Các phương pháp phân bố công suất trong thu thập năng lượng mạng hợp tác vô tuyến

GIỚI THIỆU

Giới thiệu đề tài

Ngày nay, sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy nhiều lĩnh vực như kinh tế, y học và kỹ thuật phát triển mạnh mẽ, trong đó có viễn thông Nhu cầu trao đổi thông tin ngày càng tăng và đa dạng, dẫn đến việc phát triển nhiều công nghệ nhằm nâng cao dung lượng hệ thống và chất lượng tín hiệu, đồng thời giảm thiểu tác động của nhiễu mà không tốn tài nguyên tần số Một trong những công nghệ nổi bật là Truyền thông Hợp tác trong thông tin vô tuyến, được giới thiệu lần đầu vào năm 1971 Công nghệ này hiện đang chứng minh vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng phổ, tăng công suất, mở rộng vùng phủ và giảm xác suất dừng, dựa trên nền tảng của hệ thống MIMO (Multi Input Multi Output) và phân tập anten trong quá trình truyền và thu nhận tín hiệu.

Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật cho phép các thiết bị di động chia sẻ anten trong môi trường nhiều người dùng, tạo ra một máy phát với nhiều anten ảo để đạt được độ lợi phân tập phát Kỹ thuật này sử dụng các đường truyền dẫn độc lập giữa người sử dụng và trạm gốc thông qua các kênh chuyển tiếp, giúp cải thiện hiệu suất truyền tải dữ liệu.

Hình 1.1 Mô hình truyền thông hợp tác trong thông tin vô tuyến và sự mở rộng vùng phủ [9]

Trong đồ án này, chúng tôi nghiên cứu hai phương pháp phân bố công suất trong mạng truyền thông hợp tác vô tuyến Chúng tôi sẽ đánh giá xác suất dừng trong các trường hợp xấu nhất, ngẫu nhiên và tốt nhất cho từng phương pháp Bên cạnh đó, bài viết còn so sánh hiệu quả của hai phương pháp phân bố công suất này.

Lý do chọn đề tài

Với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ hiện nay, việc cập nhật các kỹ thuật mới là cần thiết để phục vụ cho nghiên cứu và phát triển bền vững Để đạt được điều này, cần theo đuổi lĩnh vực mạng truyền thông vô tuyến thông qua việc tìm hiểu và phân tích sâu, từ đó nâng cao khả năng chuyên môn và đóng góp tích cực cho sự nghiệp cũng như các vấn đề khoa học ứng dụng mà xã hội đang cần trong tương lai gần.

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu chính của đồ án này là:

- Hệ thống mạng truyền thông hợp tác vô tuyến sử dụng nhiều nguồn, nhiều đích và duy nhất 1 relay chuyển tiếp

- Quá trình chuyển tiếp thông tin, thu thập năng lượng trong hệ thống mạng truyền thông hợp tác vô tuyến

- Các kỹ thuật, giao thức hoạt động trong quá trình chuyển tiếp thông tin

- Phương pháp phân bố công suất trong mạng

- Kỹ thuật ước lượng tham số, mô phỏng nhiều tham số.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của đồ án:

- Khảo sát các nghiên cứu, tài liệu liên quan để thu thập thông tin về cơ sở lý thuyết liên quan đến nội dung nghiên cứu của đề tài

- Nghiên cứu lý thuyết về phương pháp phân bố công suất, kỹ thuật chuyển tiếp

Xây dựng mô hình hệ thống nhằm mô phỏng các phương pháp phân bố công suất, đánh giá xác suất dừng và các tham số của hệ thống, đồng thời thực hiện so sánh giữa các phương pháp này.

