Phân tích và đánh giá hiệu năng trong mạng chuyển tiếp không dây truyền năng lượng

Một trạm năng lượng vô tuyến điển hình gồm một điểm truy cập có nguồn không đổi phát quảng bá tín hiệu vô tuyến mang cả thông tin và năng lượng đến các thiết bị đầu cuối, như hình 1.4..

BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN

ÐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2014-2015

DANH SÁCH CÁN BỘ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

STT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan công tác

1 Hà Đắc Bình Tiến sĩ Điện tử Viễn thông Khoa ĐĐT

2 Trần Đức Dũng Cao học Khoa học máy tính Khoa ĐĐT

MỤC LỤC

MỤC LỤC ii

DANH MỤC HÌNH 1

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 3

1.2 Mục tiêu của đề tài 6

1.3 Phương pháp nghiên cứu 6

1.4 Các bước tiến hành nghiên cứu 6

1.5 Tình hình nghiên cứu 6

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 6

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước 7

1.6 Hiệu quả kinh tế - xã hội và giáo dục 7

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG KHOA HỌC ĐỀ TÀI 8

2.1 Mô hình hệ thống 8

2.2 Phân tích hiệu năng 12

2.2.1 Xác suất dừng hệ thống 12

2.2.2 Thông lượng hệ thống 13

2.2.3 Xác suất lỗi ký tự trung bình 13

2.3 Kết quả số và thảo luận 15

2.3.1 Đánh giá kết quả phân tích 15

2.3.2 Ảnh hưởng của tham số thời gian thu năng lượng () 16

2.3.3 Ảnh hưởng của tham số hiệu suất thu năng lượng () 16

2.3.4 Ảnh hưởng của tham số vị trị nút chuyển tiếp (d 1) 17

CHƯƠNG 3 KẾT LUẬN 19

3.1 Kết quả đạt được 19

3.2 Kết luận 19

3.3 Hướng nghiên cứu tiếp theo 19

PHỤ LỤC 21

1 Hàm mô phỏng đại lượng xác suất dừng bảo mật 21

2 Hàm mô phỏng xác suất lỗi ký tự trung bình 21

3 Hàm điều chế MPSK 23

4 Hàm giải điều chế MPSK 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 24

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Các thiết bị không dây 3

Hình 1.2 Mức độ sử dụng năng lượng của các thiết bị không dây 4

Hình 1.3 Nguồn năng lượng không dây 5

Hình 1.4 Cấu trúc của mạng truyền năng lượng không dây RF 5

Hình 2.1 Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng 8

Hình 2.2 OP và ASEP vs công suất truyền PS với = 0.4,  = 1, d1 = d2 = 1, K = 3, R = 2, 1= 2, 2= 3, N0 = 0.01 15

Hình 2.3 OP và ASEP vs thời gian thu năng lượng với PS = 1 W,  = 1, d1 = d2 = 1, K = 3, R = 2, 1= 2, 2= 3, N0 = 0.01 16

Hình 2.4 OP and ASEP vs hiệu suất thu năng lượng  với PS = 1 W,  = 0.4, d1 = d2 = 1, K = 3, R = 2, 1= 2, 2= 3, N0 = 0.01 17

Hình 2.5 OP và ASEP vs khoảng cách từ nguồn tới nút chuyển tiếp d1 với PS = 1 W,  = 0.4,  = 1, d2 = 2 - d1, K = 3, R = 2, 1= 2, 2= 3, N0 = 0.01 17

Hình 2.6 Thông lượng  vs ,  or d1 with PS = 1 W, d2 = 2 - d1, K = 3, R = 3, 1  = 2, 2= 3, N0 = 0.01 18

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ASEP Average Symbol Error Probability Xác suất lỗi ký tự trung bình

BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha nhị

phân CDF Cumulative Density Function Hàm mật độ tích lũy

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha cầu

phương

SWIPT Simultaneous wireless information

and power transfer

Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các thiết bị không dây được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như thông tin liên lạc, giải trí, quân sự… (Hình 1.1)

