PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG CỦA VIỆC LỰA CHỌN UAV THU THẬP NĂNG LƯỢNG

Bài báo này phân tích hiệu năng của hệ thống truyền thông chuyển tiếp được hỗ trợ bởi các thiết bị bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) trong đó chỉ một UAV trong số nhi[r]

PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG CỦA VIỆC LỰA CHỌN UAV THU THẬP NĂNG LƯỢNG

Hồ Văn Khương Trường Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM

Email: hvkhuong@hcmut.edu.vn Ngày nhận bài: 16/6/2020; Ngày chấp nhận đăng: 17/7/2020

TÓM TẮT

Bài báo phân tích hiệu hệ thống truyền thông chuyển tiếp hỗ trợ thiết bị bay không người lái (Unmanned Aerial Vehicle - UAV) UAV số nhiều UAV chọn làm thiết bị chuyển tiếp Tất UAV có khả thu thập lượng từ tín hiệu tần số vơ tuyến Trước tiên, cơng thức xác suất dừng dạng tường minh xác đề xuất Sau đó, mơ Monte-Carlo tiến hành để xác nhận độ xác cơng thức đề xuất Cuối cùng, nhiều kết cung cấp để minh họa ảnh hưởng thông số vận hành then chốt đến xác suất dừng việc lựa chọn UAV

Từ khóa: Xác suất dừng, UAV, thu thập lượng, truyền thông chuyển tiếp

1. MỞ ĐẦU

Thiết bị bay khơng người lái (UAV) có lợi tính động cao, chi phí thấp triển khai theo yêu cầu, nên ứng dụng nhiều năm gần đây, đặc biệt lĩnh vực viễn thơng [1] Các UAV, di chuyển vận hành trạm gốc mini di động không, sử dụng để cung cấp dịch vụ không dây [2] Không giống thiết bị chuyển tiếp truyền thống cố định vị trí cụ thể, UAV thay đổi vị trí chúng để cung cấp vùng phủ sóng lớn [3] Hơn nữa, việc sử dụng UAV gần lên để đáp ứng nhu cầu lưu lượng cục cao mạng thông tin di động hệ [4]

Năng lượng có sẵn UAV để cung cấp lượng cho mạch điện tử onboard bị hạn chế sử dụng pin làm nguồn lượng Giải pháp cho vấn đề lượng bị hạn chế UAV trang bị cho UAV khả tự thu thập lượng tín hiệu tần số vơ tuyến để tự cấp lượng cho hoạt động chúng [5] Hơn nữa, trường hợp có nhiều UAV làm để chọn UAV làm thiết bị chuyển tiếp cho việc truyền thông tin tin cậy vấn đề đáng quan tâm

Một số cơng trình tập trung vào việc xây dựng nhóm UAV để tăng xác suất kết nối đầu cuối [6-8] Trong nghiên cứu Abualhaol & Matalgah, nhóm slave UAV phát thông tin mà chuyển tiếp master UAV đến máy thu mặt đất, xác suất dừng phân tích cho kênh truyền Nakagami-m [6] Theo Chen et al., nhiều UAV khai thác thiết bị chuyển tiếp hai cấu hình mạng (đơn tuyến nhiều chặng nhiều tuyến hai chặng) [7] Tỷ lệ bit lỗi xác suất dừng hệ thống chuyển tiếp hỗ trợ UAV phân tích [7] Ngồi ra, vị trí tối ưu UAV xác định Trong nghiên cứu Hanna et al [8], khoảng cách từ nhóm UAV đến thiết bị nguồn đa ăng-ten thiết bị đích tối ưu nhằm tối đa dung lượng kênh truyền

thông tin từ thiết bị nguồn mặt đất đến thiết bị đích mặt đất tất UAV có khả thu thập lượng từ tín hiệu thiết bị nguồn Lựa chọn UAV có khả thu thập lượng giảm thiểu yêu cầu đồng tín hiệu, băng thông truyền công suất bị hạn chế UAV

Sau đóng góp nghiên cứu này:

- Đề xuất phương pháp lựa chọn UAV mà chọn UAV làm thiết bị chuyển tiếp từ nhóm UAV, tất có khả thu thập lượng từ tín hiệu tần số vơ tuyến cho truyền tin tin cậy mà không chịu áp lực lớn băng thơng phát, tiêu thụ lượng, đồng tín hiệu

- Đề xuất công thức dạng tường minh xác xác suất dừng (Outage Probability - OP) cho việc lựa chọn UAV thu thập lượng có xét đến suy hao đường truyền fading Rayleigh

