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
THIỆU TỔNG QUAN 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 thuật thông tin và truyền thông (Information and Communications Technology – ICT), đặc biệt là mạng di động thế hệ mới 5G, các thống kê và dự báo về tốc độ cũng như xu hướng phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến được tập đoàn Ericcson trong giai đoạn 2019 – 2025 chỉ ra rằng số lượng kết nối vô tuyến sẽ tăng cả về số lượng, chất lượng và độ thông minh của mạng kết nối Theo số liệu từ [6], một số vấn đề chính về thông tin vô tuyến giai đoạn 5 năm (2016 – 2021) được thống kê và ước lượng trong Hình 1.1 như sau:
Main drivers for video traffic growth
• Video part of most online content (news, ads, social media, etc.)
• Changing user behavior – video being consumed anywhere, any time
• Increased segment penetration, not just early adopters
• Evolving devices with larger screens and higher resolutions
• Increased network performance throughevolved4Gand5G deployments
• Emerging immersive media formats and applications (HD/UHD, 360-degree video, AR, VR) 2019
160EB per month video 63% video 76%
Video Social networking Web browsing Audio Software download and update P2P f le sharing Other 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, với khoảng 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 đến trong tương tai của hệ thống 5G Khi nhìn vào sự phát triển trong ngành này trong vài 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 hóa mạng lưới hiện có, cải thiện hiệu suất mạng và tăng trải nghiệm người dùng tiếp tục được mọi nhà cung cấp dịch vụ kinh doanh hướng tới và tìm cách cải tiến Các đặc tả kỹ thuật 5G đã được thúc đẩy trong 3GPP, đưa ra thách thức cung cấp 5G sớm hơn dự kiến cho các nhà cung cấp thiết bị và cơ sở hạ tầng Thật đáng khích lệ khi thấy 5G giờ đã hỗ trợ rộng khắp từ hầu hết tất cả thiết bị của các nhà sản xuất và có một hệ sinh thái kết nối rất mạnh Đến năm 2025, 5G được kỳ vọng sẽ có 2,6 tỷ lượt đăng ký lên tới 65% dân số thế giới và tạo ra 45% tổng lưu lượng dữ liệu di động trên thế giới Lưu lượng truy cập di động dự kiến sẽ tăng 27% hàng năm giữa năm
Trong các xu hướng sử dụng lưu lượng gần đây, hầu hết lưu lượng truy cập sẽ đến từ lưu lượng video Tăng trưởng lưu lượng video được thúc đẩy bằng cách gia tăng video nhúng (embedded video) trong nhiều ứng dụng trực tuyến, tăng trưởng của video theo yêu cầu (video on demand) về cả số lượng thuê bao và thời gian xem video trên mỗi thuê bao, cuộc cách mạng hướng đến độ phân giải màn hình cao hơn trên các thiết bị thông minh Tất cả những yếu tố này đã bị ảnh hưởng bởi sự gia tăng của các thiết bị thông minh có khả năng quay video Lưu lượng truy cập mạng xã 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 giải phổ 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 thiện liên 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 thành một 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 Ví dụ: xem một sự kiện thể thao trực tuyến ở chế độ nhiều người xem có thể tiêu tốn khoảng 7GB mỗi giờ, trong khi luồng dữ liệu từ kính thực tế ảo (virtual reality) có chất lượng cao với phương tiện truyền thông tốc độ 25Mbps sẽ tiêu thụ khoảng 12GB mỗi giờ. Đến năm 2025, mạng 5G sẽ truyền tải gần một nửa lưu lượng dữ liệu di động của thế giới Tổng lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu là dự kiến sẽ đạt khoảng 38 exabyte mỗi tháng vào cuối năm 2019 và được dự báo tăng trưởng theo hệ số 4 đạt
160 exabyte mỗi tháng vào năm 2025 Nó đại diện cho dữ liệu di động qua 6 tỷ người sẽ sử dụng điện thoại thông minh, máy tính xách tay và nhiều thiết bị mới 6 năm kể từ bây giờ Điện thoại thông minh tiếp tục ở tâm điểm của sự phát triển này vì chúng tạo ra hầu hết các lưu lượng di động - hơn 90% ngày hôm nay và 95% dự kiến vào năm 2025 Các thị trường đông dân tiếp cận với 5G sớm có khả năng dẫn đầu tăng trưởng lưu lượng truy cập trong giai đoạn dự báo Chúng ta mong đợi 45% tổng số 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)
Hình 1.2: Biểu đồ lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu(EB per month) [6].
