Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng

ĈҤI HӐC QUӔC GIA TP.HCM

75ѬӠ1*ĈҤI HӐC BÁCH KHOA -

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS HÀ HOÀNG KHA

Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS NGUYỄN ĐÌNH LONG (Trường Đại học Đồng Nai)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 20 tháng 01 năm 2021

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 GS.TS LÊ TIẾN THƯỜNG (Chủ tịch)

2 TS VÕ QUẾ SƠN (Thư ký)

3 TS NGUYỄN ĐÌNH LONG (Phản biện 1) 4 PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN (Phản biện 2) 5 PGS.TS ĐỖ HỒNG TUẤN (Ủy viên)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĈҤ,+Ӑ&48Ӕ&*,$73+&0

75ѬӠ1*ĈҤ,+Ӑ&%È&+.+2$

&Ӝ1*+Ñ$;­+Ӝ,&+Ӫ1*+Ƭ$9,ӊ71$0 ĈӝFOұS- 7ӵGR- +ҥQKSK~F

1+,ӊ09Ө/8Ұ19Ă17+Ҥ&6Ƭ

+ӑWrQKӑFYLrQ1JX\ӉQĈ{Q MSHV:1870329 1Jj\WKiQJQăPVLQK27/04/1995 1ѫLVLQKKhánh Hoà Chuyên ngành: ӻWKXұWYLӉQWK{QJ 0mVӕ : 8520208

I 7Ç1Ĉӄ7¬,

7LӃQJ9LӋW : 0ҥQJFKX\ӇQWLӃSY{WX\ӃQQKұQWKӭFFyWKXWKұSQăQJOѭӧQJ 7LӃQJ$QK : Cognitive Relay Systems with Wireless Energy Harvesting

II 1+,ӊ09Ө9¬1Ӝ,'81*

1 1JKLrQFӭXPҥQJ FKX\ӇQWLӃSY{WX\ӃQQKұQWKӭFFyWKXWKұSQăQJOѭӧQJ 2 3KiWWULӇQJLҧLWKXұWWӕLѭXKRiWӕFÿӝELWFӫDQJѭӡLGQJ

3 ;k\GӵQJFKѭѫQJWUuQKP{SKӓQJÿiQKJLiNӃWTXҧJLҧLWKXұWWӕLѭX

III 1*¬<*,$21+,ӊ09Ө : 21/09/2020

IV 1*¬<+2¬17+¬1+1+,ӊ09Ө: 03/01/2021 V &È1%Ӝ+ѬӞ1*'Ү1: PGS.TS Hà Hoàng Kha

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn, Học viên đã nhận được sựđịnh hướng, giúp đỡ, các ý kiến đóng góp quý báu và những lời động viên của cácnhà khoa học, các thầy cô giáo, các đồng nghiệp và gia đình.

Trước hết, Học viên xin bày tỏ lời cảm ơn tới các thầy PGS.TS Hà Hoàng Kha đãtận tình hướng dẫn và giúp đỡ trong quá trình nghiên cứu Thầy đã truyền thụ cáckiến thức và kinh nghiệm về lĩnh vực xử lý số tín hiệu, toán tối ưu và trí tuệ nhântạo trong ngành điện tử-viễn thông Những kiến thức và kinh nghiệm này tạo nênniềm cảm hứng cho học viên trong quá trình vận dụng kiến thức để giải quyết nhữngvấn đề trong khoa học và trong cuộc sống một cách tối ưu nhất.

Cho phép Học viên chân thành cảm ơn các thầy cô của trường Đại học Bách KhoaTPHCM đã có các góp ý quan trọng và quý báu cho Học viên trong quá trình thựchiện luận văn này.

Cuối cùng Học viên bày tỏ lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, gia đình, bạn bè đãluôn động viên, chia sẻ, ủng hộ và giúp đỡ Học viên vượt qua khó khăn để đạt đượcnhững kết quả nghiên cứu trong luận văn này.

Nguyễn Đôn

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Sự phát triển mạnh mẽ của các hệ thống mạng di động, đặc biệt là mạng 5G, đãlàm cho số lượng trạm gốc và thiết bị vô tuyến tăng nhanh chóng Lưu lượng di độngtừ trạm gốc và các thiết bị di động đã gia tăng nhanh trong những năm gần đây Sựgia tăng đáng kể của lưu lượng di động làm cho các nhà thiết kế phải quan tâm đếnvấn đề sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên tần số, tăng hiệu suất năng lượng và tăngđộ tin cậy của thông tin vô tuyến Công nghệ vô tuyến nhận thức ra đời cho phépcác trạm gốc và thiết bị vô tuyến tái sử dụng tài nguyên tần số cho hiệu quả, bêncạnh đó kỹ thuật chuyển tiếp cho phép mở rộng phạm vi truyền sóng và tăng độ tincậy của dữ liệu, kỹ thuật thu thập năng lượng giúp kéo dài thời gian hoạt động củathiết bị, qua đó giúp cải thiện tốc độ dữ liệu và hiệu suất năng lượng trong mạng diđộng Do đó, luận văn sẽ nghiên cứu về Mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thứccó thu thập năng lượng.

Luận văn tập trung thiết kế khối tiền mã hóa tại trạm gốc và khối tiền mã hóa tạinút chuyển tiếp nhằm cực đại hoá tốc độ bit của các người dùng trong mạng chuyểntiếp vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng với các điều kiện ràng buộc ràngbuộc cho trước Bài toán tối ưu hệ thống được xây dựng là bài toán tối ưu phi tuyến,không lồi nên rất khó để có thể đưa ra lời giải chính xác bằng các lý thuyết tối ưulồi Do đó, luận văn đã phát triển giải thuật dựa vào hành vi bầy đàn để giải quyếtbài toán phức tạp này, giải thuật dựa vào hành vi bầy đàn được sử dụng là giải thuậtcá voi săn mồi tối ưu Cuối cùng, luận văn thực hiện các mô phỏng với số liệu cụ thểđể kiểm chứng và đánh giá hiệu năng của Mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức cóthu thập năng lượng.

The significant development in mobile networks, especially 5G wireless networks,has resulted in a rapid increase in the number of base stations and wireless equipmentin wireless communication systems Mobile traffic generated from base stations andmobile devices is significantly increasing in recent years The rapid growth of mobiletraffic has made the network designers considering the solutions for efficiently reusingfrequency resource, improving the energy efficiency and increasing the reliability ofwireless information The cognitive radio technologies allow the base stations and thewireless devices to reuse the frequency resources efficiently while the relay technologiesallow to expand the transmission range and increase the data reliability, and theenergy harvesting helps extend the life time for telecommunication devices, therebyhelping to improve the channel capacity and the energy efficiency performance inmobile networks Therefore, the master thesis studies on Cognitive relay systemswith wireless energy harvesting.

The master thesis focuses on the design of the precoders at the base station and theprecoders at the relay node to maximize the channel capacity of users in the cognitiverelay systems with wireless energy harvesting while the optimal solution must satisfythe given system constraints The system optimization problems are nonlinear andnon-convex optimization and, thus, it is difficult to provide a globally optimal solutionby the convex optimization theories Therefore, the master thesis has developed a newalgorithm based on swarm-based algorithms to solve these complex problems The newalgorithm based on swarm-based algorithms is the whale optimization algorithm.Finally, the master thesis conducted numerical simulations with specific models toverify and evaluate the performance of cognitive relay systems with wireless energyharvesting.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận văn là công trình nghiên cứucủa tôi dưới sự hướng dẫn của các cán bộ hướng dẫn Các dữ liệu, kết quả trìnhbày trong luận văn hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong các công trìnhtrước đây Các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ Tôi xin hoàn toàn chịutrách nhiệm đối với các công trình của mình.