Bố cục đề tài

Nội dung của đề tài được chia làm năm Chương

Chương 1: Giới thiệu Trong chương này, đồ án đã đề cập tới tình hình chung mạng truyền thông hợp tác vô tuyến, tính phổ biến và xu hướng mới của mô hình mạng trong tương lai Lý do chính để chọn đề tài, các đối tượng sẽ được phân tích và nghiên cứu trong đồ án và phương pháp nghiên cứu của đồ án

Chương 2: Thu thập năng lượng và mạng truyền thông hợp tác vô tuyến

Chương này của đồ án trình bày mô hình mạng truyền thông hợp tác, nêu rõ ưu điểm và nhược điểm của hệ thống mạng, cùng với việc thu thập năng lượng và mô hình kênh chuyển tiếp Đồng thời, chương cũng tập trung vào lý thuyết liên quan đến thu thập năng lượng và mạng truyền thông hợp tác vô tuyến.

Chương 3: Phương pháp phân bố công suất trong thu thập năng lượng mạng truyền thông hợp tác vô tuyến Trong chương này đồ án đã đưa ra hai phương pháp phân bố công suất trong mô hình mạng để nghiên cứu và phân tích dựa trên các công thức cuối cùng dành cho việc mô phỏng, công thức dẫn giải để chứng minh và đánh giá so sánh đối chiếu kết quả

Chương 4: Kết quả thực hiện Trong chương này đồ án đã thiết lập hệ thống mô phỏng (với từng phương pháp cụ thể) Ứng với mỗi phương pháp phân bố công suất đồ án đã đưa ra kết quả mô phỏng (bằng số và hình ảnh) của từng trường hợp xấu nhất, trung bình, tốt nhất để so sánh giữa mô phỏng và lý thuyết hay giữa hai phương pháp phân bố công suất với nhau

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Trong chương này đồ án tổng kết, khẳng định lại kết quả cuối cùng đã thực hiện được đối với các phương pháp phân bố được nghiên cứu, phân tích và mô phỏng ở Chương 3 và Chương 4 Và những hướng phát triển song song đi cùng với sự mở rộng của đề tài

THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÀ MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÔ TUYẾN

Tổng quan truyền thông hợp tác

2.1.1 Vấn đề của truyền thông vô tuyến

Truyền thông vô tuyến đang trải qua sự phát triển mạnh mẽ và dự kiến sẽ tiếp tục tiến xa hơn Sự gia tăng nhu cầu về tốc độ truyền dữ liệu, đặc biệt trong các hệ thống thông tin di động tế bào, đã dẫn đến sự ra đời của các dịch vụ như thoại, internet di động, và truyền hình di động Các hệ thống này đã tiến hóa từ thế hệ thứ 3 (3G) lên thế hệ thứ 4 (4G LTE) và đang được triển khai rộng rãi trên toàn cầu Đồng thời, nghiên cứu và thử nghiệm công nghệ mới không ngừng diễn ra, với các thử nghiệm 5G đạt tốc độ 7.2 Gbps Dự kiến, mạng 5G sẽ chính thức được triển khai vào năm 2020.

Sự phát triển của các kỹ thuật như điều chế, mã hóa và MIMO đã cải thiện tốc độ truyền dẫn dữ liệu, nhưng thách thức lớn nhất hiện nay là cạn kiệt tài nguyên tần số Tài nguyên tần số có hạn và được phân bổ cho nhiều mục đích như thoại, truyền hình và vệ tinh Hơn nữa, truyền thông vô tuyến gặp khó khăn do suy yếu tín hiệu từ các yếu tố như phản xạ và tán xạ Hiện tượng fading do truyền đa đường cũng gây ra sự biến đổi nhanh chóng về biên độ và pha Mặc dù có thể tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông để bù đắp, nhưng những tài nguyên này ngày càng khan hiếm, trong khi việc sử dụng mã hóa sửa sai lại làm giảm tốc độ truyền dẫn Do đó, việc thiết kế hệ thống vô tuyến với luồng dữ liệu tốc độ cao và đáng tin cậy qua các kênh truyền nhạy lỗi là một thách thức lớn.