Theo như minh họa Hình 1.2, tăng trưởng lưu lượng có thể rất biến động giữa các năm và cũng có thể khác nhau đáng kể giữa các quốc gia, tùy thuộc về động lực thị trường địa phương Theo báo cáo trong [6], ở Mỹ, tốc độ tăng trưởng lưu lượng giảm nhẹ trong thời gian 2018 nhưng đã phục hồi như dự kiến trước đó tốc độ tăng trưởng trong 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 minh có thể được quy về ba hướng chính: cải tiến tính năng của thiết bị, tăng cường sử dụng 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 trên mỗi điện thoại thông minh đã chứng kiến sự gia tăng thần kỳ trong thời gian gần đây, trở thành nơi có lưu lượng sử dụng cao nhất trên thế giới [6] Một yếu tố quan trọng là việc áp dụng nhanh chóng của công nghệ 4G, được thúc đẩy bởi một người tham gia đột phá vào thị trường vào năm 2016 Giá cả thấp cho dịch vụ di động băng rộng, điện thoại thông minh giá cả phải chăng và thói quen xem video thay đổi đã tiếp tục thúc đẩy tăng trưởng sử dụng hàng tháng trong khu vực Chỉ có 4% hộ gia đình đã cố định băng thông rộng, làm cho điện thoại thông minh là duy nhất cách truy cập internet trong nhiều trường hợp.
Tổng lưu lượng được dự kiến tăng gấp ba, đạt 22EB mỗi tháng vào năm 2025 Điều này xuất phát từ hai yếu tố: tăng trưởng cao về số lượng người dùng điện thoại thông minh 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 Ấn Độ vào năm 2025 Ngay cả khi lưu lượng truy cập mỗi người dùng điện thoại thông minh hiện tại tiếp tục tăng trưởng đáng kể theo thời gian, sự gia tăng lưu lượng trung bình trên mỗi điện thoại thông minh dự kiến sẽ vừa phải khi nhiều người tiêu dùng ở Ấn Độ mua điện thoại thông minh Ngoài ra, việc áp dụng thị trường đại chúng cho các trường hợp sử dụng tiên tiến được thúc đẩy bởi 5G dự kiến muộn hơn ở Ấn Độ so với các khu vực khác Tuy nhiên, trung bình hàng tháng lưu lượng trên mỗi điện thoại 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 kiến sẽ đạt 45 GB cho mỗi điện thoại thông minh vào năm 2025 Chính các nhà cung cấp dịch vụ đã ra mắt 5G, ban đầu tập trung vào xây dựng dung lực kênh ở vùng high-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 tăng trưởng lưu lượng truy cập Nhưng ngay cả nếu có sự tăng trưởng lưu lượng mạnh mẽ ngày hôm nay, việc áp dụng các dịch vụ tiêu dùng nhập vai sử dụng VR và AR dự kiến sẽ dẫn đến sự gia tăng lưu lượng truy cập trên mỗi điện thoại thông minh vào cuối giai đoạn này Đến năm 2025, sự thâm nhập của thuê bao 5G được thiết lập cao nhất 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 mong đợi ở Bắc Mỹ Tuy nhiên, tình hình thị trường phân khúc nhiều hơn dự kiến sẽ dẫn đến việc áp dụng 5G trên thị trường đại chúng sau này và do đó lưu lượng truy cập trên 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, đã thúc đẩy việc sử dụng dữ liệu di động hàng tháng ở Đông Bắc Á, đặc biệt là ở Trung Quốc Sự tăng trưởng nhanh chóng trong thuê bao điện thoại thông minh dự kiến sẽ tiếp tục, với riêng Trung Quốc thiết lập thêm 170 triệu thuê bao điện thoại thông minh giữa năm 2019 và 2025, hơn nữa thúc đẩy tăng trưởng lưu lượng dữ liệu Với 5G được thiết lập để thu hút nhiều người dùng sớm, chúng ta tiếp tục kỳ vọng con số tăng trưởng cao ở Đông Bắc Á Ở Hàn Quốc, Lưu lượng dữ liệu di động 5G trên mỗi 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 cao trong giai đoạn dự báo, tăng tổng lưu lượng dữ liệu di động theo hệ số 7 giữa năm
2019 và năm 2025 Dữ liệu trung bình trên mỗi smartphone được dự kiến sẽ đạt 18GB mỗi 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 năm tới ở cấp độ khu vực, trong khi các quốc gia riêng lẻ có thể có tốc độ tăng trưởng rất khác nhau cho lưu lượng trên mỗi smartphone Tăng trưởng lưu lượng được thúc đẩy bởi xây dựng vùng phủ sóng và tiếp tục áp dụng 4G, liên kết với sự gia tăng thuê bao điện thoại thông minh và gia tăng mức sử dụng dữ liệu trung bình trên mỗi smartphone Lưu lượng dữ liệu trên mỗi điện thoại thông minh dự kiến sẽ đạt 21GB và 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 nhưng khu 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 dự kiến sẽ tăng từ 6 GB lên 24 GB mỗi tháng.
Tổng quan về sử dụng năng lượng
Sự phát triển nhanh chóng về tăng trưởng lưu lượng di động đã trình bày ở trên dẫn đến một vấn đề nảy sinh tất yếu chính là năng lượng tiêu thụ của các thiết bị trong hệ thống mạng 5G cũng sẽ gia tăng Năng lượng tiêu thụ phần lớn đến từ trạm gốc và các thiết bị đầu cuối.