Hình 1.1 Các thiết bị không dây

Các ứng dụng trên các thiết bị không dây ngày càng nhiều cộng thêm việc yêu cầu màn hình ngày càng nâng cao làm cho sự tiêu hao năng lượng ngày càng lớn Những loại thiết bị không dây cho những ứng dụng khác nhau thì có yêu cầu về năng lượng khác nhau, như hình 1.2

Một trong những hướng giải quyết nhằm đáp ứng nhu cầu này là việc chế tạo ra những loại pin có khả năng trữ năng lượng lớn Bên cạnh đó, việc nạp năng lượng nhanh và tiện lợi cũng là một hướng mà nhiều cơ quan nghiên cứu, hãng sản xuất theo đuổi hiện nay Có nhiều cách để nạp năng lượng, nhưng nạp không dây vẫn là cách thuận tiện và dễ dàng nhất

Battery Run Time

Target Profiles for RF-based Wireless Power

Low-power Wireless Sensors

Weeks

Hình 1.2 Mức độ sử dụng năng lượng của các thiết bị không dây

Một số ví dụ tiêu biểu của nạp năng lượng không dây là nạp năng lượng mặt trời, nạp năng lượng nhiệt và nạp năng lượng sóng vô tuyến, như hình 1.3 Trong đó, công nghệ nạp năng lượng bằng sóng vô tuyến là công nghệ mới nhất hiện nay và nó đang trong quá trình hoàn thiện, nó cho phép các thiết bị di động nạp năng lượng từ các trạm

vô tuyến

Một trạm năng lượng vô tuyến điển hình gồm một điểm truy cập có nguồn không đổi phát quảng bá tín hiệu vô tuyến mang cả thông tin và năng lượng đến các thiết bị đầu cuối, như hình 1.4 Trong các thiết bị đầu cuối này, có một số hoạt động như máy thu thông tin giải mã tin hiệu nhận được, một số khác chỉ nhận năng lượng bằng cách nạp năng lượng từ sóng điện từ Để khắc phục sự suy hao cực kỳ lớn do phải truyền qua môi trường không dây nên các thiết bị nạp năng lượng phải được triển khai gần điểm truy cập Tuy nhiên, việc này ảnh hưởng như thế nào đến việc truyền thông tin mà điểm truy cập gửi cho các máy thu thông tin Trong mạng chuyển tiếp, các nút chuyển tiếp thu năng lượng rồi sau đó dùng năng lượng này để chuyển tiếp gói tin, hiệu năng của mạng này như thế nào? Làm thế nào để nâng cao hiệu năng hệ thống mạng chuyển tiếp? Đó là những vấn đề tiêu biểu mà đề tài cần nghiên cứu

Ánh sáng

Sự chuyển động

Tần số vô tuyến

Nhiệt

Hình 1.3 Nguồn năng lượng không dây

Hình 1.4 Cấu trúc của mạng truyền năng lượng không dây RF

1.2 Mục tiêu của đề tài

- Phân tích và đưa ra các biểu thức đánh giá hiệu năng lớp vật lý của hệ thống như xác suất dừng hệ thống, thông lượng và xác suất lỗi ký tự trung bình đối với mạng chuyển tiếp truyền năng lượng hai chặng

- Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của hệ thống trên theo các tham số công suất phát, thời gian truyền năng lượng và khoảng cách truyền

1.3 Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích và tổng hợp thông tin

- Phân tích theo đặc tính thống kê

- Mô phỏng Monte Carlo

- Phân tích kết quả và đánh giá

1.4 Các bước tiến hành nghiên cứu

- Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu mới nhất về mạng truyền năng lượng

- Đề xuất mô hình nghiên cứu về mạng chuyển tiếp hai chặng có truyền năng lượng

- Phân tích và tính toán các biểu thức về xác suất dừng hệ thống, thông lượng và xác suất lỗi ký tự trung bình

- Tiến hành mô phỏng và tính toán 3 thông số trên

- Từ đó khảo sát hiệu năng mạng theo các tham số công suất phát, thời gian truyền năng lượng và khoảng cách truyền