TP Hồ Chí Minh, Ngày 20 tháng 1 năm 2021

Nguyễn Đôn

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

CHƯƠNG 1.GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 11.1 Giới thiệu về lưu lượng di động 5G 1

1.1.1 Tổng quan về lưu lượng di động 1

1.1.2 Dự báo về tăng trưởng dữ liệu di động 3

1.2 Tổng quan về sử dụng năng lượng 6

1.2.1 Trạm gốc - Base stations 6

1.2.2 Thiết bị đầu cuối 8

1.3 Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài nghiên cứu 10

1.3.1 Tính cấp thiết 10

1.3.2 Lý do chọn đề tài 11

1.4 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu 11

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 12

1.6 Phương pháp nghiên cứu 13

1.7 Cấu trúc luận văn 13

1.8 Kết luận 14

CHƯƠNG 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 152.1 Mạng vô tuyến nhận thức 15

2.1.1 Khái niệm vô tuyến nhận thức 15

2.1.2 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức 16

2.2 Hệ thống truyền thông tin và phát công suất đồng thời 18

2.2.1 Kỹ thuật chuyển mạch theo thời gian-Time Switching (TS) 20

2.2.2 Kỹ thuật chia công suất-Power Splitting (PS) 20

2.2.3 Kỹ thuật chuyển mạch Anten-Antenna Switching (AS) 21

2.2.4 Kỹ thuật chuyển mạch không gian - Spatial Switching (SS) 21

2.2.5 Mạng vô tuyến nhận thức tích hợp SWIPT 22

2.3 Kỹ thuật chuyển tiếp 22

2.3.1 Giới thiệu về kỹ thuật chuyển tiếp 22

2.3.2 Kỹ thuật Amplify and Forward - AF 24

2.3.3 Kỹ thuật Decode and Forward - DF 24

2.3.4 So sánh kỹ thuật AF và DF 24

2.4 Mô hình suy hao kênh truyền đa đường 24

2.4.1 Mô hình fading Lognormal 25

2.4.2 Mô hình fading Rayleigh 26

2.5 Lý thuyết về kênh truyền MIMO 27

2.5.1 MIMO điểm-điểm 27

2.5.2 MIMO đa người dùng (MU-MIMO) 28

2.5.3 Massive MIMO 29

2.6 Lý thuyết về toán tối ưu 30

2.6.1 Phương pháp tối ưu lồi 31

2.6.2 Giải thuật tối ưu meta-heuristic 36

2.6.3 Giải thuật cá voi săn mồi tối ưu 38

2.7 Kết luận 43

CHƯƠNG 3.TỐI ƯU DUNG LƯỢNG KÊNH HỆ THỐNG CHUYỂNTIẾP VÔ TUYẾN NHẬN THỨC CÓ THU THẬP NĂNGLƯỢNG 443.1 Mô hình hệ thống 44

3.1.1 Quá trình truyền dữ liệu trong mạng thứ cấp 45

3.1.2 Can nhiễu từ mạng thứ cấp lên mạng sơ cấp 47

3.2 Bài toán tối ưu hệ thống chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thậpnăng lượng 48

3.3 Kết luận 49

CHƯƠNG 4.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 50

4.1 Giải pháp tối ưu 50

4.1.1 Lời giải đề xuất 50

4.1.2 Giải thuật lập trình 52

4.2 Kết quả thực hiện 53

4.2.1 Mô hình mô phỏng 53

4.2.2 Hệ số phạt tối ưu 54

4.2.3 Dung lượng kênh theo công suất phát tối đa 56

4.2.4 Dung lượng kênh theo khoảng cách của nút chuyển tiếp 57

5.2.3 Mô hình vô tuyến nhận thức tổng quát 62

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các ký hiệu toán học sử dụng trong đề cương được liệt kê trong bảng dưới đây.Bảng 1: Bảng ký hiệu toán học

Tiếp tục trang tiếp theo

Bảng 1: Bảng ký hiệu toán học (cont.)

ma trận Hessian

bình là ma trận 0 và phương sai là ma trận đơn vị

Các thuật ngữ viết tắt sử dụng trong đề cương được liệt kê trong bảng dưới đây.Bảng 2: Bảng chữ viết tắt

thêm vào hệ thống

truyền

Bảng 2: Bảng chữ viết tắt (cont.)

Đa ngõ vào, Đa ngõ ra

Information and PowerTransfer

Truyền công suất và thông tinkhông dây đồng thời

thời gian

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tỷ lệ phân bổ lưu lượng di động phân theo ứng dụng trong một

tháng [6] 1

Hình 1.2 Biểu đồ lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu(EB per month) [6] 3

Hình 1.3 Tỷ lệ sử dụng năng lượng của các thành phần trạm BS [30] 7

Hình 2.1 Mô hình Cognitive Radio tổng quát [33] 16

Hình 2.2 Phân loại mạng vô tuyến nhận thức [43] 17

Hình 2.3 Mô hình kỹ thuật SWIPT [31] 19

Hình 2.4 Phân loại kỹ thuật trong hệ thống SWIPT: a) Time Switching,b) Power Splitting, c) Antenna Switching và d) Spatial Switching ; αlà hệ số PS 20

Hình 2.5 Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức tích hợp SWIPT [31] 22

Hình 2.6 Giao thức chuyển tiếp: (a) Giao thức AF và (b) Giao thức DF [37] 23Hình 2.7 Mô hình suy hao kênh truyền đa đường theo khoảng cách [9] 25

Hình 2.8 Mô hình MIMO điểm-điểm [24] 28

Hình 2.9 Mô hình MIMO đa người dùng [24] 29

Hình 2.10 Mô hình Massive MIMO [24] 30

Hình 2.11 Các ví dụ về tập lồi 32

Hình 2.12 (a) Giao của các tập lồi là một tập lồi (b) Giao của các siêu phẳngvà nửa không gian là một tập lồi và được gọi là siêu đa diện (polyhedra) 33Hình 2.13 Định nghĩa hàm lồi Diễn đạt bằng lời, một hàm số là lồi nếu đoạnthẳng nối hai điểm bất kỳ trên đồ thị của nó không nằm phía dưới đồthị đó 34

Hình 2.14 Kiểm tra tính lồi dựa vào đạo hàm bậc nhất Trái: hàm lồi vì tiếptuyến tại mọi điểm đều nằm phía dưới đồ thị của hàm số, phải: hàmkhông lồi 35

Hình 2.15 Hành vi kiếm ăn bằng lưới bong bóng của cá voi lưng gù [1] 38

Hình 2.16 Cơ chế tìm kiếm lưới bong bóng trong WOA (X∗ là vị trí tốt nhấthiện tại): (a) cơ chế bao vây thu nhỏ và (b) vị trí cập nhật xoắn ốc [25] 41Hình 3.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thập

năng lượng 44Hình 4.1 Mô hình mô phỏng mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu

thập năng lượng theo khoảng cách 54Hình 4.2 Ảnh hưởng của hệ số phạt đối với hàm Fitness 55Hình 4.3 Ảnh hưởng của công suất phát nút nguồn với tổng dung lượng

kênh hệ thống 57Hình 4.4 Ảnh hưởng của vị trí nút chuyển tiếp đối với tổng dung lượng

kênh hệ thống 58

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Bảng ký hiệu toán học viii

Bảng 1 Bảng ký hiệu toán học (cont.) ix

Bảng 2 Bảng chữ viết tắt ix

Bảng 2 Bảng chữ viết tắt (cont.) x

Bảng 1.1 Bảng thống kê công suất tiêu thụ của một số loại BS [30] 7

Bảng 1.2 Công suất tiêu thụ của các khối phần cứng smartphone [3] 9

Bảng 1.3 Cường độ dòng điện tiêu thụ của các sensor trong WSN [15] 10

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

Chương này sẽ trình bày bối cảnh nghiên cứu, lý do lựa chọn đề tài, tính cấp thiếtcủa đề tài, đưa ra giả thuyết nghiên cứu, mục tiêu nghiên cứu về mạng chuyển tiếpvô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng.

