HỆ THỐNG TSR ENERGY HARVESTING bán SONG CÔNG THEO DELAY TOLERANT

có sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán và hướng dẫn chi tiết về HỆ THỐNG TSR ENERGY HARVESTING bán SONG CÔNG THEO DELAY TOLERANT ...................................................................................................................................................................................

MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH

HƯỞNG CỦA VỊ TRÍ RELAY TRONG

HỆ THỐNG TSR ENERGY HARVESTING BÁN SONG CÔNG THEO

DELAY-TOLERANT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

RF Ratio Frequency

AWGN Additive White Gaussian Noise

MIMO Multiple Input Mutiple Output

TSR Time Switching – Based Relaying

PSR Power Splitting – Based Relaying

SNR Signal to Noise Ratio

CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

1 Mục đích nghiên cứu

Ngày nay trong bối cảnh toàn cầu hóa với sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật, có nhiều dịch vụ công nghệ truyền thông ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người Một trong những dịch vụ hàng đầu hiện nay đó là công nghệ truyền thông di động Nhu cầu truyền tải dữ liệu nhanh chóng, dung lượng truyền tải lớn và ít tiêu tốn năng lượng là một nhu cầu bức thiết Từ việc nghe nhạc, xem video, cho tới chia sẻ thông tin hay cập nhật các mạng xã hội như Facebook, Twitter,… đều cần phải kết nối liên tục, kết nối với nhiều người

2 Lí do chọn đề tài

Các thế hệ hệ thống di động như 1G, 2G, 3G, 4G phát triển từ thấp lên cao, đáp ứng được nhu cầu ngày càng lớn của người sử dụng nhưng với lượng dữ liệu ngày một nhiều, hệ thống cần được phát triển tiếp, mạnh mẽ hơn nhằm đáp ứng kịp với nhu cầu sử dụng Tuy có nhiều phương hướng phát triển thế hệ di động tiếp theo, nhưng hệ thống thông tin hợp tác là hệ thống đáp ứng được một số nhu cầu tối thiểu của thế hệ tiếp theo như tiết kiệm năng lượng, tốc độ truyền tải nhanh… Là tiền đề để phát triển 5G

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN HỢP TÁC

2.1 Giới thiệu hệ thống thông tin hợp tác

Các đại diện điển hình của một mạng lưới thông tin liên lạc là một đồ thị, với một tập hợp các nút và các cạnh Các nút thường đại diện cho các thiết bị như một bộ định tuyến, điểm truy cập không dây, hoặc điện thoại di động Các cạnh thường đại diện cho liên kết truyền thông hoặc các kênh, ví dụ một sợi cáp quang hoặc kết nối không dây Các thiết bị

và các kênh có thể có những hạn chế về hoạt động của nó Ví dụ, một router có thể có sức mạnh xử lý hạn chế nhưng có lẽ nó có thể chấp nhận dữ liệu từ một vài cổng trong số các cổng của nó cùng một lúc Một sợi quang liên kết có băng thông hạn chế Các thiết bị truyền thông sử dụng năng lượng đã hạn chế nguồn pin và khả năng mong muốn để bảo tồn năng lượng Một liên kết không dây có thể có các biến thể thời gian nhanh chóng phát sinh từ tính di động và đa đường truyền tín hiệu

Mục đích của một mạng lưới thông tin liên lạc là để cho phép việc trao đổi thông điệp giữa các nút của nó Các thông điệp này, như được tạo ra bởi một ứng dụng, được tổ chức thành các gói dữ liệu Trong mô hình truyền thống của một mạng, các nút hoạt động như các bộ định tuyến có chức năng lưu trữ và chuyển tiếp gói tin, truyền tải các gói trên các liên kết điểm-điểm Tuy nhiên, mô hình này bị hạn chế vì nó bỏ qua hai khả năng quan trọng:

• Node Coding: Các nút có thể kết hợp, hoặc mã hóa

• Phát sóng: Các nút nghe lỏm các truyền của các nút khác mà từ đó không được yêu cầu để nhận tin nhắn

Node mã hóa có thể có trong bất kỳ mạng nào, trong khi khả năng nghe lỏm được truyền