1.5 Tình hình nghiên cứu

1.5.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Việc truyền năng lượng vô tuyến (RF) đã thu hút sự quan tâm của giới khoa học

từ rất lâu, nó như là vấn đề riêng biệt với việc truyền thông tin vô tuyến Thông thường, trước đây người ta sử dụng việc định hướng ăn-ten hoặc dung ăn-ten có khẩu độ lớn để khắc phục sự suy hao lớn trong việc truyền năng lượng vô tuyến Trải qua vài thập kỷ, với sự phát triển của mạch thu năng lượng RF, việc truyền năng lượng thấp cho các thiết bị di động trong hệ thống không dây đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng [1-2] Các tác giả trong [1] đã đề xuất cấu trúc của mạng không dây cho các trạm sạc RF chồng

lên mạng tế bào Trong [2], một giao thức thu năng lượng và truyền transmit) được đề xuất cho mạng không dây kết hợp với truyền năng lượng Ngoài ra,

(harvest-then-có rất nhiều kỹ thuật định hướng ăn-ten mới được triển khai để cải thiện hiệu quả của việc truyền năng lượng không dây cho các ứng dụng di động [2-4] Cho đến ngày hôm nay, việc sử dụng tín hiệu RF cho hai mục đích truyền năng lượng cũng như truyền thông tin đã được chấp nhận rộng rãi [5-6] Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (Simultaneous wireless information and power transfer – SWIPT) [7] được đề xuất để truyền năng lượng RF, thường trong vùng năng lượng thấp, ví dụ như mạng cảm biến không dây SWIPT cung cấp một ưu điểm về việc khống chế để đảm bảo yêu cầu về truyền năng lượng và thông tin đồng thời với giá thành thấp mà không cần thay đổi nhiều phần cứng của máy phát Tuy nhiên, những kết quả nghiên cứu mới nhất cho thấy việc tối ưu giữa truyền thông tin và năng lượng vô tuyến phải trả giá cho việc thiết kế hệ thống vô tuyến [5, 8] Nguyên nhân được cho là tín hiệu RF quyết định chất lượng thông tin, trong khi đó giá trị bình phương trung bình của tín hiệu RF chính

là năng lượng truyền Kết quả là, lượng thông tin truyền và năng lượng truyền không thể đạt cực đại đồng thời Điều này dẫn đến yêu cầu phải thiết kế lại hệ thống mạng không dây hiện có

1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước

Tại Việt Nam, theo tìm hiểu của chúng tôi, chưa có nhóm nghiên cứu nào đeo đuổi hướng nghiên cứu về đánh giá hiệu năng trong mạng truyền năng lượng vô tuyến hai chặng

1.6 Hiệu quả kinh tế - xã hội và giáo dục

- Về hiệu quả kinh tế - xã hội: Thúc đẩy sự phát triển của mạng không dây

chuyển tiếp có yếu tố truyền năng lượng vô tuyến, đóng góp cho sự phát triển chung của thông tin vô tuyến trên thế giới

- Về hiệu quả giáo dục: Phục vụ cho công tác dạy và học của các ngành điện tử

viễn thông của trường, nâng cáo năng lực và trình độ nghiên cứu của giảng viên

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG KHOA HỌC ĐỀ TÀI

sr

h

rd

h

Hình 2.1 Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng

Trong mô hình này, mạng gồm một trạm nguồn (Source-S) vừa truyền thông tin vừa truyền năng lượng, một máy chuyển tiếp (Relay-R) có năng lượng giới hạn bởi khả năng thu được năng lượng vô tuyến từ trạm nguồn và một máy đích (Destination-D) Trong đề tài này, chúng tôi đề xuất kịch bản như sau:

 Giả sử không tồn tại đường truyền trực tiếp giữa trạm nguồn và máy đích vì đường truyền này xấu hoặc tín hiệu quá yếu làm cho việc thông tin liên lạc từ S đến D không thể thực hiện được mà cần sự giúp đỡ của máy chuyển tiếp R

 Máy chuyển tiếp R thu năng lượng từ trạm nguồn S bằng cách sử dụng các giao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian (time switching-based relaying - TSR) [12] và giúp trạm nguồn truyền thông tin đến máy đích theo phương thức khuếch đại chuyển tiếp AF