Để nâng cao tốc độ truyền và độ tin cậy trong truyền thông vô tuyến, cần áp dụng các phương pháp kỹ thuật phù hợp Khi công suất truyền và độ rộng băng thông bị giới hạn, việc sử dụng các biện pháp kỹ thuật khác nhau là cần thiết để đạt được hai yếu tố này.

MIMO là phương pháp hiệu quả giúp cải thiện tốc độ truyền dẫn và độ tin cậy của kênh thông qua độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh Tuy nhiên, trong các hệ thống thông tin di động, việc áp dụng MIMO gặp khó khăn do hạn chế về kích thước thiết bị, năng lượng và khả năng di động Do đó, một giải pháp khả thi khác là triển khai hệ thống truyền thông hợp tác để khắc phục những vấn đề này.

Hình 2.1 Mạng truyền thông hợp tác

2.1.2 Mạng truyền thông hợp tác

Các thiết bị di động thường có kích thước nhỏ và chỉ có một hoặc vài anten gần nhau, điều này làm cho việc tạo thành phân tập không gian trở nên khó khăn Tuy nhiên, nếu một thiết bị di động có khả năng nhận và truyền dữ liệu từ các thiết bị khác, nó có thể tạo ra nhiều đường truyền khác nhau từ nút nguồn tới nút đích Do kênh truyền fading giữa các thiết bị di động là độc lập thống kê, việc đạt được phân tập không gian là khả thi Việc truyền tín hiệu qua nhiều kênh khác nhau thông qua các nút trong mạng sẽ tạo ra phân tập, giúp chống lại ảnh hưởng của fading và nâng cao chất lượng kênh truyền.

Truyền thông hợp tác sử dụng ý tưởng trên để tạo ra phân tập không gian thông qua các nút trong mạng, áp dụng phương thức mới với hệ thống anten phân tập không gian “ảo”.

Hệ thống MIMO ảo cho phép các thiết bị di động với chỉ một anten có thể chia sẻ anten của mình với những thiết bị khác, tạo thành hệ thống anten phân tập không gian Điều này giúp tăng cường độ tin cậy của tín hiệu nhận được, vì dữ liệu của mỗi người dùng không chỉ được truyền từ thiết bị của họ mà còn từ các thiết bị khác So với các kỹ thuật MIMO truyền thống, truyền thông hợp tác giảm thiểu nhu cầu tích hợp nhiều anten vào thiết bị di động, từ đó giảm chi phí, kích thước và độ phức tạp về công nghệ Do đó, ứng dụng của truyền thông hợp tác trong các mạng vô tuyến, như mạng thông tin di động, hứa hẹn sẽ trở thành xu hướng trong tương lai gần.

Hình 2.2 Sự khác biệt giữa mô hình truyền thông trực tiếp và truyền thông hợp tác, mở rộng phạm vi truyền của chuyển tiếp hợp tác

2.1.3 Ưu, nhược điểm của truyền thông hợp tác

Đạt được độ lợi phân tập kết hợp trong mạng vô tuyến giúp nâng cao hiệu suất hệ thống thông qua việc truyền thông hợp tác, khác với phân tập không gian và thời gian Những lợi ích của phân tập kết hợp bao gồm khả năng cải thiện chất lượng tín hiệu, tăng cường độ tin cậy và tối ưu hóa băng thông.

- Giảm thiểu công suất truyền cần thiết

- Nâng cao dung lượng kênh Shannon

- Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, nâng cao vùng phủ sóng của mạng

Truyền thông hợp tác giúp cân bằng chất lượng dịch vụ QoS, đặc biệt cho những người dùng ở rìa vùng phủ sóng hoặc trong khu vực chịu ảnh hưởng của hiện tượng bóng mờ Thay vì phải chịu giới hạn dung lượng như trong các hệ thống truyền thống, công nghệ này cho phép cung cấp QoS đồng đều cho nhiều người dùng, vượt qua những khác biệt về chất lượng dịch vụ.