đi là một tài sản của các kênh truyền thông vật lý Đặc biệt, các thiết bị không dây truyền tín hiệu từ một nút đến một nút nhận cụ thể có thể được nghe lỏm bởi các nút khác Thông thường, các nút không dây can thiệp và giải mã những tín hiệu nghe được, tuy nhiên hệ thống cung cấp cơ chế để giảm thiểu sự can thiệp này Ví dụ, nhiều thế hệ thứ hai điện thoại di động sử dụng đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) để cho phép tín hiệu giải mã trong sự hiện diện của sự can thiệp Ví dụ thứ hai, mạng LAN (802,11) không dây sử dụng một giao thức điều khiển truy cập media (MAC) cho phép chia sẻ các kênh phát sóng bằng cách lấy lượt truyền Mục tiêu của các chiến lược truy cập nhiều là

để đảm bảo truyền thông qua một liên kết là đáng tin cậy Một hệ quả là các mô hình của một mạng như là một tập hợp các liên kết truyền thông điểm-tới-điểm được tăng cường

Mặt khác, nó đã được hiểu trong cộng đồng lý thuyết thông tin trong hơn ba thập kỷ rằng giao tiếp không dây từ một nguồn đến đích có thể được hưởng lợi từ sự hợp tác của các nút nghe lỏm được việc truyền tải Như các nút trung gian có thể tạo ra đường truyền dựa trên chế biến của các tín hiệu nghe được, truyền tín hiệu đi xa hơn đòi hỏi phải có sự hợp tác của các nút hoạt động như các bộ định tuyến gói dữ liệu, lưu trữ và chuyển tiếp

Các mô hình về kênh: Chiến lược mã hóa cơ bản cho các kênh đã được phát triển Ý tưởng chính là có thể sử dụng tải điện trên không từ nguồn để hình thành đường truyền riêng của mình nhằm hỗ trợ việc giải mã ở người nhận Những nỗ lực tiên phong tập trung vào các trường hợp đơn giản nhất của một nguồn, một điểm đến, và một relay Những tiến bộ trong giao tiếp hợp tác xã đã tập trung vào hai mục tiêu:

• Làm tăng tỉ lệ truyền qua mạng

• Tăng độ tin cậy thông tin liên lạc trong mạng với các kênh truyền hình thời gian khác nhau

Những tiến bộ thường được chứng minh bằng toán học (lý thuyết thông tin) phân tích các tín hiệu chiến lược trên mô hình của các kênh truyền thông Các chiến lược thường liên quan đến truyền phối hợp của nhiều nút mạng, nhưng bất chấp những tiến bộ gần đây, vẫn còn những rào cản lớn đối với việc áp dụng những kết quả vào sự phát triển của giao thức mạng thực tế

Ví dụ, nhiều kết quả thông tin lý thuyết dựa trên độ dài khối tiệm lớn và thường bỏ qua các chi phí cần thiết để thiết lập và duy trì truyền phối hợp Trong thực tế, đặc biệt là các mạng di động không dây, các biến thể thời gian trong các kênh truyền thông đòi hỏi sự thay đổi trong chiến lược truyền tín hiệu Do đó, các thiết lập và duy trì tín hiệu trở thành một chi phí định kỳ Chúng tôi sử dụng giao thức mạng hạn cho một tập hợp các thuật toán phân phối thực hiện bởi các nút mạng có cấu hình, thực thi và cấu hình tín hiệu chiến lược để đáp ứng với sự thay đổi theo thời gian Một giao thức mạng hợp tác phải kết hợp các phương pháp để định kỳ chi phí thiết lập không thống trị hiệu quả đạt được của một chiến lược tín hiệu hợp tác