- Cung cấp nhiều kết để có nhìn sâu sắc tác động thơng số vận hành cơng suất phát, hệ số chia thời gian hiệu suất chuyển đổi lượng UAV đến độ tin cậy truyền tin hệ thống truyền thông chuyển tiếp hỗ trợ UAV

Bài viết tiếp tục sau: phần trình bày mơ hình hệ thống Sau đó, OP phân tích chi tiết phần Tiếp theo, mơ Monte-Carlo thực để xác minh tính xác phân tích lý thuyết phần Phần cung cấp kết khác hiệu việc lựa chọn UAV thu thập lượng theo thơng số vận hành Cuối cùng, phần trình bày kết luận nghiên cứu

2. MƠ HÌNH HỆ THỐNG

Thiết bị

nguồn (S) Thiết bị đích (D)

Nhóm gồm M UAVs thu thập lượng

D Rb

h

SR h

b

SR h

M

SR h

2 SR h

R1

R2

Rb

RM

Thu thập lượng Thiết bị nguồn đến UAVs UAV chọn đến thiết bị đích

αT (1-α)T/2

(a)

(b)

Hình Mơ hình hệ thống

Giả sử truyền thông trực tiếp S D không khả thi số nguyên nhân đường truyền xa, fading, shadowing, Do đó, truyền thơng S D cần trợ giúp UAV tốt (ký hiệu Rb), chọn từ M UAV có sẵn mà hoạt động thiết bị chuyển tiếp có khả thu thập lượng Đặt UAV thứ i Ri,

{1, 2, , }

R

i = M Khi đó, UAV tốt định nghĩa UAV có tỷ số tín hiệu nhiễu (Signal-to-Noise Ratio - SNR) từ tín hiệu nguồn lớn SNR UAV Rj khác với jR\b để giải mã thành cơng tín hiệu nguồn

Giả sử tất kênh truyền độc lập, phẳng có phân bố Rayleigh khơng thay đổi lần truyền thay đổi độc lập từ lần truyền đến lần truyền khác Hệ số kênh truyền tuyến u-v ký hiệu huv, uS R, i vR Di,  Khi đó, hàm mật độ xác suất (Probability Density Function - PDF) hàm phân phối tích lũy (Cumulative Distribution Function - CDF) độ lợi kênh truyền tuyến u-v

( )

1 uv

uv

x

h

uv

f x e 



−

= (1)

( )

2 1

uv uv

x

h

F x e 

−

= − (2) đó: x0 uv =  huv2 giá trị trung bình biến ngẫu nhiên huv2 mà gọi cơng suất fading tuyến u-v; là tốn tử kỳ vọng

Tính đến suy hao đường truyền [7], cơng suất fading tuyến u-v mơ hình uv =duv−,  =(4fc/c)−2, τ số mũ suy hao đường truyền, duv khoảng cách tuyến u-v, fc tần số sóng mang [Hz] c= 3 108 [m/s] tốc độ ánh sáng

Với thực tế lượng có sẵn UAV để cung cấp lượng cho mạch điện tử onboard bị hạn chế sử dụng pin nguồn lượng, UAV nên tự cung cấp lượng cách thu thập lượng từ tín hiệu tần số vô tuyến thiết bị nguồn sử dụng lượng thu thập để khuếch đại chuyển tiếp tín hiệu nhận đến thiết bị đích Như thấy Hình 1(b), tổng thời gian T để truyền tin từ thiết bị nguồn đến thiết bị đích chia thành giai đoạn Trong suốt giai đoạn kéo dài αT với < α < hệ số chia thời gian, UAV thu thập lượng từ tín hiệu tần số vơ tuyến thiết bị nguồn Năng lượng mà UAV Ri, iR, thu hoạch giai đoạn

2

i i

R S SR

EH =TP h , PS biểu thị cơng suất phát thiết bị nguồn, η hiệu suất chuyển đổi lượng,

i

SR

h hệ số kênh truyền tuyến S-Ri Trong giai đoạn kéo dài

(1−)T/ 2, thiết bị nguồn phát tín hiệu xS đến UAV Ở cuối giai đoạn này, UAV tốt Rb chọn theo tiêu chí đề cập đầu phần UAV tốt hoạt động thiết bị chuyển tiếp để khuếch đại tín hiệu nguồn phát tín hiệu khuếch đại đến thiết bị đích giai đoạn kéo dài (1−)T/ 2