Truyền thông cộng tác giúp tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng, đơn giản hóa việc triển khai hệ thống trong những khu vực thiếu thốn Ví dụ, trong các vùng bị thiên tai, truyền thông hợp tác có thể duy trì liên lạc khi các hệ thống thông tin di động hoặc các phương thức liên lạc khác bị gián đoạn.

Truyền thông hợp tác là phương pháp hiệu quả để giảm chi phí xây dựng và cung cấp dịch vụ mạng Chẳng hạn, trong mạng thông tin di động tế bào, việc áp dụng truyền thông hợp tác có thể giúp giảm thiểu chi phí cung cấp chất lượng dịch vụ (QoS) cho tất cả người dùng.

Sử dụng mạng truyền thông hợp tác tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến hơn so với truyền trực tiếp, bao gồm khe thời gian, băng tần, mã trải và mã không gian thời gian Những tài nguyên này cần được phân bổ cho các lưu lượng chuyển tiếp Nếu không có sơ đồ phân bố năng lượng hợp lý, đường truyền chuyển tiếp hợp tác sẽ tạo ra nhiễu, làm giảm hiệu suất của hệ thống.

Hệ thống truyền thông hợp tác yêu cầu kiểm soát truy cập, đồng bộ hóa, lập lịch và bảo mật cao hơn so với các hệ thống truyền thông truyền thống Ngoài ra, cần xem xét các vấn đề có thể gây nhiễu cho đường truyền trực tiếp trong quá trình truyền thông hợp tác.

Truyền thông hợp tác thường yêu cầu tiếp nhận và xử lý gói tin tại nút chuyển tiếp trước khi truyền đi Đối với các dịch vụ nhạy cảm với độ trễ như thoại và các dịch vụ truyền thông đa phương tiện phổ biến, việc xử lý gói tin tại nút chuyển tiếp có thể gây ra độ trễ không mong muốn, ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ.

Việc lập lịch trong hệ thống truyền thông hợp tác trở nên phức tạp do cần quản lý lưu lượng không chỉ từ nút nguồn mà còn từ các nút chuyển tiếp Sự phức tạp này gia tăng khi có nhiều người dùng và nhiều nút chuyển tiếp tham gia vào mạng.

Thu thập năng lượng (Energy Harvesting)

Thu thập năng lượng (Energy Harvesting) hay còn gọi là Power Harvesting là quá trình chuyển đổi năng lượng từ các nguồn bên ngoài như năng lượng mặt trời, năng lượng nhiệt, năng lượng gió và động năng thành điện năng Quá trình này giúp lưu trữ và cung cấp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến có công suất nhỏ hoạt động độc lập.

2.2.1 Mục đích sử dụng thu thập năng lượng (Energy Harvesting)

Các nút cảm biến trong mạng vô tuyến được thiết kế để hoạt động độc lập, thu thập và đánh giá điều kiện môi trường ở những khu vực khó tiếp cận Khi nút cảm biến ngừng hoạt động do cạn kiệt nguồn năng lượng, việc khắc phục trở nên khó khăn và hệ thống bị gián đoạn Sử dụng phương pháp thu thập năng lượng (Energy Harvesting) có thể kéo dài thời gian hoạt động của nút, và nếu thiết kế phần cứng và phần mềm hợp lý, nút cảm biến có thể hoạt động mãi mãi.

2.2.2 Các dạng thu thập năng lượng (Energy Harvesting)

2.2.2.1 Nguồn bức xạ từ môi trường xung quanh

Nguồn năng lượng có thể được chuyển đổi bằng cách thu thập các sóng điện từ từ các thiết bị phát sóng vô tuyến điện ở khắp nơi

Một ý tưởng thú vị là phát sóng RF từ xa bằng các thiết bị điện tử, hiện có thể thực hiện thông qua hệ thống RFID Tuy nhiên, ủy ban An toàn và Truyền thông Mỹ cùng các cơ quan quốc tế đã đặt ra giới hạn về công suất tối đa cho việc sử dụng này trong dân sự Phương pháp này được áp dụng để cung cấp nguồn cho các nút trong mạng cảm biến vô tuyến.