1.1 Giới thiệu về lưu lượng di động 5G

1.1.1 Tổng quan về lưu lượng di động

Trong xu thế phát triển nhanh chóng và toàn cầu hoá của hệ thống và kỹ thuậtthông tin và truyền thông (Information and Communications Technology – ICT), đặcbiệt là mạng di động thế hệ mới 5G, các thống kê và dự báo về tốc độ cũng như xuhướng phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến được tập đoàn Ericcson trong giaiđoạn 2019 – 2025 chỉ ra rằng số lượng kết nối vô tuyến sẽ tăng cả về số lượng, chấtlượng và độ thông minh của mạng kết nối Theo số liệu từ [6], một số vấn đề chính vềthông tin vô tuyến giai đoạn 5 năm (2016 – 2021) được thống kê và ước lượng trongHình 1.1 như sau:

Main drivers for video traffic growth

• Video part of most online content(news, ads, social media, etc.)• Video sharing services• Video streaming services• Changing user behavior – video

being consumed anywhere, any time• Increased segment penetration,

not just early adopters

• Evolving devices with larger screensand higher resolutions

• Increased network performancethroughevolved4Gand5Gdeployments

• Emerging immersive mediaformats and applications

(HD/UHD, 360-degree video, AR, VR)2019

VideoSocial networkingWeb browsingAudioSoftware download and updateP2P f le sharingOther segments

Hình 1.1: Tỷ lệ phân bổ lưu lượng di động phân theo ứng dụng trong một tháng [6].

Sự phát triển của mạng 5G ngày càng mạnh mẽ khi các mạng được xây dựng trên

thế giới Sự gia tăng lớn mạnh của các thuê bao 5G đã diễn ra tại Hàn Quốc, vớikhoảng 3 triệu thuê bao được ghi nhận chỉ trong vài tháng Theo ước tính trong [6],số lượng đăng ký 5G vào cuối năm 2020 sẽ đạt 13 triệu trên toàn cầu.

Chúng ta có thể thấy rằng những gì đã xảy ra trong năm 2019 chỉ ra điều gì sẽ đếntrong tương tai của hệ thống 5G Khi nhìn vào sự phát triển trong ngành này trongvài năm qua thật sự đáng kinh ngạc về tiến độ Hiện tại, hầu hết các khoản đầu tư,lưu lượng truy cập và đăng ký đều ở mạng 2G, 3G hoặc 4G Tuy nhiên, hiện đại hóamạng lưới hiện có, cải thiện hiệu suất mạng và tăng trải nghiệm người dùng tiếp tụcđược mọi nhà cung cấp dịch vụ kinh doanh hướng tới và tìm cách cải tiến Các đặctả kỹ thuật 5G đã được thúc đẩy trong 3GPP, đưa ra thách thức cung cấp 5G sớmhơn dự kiến cho các nhà cung cấp thiết bị và cơ sở hạ tầng Thật đáng khích lệ khithấy 5G giờ đã hỗ trợ rộng khắp từ hầu hết tất cả thiết bị của các nhà sản xuất vàcó một hệ sinh thái kết nối rất mạnh Đến năm 2025, 5G được kỳ vọng sẽ có 2,6 tỷlượt đăng ký lên tới 65% dân số thế giới và tạo ra 45% tổng lưu lượng dữ liệu di độngtrên thế giới Lưu lượng truy cập di động dự kiến sẽ tăng 27% hàng năm giữa năm2019 và 2025 [6].

Trong các xu hướng sử dụng lưu lượng gần đây, hầu hết lưu lượng truy cập sẽđến từ lưu lượng video Tăng trưởng lưu lượng video được thúc đẩy bằng cách giatăng video nhúng (embedded video) trong nhiều ứng dụng trực tuyến, tăng trưởngcủa video theo yêu cầu (video on demand) về cả số lượng thuê bao và thời gian xemvideo trên mỗi thuê bao, cuộc cách mạng hướng đến độ phân giải màn hình cao hơntrên các thiết bị thông minh Tất cả những yếu tố này đã bị ảnh hưởng bởi sự giatăng của các thiết bị thông minh có khả năng quay video Lưu lượng truy cập mạngxã hội cũng được dự kiến tăng 20% hàng năm trong thời gian 6 năm tới Tuy nhiên,tỷ lệ lưu lượng tương đối của nó sẽ giảm từ 10% trong năm 2019 xuống khoảng 8%vào năm 2025, vì tốc độ tăng trưởng lưu lượng cao đến từ video [6].

Người dùng đang gia tăng nhu cầu phát trực tuyến và chia sẻ video Độ phân giảiphổ biến nhất cho video được truyền phát qua mạng di động ước tính khoảng 480p(thay đổi từ mạng này sang mạng khác) Với điện thoại thông minh và mạng cải thiệnliên tục, phát trực tuyến HD (720p) và video Full HD (1080p) đang trở nên phổ biến.Các định dạng đa phương tiện nhập vai hơn và các ứng dụng dự kiến sẽ trở thànhmột nhân tố quan trọng góp phần vào tăng trưởng lưu lượng dữ liệu điện thoại di

động, vì mạng 5G sẽ cung cấp hiệu suất cần thiết cho trải nghiệm người dùng Vídụ: xem một sự kiện thể thao trực tuyến ở chế độ nhiều người xem có thể tiêu tốnkhoảng 7GB mỗi giờ, trong khi luồng dữ liệu từ kính thực tế ảo (virtual reality) cóchất lượng cao với phương tiện truyền thông tốc độ 25Mbps sẽ tiêu thụ khoảng 12GBmỗi giờ.

Đến năm 2025, mạng 5G sẽ truyền tải gần một nửa lưu lượng dữ liệu di độngcủa thế giới Tổng lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu là dự kiến sẽ đạt khoảng 38exabyte mỗi tháng vào cuối năm 2019 và được dự báo tăng trưởng theo hệ số 4 đạt160 exabyte mỗi tháng vào năm 2025 Nó đại diện cho dữ liệu di động qua 6 tỷ ngườisẽ sử dụng điện thoại thông minh, máy tính xách tay và nhiều thiết bị mới 6 nămkể từ bây giờ Điện thoại thông minh tiếp tục ở tâm điểm của sự phát triển này vìchúng tạo ra hầu hết các lưu lượng di động - hơn 90% ngày hôm nay và 95% dự kiếnvào năm 2025 Các thị trường đông dân tiếp cận với 5G sớm có khả năng dẫn đầutăng trưởng lưu lượng truy cập trong giai đoạn dự báo Chúng ta mong đợi 45% tổngsố lưu lượng dữ liệu di động sẽ được thực hiện bởi các mạng 5G [6].

1.1.2 Dự báo về tăng trưởng dữ liệu di động

Global mobile data traffic (EB per month)

60140160

Theo như minh họa Hình 1.2, tăng trưởng lưu lượng có thể rất biến động giữa cácnăm và cũng có thể khác nhau đáng kể giữa các quốc gia, tùy thuộc về động lực thịtrường địa phương Theo báo cáo trong [6], ở Mỹ, tốc độ tăng trưởng lưu lượng giảmnhẹ trong thời gian 2018 nhưng đã phục hồi như dự kiến trước đó tốc độ tăng trưởngtrong năm 2019 Tại Trung Quốc, 2018 là một năm có lưu lượng tăng trưởng kỷ lục.Trên toàn cầu, sự gia tăng lưu lượng dữ liệu di động trên mỗi điện thoại thông minhcó thể được quy về ba hướng chính: cải tiến tính năng của thiết bị, tăng cường sửdụng dữ liệu đồng thời và gói dữ liệu với giá cả phải chăng hơn.

Trong khu vực Ấn Độ, tỷ lệ trung bình sử dụng dữ liệu di động hàng tháng trênmỗi điện thoại thông minh đã chứng kiến sự gia tăng thần kỳ trong thời gian gầnđây, trở thành nơi có lưu lượng sử dụng cao nhất trên thế giới [6] Một yếu tố quantrọng là việc áp dụng nhanh chóng của công nghệ 4G, được thúc đẩy bởi một ngườitham gia đột phá vào thị trường vào năm 2016 Giá cả thấp cho dịch vụ di động băngrộng, điện thoại thông minh giá cả phải chăng và thói quen xem video thay đổi đãtiếp tục thúc đẩy tăng trưởng sử dụng hàng tháng trong khu vực Chỉ có 4% hộ giađình đã cố định băng thông rộng, làm cho điện thoại thông minh là duy nhất cáchtruy cập internet trong nhiều trường hợp.