Trong giai đoạn 2, tín hiệu thu UAV tốt Rb biểu thị dạng

b b b

R S SR R

y = x h +n , xS tín hiệu truyền S với công suất phát PS,

 2

| |

S S

P =  x ,

b

SR

h hệ số kênh truyền tuyến S-Rb

b

SR

trắng cộng (Additive White Gaussian Noise - AWGN) với giá trị trung bình phương sai N0, nghĩa { }nv =0 {|nv| }2 =N0 Khi đó, SNR tức thời tuyến S-Rb

2

b b

SR hSR

 = (3)

0

S

P N

 = SNR chuẩn hóa

Trong giai đoạn 3, UAV tốt Rb tiêu thụ lượng thu thập để chuyển tiếp tín hiệu nguồn khuếch đại

b

R

x đến thiết bị đích với cơng suất phát sau:

( )

2

1 / 2

b

b b

R

R S SR

EH

P P h

T 



= =

− (4)

trong

1    = −

Tín hiệu nguồn khuếch đại

b

R

x , truyền từ Rb đến D, biểu thị

b b

R R

x =y , hệ số khuếch đại β tính cho cơng suất phát Rb

b

R

P

trong (4), nghĩa

    2 b b b b R R S SR R x P

P h N

y

 =  =

+

 (5)

Do đó, tín hiệu nhận thiết bị đích biểu thị dạng

b b b b b b

D R R D D S SR R D R D R D

y =x h +n =x h h +h n +n ,

b

R D

h hệ số kênh truyền tuyến Rb-D nD nhiễu D Khi đó, SNR tuyến S-Rb-D thể sau: 2 2 0 b b b

S SR R D

D

R D

P h h

h N N

 



=

+ (6)

Thay (5) vào (6) sau số phép đơn giản hóa, ta thu

2 2 2 0 0 b b b b b b

S SR R D

D

S SR R D

R R

P h h

N P h N

h N

P P

 =

+ +

(7)

Vì cơng suất phát PS lớn nhiều so với công suất nhiễu N0 nên 0

b

R N

2 2 0 b b b b b

S SR R D

D

S SR R D

R

P h h

N P h

h N P  = + (8) Thay b R

P (4) vào (8), ta thu

2

2

1

b b

b

SR R D

D R D h h h    =

+ (9)

3. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG

Để đánh giá nhanh hiệu việc lựa chọn UAV thu thập lượng, biểu thức dạng tường minh xác xác suất dừng suy phần Nhắc lại số M UAV có UAV tốt Rb chọn theo nguyên tắc lựa chọn phần mà cung cấp SNR lớn tất tuyến S-UAV Do đó, số UAV tốt ký hiệu arg max

i R SR i b  

= Khi đó, SNR Rb biểu diễn tương đương

max b i R SR SR i   

= Để thuận tiện trình bày, tất UAV giả sử đặt đồng nhất, dẫn đến

1 M

SR SR SR SR

 = = = = mà công suất fading tuyến S-UAV Đặt

2 max i R SR i X h 

= , ta đạt thống kê X bổ đề sau

Bổ đề 1: CDF PDF X cho

( ) ( ) 1 SR q M x q q X M q

F x C e 

− =

= − (10)

( ) 1( ) 1

0 1 SR q M x q q X M q SR M

f x C e 



+

− −

− =

=  − (11)

trong x ≥ !

!( )!

q M

M C

q M q

=

− hệ số nhị thức

Chứng minh:

PDF X định nghĩa

( )    

Pr Pr max

i R

X SR

i

F x X x h x



=  =  (12) Vì tất tuyến S-Ri độc lập nên (12) viết lại thành

( )   2( )

2 Pr i SRi M M

X SR h

i

F x h x F x

=

 

=  =  

 

 (13)

Thay CDF | |2

i

SR

h cho (2) vào (13) với lưu ý

i

SR SR

( ) 1 SR

M x X

F x e 

−

 

= − 

 

(14)

Sử dụng khai triển nhị thức ( )

0

n

n m m n m

n m

a b C a b −

=

+ = , ta thu gọn (14) xuống (10),

hoàn thành phần chứng minh

Lấy đạo hàm (10) theo x, ta thu PDF X giống hệt (11), hồn thành phần cịn lại chứng minh ■ Dựa lý thuyết thông tin, SNR tuyến S-Rb-D, D, nên lớn mức ngưỡng th

 để giữ kết nối đầu cuối tin cậy1 Xác suất mà γD khơng lớn mức ngưỡng biết

như xác suất dừng (OP), nghĩa Pr  ( )

D

D th th

OP=   =F  Sử dụng γD (9), ta viết lại ( )