Năng lượng quang điện mang lại nhiều lợi thế cho mạng cảm biến vô tuyến, với nguồn năng lượng vô tận và tự nhiên dễ dàng thu thập và chuyển đổi thành điện Công nghệ quang điện hiện đại được phát triển từ silic vô định hình, tương tự như công nghệ trong các máy tính năng lượng mặt trời Hơn nữa, năng lượng quang điện đang dẫn đầu trong nghiên cứu và phát triển các dạng năng lượng mới.

9 cho việc thu thập năng lượng (Energy Harvesting) như Dye Sensitized Solar Cells (DSSC), thuốc nhuộm hấp thụ ánh sáng như chất diệp lục của lá cây…

2.2.2.3 Năng lượng từ cây xanh

Năng lượng từ cây xanh, được gọi là năng lượng sinh học, đã được Voltree phát triển thành một phương pháp thu thập hiệu quả Phương pháp này cho phép tạo ra các thiết bị gắn trực tiếp vào cây để theo dõi thời tiết và phát hiện cháy rừng Tuổi thọ của các thiết bị này phụ thuộc vào tuổi thọ của cây chủ Hiện tại, một mạng lưới thiết bị đã được triển khai thử nghiệm tại các rừng quốc gia Hoa Kỳ.

Có nhiều dạng năng lượng tự nhiên có thể được chuyển đổi thành điện năng để cung cấp cho mạng cảm biến vô tuyến Những nguồn năng lượng này không chỉ miễn phí mà còn gần như không giới hạn khi được thu thập gần hệ thống.

2.2.3 Các thiết bị dùng để thu thập năng lượng (Energy Harvesting)

Quang điện là phương pháp chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng thông qua chất bán dẫn có hiệu ứng quang điện, cho phép tạo ra dòng điện trực tiếp Tấm pin mặt trời là thiết bị chính được sử dụng trong quá trình này.

Hình 2.3 Hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời sang điện

2.2.3.2 Thiết bị thu sóng vô tuyến

Các thiết bị thu sóng vô tuyến, bao gồm các ăng ten chuyên dụng, được thiết kế để thu thập sóng vô tuyến dư thừa và chuyển đổi chúng thành điện năng.

Do đặc điểm của các nút mạng cảm biến hoạt động ngoài trời và trong môi trường sóng điện từ, việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị quang điện cùng thiết bị thu sóng vô tuyến cho mạng cảm biến vô tuyến trở nên vô cùng quan trọng.

Hệ thống thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến (RF) đang được phát triển mạnh mẽ cho mạng cảm biến vô tuyến Các công nghệ này giúp tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng, mang lại hiệu quả cao cho các ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến.

Hệ thống thu thập năng lượng (Energy Harvesting) đang được phát triển cho mạng cảm biến vô tuyến (WSNs) với bốn dạng năng lượng chính: năng lượng mặt trời, nhiệt năng, năng lượng sóng điện từ và năng lượng rung động cơ học Những nguồn năng lượng này được nghiên cứu và phát triển nhằm chuyển đổi thành điện năng, cung cấp năng lượng bền vững cho các thiết bị trong mạng cảm biến.

2.2.4 Hệ thống thu thập năng lượng (Energy Harvesting)

Một hệ thống thu thập năng lượng cần có một nguồn năng lượng như rung, nhiệt độ, ánh sáng, luồng không khí hoặc nước, cùng với ba thành phần chính điện tử.