Các trạm gốc (BS) trong mạng 5G có thể được phân thành hai nhóm chính là Macro BS và Small BS, tùy thuộc vào công suất truyền và phạm vi phủ sóng Đặc tả chi tiết của hai nhóm sẽ được trình bày chi tiết như sau:
Macro BS: công suất phát vào khoảng 40 W cho thiết bị có băng thông vào khoảng 20 MHz và 80 W cho thiết bị LTE-A với 40 MHz Phạm vi liên lạc của chúng lên tới vài km và chúng thường được lắp đặt trên các mái nhà.
Small BS: công suất phát vào khoảng 0.05 W và 6 W Chúng có thể được phân loại thành các micro BS, pico BS và femto BS Các Micro BS and pico BS bao phủ các khu vực vừa và nhỏ với lưu lượng dày đặc như trung tâm mua sắm, khu dân cư, khách sạn hoặc nhà ga Phạm vi điển hình của micro / pico BS kéo dài từ vài trăm mét đến một cây số Các femto BS được thiết kế để phục vụ các khu vực nhỏ hơn như nhà riêng hoặc không gian trong nhà Phạm vi của các femto
BS thường chỉ vài mét và chúng thường được liên kết với một kết nối băng thông rộng bằng đường cáp riêng hoặc đến một đường dây thuê bao kỹ thuật số tại nhà [13].
Bảng 1.1: Bảng thống kê công suất tiêu thụ của một số loại BS [30].
Bảng 1.1 mô tả công suất tiêu thụ của các loại BS khác nhau [30] Trong đó, P 0 là tổng công suất tiêu thụ năng lượng bởi BS P sleep là công suất của trạm BS vận hành ở chu kỳ ngủ khi lưu lượng chuyển qua BS rất thấp Công suất tiêu thụ của một macro BS nhiều hơn so với một small BS Điều này là do các macro BS sử dụng bộ khuếch đại công suất tiêu thụ lớn để bao phủ các khu vực rộng lớn Ngược lại, các small BS được thiết kế để phủ sóng vực nhỏ hơn macro BS nhiều, bộ khuếch đại công suất được sử dụng cũng bé hơn nên số liệu công suất tiêu thụ thống kê được thấp hơn.
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 khuếch đại công suất của macro BS chiếm khoảng 57 % tổng năng lượng tiêu thụ cả hệ thống so với các thành phần khác Đối với các small BS, bộ xử lý tín hiệu dải nền chiếm khoảng 42 % tổng năng lượng tiêu thụ và có tác động đến mức tiêu thụ năng lượng nhiều hơn so với bộ khuếch đại công suất.
Thiết bị đầu cuối trong mạng không dây được phân thành hai loại chính: (i) điện thoại 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 vụ tin nhắn ngắn (SMS), gửi email, duyệt web và truyền phát âm thanh/video và phát lại Những chức năng này có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ pin Các thành phần phần cứng 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 nhớ flash, GPS và module âm thanh.
Tác động của từng thành phần này đến mức tiêu thụ năng lượng tổng thể phụ thuộc vào chế độ vận hành Khi không có ứng dụng nào hoạt động, chúng ta có thể phân biệt giữa hai trạng thái có thể xảy ra: chế độ dừng tạm thời(suspend) và chế độ 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 hoặc tin nhắn Trong trường hợp này, thành phần tiêu hao năng lượng cao nhất là khối module radio Trạng thái rảnh, tương tự như dừng tạm thời nhưng màn hình được bật 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 bị tiêu thụ hết bởi các thành phần khác nhau phụ thuộc rất nhiều vào hoàn cảnh sử dụng Ví dụ, trong một cuộc gọi điện thoại, thành phần tiêu hao năng lượng nhiều nhất là module radio, trong khi đó, nếu một video đang được phát ra thì đó là màn hình 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 tối thiểu 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 phần lớn vào nhà cung cấp cụ thể.
Bảng 1.2: Công suất tiêu thụ của các khối phần cứng smartphone [3].
Power consumption (mW) Type of activity Freerunner T-Mobile G1 N1
Lớp thiết bị đầu cuối thứ hai là các nút cảm biến trong mạng cảm biến không dây (WSN), thường bao gồm các phần tử như micro-controller, cảm biến, bộ thu phát, bộ nhớ, giao diện, bộ chuyển đổi DC-DC và pin [15].