D th

F  dạng ngắn gọn sau:

( ) Pr

1 D th th XY F Y       =    +

  (15)

trong max

b i

R

SR SR

i

X h h



 

= =  

 

2

b

R D

Y = h

Bổ đề 2: Biểu thức dạng tường minh xác xác suất dừng việc lựa chọn UAV

thu thập lượng cho

( ) 1( ) ( )1 ( ) ( )

0

1 2

1 1 2

1 th SR D q M

q q SR th th

th M

q

SR RD SR RD

q M

OP F C e K

q            + − − − =  +  = = − −     +  

 (16)

trong

1 M

R D R D R D RD

 = = = = K1( ) hàm Bessel hiệu chỉnh bậc loại hai

Chứng minh:

Viết lại (15) sau:

( ) Pr

D

th th

th

F  Y X  

 

   

=   −  

 

  (17)

Phương trình (17) đơn giản hóa cách xem xét hai trường hợp X

( ) Pr ( ) ,

1, D th th th th th Y X X F X X                  −     =     (18)

1Dung lượng kênh truyền mà D đạt log 1( )

2

D D

 

−

= + Do đó, D giải mã thành cơng thơng tin nguồn dung lượng kênh truyền lớn hiệu suất phổ yêu cầu Cth Điều

tương đương γD lớn

2 /(1 )

2 th

th



 = − −

Như vậy, xác suất dừng không điều kiện biểu diễn sau: ( ) ( ) ( ) ( ) th D th th

th X Y X

th

F f x dx F f x dx

x              = +   −  

  (19)

Thế FY(x) (2) vào phương trình sau số phép đơn giản hóa, ta đơn giản hóa (19) sau:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

0

1

th

th th

RD th RD th

D

th th

x x

th X X X

F f x dx e f x dx e f x dx

                = +  − − −  = −  − −        (20) Cần lưu ý

i

R D RD

 = , iR, phân bố đồng UAV Do đó,

( ) /

1 x RD

Y

F x = −e−  dùng (20)

Bây giờ, thay fX(x) (11) vào (20), ta thu

( ) 1( ) ( )

1

1

th

RD th SR D

th

q

M x

q q x

th M

q SR

M

F C e dx

           +   − − − +    − =

= −  −  (21)

Bằng cách đổi biến t=x − th, (21) trở thành

( ) 1( ) ( 1) ( 1)

0 0 1 th th RD SR SR D q t q M

q q t

th M

q SR

M

F C e e dt

         +   +  − − − +    − =

= −  −  (22)

Sử dụng ( )

1

x x

e   dx K 



 − −

=

 [9, phương trình (3.324.1)] để tính tích

phân cuối (22), ta biểu diễn (22) dạng tường minh xác (16)

Điều hoàn thành việc chứng minh ■

4. KẾT QUẢ MINH HỌA

Trong phần này, mô Monte-Carlo thực để đạt kết mơ nhằm chứng minh tính hợp lệ biểu thức lý thuyết đề xuất (16) để có nhìn sâu sắc độ tin cậy việc lựa chọn UAV thu thập lượng Một số thông số mô cố định suốt phần tần số sóng mang fC = 900 MHz số mũ suy hao đường truyền τ = (tương ứng với suy hao đường truyền khơng gian tự do)

Hình minh họa xác suất dừng theo SNR chuẩn hóa  =PS /N0 khoảng cách tuyến (S-Ri, Ri-D) dSR = 100 m dRD = 50 m; hệ số chia thời gian

Hình 2.Xác suất dừng theo SNR chuẩn hóa “Sim.” = “Mơ phỏng” “Ana.” = “Phân tích”

Hình 3.Xác suất dừng theo hệ số chia thời gian

Hình biểu diễn ảnh hưởng thời gian để thu thập lượng lên xác suất dừng

D với tham số Hình 2, ngoại trừ  =PS /N0 =20dB Hình xác nhận tính

truyền tin, làm cho dung lượng kênh truyền thấp giai đoạn mà sau cùng, làm tăng OP Do đó, hệ số chia thời gian lớn giá trị định (ví dụ: α = 0,7 với M = 10 Hình 3), OP tăng tăng α Như vậy, α nên tối ưu để đạt truyền thông tin cậy Hơn nữa, độ tin cậy truyền tin cải thiện cách triển khai nhiều UAV hơn, cho thấy hiệu việc lựa chọn UAV