2.2 Các vấn đề hợp tác vô tuyến

Mạng truyền thống xác định trình tự của các nút trung gian truyền đi như một tuyến truyền hoặc đường truyền Một cách để hiểu về hệ thống thông tin hợp tác là xem một bộ

n nút tham gia trong việc cung cấp các gói dữ liệu từ một nguồn đến đích như là một thiết

bị đầu cuối đa liên kết Chúng ta đề cập đến khái quát này như là một liên kết hợp tác, hoặc chỉ đơn giản là một liên kết Liên kết L là một tập hợp các nút sử dụng phối hợp hoạt động của mình để cung cấp tin đáng tin cậy từ một nguồn đến một tập hợp của một hoặc nhiều hơn các điểm đến Giả sử rằng một nút đích d là nơi nhận cuối cùng của các gói dữ liệu Nếu nút d là một rơle chuyển tiếp cho một đường liên kết khác, chúng ta giả định rằng việc giao một gói tin cho liên kết thứ hai này đến nút d đại diện cho một điểm nối trong quá trình chuyển mạch gói Đó là nút d có thể là nguồn của một liên kết hợp tác L0 để cung cấp các gói tin để có điểm đến d0 khác Tuy nhiên, việc phân phối các gói tin đến nút d0 vào liên kết L0 có thể không sử dụng trong truyền dẫn liên quan đến liên kết

L Trong trường hợp này, một đường truyền trở thành một chuỗi gồm một hoặc nhiều liên kết (đó là sự hợp tác)

Sự hợp tác thông qua các liên kết hoặc các lớp mạng khác nhau về kiến trúc mạng để thực hiện các nhiệm vụ sau đây:

• Giải mã tin nhắn: sử dụng tất cả các gói tin nhận được để giải mã

• Thiết lập liên kết hợp tác: chỉ định một phương thức để phối hợp truyền của nhiều nút với mục tiêu của tin đáng tin cậy giải mã tại nơi đến (s)

• Định tuyến hợp tác: cấu hình một chuỗi các liên kết hợp tác như một tuyến truyền

2.3 Giao thức chuyển tiếp cho mạng không dây lưu trữ năng lượng và xử lý thông tin

Kéo dài tuổi thọ của một mạng không dây thông qua lưu trữ năng lượng đã nhận được sự chú ý đáng kể gần đây Tuy có thể thay thế cho sạc hoặc pin lưu trữ năng lượng nhưng nó phải có một chi phí cao và có thể là bất tiện, nguy hiểm hoặc không mong muốn, ví dụ như hoạt động trong một môi trường độc hại, ảnh hưởng đến cơ thể con người Ngoài các phương pháp thu năng lượng thông thường, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió, độ rung, hiệu ứng nhiệt điện hay các hiện tượng vật lý khác thì một giải pháp mới đang nổi lên là để tận dụng tín hiệu vô tuyến (RF) Ưu điểm của giải pháp này là các tín hiệu RF

có thể mang năng lượng và các thông tin cùng một lúc Như vậy, các hạch năng lượng có thể thu lại các năng lượng và xử lý các thông tin cùng một lúc Thu năng lượng không dây bằng cách sử dụng tín hiệu RF, mới nhất gần đây trong hệ thống kết nối điểm điểm

có thể tiếp cận bằng hai cách chính Phương pháp thứ nhất xem xét một thiết kế nhận mà

có thể đồng thời quan sát và trích xuất năng lượng từ tín hiệu nhận được Tuy nhiên, như

đã thảo luận giả thiết này không đúng trong thực tế, các mạch thực tế về năng lượng thu hoạch từ các tín hiệu RF chưa thể giải mã các thông tin thực trực tiếp Cách tiếp cận thứ hai xem xét một thiết kế máy thu thực tế có thể thực hiện với giải mã thông tin riêng biệt