- Một thiết bị chuyển đổi năng lượng như một yếu tố áp điện mà có thể dịch năng lượng thành điện

- Một mô-đun thu năng lượng, lưu trữ và quản lý điện năng cho các thiết bị

- Một ứng đầu cuối như một mạng ZigBee kích hoạt cảm biến vô tuyến hoặc điều khiển và thiết bị giám sát

Tăng điện áp và quản lý nạp pin

Năng lượng điện từ Động năng

Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống thu thập năng lượng (energy havesting) dành cho mạng cảm biến vô tuyến

Hệ thống thu thập năng lượng giúp mạng cảm biến vô tuyến chuyển từ trạng thái "tiêu thụ năng lượng thấp" sang "không tiêu thụ năng lượng", tức là không cần nguồn năng lượng bên ngoài để vận hành Trước đây, các nhà sản xuất chip xử lý và cảm biến đã nỗ lực giảm mức tiêu thụ điện năng, nhưng cuối cùng, nguồn điện từ pin vẫn sẽ cạn kiệt Điều này dẫn đến gián đoạn hệ thống và việc thay thế nguồn điện bên ngoài sẽ trở nên khó khăn và tốn kém, đặc biệt là với các thiết bị đặt ở địa hình hiểm trở như cảm biến sóng biển hay cảm biến thời tiết trên núi.

Hệ thống thu thập năng lượng đã được phát triển để giải quyết vấn đề cung cấp năng lượng cho các thiết bị cảm biến vô tuyến tiêu thụ năng lượng thấp.

Mô hình kênh chuyển tiếp và giao thức trong mạng truyền thông hợp tác

2.3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp

Mô hình kênh chuyển tiếp, được giới thiệu bởi Van der Meulen vào năm 1971, bao gồm ba đầu cuối: nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích Kênh chuyển tiếp là một kênh truyền thông cơ bản, trong đó nút chuyển tiếp có vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận, xử lý và truyền tín hiệu để nâng cao hiệu suất hệ thống Trong truyền thông hợp tác, vai trò của nút chuyển tiếp được mở rộng, cho phép nó thực hiện nhiều chức năng hơn để cải thiện khả năng truyền tải thông tin.

 Là các thiết bị đầu cuối cố định, không có thông tin của riêng nó để truyền đi (chuyển tiếp hợp tác)

Thiết bị đầu cuối không chỉ phát thông tin của chính nó mà còn đóng vai trò như một đầu cuối hợp tác, cho phép truyền thông tin từ các đầu cuối đối tác, thể hiện sự hợp tác giữa người dùng.

Mỗi mô hình chuyển tiếp có những ưu điểm riêng, trong đó mô hình chuyển tiếp hợp tác với nút chuyển tiếp cố định mang lại kênh truyền ổn định giữa nút này và nút đích Tuy nhiên, việc xử lý dữ liệu từ các nút khác tại nút chuyển tiếp sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn Điều này tạo ra lợi thế cho nút chuyển tiếp cố định so với nút di động Trong mô hình hợp tác người dùng, hệ thống trở nên phức tạp và phát sinh nhiều vấn đề cần giải quyết, bao gồm sự bất thường về số lượng và vị trí của các nút trong hệ thống.

Dựa vào số chặng giữa nút nguồn và nút đích, kỹ thuật chuyển tiếp hợp tác được phân loại thành hai loại: chuyển tiếp hai chặng (two-hop relaying) và chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying).

 Chuyển tiếp hai chặng: chỉ có một nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người dùng về nút đích

 Chuyển tiếp đa chặng: số nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người dùng về nút đích là từ hai trở lên

Ngoài ra, có thể phân loại kỹ thuật chuyển tiếp thành: chuyển tiếp đơn hướng (one- way relay) và chuyển tiếp song hướng (two-way relay)

Chuyển tiếp đơn hướng là một hệ thống mạng đơn giản bao gồm một nút nguồn S, một nút đích D và một nút chuyển tiếp R Do hạn chế về hiệu suất sử dụng phổ, nút chuyển tiếp chỉ có khả năng hoạt động ở chế độ bán song công, nghĩa là tại mỗi thời điểm, nó chỉ có thể thực hiện một trong hai chức năng: truyền hoặc nhận dữ liệu.