Tổng lưu lượng được dự kiến tăng gấp ba, đạt 22EB mỗi tháng vào năm 2025 Điềunày xuất phát từ hai yếu tố: tăng trưởng cao về số lượng người dùng điện thoại thôngminh và gia tăng mức sử dụng lưu lượng trung bình trên mỗi điện thoại thông minh.Tổng cộng 500 triệu người dùng điện thoại thông minh bổ sung được mong đợi ở ẤnĐộ vào năm 2025 Ngay cả khi lưu lượng truy cập mỗi người dùng điện thoại thôngminh hiện tại tiếp tục tăng trưởng đáng kể theo thời gian, sự gia tăng lưu lượng trungbình trên mỗi điện thoại thông minh dự kiến sẽ vừa phải khi nhiều người tiêu dùng ởẤn Độ mua điện thoại thông minh Ngoài ra, việc áp dụng thị trường đại chúng chocác trường hợp sử dụng tiên tiến được thúc đẩy bởi 5G dự kiến muộn hơn ở Ấn Độso với các khu vực khác Tuy nhiên, trung bình hàng tháng lưu lượng trên mỗi điệnthoại thông minh dự kiến tăng lên khoảng 24GB vào năm 2025.

Dữ liệu sử dụng trung bình hàng tháng của điện thoại di động ở Bắc Mỹ dự kiếnsẽ đạt 45 GB cho mỗi điện thoại thông minh vào năm 2025 Chính các nhà cungcấp dịch vụ đã ra mắt 5G, ban đầu tập trung vào xây dựng dung lực kênh ở vùnghigh-band và mid-band Trên hết, chúng ta hy vọng 5G ở low-band, tăng khả năng

thâm nhập của các thiết bị 5G và những người áp dụng 5G sớm để thúc đẩy tăngtrưởng lưu lượng truy cập Nhưng ngay cả nếu có sự tăng trưởng lưu lượng mạnh mẽngày hôm nay, việc áp dụng các dịch vụ tiêu dùng nhập vai sử dụng VR và AR dựkiến sẽ dẫn đến sự gia tăng lưu lượng truy cập trên mỗi điện thoại thông minh vàocuối giai đoạn này Đến năm 2025, sự thâm nhập của thuê bao 5G được thiết lập caonhất trong tất cả các khu vực ở mức 74%.

Tốc độ tăng trưởng lưu lượng của Tây Âu theo một mô hình tương tự như mongđợi ở Bắc Mỹ Tuy nhiên, tình hình thị trường phân khúc nhiều hơn dự kiến sẽ dẫnđến việc áp dụng 5G trên thị trường đại chúng sau này và do đó lưu lượng truy cậptrên mỗi smartphone vào năm 2025 thấp hơn một chút so với Bắc Mỹ.

Gói cước dữ liệu hấp dẫn, cũng như nội dung và ứng dụng di động sáng tạo, đãthúc đẩy việc sử dụng dữ liệu di động hàng tháng ở Đông Bắc Á, đặc biệt là ở TrungQuốc Sự tăng trưởng nhanh chóng trong thuê bao điện thoại thông minh dự kiến sẽtiếp tục, với riêng Trung Quốc thiết lập thêm 170 triệu thuê bao điện thoại thôngminh giữa năm 2019 và 2025, hơn nữa thúc đẩy tăng trưởng lưu lượng dữ liệu Với5G được thiết lập để thu hút nhiều người dùng sớm, chúng ta tiếp tục kỳ vọng consố tăng trưởng cao ở Đông Bắc Á Ở Hàn Quốc, Lưu lượng dữ liệu di động 5G trênmỗi thuê bao vượt quá 25 GB mỗi tháng trong tháng Tám.

Khu vực Trung Đông và Châu Phi được dự kiến sẽ có tốc độ tăng trưởng rất caotrong giai đoạn dự báo, tăng tổng lưu lượng dữ liệu di động theo hệ số 7 giữa năm2019 và năm 2025 Dữ liệu trung bình trên mỗi smartphone được dự kiến sẽ đạt 18GBmỗi người dùng trong một tháng vào năm 2025 ở Trung Đông và Khu vực Châu Phi- như Châu Phi cận Sahara dự kiến sẽ đạt trung bình 7GB.

Đông Nam Á và Mỹ Latinh dự kiến sẽ đi theo xu hướng tương tự trong sáu nămtới ở cấp độ khu vực, trong khi các quốc gia riêng lẻ có thể có tốc độ tăng trưởngrất khác nhau cho lưu lượng trên mỗi smartphone Tăng trưởng lưu lượng được thúcđẩy bởi xây dựng vùng phủ sóng và tiếp tục áp dụng 4G, liên kết với sự gia tăngthuê bao điện thoại thông minh và gia tăng mức sử dụng dữ liệu trung bình trên mỗismartphone Lưu lượng dữ liệu trên mỗi điện thoại thông minh dự kiến sẽ đạt 21GBvà 22GB mỗi tháng tương ứng trong Đông Nam Á và Mỹ Latinh.

Ở Trung và Đông Âu, tăng trưởng cũng được thúc đẩy bởi việc áp dụng 4G nhưngkhu vực này có lưu lượng truy cập cao hơn trên mỗi điểm bắt đầu thuê bao Trong

giai đoạn dự báo, lưu lượng truy cập hàng tháng trên mỗi điện thoại thông minh dựkiến sẽ tăng từ 6 GB lên 24 GB mỗi tháng.

Như vậy, thông qua các dữ kiện ở trên, có thể thấy rằng sự thay đổi đáng kể tiêuthụ dữ liệu diễn ra trong từng tháng trong các khu vực, với các quốc gia độc lập vànhà cung cấp dịch vụ có tháng tiêu thụ cao hơn đáng kể hơn các vùng trung bìnhkhác trong khu vực.

1.2 Tổng quan về sử dụng năng lượng

Sự phát triển nhanh chóng về tăng trưởng lưu lượng di động đã trình bày ở trêndẫn đến một vấn đề nảy sinh tất yếu chính là năng lượng tiêu thụ của các thiết bịtrong hệ thống mạng 5G cũng sẽ gia tăng Năng lượng tiêu thụ phần lớn đến từ trạmgốc và các thiết bị đầu cuối.

1.2.1 Trạm gốc - Base stations

Các trạm gốc (BS) trong mạng 5G có thể được phân thành hai nhóm chính làMacro BS và Small BS, tùy thuộc vào công suất truyền và phạm vi phủ sóng Đặc tảchi tiết của hai nhóm sẽ được trình bày chi tiết như sau:

ˆ Macro BS: công suất phát vào khoảng 40 W cho thiết bị có băng thông vàokhoảng 20 MHz và 80 W cho thiết bị LTE-A với 40 MHz Phạm vi liên lạc củachúng lên tới vài km và chúng thường được lắp đặt trên các mái nhà.

ˆ Small BS: công suất phát vào khoảng 0.05 W và 6 W Chúng có thể được phânloại thành các micro BS, pico BS và femto BS Các Micro BS and pico BS baophủ các khu vực vừa và nhỏ với lưu lượng dày đặc như trung tâm mua sắm, khudân cư, khách sạn hoặc nhà ga Phạm vi điển hình của micro / pico BS kéo dàitừ vài trăm mét đến một cây số Các femto BS được thiết kế để phục vụ các khuvực nhỏ hơn như nhà riêng hoặc không gian trong nhà Phạm vi của các femtoBS thường chỉ vài mét và chúng thường được liên kết với một kết nối băng thôngrộng bằng đường cáp riêng hoặc đến một đường dây thuê bao kỹ thuật số tạinhà [13].

Bảng 1.1: Bảng thống kê công suất tiêu thụ của một số loại BS [30].BS type P0[W]Psleep[W]

Power amplifier

Main supply8%

Base band13%

DC-DC supply6%

10%Macro BS

Power amplifier28%

Main supply10%

Hình 1.3: Tỷ lệ sử dụng năng lượng của các thành phần trạm BS [30].