và năng lượng thu nhận thông tin chuyển giao năng lượng và bây giờ được áp dụng rộng rãi Đối với các lớp đầu tiên của máy thu, ý tưởng truyền tải thông tin và năng lượng đồng thời lần đầu tiên được đề xuất, nơi mà các tác giả sử dụng một chức năng nâng cao năng lượng để nghiên cứu sự cân bằng hiệu suất cơ bản đối với thông tin đồng thời và chuyển giao năng lượng Công trình đã được mở rộng để lựa chọn tần số kênh với AWGN Đối với lớp thứ hai của máy thu, các giới hạn hiệu suất của một trong ba nút MIMO hệ thống phát thanh truyền hình, với mức lưu trữ năng lượng riêng biệt và thông tin giải mã nhận cũng đã được nghiên cứu Việc áp dụng thu năng lượng không dây với mạng vô tuyến đã được xem xét, nơi mà thông lượng của mạng thứ cấp được tối đa dưới một chế độ cho các mạng tiểu và trung Phần lớn các nghiên cứu gần đây trong việc thu năng lượng không dây và xử lý thông tin đã xem xét các hệ thống truyền thông điểm điểm Trong mạng lưới hợp tác hoặc cảm biến không dây, các relay hoặc các nút cảm biến có thể có trữ lượng pin hạn chế và cần phải dựa trên một số cơ chế sạc bên ngoài để duy trì hoạt động trong mạng Vì vậy, thu năng lượng trong các mạng như vậy là đặc biệt quan trọng vì nó có thể kích hoạt thông tin chuyển tiếp

Xem xét các kịch bản nơi mà năng lượng được hạn relay tại các nút thu năng lượng từ tín hiệu RF phát ra bởi một nút nguồn và sử dụng năng lượng thu được để chuyển tiếp các tín hiệu nguồn đến một nút đích Chúng tôi áp dụng thời gian chuyển đổi TS và tách năng lượng PS, hệ thống máy thu đã được đề xuất Dựa trên hệ thống nhận và giao thức chuyển tiếp Chúng tôi đề xuất hai giao thức chuyển tiếp là giao thức chuyển tiếp thời gian TSR và giao thức chuyển tiếp phân chia năng lượng PSR để xử lý thông tin riêng biệt và thu năng lượng tại các nút chuyển tiếp năng lượng Trong giao thức TRS sẽ dành một chút thời gian để thu năng lượng và thời gian còn lại để xử lý thông tin Trong giao thức PSR sẽ sử dụng một phần năng lượng nhận được để thu năng lượng và năng lượng còn lại để xử lý thông tin Những số liệu đó đã được thông qua, được định nghĩa là số bit được giải mã thành công cho mỗi đơn vị thời gian trên một đơn vị băng thông tại các nút đích Chúng tôi xây dựng và nghiên cứu cho TSR và PSR với phương thức truyền tải chậm trễ giới hạn Limited ) và phương thức truyền tải chịu sự chậm trễ (Delay-Tolerant) tương ứng

2.4 Kết luận

Chúng tôi đã quan sát thấy rằng hệ thống thông tin hợp tác chứa đựng nhiều triển vọng đáng kể Một số triển vọng này được minh chứng trong các đề xuất kiểm tra trong chương này Tuy nhiên, vẫn còn nhiều việc phải làm Ví dụ, các đề nghị không kết hợp nhiều ý tưởng Việc hợp tác đòi hỏi một sự thiết kế lại hoàn chỉnh của giao thức mạng Stack Một nghiên cứu mang tính trừu tượng cho thấy lợi ích đáng kể sẽ được thu được bằng cách tích hợp chặt chẽ của lớp mạng với lớp

MAC, liên kết, và các layer PHY Đặc biệt, một cách tiếp cận như vậy có khả năng mang lại sự linh hoạt lớn nhất trong tối ưu hóa việc sử dụng toàn cầu của các tài nguyên mạng vô tuyến Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi một sự mở rộng đáng kể trong chức năng của các lớp mạng và các giao diện tốc độ cao phức tạp hơn giữa thiết bị lớp PHY và phần mềm lớp mạng Đòi hỏi một cấu hình lại cũng có thể ngăn cản việc thực hiện thực tế của kỹ thuật hợp tác Đó là, đòi hỏi phải có một mạng lưới phức tạp hơn lớp layer, đại diện cho một rào cản đối với việc thông qua giao thức hợp tác vô tuyến Giá trị thực tế của hệ thống thông tin hợp tác là khả năng phụ thuộc vào việc chúng ta có thể đạt được những lợi ích gắn liền với hợp tác mà không đòi hỏi nhiều hơn từ các lớp mạng

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG TSR

3.1 Giới thiệu mô hình hệ thống

Thu năng lượng tại R Truyền tín hiệu từ S => R Truyền tín hiệu từ R => D

αT

Hình 3.1.1 Sơ đồ tổng quát của giao thức TSR [1]