Tiêu thụ năng lượng của các cảm biến liên quan chặt chẽ đến các khối thành phần cấu tạo và ứng dụng cảm biến cụ thể Về cơ bản, một cảm biến thực hiện hai nhiệm vụ chính: thu thập các dữ liệu đo đạc từ môi trường và truyền dữ liệu Trong mỗi phần này, một số thành phần hoạt động ở chế độ chủ động (active) Tiêu thụ năng lượng của một nhiệm vụ phụ thuộc vào năng lượng được sử dụng bởi các khối đang hoạt động và thời gian của nhiệm vụ Để minh họa, chúng ta xem xét số đo được hiển thị trong Bảng 1.3, do điện áp của các cảm biến sử dụng là 3.3V nên năng lượng tiêu thụ của các cảm biến được điều khiển và đo đạc thông qua giá trị cường độ dòng điện [15] Nút cảm biến được trang bị bộ điều khiển, cảm biến nhiệt độ, độ ẩm và áp suất 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 mA khi tất cả các thành phần ở chế độ thụ độ và tối đa là13 mA khi tất cả các các thành phần ở chế độ tích cực.
Bảng 1.3: Cường độ dòng điện tiêu thụ của các sensor trong WSN [15].
Component Active mode Inactive mode
Controller (SAML21) 0.3515 mA 0.0060 mA (standby) – 0.1968 mA (Idle) Temp./Hum./Press sensor (BME280) 0.468 mA 0.0005 mA (standby)
Ambient light sensor (BH1715) 0.190 mA 0.0010 mA (powerdown)
Bluetooth TRX (BLE112) 13 mA 0.0809 mA
Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài nghiên cứu
Trong hệ thống mạng không dây, dải tần số của sóng vô tuyến được xem như là một tài nguyên có giới hạn được quản lý bởi các tổ chức viễn thông của chính phủ. Như vậy, bất cứ hệ thống vô tuyến nào muốn sử dụng tần số đều phải được các tổ chức (Cục quản lý tần số) đó cấp phép Ngày nay, cùng với sự phát triển bùng nổ trong lĩnh vực điện tử viễn thông, đặc biệt là sự ra đời của mạng di động thế hệ thứ
5 (5G), thì tần số càng trở nên chật hẹp và khan hiếm bởi sự gia tăng số lượng các hệ thống vô tuyến và các chuẩn giao tiếp như Wifi, WiMax, LTE [41] Trong khi đó, hiệu suất sử dụng tài nguyên phổ tần số lại thấp, chỉ khoảng từ 15% đến 85%, chính vì vậy kỹ thuật nhiều ngõ vào, nhiều ngõ ra (MIMO) và mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio - CR) ra đời giúp cải thiện hiệu suất sử dụng phổ bởi nó cho phép các dịch vụ vô tuyến có thể sử dụng chung dải tần số [10] Ý tưởng chính của mạng vô tuyến nhận thức là cho phép các hệ thống vô tuyến có thể truy cập động hoặc sử dụng chung khoảng tần số đã được cấp phép nhưng hoạt động của hệ thống vô tuyến này không được gây ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống vô tuyến đã đăng ký sử dụng dải tần số ấy Ngoài ra, truyền công suất không dây trên tín hiệu cao tần(RF WPT) là một công nghệ mới nổi để cung cấp năng lượng hoạt động cho thiết bịIoT tổn hao năng lượng thấp được điều khiển từ xa Vấn đề cung cấp năng lượng cho một số lượng lớn các thiết bị IoT dự kiến sẽ là một thách thức quan trọng trong kỷ nguyên IoT sắp tới Khái niệm về RF WPT được mở rộng thành khái niệm truyền thông tin dữ liệu và công suất đồng thời trên cùng một sóng điện từ (SWIPT).
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 năng lượng trong mạng 5G là một lĩnh vực mới có nhiều thách thức và có sự ảnh hưởng nhất định đến hiệu suất của hệ thống thông tin và truyền thông trong tương lai Bên cạnh đó, vô tuyến nhận thức là một công nghệ mới cho phép đáp ứng lưu lượng dữ liệu di động lớn của các mạng không dây, nhu cầu gia tăng về dung lượng và tốc độ kênh truyền không dây lên đến hơn 10 Gbps trong mạng 5G đòi hỏi việc chiếm dụng nhiều băng tần hơn Điều đó dẫn đến việc cần tái sử dụng tài nguyên tần số cho hiệu quả của các mạng di động bằng công nghệ vô tuyến nhận thức Chính từ các nguyên nhân cấp thiết nói trên, học viên sẽ thực hiện luận văn với tên đề tài nghiên cứu là mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng Một số định hướng chính trong đề tài này được trình bày tóm tắt như sau (chi tiết về kỹ thuật được trình bày trong các phần sau):
Kỹ thuật truyền thông MIMO đã được công nhận là một kỹ thuật truyền thông hiệu quả trong hệ thống mạng di động thế hệ mới và khai thác một cách rộng rãi trong các hệ thống thông tin, khi nó giúp truyền tải nhiều dữ liệu hơn và phục vụ 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.
Kỹ thuật chuyển tiếp kết hợp vô tuyến nhận thức để mở rộng phạm vi truyền dữ liệu, giúp nâng cao hiệu suất tái sử dụng phổ tài nguyên tần số.