Hình 1.3 mô tả tỷ lệ sử dụng năng lượng của các thành phần trạm BS Bộ khuếchđại công suất của macro BS chiếm khoảng 57 % tổng năng lượng tiêu thụ cả hệ thốngso với các thành phần khác Đối với các small BS, bộ xử lý tín hiệu dải nền chiếmkhoảng 42 % tổng năng lượng tiêu thụ và có tác động đến mức tiêu thụ năng lượngnhiều hơn so với bộ khuếch đại công suất.

1.2.2 Thiết bị đầu cuối

Thiết bị đầu cuối trong mạng không dây được phân thành hai loại chính: (i) điệnthoại thông minh và (ii) cảm biến Lớp thiết bị đầu tiên là điện thoại thông minh.Điện thoại thông minh tích hợp các chức năng như liên lạc bằng giọng nói, dịch vụtin nhắn ngắn (SMS), gửi email, duyệt web và truyền phát âm thanh/video và phátlại Những chức năng này có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ pin Các thành phần phầncứng chính của điện thoại thông minh là: màn hình (tức là, màn hình LCD, đèn nền,màn hình cảm ứng và hệ thống hỗ trợ đồ họa), module radio, CPU, RAM, bộ nhớflash, GPS và module âm thanh.

Tác động của từng thành phần này đến mức tiêu thụ năng lượng tổng thể phụthuộc vào chế độ vận hành Khi không có ứng dụng nào hoạt động, chúng ta có thểphân biệt giữa hai trạng thái có thể xảy ra: chế độ dừng tạm thời(suspend) và chếđộ rảnh rỗi(idle) Ở trạng thái dừng tạm thời, bộ xử lý ứng dụng không hoạt động,màn hình tắt và bộ xử lý liên lạc vẫn hoạt động ở chế độ nền để nhận cuộc gọi hoặctin nhắn Trong trường hợp này, thành phần tiêu hao năng lượng cao nhất là khốimodule radio Trạng thái rảnh, tương tự như dừng tạm thời nhưng màn hình đượcbật và hệ thống hỗ trợ đồ họa là thành phần sử dụng nhiều năng lượng nhất.

Khi một ứng dụng chủ động sử dụng thiết bị, lượng năng lượng nhanh chóng bịtiêu thụ hết bởi các thành phần khác nhau phụ thuộc rất nhiều vào hoàn cảnh sửdụng Ví dụ, trong một cuộc gọi điện thoại, thành phần tiêu hao năng lượng nhiềunhất là module radio, trong khi đó, nếu một video đang được phát ra thì đó là mànhình tiêu thụ nhiều nhất Trong Bảng 1.2, các số liệu tiêu thụ công suất trung bình(không bao gồm đèn nền) cho ba điện thoại thông minh khác nhau được hiển thị:Neo FreeRunner thuộc dự án Openmoko, HTC Dream(tên gọi khác là T-Mobile G1)và Nexus one(N1) [3] Từ những kết quả này, có thể thấy rằng lượng điện năng tốithiểu được sử dụng hết khi điện thoại thông minh ở trạng thái treo Ngoài ra, bên

cạnh việc phụ thuộc vào ứng dụng, tổng mức tiêu thụ công suất cũng phụ thuộc phầnlớn vào nhà cung cấp cụ thể.

Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của các khối phần cứng smartphone [3].Power consumption (mW)

Tiêu thụ năng lượng của các cảm biến liên quan chặt chẽ đến các khối thành phầncấu tạo và ứng dụng cảm biến cụ thể Về cơ bản, một cảm biến thực hiện hai nhiệmvụ chính: thu thập các dữ liệu đo đạc từ môi trường và truyền dữ liệu Trong mỗiphần này, một số thành phần hoạt động ở chế độ chủ động (active) Tiêu thụ nănglượng của một nhiệm vụ phụ thuộc vào năng lượng được sử dụng bởi các khối đanghoạt động và thời gian của nhiệm vụ Để minh họa, chúng ta xem xét số đo đượchiển thị trong Bảng 1.3, do điện áp của các cảm biến sử dụng là 3.3V nên năng lượngtiêu thụ của các cảm biến được điều khiển và đo đạc thông qua giá trị cường độ dòngđiện [15] Nút cảm biến được trang bị bộ điều khiển, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và ápsuất khí quyển, cảm biến ánh sáng xung quanh và bộ thu phát vô tuyến Bluetooth.Thành phần tiêu thụ nhiều năng lượng nhất là bộ thu phát vô tuyến Bluetooth.Trong Bảng 1.3, bộ thu phát vô tuyến Bluetooth tiêu thụ cường độ dòng điện ở mức0.0809 mAkhi tất cả các thành phần ở chế độ thụ độ và tối đa là13 mA khi tất cả cáccác thành phần ở chế độ tích cực.

Bảng 1.3: Cường độ dòng điện tiêu thụ của các sensor trong WSN [15].

1.3.2 Lý do chọn đề tài

Từ các vấn đề nêu trên, việc cải thiện tốc độ dữ liệu và hiệu suất sử dụng nănglượng trong mạng 5G là một lĩnh vực mới có nhiều thách thức và có sự ảnh hưởngnhất định đến hiệu suất của hệ thống thông tin và truyền thông trong tương lai Bêncạnh đó, vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới cho phép đáp ứng lưu lượng dữliệu di động lớn của các mạng không dây, nhu cầu gia tăng về dung lượng và tốc độkênh truyền không dây lên đến hơn 10 Gbps trong mạng 5G đòi hỏi việc chiếm dụngnhiều băng tần hơn Điều đó dẫn đến việc cần tái sử dụng tài nguyên tần số cho hiệuquả của các mạng di động bằng công nghệ vô tuyến nhận thức Chính từ các nguyênnhân cấp thiết nói trên, học viên sẽ thực hiện luận văn với tên đề tài nghiên cứu làmạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng Một số định hướngchính trong đề tài này được trình bày tóm tắt như sau (chi tiết về kỹ thuật đượctrình bày trong các phần sau):

ˆ Kỹ thuật truyền thông MIMO đã được công nhận là một kỹ thuật truyền thônghiệu quả trong hệ thống mạng di động thế hệ mới và khai thác một cách rộng rãitrong các hệ thống thông tin, khi nó giúp truyền tải nhiều dữ liệu hơn và phụcvụ nhiều hơn thiết bị người dùng trong một khoảng thời gian và một dải tần số,qua đó giúp nâng cao dung lượng và tốc độ kênh truyền.

ˆ Kỹ thuật chuyển tiếp kết hợp vô tuyến nhận thức để mở rộng phạm vi truyềndữ liệu, giúp nâng cao hiệu suất tái sử dụng phổ tài nguyên tần số.

ˆ Kỹ thuật thu thập năng lượng là giải pháp để kéo dài thời gian hoạt động củacác thiết bị có các ràng buộc về giới hạn năng lượng hoạt động, đây là một chủđề đã và đang thu hút sự quan tâm và nghiên cứu từ các chuyên gia.

ˆ Tối ưu hóa dung lượng kênh truyền, tối ưu hoá các thông số trong bộ precoderlà một vấn đề cần thiết để nâng cao chất lượng truyền đạt thông tin trong cáchệ thống mạng di động.

1.4 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu về mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thứccó thu thập năng lượng Trong khuôn khổ luận văn, nội dung nghiên cứu của mạng

chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng gồm các phần được trình bàynhư sau:

ˆ Nghiên cứu đề xuất mô hình mạng vô tuyến nhận thức (CR), kỹ thuật chuyểntiếp, kỹ thuật thu thập năng lượng,.

ˆ Xây dựng bài toán tối ưu cho các tham số của mạng chuyển tiếp vô tuyến nhậnthức có thu thập năng lượng.

ˆ Xây dựng bài toán tối ưu tìm bộ precoder để đạt được tối ưu hoá tốc độ bit,dung lượng kênh truyền của hệ thống.

ˆ Nghiên cứu lý thuyết toán tối ưu và đưa ra giải thuật tối ưu cho mô hình đềxuất.