Một hệ thống giao tiếp không dây đã được xem xét, nơi mà thông tin được truyền từ nút nguồn S đến nút đích D thông qua năng lượng hạn chế trung gian nút relay R

g

S

h

d2 d1

D

R

Khối nhận thông tin

Hình 3.1.2 Sơ đồ năng lượng thu hoạch và xử lí thông tin của giao thức TSR [1]

Mô hình mô tả các tham số quan trọng trong giao thức TSR năng lượng thu hoạch và xử

lý tại chuyển tiếp thông tin Trong hình: T là khối thời gian, trong đó một khối nhất định của thông tin được truyền từ nút nguồn đến nút đích và α là phần nhỏ khối thời gian trong đó thu được tiếp năng lượng từ các nguồn tín hiệu nơi 0 ≤ α ≤ 1 Thời gian còn lại của khối (1 − α) T được sử dụng cho truyền tải thông tin, như vậy một nửa số đó (1 − α) T/2 được sử dụng cho nguồn để chuyển tiếp thông tin truyền tải và một nửa còn lại ( 1 -α) T/2 được sử dụng để tiếp sức để truyền tải thông tin điểm đến Tất cả các năng lượng thu được trong giai đoạn thu hoạch năng lượng được tiêu thụ bởi các relay trong khi chuyển tiếp các tín hiệu nguồn đến đích Sự lựa chọn của các phần thời gian α được

sử dụng để thu hoạch năng lượng tại các chuyển tiếp nút ảnh hưởng đến thông lượng đạt được tại các điểm đến Các phần dưới đây sẽ phân tích thu hoạch năng lượng và xử lý thông tin tại nút relay

3.2 Năng lượng thu hoạch (t)

Sơ đồ khối cho máy thu chuyển tiếp trong giao thức TSR được hiển thị trong sơ đồ khối Các tín hiệu RF, y (t) nhận được tại các nút chuyển tiếp đầu tiên được gửi đến máy thu thu hoạch năng lượng ( thời gian αT) và sau đó đến máy thu thông tin (thời gian (1-α) T/2 ) Theo sơ đồ khối, tín hiệu nhận được lúc các nút chuyển tiếp được cho bởi công thức:

(1)

(t) Nhận năng lượng thu hoạch

Chế biến băng tần gốc

RF chuyển đổi băng tần cơ sở

Trong đó :

 h là nguồn để chuyển tiếp kênh đạt được

 d1 là nguồn khoảng cách chuyển tiếp

 Ps là năng lượng được truyền từ nguồn

 m là số mũ suy hao đường truyền

 s(t) là các thông tin bình thường tín hiệu từ nguồn

Sử dụng (1), năng lượng thu hoạch khi thu hoạch năng lượng thời gian αT được cho bởi:

(2) Trong trường hợp 0 < η < 1 là hiệu quả chuyển đổi năng lượng mà phụ thuộc vào quá trình phân đoạn và thu hoạch năng lượng

3.3 Năng lượng hạn chế chuyển tiếp với sự hỗ trợ đường truyền

Theo sơ đồ, hệ thống chuyển đổi RF tín hiệu băng tần cơ sở và xử lý tín hiệu băng tần cơ

sở, là nhiễu bổ sung do RF để tín hiệu băng tần cơ sở chuyển đổi Sau khi xuống chuyển đổi băng tần cơ sở lấy mẫu tín hiệu tại nút chuyển tiếp được cho bởi :

(3)

Trong đó :

 k là chỉ số biểu tượng

 s (k) là lấy mẫu và thông tin tín hiệu bình thường từ các nguồn

 là băng tần cơ sở bổ sung nhiễu màu trắng Gaussian do các Anten nhận tại nút chuyển tiếp 2

 là các mẫu AWGN do băng tần RF để chuyển đổi tín hiệu băng tần cơ sở

 là nhiễu tương đương băng gốc của nhiễu thông dải

Các rơle khuếch đại tín hiệu nhận được và các tín hiệu truyền từ relay được cho bởi công thức:

(4)