Kỹ thuật thu thập năng lượng là giải pháp để kéo dài thời gian hoạt động của các thiết bị có các ràng buộc về giới hạn năng lượng hoạt động, đây là một chủ đề đã và đang thu hút sự quan tâm và nghiên cứu từ các chuyên gia.
Tối ưu hóa dung lượng kênh truyền, tối ưu hoá các thông số trong bộ precoder là một vấn đề cần thiết để nâng cao chất lượng truyền đạt thông tin trong các hệ thống mạng di động.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu về mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có 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 bày như sau:
Nghiên cứu đề xuất mô hình mạng vô tuyến nhận thức (CR), kỹ thuật chuyển tiếp, kỹ thuật thu thập năng lượng,.
Xây dựng bài toán tối ưu cho các tham số của mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng.
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.
Nghiên cứu lý thuyết toán tối ưu và đưa ra giải thuật tối ưu cho mô hình đề xuất.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận văn tập trung vào mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng và bao gồm những phần sau: Đối tượng nghiên cứu
Kênh truyền dưới ảnh hưởng của hiện tượng đa đường.
Giao thức xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp.
Hệ thống vô tuyến nhận thức.
Kỹ thuật sử dụng trong hệ thống SWIPT.
Phạm vi nghiên cứu: Mạng vô tuyến nhận thức, kỹ thuật chuyển tiếp, tối ưu hoá cấp phát công suất, thu thập năng lượng.
Nghiên cứu lý thuyết tối ưu và ứng dụng.
Tập trung xây dựng và giải quyết bài toán tối ưu hoá công suất, năng lượng, triệt can nhiễu.
Nghiên cứu vấn đề chuyển tiếp kết hợp mạng vô tuyến nhận thức.
Sử dụng các ngôn ngữ lập trình python để giải bài toán tối ưu.
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 nguồn cơ 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 nội dung đã và đang được thực hiện thành một chuỗi các công trình có tính liên quan.
3 Từ hướng tiếp cận trước đây và các kiến thức về vấn đề để xây dựng hướng tiếp cận 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 Tiến hành 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 tính thống kê của dữ liệu.
6 Viết báo cáo về quy trình và kết quả, nhận xét và kiến nghị.
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, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu về mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận 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 bày trong luận văn gồm có:
Mạng vô tuyến nhận thức.
Hệ thống truyền thông tin và phát công suất đồng thời (SWIPT).
Mô hình suy hao kênh truyền.
Lý thuyết về kênh truyền MIMO.
Lý thuyết toán tối ưu.
Chương 3: Tối ưu dung lượng kênh hệ thống chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng.
Chương 3 trình bày các mô hình hệ thống về mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng Đưa ra mô hình tối ưu cho các tham số của hệ thống và đề xuất 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 ở chương 3 Đồng thời nêu lên nhận xét và so sánh với các phương pháp đã thực hiện trước 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 luận văn, cuối cùng là nêu ra quan điểm cá nhân về việc triển khai mô hình và hướng phát triển trong tương lai.
Kết luận
Chương này đã giới thiệu về lưu lượng di động 5G, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đối tượng và phương pháp nghiên cứu, cấu trúc luận văn Những định hướng nghiên cứu được trình bày ở trên sẽ là tiền đề quan trọng để học viên triển khai cấu trúc luận văn thành báo cáo hoàn chỉnh Chương tiếp theo sẽ trình bày về cơ sở lý thuyết làm nền tảng để thực hiện luận văn.
SỞ LÝ THUYẾT 15
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 là mô hình vô tuyến có khả năng tự nhận thức các thực thể, rất nhạy cảm với thay đổi trong môi trường xung quanh và nó có khả năng tương tác với môi trường một cách thích nghi để tự cấu hình hay tái thiết lập mạng, đây là ý tưởng kỹ thuật hoàn toàn mới đối với các nghiên cứu tại Việt Nam Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức như mô tả trong [28]: mạng vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng nhận biết môi trường xung quanh và điều chỉnh các các tham số hoạt động của nó để tối ưu hoá hệ thống dưới dạng tối đa băng thông, giảm can nhiễu, truy nhập phổ tần động.
Theo định nghĩa của giáo sư Simon Hayskin, người phát minh ra mạng vô tuyến nhận thức là: mạng vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh và từ môi trường nó sẽ thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các thông số tương ứng (công suất truyền, tần số sóng mang, phương pháp điều chế) trong thời gian thực với hai vấn đề chính: một là truyền thông với độ tin cậy cao bất cứ khi nào và bất cứ 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 số vô tuyến mà được thiết kế để thông minh phát hiện một khoảng phổ đang sử dụng hay 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 phép khác" [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 ra khoảng phổ trống và tận dụng những khoảng tần số này để truyền tín hiệu mà không ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp.