Chuyển tiếp song hướng là một hệ thống với hai nút nguồn S1 và S2, cùng truyền tín hiệu đồng thời đến nút chuyển tiếp R trong khe thời gian đầu tiên Ở khe thời gian thứ hai, R sẽ gửi tín hiệu nhận được đến cả S1 và S2 Phương pháp này giúp cải thiện hiệu suất sử dụng phổ, giải quyết vấn đề suy giảm khi sử dụng nút chuyển tiếp.

Trong truyền thông hợp tác, quá trình truyền dẫn dữ liệu từ nút nguồn đến nút đích thông qua nút chuyển tiếp thường được chia thành hai pha thời gian truyền Quá trình này hoạt động ở chế độ bán song công và được thực hiện qua hai giai đoạn truyền.

Trong giai đoạn đầu tiên, nhờ vào khả năng quảng bá của kênh vô tuyến, mỗi nút nguồn sẽ gửi thông tin đến nút đích, đồng thời cho phép các người dùng khác cũng tiếp nhận thông tin này.

 Giai đoạn thứ hai: các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận được từ các nút khác tới nút đích

Tại các nút chuyển tiếp, thông tin có thể được giải mã và chuyển tiếp thông qua kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF) Ngược lại, nếu thông tin chỉ được khuếch đại và truyền đi, đó là kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF).

2.3.2 Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp

Khi các nút chuyển tiếp nhận thông tin từ nút nguồn, chúng sẽ xử lý thông tin trước khi truyền đến nút đích Các kỹ thuật hoạt động của nút chuyển tiếp được gọi là kỹ thuật chuyển tiếp Hai kỹ thuật phổ biến trong các hệ thống truyền thông hợp tác là kỹ thuật chuyển tiếp cố định và kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi.

Trong kỹ thuật chuyển tiếp cố định, hai phương pháp phổ biến là khuếch đại và chuyển tiếp (AF) cùng với giải mã và chuyển tiếp (DF) Mặc dù kỹ thuật này đơn giản và dễ thực hiện, nhưng nhược điểm lớn là hiệu quả sử dụng băng tần thấp, do một nửa tài nguyên băng tần bị tiêu tốn cho việc chuyển tiếp, dẫn đến giảm tốc độ truyền dẫn Điều này đặc biệt rõ ràng khi kênh truyền giữa nguồn và đích không quá xấu, gây lãng phí cho nhiều gói dữ liệu Để khắc phục những nhược điểm này, kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi, bao gồm chuyển tiếp chọn lọc và chuyển tiếp gia tăng, đã được phát triển.

Trong phần này, chúng tôi sẽ thảo luận và so sánh hiệu suất của một số giao thức chuyển tiếp hợp tác cơ bản Để đánh giá hiệu quả của các giao thức, chúng tôi sử dụng xác suất chứa (outage capacity) Xác suất chứa của một kênh truyền với tốc độ truyền R được định nghĩa cụ thể trong tài liệu.

I(x, y) đại diện cho thông tin tương hỗ giữa đầu vào x và đầu ra y của một kênh Cần lưu ý rằng thông tin tương hỗ là một biến ngẫu nhiên, do các kênh khác nhau chịu ảnh hưởng của fading theo những cách khác nhau.

Trong thực tế, thiết bị thường không thể thực hiện việc nhận và truyền tín hiệu cùng lúc, vì tín hiệu truyền có thể gây nhiễu cho tín hiệu đến, vốn thường yếu hơn Do đó, chương này sẽ chỉ tập trung vào chế độ hoạt động bán song công của các thiết bị trong hệ thống.

Hình 2.7 Mô hình mạng mô tả kỹ thuật chuyển tiếp cố định

2.3.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Trong mô hình sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward -

Kỹ thuật khuếch đại tín hiệu AF (Amplify-and-Forward) hoạt động bằng cách khuếch đại tín hiệu nhận được từ nút nguồn, thực hiện một biến đổi tuyến tính tại nút chuyển tiếp Mô hình này còn được gọi là chuyển tiếp không tái tạo, và nó áp dụng các phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu.