1.5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn tập trung vào mạng chuyển tiếp vô tuyến nhậnthức có thu thập năng lượng và bao gồm những phần sau:

Đối tượng nghiên cứu

ˆ Kênh truyền dưới ảnh hưởng của hiện tượng đa đường.ˆ Giao thức xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp.

ˆ Hệ thống vô tuyến nhận thức.

ˆ Kỹ thuật sử dụng trong hệ thống SWIPT.

Phạm vi nghiên cứu: Mạng vô tuyến nhận thức, kỹ thuật chuyển tiếp, tối ưuhoá cấp phát công suất, thu thập năng lượng.

ˆ Nghiên cứu lý thuyết tối ưu và ứng dụng.

ˆ Tập trung xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu hoá công suất, năng lượng,triệt can nhiễu.

ˆ Nghiên cứu vấn đề chuyển tiếp kết hợp mạng vô tuyến nhận thức.ˆ Sử dụng các ngôn ngữ lập trình python để giải bài toán tối ưu.

1.6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận văn được trình bày qua các bước sau:

1 Tìm kiếm và thu thập các tài liệu liên quan về vấn đề xem xét từ một số nguồncơ sở dữ liệu trực tuyến uy tín được đề xuất như IEEE Xplore, ResearchGate,SpringerLink, Wiley Online Library, Google Scholar.

2 Xem xét tổng quan vấn đề dựa trên các tài liệu đã xác định, tổng kết các nộidung đã và đang được thực hiện thành một chuỗi các công trình có tính liênquan.

3 Từ hướng tiếp cận trước đây và các kiến thức về vấn đề để xây dựng hướng tiếpcận mới hoặc cải thiện hướng tiếp cận đã có cho bài toán cần tối ưu.

4 Tiến hành phân tích, giải quyết bài toán cho hướng tiếp cận đã đề xuất Tiếnhành mô phỏng kiểm tra tính đúng đắn về lý thuyết.

5 Sử dụng phần mềm để mô phỏng để thu thập dữ liệu, xem xét, xử lý đặc tínhthống kê của dữ liệu.

6 Viết báo cáo về quy trình và kết quả, nhận xét và kiến nghị.

1.7 Cấu trúc luận văn

Nội dung của luận văn được chia thành 5 chương với bố cục như sau:Chương 1: Giới thiệu tổng quan.

Chương 1 trình bày lý do lựa chọn đề tài, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đốitượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu về mạng chuyển tiếp vô tuyếnnhận thức có thu thập năng lượng.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

Chương này sẽ trình bày tất cả các lý thuyết liên quan đến nội dung trình bàytrong luận văn gồm có:

ˆ Mạng vô tuyến nhận thức.

ˆ Hệ thống truyền thông tin và phát công suất đồng thời (SWIPT).

ˆ Kỹ thuật chuyển tiếp.

ˆ Mô hình suy hao kênh truyền.ˆ Lý thuyết về kênh truyền MIMO.ˆ Lý thuyết toán tối ưu.

Chương 3: Tối ưu dung lượng kênh hệ thống chuyển tiếp vô tuyếnnhận thức có thu thập năng lượng.

Chương 3 trình bày các mô hình hệ thống về mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thứccó thu thập năng lượng Đưa ra mô hình tối ưu cho các tham số của hệ thống và đềxuất lời giải cho các bài toán trong từng trường hợp.

Chương 4: Kết quả mô phỏng.

Chương 4 trình bày kết quả mô phỏng dữ liệu từ thuật toán đã được trình bày ởchương 3 Đồng thời nêu lên nhận xét và so sánh với các phương pháp đã thực hiệntrước đây.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị.

Chương 5 trình bày tóm tắt lại kết quả nghiên cứu, đóng góp và hạn chế của luậnvăn, cuối cùng là nêu ra quan điểm cá nhân về việc triển khai mô hình và hướng pháttriển trong tương lai.

1.8 Kết luận

Chương này đã giới thiệu về lưu lượng di động 5G, mục tiêu và nội dung nghiêncứu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu, cấu trúc luận văn Những định hướngnghiên cứu được trình bày ở trên sẽ là tiền đề quan trọng để học viên triển khai cấutrúc luận văn thành báo cáo hoàn chỉnh Chương tiếp theo sẽ trình bày về cơ sở lýthuyết làm nền tảng để thực hiện luận văn.

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này trình bày các cơ sở lý thuyết về mạng vô tuyến nhận thức, hệ thốngtruyền thông tin và phát công suất đồng thời, kỹ thuật chuyển tiếp, mô hình suy haokênh truyền, lý thuyết về kênh truyền MIMO và lý thuyết toán tối ưu Những kháiniệm này sẽ là nền tảng để xây dựng mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp vô tuyếnnhận thức có thu thập năng lượng và bài toán tối ưu trong luận văn.

2.1 Mạng vô tuyến nhận thức

2.1.1 Khái niệm vô tuyến nhận thức

Vô tuyến nhận thức là một mô hình mới, dựa trên minh hoạ ở Hình 2.1, đây làmô hình vô tuyến có khả năng tự nhận thức các thực thể, rất nhạy cảm với thay đổitrong môi trường xung quanh và nó có khả năng tương tác với môi trường một cáchthích nghi để tự cấu hình hay tái thiết lập mạng, đây là ý tưởng kỹ thuật hoàn toànmới đối với các nghiên cứu tại Việt Nam Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khácnhau về vô tuyến nhận thức như mô tả trong [28]: mạng vô tuyến nhận thức là mộthệ thống có khả năng nhận biết môi trường xung quanh và điều chỉnh các các thamsố hoạt động của nó để tối ưu hoá hệ thống dưới dạng tối đa băng thông, giảm cannhiễu, truy nhập phổ tần động.

Theo định nghĩa của giáo sư Simon Hayskin, người phát minh ra mạng vô tuyếnnhận thức là: mạng vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông không dâythông minh có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh và từ môi trường nósẽ thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các thông số tươngứng (công suất truyền, tần số sóng mang, phương pháp điều chế) trong thời gian thựcvới hai vấn đề chính: một là truyền thông với độ tin cậy cao bất cứ khi nào và bấtcứ nơi đâu và hai là sử dụng hiệu quả phổ vô tuyến [14].

Theo chuẩn IEEE 802.22 WG: "Vô tuyến nhận thức là hệ thống phát/nhận tần sốvô tuyến mà được thiết kế để thông minh phát hiện một khoảng phổ đang sử dụnghay không và nhảy (hoặc thoát khỏi nếu cần thiết) rất nhanh qua một khoảng phổ

tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phépkhác" [4].

Hình 2.1: Mô hình Cognitive Radio tổng quát [33].

2.1.1.1 Chức năng vô tuyến nhận thức:

Hệ thống vô tuyến nhận thức có bốn chức năng chính Đó là:

1 Nhận biết phổ: các cảm biến cho phép người dùng thứ cấp (SU) phát hiện rakhoảng phổ trống và tận dụng những khoảng tần số này để truyền tín hiệu màkhông ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp.

2 Phân tích phổ: tính toán ước lượng dung lượng phổ và chất lượng những hố phổtốt nhất Một trong những nhiệm vụ quan trọng của chức năng phân tích phổlà tính toán ước lượng dung lượng phổ.

3 Quyết định phổ: quyết định lựa chọn dải phổ phù hợp thỏa mãn các yêu cầu chấtlượng dịch vụ của hệ thống thức cấp.

4 Chia sẻ phổ: chia sẻ phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức có thể được coitương tự như quá trình điều khiển truy nhập chung.

2.1.2 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức

Theo nhóm nghiên cứu cùng với giáo sư Goldsmith, có ba loại mô hình cho mạngvô tuyến nhận thức, bao gồm dạng nền (underlay), dạng chồng chập (overlay) và đan

xen (interweave) [10] Hình 2.2 mô tả mật độ phổ công suất trong miền tần số củaba loại mô hình cho mạng vô tuyến nhận thức.

Hình 2.2: Phân loại mạng vô tuyến nhận thức [43].