2 Phân tích phổ: tính toán ước lượng dung lượng phổ và chất lượng những hố phổ tốt nhất Một trong những nhiệm vụ quan trọng của chức năng phân tích phổ là tính toán ước lượng dung lượng phổ.
3 Quyết định phổ: quyết định lựa chọn dải phổ phù hợp thỏa mãn các yêu cầu chất lượng dịch vụ của hệ thống thức cấp.
4 Chia sẻ phổ: chia sẻ phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức có thể được coi tương 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 mạng vô 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 của ba 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 hoạt động trên cùng một tần số trong đó máy phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất phát sao cho công suất can nhiễu nhận tại máy thu sơ cấp phải nhỏ hơn một ngưỡng quy định trước Hay nói cách khác, quá trình truyền nhận dữ liệu của hệ thống thứ cấp phải không được gây hại cho hệ thống sơ cấp Do đó, vùng phủ sóng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền thường nhỏ Một nhược điểm khác của mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền là máy phát thứ cấp cần phải biết thông tin kênh truyền lý tưởng (không trễ và không lỗi) của kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp có thể do hệ thống sơ cấp hồi tiếp về cho hệ thống thứ cấp Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh truyền này là có trễ và có lỗi dẫn đến thực tế rằng hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo mức can nhiễu quy định tại máy thu sơ cấp.
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 giả định rằng hai mạng phải trao đổi thông tin và kết hợp lẫn nhau để loại bỏ/tránh can nhiễu giữa hai mạng bằng các kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp Một mô hình đơn cử là hệ thống thứ cấp có thể giúp hệ thống sơ cấp cải thiện hiệu năng dạng chuyển tiếp Cho đến nay, mô hình mạng loại này vẫn đang được nghiên cứu và làm rõ do các giả sử và điều kiện cần thiết để triển khai mạng hoặc chưa thực tế và/hoặc chưa hợp 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 khái niệm lỗ phổ dưới dạng không gian và thời gian, nghĩa là hệ thống thứ cấp sẽ phát dữ liệu nếu hệ thống phát hiện ra lỗ phổ và lỗ phổ này đảm bảo chất lượng dịch vụ yêu cầu của hệ thống Do đó, mô hình này đòi hỏi hệ thống thứ cấp phải biết được thông tin hoạt động truyền phát của hệ thống sơ cấp Hay nói cách khác, hệ thống thứ cấp phải dừng truyền nếu hệ thống sơ cấp truyền phát trở lại hạn chế gây can nhiễu cho hệ thống sơ cấp.
Nhược điểm của mô hình mạng loại này là khả năng đáp ứng thời gian thực do hoạt động của hệ thống thứ cấp hoàn toàn phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống sơ cấp Trong một số trường hợp, hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo hoạt động khi mà hệ thống sơ cấp hoạt động liên tục Do đó, việc kết hợp mô hình đan xen với mô hình dạng nền, còn gọi là mô hình lai, là một giải pháp hữu hiệu.
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 các nguồn 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 thập được được lưu trữ trong pin hoặc siêu tụ điện Tuy nhiên, hiệu suất thu thập và chuyển đổi năng lượng của EH không cao do tính chất bất thường và không lường trước được của môi trường xung quanh Truyền công suất không dây (WPT) là một hướng 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 lại bằng cách sử dụng xạ điện từ Hệ thống truyền thông tin và phát công suất đồng thời (SWIPT) là một kỹ thuật được phát triển từ nửa sau thế kỷ XX trong số nhiều hướng phát triển công nghệ WPT và nó cho phép truyền đồng thời thông tin và năng lượng không dây, như trong Hình 2.3 Với sự phát triển mạnh mẽ của mạng 5G, công nghệ SWIPT có thể là cơ bản tầm quan trọng đối với năng lượng và truyền tải thông tin trong nhiều hệ thống viễn thông hiện đại [45] Tuy nhiên, để kỹ thuật SWIPT đạt được hiệu quả cao thì việc thay đổi thiết kế cơ bản là tất yếu trong các hệ thống mạng không dây Độ tin cậy tiếp nhận và tốc độ truyền thông tin được sử dụng thông thường để đánh giá hiệu suất của các mạng không dây [42] Hơn nữa, sự đánh đổi giữa tốc độ thông tin và mức năng lượng thu thập trở thành một yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu năng hệ thống khi người dùng trong hệ thống thực hiện EH sử dụng tín hiệu RF [42] Trong [42], một máy thu lý tưởng được sử dụng, trong đó có khả năng thực hiện Giải mã thông tin (ID) và thu thập năng lượng (EH) đồng thời Các kiến trúc mạch máy thu được sử dụng trong kiến trúc máy thu đã được giới thiệu đề xuất 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 cơ bản giữa truyền dữ liệu và truyền công suất [12] Tuy nhiên, việc truyền phát đồng thời này là không khả thi trong thực tế, vì quá trình thu thập năng lượng được thực hiện 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 thập năng lượng và một phần để giải mã thông tin Phần dưới sẽ trình bày các kỹ thuật đã được đề xuất trong hệ thống SWIPT để đạt được sự phân tách tín hiệu này trong các miền khác nhau (thời gian, công suất, anten, không gian).
