định ! * và mọi (R) được cung cấp bởi pin ! & cùng với mô-đun thu hoạch năng lượng EH Tạp âm Gaussian (AWGN) tại các nút (F ) ) và (D) với phương sai L '
Trên thực tế, khoảng cách từ (S) đến (F ) ), (F ) ) đến (D), và (S) đến (D) được ký hiệu bằng M +& ! , M & ! , $à M +, Hệ số kênh tương ứng của chúng là " *, , " ,/ $à " *,/ Căn cứ theo các nghiên cứu của nhóm tác giả Laourine và cộng sự [48] và Mellios và cộng sự [49], (S) và (D) là được quy định bởi chế độ truyền HD và (R)s là sử dụng chế độ truyền FD Kỹ thuật thiết lập FD gây ra kênh nhiễu vòng lặp " , cho hệ thống Trong quá trình giao tiếp, được chia thành các khe thời gian, rơle thứ i, F ) (F ) ∈ N) được chọn theo sơ đồ lựa chọn rơ-le tối ưu (RS) để giúp truyền thông tin Trong một khối tín hiệu, tín hiệu truyền dải hẹp tại (S) được ký hiệu là :(7), (F ) ) có giá trị trung bình bằng 0 với trung bình thống kê được ký hiệu là O[|:(7)| # ] = 1
Chúng tôi giả sử các biến ngẫu nhiên (RV) được phân phối độc lập và giống hệt nhau (i.i.d) theo mật độ phân phối log-normal là " *, # , " ,/ # và " *,/ # , liên kết với các tham số ℒRS2ω 0 ",$ , 4Ω 0 # ",$ V, ℒRS2ω 0 $,% , 4Ω 0 # $,% V và ℒRS2ω 0 ",% , 4Ω 0 # ",% V, tương ứng
Bên cạnh đó để mô tả đặc tính của hệ thống FD, kênh nhiễu vòng lặp i.i.d theo phân phối log-normal " , # với cường độ nhiễu vòng lặp được cung cấp bởi tham số ℒRS2ω 0 $,$ , 4Ω 0 # $,$ V
3.1.1 Mô hình liên kết trực tiếp độc lập
Xem xét một giao thức truyền trực tiếp, trong đó (S) truyền thông tin trực tiếp tới (D) mà không cần bất kỳ sự hỗ trợ nào (R) trong LPEH WSN được xác định và điều tra Định nghĩa 1 Trong giao thức truyền trực tiếp, liên kết trực tiếp (S) - (D) là lựa chọn duy nhất Vì vậy, nó sẽ sử dụng tất cả các khe thời gian từ khối tín hiệu để truyền dữ liệu
Sử dụng giao thức truyền trực tiếp, dung lượng tổng thể (S) - (D) đối xứng, có thể đạt được với giá trị trung bình bằng 0
/ ",% ( \, (3.1) trong đó m là hệ số mũ suy hao đường truyền, và W là tần số băng thông
Trong nghiên cứu này, xem xét chỉ số để đánh giá hiệu suất của hệ thống tập trung đánh giá xác suất dừng truyền dung lượng tức thời Đây là xác suất mà dung lượng tức thời giảm xuống dưới ngưỡng cho trước bit trên mỗi kênh sử dụng (BPCU) là F ' $à !]^N *,/ < F ' ` Ở đây, hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân phối tích lũy (CDF) của biến ngẫu nhiên độc lập X trong phân phối log-normal tương ứng được tính bằng a 4 (b) = 1 − c(
Sử dụng CDF của j" *,/ j # trong (3.1), xác suất dừng truyền tức thời cho giao thức truyền trực tiếp có thể được biểu thị như
#: ",% \, (3.4) trong đó ξ =