2.1.2.1 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (underlay)

Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, mạng thứ cấp và mạng sơ cấp hoạtđộng trên cùng một tần số trong đó máy phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất phátsao cho công suất can nhiễu nhận tại máy thu sơ cấp phải nhỏ hơn một ngưỡng quyđịnh trước Hay nói cách khác, quá trình truyền nhận dữ liệu của hệ thống thứ cấpphải không được gây hại cho hệ thống sơ cấp Do đó, vùng phủ sóng của mạng vôtuyến nhận thức dạng nền thường nhỏ Một nhược điểm khác của mô hình mạng vôtuyến nhận thức dạng nền là máy phát thứ cấp cần phải biết thông tin kênh truyềnlý tưởng (không trễ và không lỗi) của kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấpđến máy thu sơ cấp có thể do hệ thống sơ cấp hồi tiếp về cho hệ thống thứ cấp Tuynhiên trong thực tế, thông tin kênh truyền này là có trễ và có lỗi dẫn đến thực tếrằng hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo mức can nhiễu quy định tại máy thu sơcấp.

2.1.2.2 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập (overlay)

Trong mô hình này, mạng sơ cấp và thứ cấp hoạt động trên cùng băng tần với giảđịnh rằng hai mạng phải trao đổi thông tin và kết hợp lẫn nhau để loại bỏ/tránh cannhiễu giữa hai mạng bằng các kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp Một mô hình đơncử là hệ thống thứ cấp có thể giúp hệ thống sơ cấp cải thiện hiệu năng dạng chuyểntiếp Cho đến nay, mô hình mạng loại này vẫn đang được nghiên cứu và làm rõ docác giả sử và điều kiện cần thiết để triển khai mạng hoặc chưa thực tế và/hoặc chưahợp lý.

2.1.2.3 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen (interweave)

Mô hình vô tuyến nhận thức dạng đan xen là mô hình hoạt động dựa trên kháiniệm lỗ phổ dưới dạng không gian và thời gian, nghĩa là hệ thống thứ cấp sẽ phát dữliệu nếu hệ thống phát hiện ra lỗ phổ và lỗ phổ này đảm bảo chất lượng dịch vụ yêucầu của hệ thống Do đó, mô hình này đòi hỏi hệ thống thứ cấp phải biết được thôngtin hoạt động truyền phát của hệ thống sơ cấp Hay nói cách khác, hệ thống thứ cấpphải dừng truyền nếu hệ thống sơ cấp truyền phát trở lại hạn chế gây can nhiễu chohệ thống sơ cấp.

Nhược điểm của mô hình mạng loại này là khả năng đáp ứng thời gian thực dohoạt động của hệ thống thứ cấp hoàn toàn phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống sơcấp Trong một số trường hợp, hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo hoạt động khimà hệ thống sơ cấp hoạt động liên tục Do đó, việc kết hợp mô hình đan xen với môhình dạng nền, còn gọi là mô hình lai, là một giải pháp hữu hiệu.

2.2 Hệ thống truyền thông tin và phát công suất đồng thời

Thu thập năng lượng (EH) là quá trình chuyển đổi năng lượng thu được từ cácnguồn năng lượng bên ngoài không gian trong môi trường tự nhiên như gió, nhiệt,động năng và quang năng, tín hiệu vô tuyến thành điện năng Năng lượng thu thậpđược được lưu trữ trong pin hoặc siêu tụ điện Tuy nhiên, hiệu suất thu thập vàchuyển đổi năng lượng của EH không cao do tính chất bất thường và không lườngtrước được của môi trường xung quanh Truyền công suất không dây (WPT) là mộthướng phát triển của công nghệ EH giúp vượt qua hạn chế về hiệu suất EH, trong

Hình 2.3: Mô hình kỹ thuật SWIPT [31].

đó các nút trong hệ thống mạng sử dụng nguồn pin riêng biệt và pin được sạc lạibằng cách sử dụng xạ điện từ Hệ thống truyền thông tin và phát công suất đồngthời (SWIPT) là một kỹ thuật được phát triển từ nửa sau thế kỷ XX trong số nhiềuhướng phát triển công nghệ WPT và nó cho phép truyền đồng thời thông tin và nănglượng không dây, như trong Hình 2.3 Với sự phát triển mạnh mẽ của mạng 5G, côngnghệ SWIPT có thể là cơ bản tầm quan trọng đối với năng lượng và truyền tải thôngtin trong nhiều hệ thống viễn thông hiện đại [45] Tuy nhiên, để kỹ thuật SWIPTđạt được hiệu quả cao thì việc thay đổi thiết kế cơ bản là tất yếu trong các hệ thốngmạng không dây Độ tin cậy tiếp nhận và tốc độ truyền thông tin được sử dụng thôngthường để đánh giá hiệu suất của các mạng không dây [42] Hơn nữa, sự đánh đổigiữa tốc độ thông tin và mức năng lượng thu thập trở thành một yếu tố quan trọngđể đánh giá hiệu năng hệ thống khi người dùng trong hệ thống thực hiện EH sử dụngtín hiệu RF [42] Trong [42], một máy thu lý tưởng được sử dụng, trong đó có khảnăng thực hiện Giải mã thông tin (ID) và thu thập năng lượng (EH) đồng thời Cáckiến trúc mạch máy thu được sử dụng trong kiến trúc máy thu đã được giới thiệu đềxuất trong [45] để thực hiện EH và ID riêng biệt.

Các nghiên cứu lý thuyết ban đầu về SWIPT giả định rằng một tín hiệu có thể

truyền cả năng lượng và thông tin mà không bị tổn hao, cho thấy sự đánh đổi cơbản giữa truyền dữ liệu và truyền công suất [12] Tuy nhiên, việc truyền phát đồngthời này là không khả thi trong thực tế, vì quá trình thu thập năng lượng được thựchiện trong miền RF sẽ phá hủy nội dung của thông tin Để thực hiện được SWIPT,tín hiệu thu được phải được chia thành hai phần riêng biệt, một phần để thu thậpnăng lượng và một phần để giải mã thông tin Phần dưới sẽ trình bày các kỹ thuậtđã được đề xuất trong hệ thống SWIPT để đạt được sự phân tách tín hiệu này trongcác miền khác nhau (thời gian, công suất, anten, không gian).

Eigenchannel N HarvestingDecoding

Hình 2.4: Phân loại kỹ thuật trong hệ thống SWIPT: a) Time Switching, b) PowerSplitting, c) Antenna Switching và d) Spatial Switching ; α là hệ số PS.

2.2.1 Kỹ thuật chuyển mạch theo thời gian-Time Switching (TS)

Nếu TS được sử dụng, máy thu sẽ chuyển đổi qua lại giữa giải mã dữ liệu và thuthập năng lượng [36] Trong trường hợp này, việc phân tách tín hiệu được thực hiệntrong miền thời gian và do đó toàn bộ tín hiệu thu được trong một khe thời gianđược sử dụng để giải mã thông tin hoặc truyền công suất (Hình 2.4a) Kỹ thuật TScho phép thực hiện phần cứng đơn giản tại máy thu nhưng yêu cầu đồng bộ chínhxác thời gian và thời điểm chuyển đổi thông tin/năng lượng.

2.2.2 Kỹ thuật chia công suất-Power Splitting (PS)

Kỹ thuật chia công suất thực hiện SWIPT bằng cách chia tín hiệu thu được thànhhai luồng có mức công suất khác nhau bằng cách sử dụng thành phần PS; một luồngtín hiệu được gửi đến khối Rectena (gồm anten thu, mạch phối hợp trở kháng và bộchuyển đổi tín hiệu RF sang DC) để thu năng lượng và luồng kia được chuyển thành

tín hiệu dải nền (baseband) để giải mã thông tin (Hình 2.4 b) [36] Kỹ thuật PS đòihỏi độ phức tạp của máy thu cao hơn so với TS và yêu cầu tối ưu hóa hệ số chia côngsuất α Kỹ thuật PS phù hợp cho các ứng dụng mang thông tin / năng lượng quantrọng hoặc tối ưu thông tin thu thập được với các ràng buộc về độ trễ thời gian chophép.