Hình 2.4: Phân loại kỹ thuật trong hệ thống SWIPT: a) Time Switching, b) Power Splitting, 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 thu thập năng lượng [36] Trong trường hợp này, việc phân tách tín hiệu được thực hiện trong miền thời gian và do đó toàn bộ tín hiệu thu được trong một khe thời gian được sử dụng để giải mã thông tin hoặc truyền công suất (Hình 2.4a) Kỹ thuật TS cho phép thực hiện phần cứng đơn giản tại máy thu nhưng yêu cầu đồng bộ chính xác 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 thành hai luồng có mức công suất khác nhau bằng cách sử dụng thành phần PS; một luồng tín hiệu được gửi đến khối Rectena (gồm anten thu, mạch phối hợp trở kháng và bộ chuyển 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 đòi hỏi độ phức tạp của máy thu cao hơn so với TS và yêu cầu tối ưu hóa hệ số chia công suất α Kỹ thuật PS phù hợp cho các ứng dụng mang thông tin / năng lượng quan trọng hoặc tối ưu thông tin thu thập được với các ràng buộc về độ trễ thời gian cho phép.
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 của thiết bị đáng tin cậy Lấy cảm hứng từ phương pháp này, kỹ thuật AS tự động chuyển đổi từng phần tử anten giữa quá trình giải mã và chỉnh lưu để đạt được SWIPT trong miền anten (Hình 2.4c) Trong giải thuật AS, các anten thu được chia thành hai nhóm trong đó một nhóm được sử dụng để giải mã thông tin và nhóm còn lại để thu thập năng lượng [36] Kỹ thuật AS yêu cầu giải pháp cho một vấn đề tối ưu hóa trong mỗi khung truyền nhận thông tin để quyết định việc gán tối ưu các phần tử anten để giải mã thông tin và thu hoạch năng lượng Đối với kênh chuyển tiếp giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward MIMO, trong đó nút chuyển tiếp sử dụng năng lượng thu được để phát lại tín hiệu thu, vấn đề tối ưu hóa được coi là một bài toán 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 MIMO và 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 kênh truyền 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 có thể mang thông tin hoặc năng lượng (Hình 2.4d) Ở đầu ra của mỗi eigenchannel có một công tắc điều khiển đầu ra kênh hoặc đến mạch giải mã hoặc đến mạch chỉnh lưu.
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 tuyến xung quanh và đưa ra quyết định một cách thông minh để sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên phổ tần số sẵn có Khi tích hợp công nghệ SWIPT với mạng vô tuyến nhận thức có thể cung cấp hệ thống mạng không dây sử dụng hiệu quả năng lượng và phổ tần số Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức tích hợp SWIPT được hiển thị trong Hình 2.5 Có ba khu vực chính xung quanh khu vực trạm gốc của mạng sơ cấp: vùng thu thập năng lượng, vùng truyền thông tin và vùng nhiễu Người dùng thứ cấp nằm trong vùng thu thập năng lượng có thể thu hoạch năng lượng và nhận thông tin đồng thời Người dùng sơ cấp trong vùng phát dữ liệu sẽ nhận thông tin từ trạm gốc của mạng sơ cấp Người dùng không thể truyền dữ liệu nếu nằm trong vùng can nhiễu [31].
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 chắc chắn bởi nhiều lý do như thời tiết, địa hình Trong thực tế, tín hiệu được truyền từ máy phát tới máy thu theo nhiều đường khác nhau bị ảnh hưởng rất nhiều từ hiệu ứng fading đa đường Nhiều phương pháp khác nhau đã được đưa ra để hạn chế ảnh hưởng của fading này như sử dụng kỹ thuật phân tập, một trong số đó là kỹ thuật chuyển 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 tới được thì gây ảnh hưởng đến các hệ thống khác thì kỹ thuật chuyển tiếp có thể giải quyết vấn đề này Ý tưởng chính của kỹ thuật này là sẽ chia nhỏ đường truyền giữa nút nguồn và nút đích bằng cách sử dụng các nút chuyển tiếp ở giữa (nút relay) để chuyển tiếp tín hiệu Nút chuyển tiếp ngoài nhiệm vụ chuyển tiếp tín hiệu nó còn làm nhiệm vụ khuếch đại, giải mã và mở rộng phạm vi phủ sóng, tăng chất lượng của hệ thống Với ý tưởng hoạt động như vậy, sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp để truyền dữ liệu cho phép ta chia khoảng cách truyền lớn thành các khoảng cách truyền nhỏ hơn làm cho vùng phủ sóng của hệ thống sẽ rộng hơn mà không cần đòi hỏi máy phát tín hiệu có công suất quá lớn, trong khi thiết kế máy phát công suất lớn sẽ rất khó thực hiện hơn so với thiết kế các nút chuyển tiếp Tại nút chuyển tiếp có hai kỹ thuật 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.