Bên cạnh hệ số chia thời gian, hiệu suất chuyển đổi lượng yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến lượng lượng thu thập, mà cuối ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Hình biểu thị OP theo α η với thông số tương tự Hình ngoại trừ M = 10 Kết cho thấy cho trước α η lớn cho OP nhỏ Điều hợp lý tăng η giúp UAV thu thập nhiều lượng đó, truyền tín hiệu với cơng suất lớn cho OP thấp Để dễ quan sát ảnh hưởng α η lên OP, tìm vùng mặt phẳng (η, α) mà OP nhỏ mức định cho độ tin cậy kết nối chấp nhận Hình biểu thị vùng OP nhỏ 20% Ta thấy hiệu suất chuyển đổi lượng thấp cần nhiều thời gian để thu thập lượng Việc mà η tỷ lệ nghịch với OP hợp lý để giữ cho lượng lượng thu thập mức định (nghĩa là, tích α η số cho lượng lượng thu thập

không đổi:

i i

R S SR

EH =TP h )

Hình 4.Xác suất dừng theo α η

5. KẾT LUẬN

Nghiên cứu mô tả hệ thống truyền thông chuyển tiếp hỗ trợ UAV có UAV số nhiều UAV chọn làm thiết bị chuyển tiếp Tất UAV có khả thu thập lượng từ tín hiệu tần số vơ tuyến Hiệu hệ thống phân tích theo xác suất dừng thiết bị đích thơng qua biểu thức dạng tường minh xác đề xuất Phân tích xác minh mô Monte-Carlo Nhiều kết cho thấy hiệu việc lựa chọn UAV việc giữ kết nối tin cậy qua khoảng cách lớn Ngoài ra, kết chứng minh hệ số phân chia thời gian cho trình thu thập lượng tối ưu hóa để đạt hiệu hệ thống tốt

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Santos N.P., Lobo V., and Bernardino A - Directional statistics for 3D model-based UAV tracking, IEEE Access 8 (2020) 33884-33897

2 Mozaffari M., Saad W., Bennis M., Nam Y., and Debbah M - A tutorial on UAVs for wireless networks: Applications, challenges, and open problems, IEEE Communications Surveys & Tutorials 21 (3) (2019) 2334-2360

3 Ji L., Chen J., and Feng Z - Spectrum allocation and performance analysis for backhauling of UAV assisted cellular network, China Communications 16 (8) (2019) 83-92

4 Sobouti M.J., Rahimi Z., Mohajerzadeh A.H., Seno S.A.H., Ghanbari R., Marquez-Barja J.M., and Ahmadi H - Efficient deployment of small cell base stations mounted on unmanned aerial vehicles for the internet of things infrastructure, IEEE Sensors Journal 20 (13) (2020) 7460-7471

5 Abdelhady A.M., Amin O., Shihada B., Alouini M - Spectral efficiency and energy harvesting in multi-cell SLIPT systems, IEEE Transactions on Wireless Communications

19 (5) (2020) 3304-3318

6 Abualhaol I.Y., Matalgah M.M - Outage probability analysis in a cooperative UAVs network over nakagami-m fading channels, IEEE Vehicular Technology Conference, Montreal, Que (2006) 1-4

7 Chen Y., Zhao N., Ding Z., and Alouini M - Multiple UAVs as relays: Multi-hop single link versus multiple dual-hop links, IEEE Transactions on Wireless Communications 17

(9) (2018) 6348-6359

8 Hanna S., Krijestorac E., Yan H and Cabric D - UAV swarms as amplify-and-forward MIMO relays, 20198 IEEE 20th International Workshop on Signal Processing

Advances in Wireless Communications (SPAWC), Cannes, France (2019) 1-5

9 Zwillinger D., Moll V., Gradshteyn I and I Ryzhik - Definite Integrals of elementary functions, in: Table of Integrals, Series, and Products (8th Edn) (Ed Zwillinger D.),

Boston: Academic Press (2015) 249-519

ABSTRACT

OUTAGE PROBABILITY ANALYSIS OF ENERGY HARVESTING UAV SELECTION

Ho Van Khuong

Ho Chi Minh City University of Technology, VNU-HCM

Email: hvkhuong@hcmut.edu.vn

This paper analyzes reliability performance of an UAV (Unmanned Aerial Vehicles)-aided relaying system where only one UAV among multiple UAVs, all capable of harvesting energy from radio frequency signals, is selected as a relay To this end, a precise closed-form outage probability formula is first derived Then, Monte-Carlo simulations are conducted to validate the proposed formula Finally, various results are provided to illustrate the impact of key operation parameters on the outage performance of the UAV selection