2.2.3 Kỹ thuật chuyển mạch Anten-Antenna Switching (AS)

Thông thường, mảng anten được sử dụng để tạo ra nguồn DC cho hoạt động củathiết bị đáng tin cậy Lấy cảm hứng từ phương pháp này, kỹ thuật AS tự động chuyểnđổi từng phần tử anten giữa quá trình giải mã và chỉnh lưu để đạt được SWIPT trongmiền anten (Hình 2.4c) Trong giải thuật AS, các anten thu được chia thành hai nhómtrong đó một nhóm được sử dụng để giải mã thông tin và nhóm còn lại để thu thậpnăng lượng [36] Kỹ thuật AS yêu cầu giải pháp cho một vấn đề tối ưu hóa trongmỗi khung truyền nhận thông tin để quyết định việc gán tối ưu các phần tử antenđể giải mã thông tin và thu hoạch năng lượng Đối với kênh chuyển tiếp giải mã vàchuyển tiếp (Decode-and-Forward=DF) MIMO, trong đó nút chuyển tiếp sử dụngnăng lượng thu được để phát lại tín hiệu thu, vấn đề tối ưu hóa được coi là một bàitoán xếp ba lô và được giải quyết bằng lập trình quy hoạch động trong [22].

2.2.4 Kỹ thuật chuyển mạch không gian - Spatial Switching (SS)

Kỹ thuật chuyển mạch không gian có thể được áp dụng trong các cấu hình MIMOvà đạt được SWIPT trong miền không gian bằng cách khai thác nhiều bậc tự do(Degrees of freedom-DoF) của kênh nhiễu [40] Bằng cách sử dụng phép phân tích(singular value decomposition-SVD) để tìm trị riêng và vector riêng, ma trận kênhtruyền MIMO được phân tích thành các nhân tử để thuận tiện cho việc tính toán,kênh truyền được chuyển đổi thành các kênh truyền trị riêng song song, mỗi kênh cóthể mang thông tin hoặc năng lượng (Hình 2.4d) Ở đầu ra của mỗi eigenchannel cómột công tắc điều khiển đầu ra kênh hoặc đến mạch giải mã hoặc đến mạch chỉnhlưu.

Hình 2.5: Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức tích hợp SWIPT [31].

2.2.5 Mạng vô tuyến nhận thức tích hợp SWIPT

Nguyên lý cơ bản của vô tuyến nhận thức là nhận thức được môi trường vô tuyếnxung quanh và đưa ra quyết định một cách thông minh để sử dụng hiệu quả cácnguồn tài nguyên phổ tần số sẵn có Khi tích hợp công nghệ SWIPT với mạng vôtuyến nhận thức có thể cung cấp hệ thống mạng không dây sử dụng hiệu quả nănglượng và phổ tần số Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức tích hợp SWIPT được hiểnthị trong Hình 2.5 Có ba khu vực chính xung quanh khu vực trạm gốc của mạng sơcấp: vùng thu thập năng lượng, vùng truyền thông tin và vùng nhiễu Người dùngthứ cấp nằm trong vùng thu thập năng lượng có thể thu hoạch năng lượng và nhậnthông tin đồng thời Người dùng sơ cấp trong vùng phát dữ liệu sẽ nhận thông tintừ trạm gốc của mạng sơ cấp Người dùng không thể truyền dữ liệu nếu nằm trongvùng can nhiễu [31].

2.3 Kỹ thuật chuyển tiếp

2.3.1 Giới thiệu về kỹ thuật chuyển tiếp

Việc truyền thông tin qua các kênh truyền không dây không được đảm bảo chắcchắn bởi nhiều lý do như thời tiết, địa hình Trong thực tế, tín hiệu được truyền từmáy phát tới máy thu theo nhiều đường khác nhau bị ảnh hưởng rất nhiều từ hiệuứng fading đa đường Nhiều phương pháp khác nhau đã được đưa ra để hạn chế ảnhhưởng của fading này như sử dụng kỹ thuật phân tập, một trong số đó là kỹ thuậtchuyển tiếp (Relay Communication) Nếu khoảng cách truyền từ máy phát đến máy

thu là xa, công suất của các máy phát không thể phát tới được hoặc nếu phát tớiđược thì gây ảnh hưởng đến các hệ thống khác thì kỹ thuật chuyển tiếp có thể giảiquyết vấn đề này Ý tưởng chính của kỹ thuật này là sẽ chia nhỏ đường truyền giữanút nguồn và nút đích bằng cách sử dụng các nút chuyển tiếp ở giữa (nút relay) đểchuyển tiếp tín hiệu Nút chuyển tiếp ngoài nhiệm vụ chuyển tiếp tín hiệu nó cònlàm nhiệm vụ khuếch đại, giải mã và mở rộng phạm vi phủ sóng, tăng chất lượng củahệ thống Với ý tưởng hoạt động như vậy, sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để truyềndữ liệu cho phép ta chia khoảng cách truyền lớn thành các khoảng cách truyền nhỏhơn làm cho vùng phủ sóng của hệ thống sẽ rộng hơn mà không cần đòi hỏi máyphát tín hiệu có công suất quá lớn, trong khi thiết kế máy phát công suất lớn sẽ rấtkhó thực hiện hơn so với thiết kế các nút chuyển tiếp Tại nút chuyển tiếp có hai kỹthuật xử lý tín hiệu cơ bản để chuyển tiếp tín hiệu, đó là: khuếch đại và chuyển tiếp(amplify-and-forward - AF) và giải mã và chuyển tiếp (decode-and-forward - DF).Phần dưới trình nguyên lí cơ bản của kỹ thuật AF và DF để có cơ sở cho nghiên cứu,minh họa ở các phần tiếp theo.

Time slot 1Time slot 2

SR1

2.3.2 Kỹ thuật Amplify and Forward - AF

Khuếch đại và chuyển tiếp (hay còn gọi chuyển tiếp tương tự (analog relaying))được mô tả trong Hình 2.6a là một phương thức chuyển tiếp tín hiệu đơn giản Trongphương thức này, nút chuyển tiếp nhận tín hiệu analog bị suy hao trong quá trìnhtruyền từ nút nguồn, sau đó tiến hành khuyếch đại tín hiệu mà nó thu được trước khichuyển tiếp về nút tiếp theo Nhược điểm của phương pháp này là nút chuyển tiếpkhông phát hiện và triệt được nhiễu cộng vào, trái lại nút chuyển tiếp còn khuếch đạinhiễu lên.

2.3.3 Kỹ thuật Decode and Forward - DF

Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp còn gọi là chuyển tiếp số (Digital Relaying) đãđược Sendonaris nghiên cứu và đề xuất từ năm 2003, là cơ sở cho các hoạt động nghiêncứu gần đây trong lĩnh vực này [34, 35] Xem xét hệ thống mô tả trong Hình 2.6bgồm hai chặng, thuật toán giải mã và chuyển tiếp được mô tả ngắn gọn như sau:trong khoảng thời gian thứ nhất, nút nguồn phát tín hiệu của nó đến nút đích và nútchuyển tiếp Trong khoảng thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp thực hiện giải điều chếvà giải mã tín hiệu nhận được từ nút nguồn, sau đó mã hóa lại và phát lại tín hiệutới nút đích.

2.3.4 So sánh kỹ thuật AF và DF

Về mặt kỹ thuật, kỹ thuật AF đơn giản hơn nhưng nó đòi hỏi nút chuyển tiếpphải có nhiều mạch điện analog phức tạp để lưu trữ các mẫu tín hiệu thu trước khikhuếch đại và chuyển tiếp Ngược lại, kỹ thuật DF lại có ưu điểm là thích hợp chocác hệ thống số có sử dụng mã hóa.

2.4 Mô hình suy hao kênh truyền đa đường

Suy hao kênh truyền đa đường là một hiện tượng rất phổ biến trong môi trườngtruyền sóng không dây của thông tin vô tuyến Mô hình fading mô tả sự suy giảmcường độ và xoay pha tín hiệu không giống nhau tại các thời điểm hoặc tại các tầnsố khác nhau do hiệu ứng truyền đa đường gây ra Mô hình fading có thể được phânnhóm rộng rãi thành hai nhóm chính: large-scale fading và small-scale fading [9].