Hình 2.6: Giao thức chuyển tiếp: (a) Giao thức AF và (b) Giao thức DF [37].
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 Trong phương thức này, nút chuyển tiếp nhận tín hiệu analog bị suy hao trong quá trình truyền từ nút nguồn, sau đó tiến hành khuyếch đại tín hiệu mà nó thu được trước khi chuyển tiếp về nút tiếp theo Nhược điểm của phương pháp này là nút chuyển tiếp không phát hiện và triệt được nhiễu cộng vào, trái lại nút chuyển tiếp còn khuếch đại nhiễu 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) đã được Sendonaris nghiên cứu và đề xuất từ năm 2003, là cơ sở cho các hoạt động nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực này [34, 35] Xem xét hệ thống mô tả trong Hình 2.6b gồm 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 nút chuyển tiếp Trong khoảng thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp thực hiện giải điều chế và giải mã tín hiệu nhận được từ nút nguồn, sau đó mã hóa lại và phát lại tín hiệu tới 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 tiếp phải có nhiều mạch điện analog phức tạp để lưu trữ các mẫu tín hiệu thu trước khi khuếch đại và chuyển tiếp Ngược lại, kỹ thuật DF lại có ưu điểm là thích hợp cho các hệ thống số có sử dụng mã hóa.
Mô hình suy hao kênh truyền đa đường
Suy hao kênh truyền đa đường là một hiện tượng rất phổ biến trong môi trường truyền sóng không dây của thông tin vô tuyến Mô hình fading mô tả sự suy giảm cường độ và xoay pha tín hiệu không giống nhau tại các thời điểm hoặc tại các tần số khác nhau do hiệu ứng truyền đa đường gây ra Mô hình fading có thể được phân nhóm rộng rãi thành hai nhóm chính: large-scale fading và small-scale fading [9].
Path Loss Alone Shadowing and Path Loss Multipath, Shadowing, and Path Loss
Hình 2.7: Mô hình suy hao kênh truyền đa đường theo khoảng cách [9].
Hình 2.7 minh họa tỷ lệ giữa công suất tín hiệu thu và công suất tín hiệu phát tính bằng dB so với khoảng cách log cho các tác động kết hợp của suy hao đường truyền (pathloss), hiệu ứng che khuất bóng râm và hiệu ứng đa đường.
Large scale-fading thể hiện sự suy giảm công suất tín hiệu trung bình hoặc suy hao kênh truyền do chuyển động trên các khu vực rộng lớn và nó bị ảnh hưởng bởi cấu hình địa hình giữa máy phát và máy thu và trên một khoảng cách rất xa (từ vài trăm đến hàng nghìn mét) Trên một khoảng cách như vậy cho thấy rằng công suất dao động xung quanh một giá trị trung bình và những dao động này có một chu kỳ khá dài Thống kê về large-scale fading được mô tả dưới dạng suy hao kênh truyền trung bình theo hệ số mũ thứ n và biến thể của hàm log-normal về giá trị trung bình, dẫn đến ước lượng suy hao kênh truyền là một hàm của khoảng cách.
Trong mô hình bóng râm log-normal, tỷ lệ giữa công suất truyền và nhận ψ = P P t r được giả định là ngẫu nhiên với phân phối log-normal cho bởi phương trình: p(ψ) = ξ
, ψ > 0 (2.1) trong đú ξ = ln(10) 10 , à ψ dB là trung bỡnh của ψ dB = 10 log 10 ψ và đo bằng dB, σ ψ dB là độ lệch chuẩn ψ dB và cũng được đo bằng dB [9]. Độ lợi kênh trung bình thu được từ biểu thức (2.1) là: à ψ = E[ψ] = e àψ dB ξ + σ
Small-scale fading đề cập đến những thay đổi nhanh về biên độ và pha của một tín hiệu vô tuyến trong một khoảng thời gian ngắn (theo thứ tự giây) hoặc một thời gian ngắn khoảng cách (một vài bước sóng) Trong small-scale fading, công suất tín hiệu thu tức thời có thể thay đổi nhiều như 30 đến 40 dB khi bộ thu di chuyển khoảng cách chỉ một phần nhỏ của bước sóng Trong môi trường truyền sóng của điện thoại di động, mỗi thiết bị khi dịch chuyển chịu ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, độ trễ thời gian và sự suy hao kênh truyền, sự lan truyền đa đường dẫn đến tín hiệu thay đổi theo thời gian khi thiết bị di động di chuyển vị trí Small-scale fading thường được mô tả bằng hàm phân phối Rayleigh.
Theo [9], giả sử tín hiệu phát có biểu thức: s(t) = < u(t)e j2πf c t =