 Trạm nguồn truyền năng lượng và thông tin đến máy chuyển tiếp trên kênh truyền pha-đinh Rician (có tia trực tiếp) Trong khi đó, máy chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu nhận được và truyền thông tin đến máy đích qua kênh truyền pha-đinh Rayleigh Giả thuyết này là hợp lý vì các máy chuyển tiếp có năng lượng hạn chế thường đến gần trạm truyền năng lượng để tiếp năng lượng Trong thực

tế, các kênh giữa nguồn và máy chuyển tiếp có tia trực tiếp (LOS), trong khi các kênh giữa các máy chuyển tiếp và máy đích có thể không nhất thiết phải giống nhau Lưu ý rằng, pha-đinh Rician xảy ra khi một trong những đường đi của tín hiệu là một tín hiệu LOS, nó mạnh hơn nhiều so với những thành phần khác Chúng tôi cũng cho rằng trong mỗi lần thời gian khối T, hệ số các kênh này là hằng số, độc lập và có phân phối đồng nhất (iid)

 Tất cả các máy phát và máy thu được trang bị với một ăng-ten duy nhất

 So với năng lượng được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy chuyển tiếp đến đích, năng lượng dùng cho việc xử lý yêu cầu của truyền / nhận tiêu hao trên mạch tại máy chuyển tiếp là không đáng kể Vì vậy, nó có thể được bỏ qua Đầu tiên, máy chuyển tiếp thu năng lượng từ trạm phát năng lượng (tức trạm nguồn) trong khoảng thời gian  T Từ đó, công suất truyền từ máy chuyển tiếp là [14]:

P r= E h(1-)T / 2=

E

d 

= là năng lượng thu được tại máy chuyển tiếp, 0 là 1

hiệu suất chuyển năng lượng, nó phụ thuộc quá trình chỉnh lưu và mạch thu năng lượng; P S là công suất truyền của trạm nguồn; T là thời gian khối mà trong đó thông tin

của khối được truyền từ trạm nguồn đến máy đích;  là hệ số biểu thị tỉ lệ của thời

gian khối dùng để truyền năng lượng cho máy chuyển tiếp, 0    1 Đối với kênh truyền từ trạm nguồn đến máy chuyển tiếp, |h sr |2 là độ lợi công suất kênh truyền, d1

là khoảng cách truyền,  là hệ số suy hao đường truyền; 1 2

1

|h sr|

d 

Trong khoảng thời gian 1-T / 2, trạm nguồn truyền tín hiệu x(t) đến máy

chuyển tiếp Khi đó, tín hiệu nhận được ở máy chuyển tiếp là:

trong đó, n r là nhiễu trắng Gaussian phức, n r ~(0,N1)

Trong khoảng thời gian còn lại 1-T / 2, máy chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu

nhận từ trạm nguồn và truyền lại cho máy đích Giả sử hệ số kênh truyền từ nguồn đến máy chuyển tiếp là h sr được biết trước ở máy chuyển tiếp Tín hiệu nhận được ở máy đích là:

d

h P

trong đó, d2 và  lần lượt là khoảng cách và hệ số suy hao đường truyền từ máy 2

chuyển tiếp đến máy đích n d là nhiễu trắng Gaussian phức, n d ~(0,N2) Để đơn giản, chúng tôi giả sử N1=N2 =N0; E  là toán tử kỳ vọng của biến ngẫu nhiên

Chúng ta viết lại z(t) như sau:

1 2 1

2 1

2

0 1

2

2 0 1

h P

N d

Hàm mật độ phân bố xác suất (probability density function - PDF) của biến ngẫu nhiên (RV) g là [6] 1

( 1) 1

trong đó,  2 1

1 |h sr | d1

thành phần LOS với các thành phần tán xạ khác và I0  là hàm Bessel hiệu chỉnh bậc

l

l qx l

qK

lg

Hàm mật độ tích luỹ (cumulative density function - CDF) của biến ngẫu nhiên g 1

được tính như sau [9]:

2.2 Phân tích hiệu năng

Để đánh giá hiệu năng của hệ thống vô tuyến, người ta thường dùng các thông số xác suất dừng hệ thống, thông lượng và xác suất lỗi ký tự trung bình

2.2.1 Xác suất dừng hệ thống

Xác suất dừng hệ thống là một tiêu chí hiệu năng quan trọng thường dùng để đặt

tả hệ thống thông tin không dây Nó được định nghĩa là xác suất mà tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tức thời đầu cuối – đầu cuối SNR, ge e2 , thấp hơn giá trị ngưỡng cho trước g0, được tính bởi

0 2

2 0

2 0

0

0

0

/ 2

0

0 /

q t

t aP n

p q

( 1)/2 ( 1)/2

0 2

( 1)/2

0 1

n

S N

q K

P

l n m n a

q e

N

N aPg

Lưu ý, để đạt được (13), chúng tôi sử dụng một số công thức sau:

0

2

/ 2 1

0

1,

m

n t

Chúng tôi phân tích thông lượng ( ) ở máy đích cho phương thức truyền giới

hạn thời gian trễ Nó được tính toán bằng việc đánh giá xác suất dừng hệ thống ở tốc

độ truyền cho trước của trạm nguồn – R bits/s/Hz, trong đó, R=log (12 g0) Chúng tôi

quan sát trạm nguồn truyền thông tin ở tốc độ R bit/s/Hz và thời gian truyền hiệu dụng

từ trạm nguồn đến máy đích trong khoảng thời gian khối T là (1-) / 2T Khi đó, thông lượng  ở máy đích được tính như sau:

2.2.3 Xác suất lỗi ký tự trung bình

Xác suất lỗi ký tự trung bình (ASEP) là một tham số rất quan trọng khác mà các nhà thiết kế hệ thống phải biết Nó dùng để đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến và nó được tính như sau:

0

,( )

 -

=  là hàm Q Gaussian,  và  là các hằng số phụ thuộc vào loại điều chế

Theo [6], chúng ta có thể biểu diễn (13) như sau:

/2 1/2 0

( 1)/ 2 ( 1)/ 2

2 ( 1)/ 2

0

/ 2 1/ 2 2

0

1 /

0

( )

2 2π

( ) 2

( 1)/ 2 ( 1)/ 2

2 ( 1)/ 2

1 2

1

/2 2

/2 0

0

/ 0

 

1 2

0

2 0

,

π,

2

,2

qt

t

e dt q t

2.3 Kết quả số và thảo luận

Ở phần này, chúng tôi sẽ làm rõ ảnh hưởng của những tham số hệ thống như hệ số thời gian truyền năng lượng (), hiệu suất truyền năng lượng () và vị trí của nút chuyển tiếp (d1) lên các đại lượng được đánh giá là xác suất dừng hệ thống (OP), xác suất lỗi ký tự trung bình (ASEP) và thông lượng ( )

2.3.1 Đánh giá kết quả phân tích

Kết quả phân tích đối với hai đại lượng OP và ASEP được đánh giá và xác nhận thông qua kết quả mô phỏng như ở hình 2 Ở hình này, chúng tôi khảo sát sự thay đổi

của OP và ASEP theo P S với các kỹ thuật điều chế được sử dụng lần lượt là BPSK và

QPSK Ta quan sát thấy rằng, kết quả phân tích và mô phỏng trùng khít hơn trong

vùng SNR cao hay trong vùng P S có giá trị lớn Điều này là do chúng tôi sử dụng công thức gần đúng của SNR nhận được tại đích (g e e2 ) như ở (6) Thêm vào đó, hình 2 cũng

chỉ ra rằng OP và ASEP giảm khi P S tăng do g e e2 càng lớn và giá trị của ASEP – BPSK là nhỏ hơn so với ASEP – QPSK

ASEP - QPSK ASEP - BPSK

OP

Hình 2.2 OP và ASEP vs công suất truyền P S với  = 0.4,  = 1, d 1 = d 2 = 1, K = 3, R = 2,  = 2, 1  = 3, 2

N 0 = 0.01