Tín hiệu truyền x từ nút nguồn tới nút chuyển tiếp và nút đích được tính theo công thức:

- Tín hiệu thu ys, r ở nút chuyển tiếp: y s,r = √𝑷 𝒔 h s,r x + n s,r (2.2)

- Tín hiệu thu ys, d ở nút đích: y s,d = √𝑷 𝒔 h s,d x + n s,d (2.3)

Mô hình Fading Rayleigh

Trong truyền dẫn vô tuyến, tín hiệu RF từ máy phát có thể bị phản xạ bởi các vật cản như đồi, nhà cửa và xe cộ, tạo ra nhiều đường tín hiệu đến máy thu, gây ra hiện tượng đa đường Hiện tượng này dẫn đến lệch pha giữa các tín hiệu, làm giảm biên độ tín hiệu thu Hình 2.3 minh họa một số trường hợp xảy ra hiện tượng đa đường.

Hình 2.10 Tín hiệu đa đường

Mối quan hệ về pha giữa các tín hiệu phản xạ có thể dẫn đến nhiễu có cấu trúc hoặc không có cấu trúc, đặc biệt là ở các khoảng cách ngắn (thường là một nửa khoảng cách sóng mang), được gọi là fading nhanh Mức thay đổi của tín hiệu có thể dao động từ 10-30dB trong khoảng cách ngắn Hình 2.9 minh họa các mức suy giảm khác nhau có thể xảy ra do hiện tượng fading.

Hình 2.11 Fading Rayleigh khi thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900Mhz)

Phân bố Rayleigh là một mô hình thống kê quan trọng được sử dụng để mô tả thời gian của công suất tín hiệu thu được, phản ánh xác suất của mức tín hiệu bị ảnh hưởng bởi fading Bảng 2.1 minh họa xác suất của các mức tín hiệu theo phân bố Rayleigh.

Bảng 2.2 Sự phân bố lũy tích đối với phân bố Rayleigh

Mức tín hiệu (dB) Xác suất của mức tín hiệu nhỏ hơn giá trị cho phép (%)

Đầu tiên, chúng ta xem xét trường hợp fading phẳng trong một kênh truyền đa đường Giả sử không có đường truyền thẳng giữa máy phát và máy thu Khi truyền một tín hiệu với tần số sóng mang f c, tại máy thu sẽ nhận được tổng của I đường truyền và thành phần nhiễu Gaussian.

Với a i và ilà biên độ và pha của thành phần thứ i η(t) là thành phần nhiễu Gaussian Khai triển công thức (2.9) có được:

Thông thường, trong thông tin số, thành phần thứ 1 và thứ 2 của (2.10) thường được gọi là đồng pha và thành phần vuông pha Số hạng cos( )

Biến ngẫu nhiên R được định nghĩa là tổng của I biến ngẫu nhiên trong một môi trường ngẫu nhiên Khi I có giá trị lớn, định lý giới hạn trung tâm thường được áp dụng để tính toán Các biến ngẫu nhiên A và B là độc lập và phân bố Gaussian đồng nhất Đường bao tín hiệu R được tính bằng A² + B² và tuân theo phân bố Rayleigh Hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên Rayleigh, với σ² là phương sai của A và B, được mô tả như sau: [8].

Công suất thu có hàm mật độ xác suất như sau :

Các tín hiệu thu được từ (2.10) và (2.11) thể hiện các tín hiệu tương tự tại đầu vào của máy thu Sau khi qua các bộ lọc và bộ lấy mẫu, các tín hiệu số băng gốc sẽ được xử lý Ký hiệu rt đại diện cho tín hiệu băng gốc thời gian rời rạc, là tín hiệu đầu ra sau khi được giải điều chế từ tín hiệu đầu vào r(t) Tương tự, st và ηt là các tín hiệu thời gian rời rạc của tín hiệu phát s(t) và nhiễu η(t) Cần lưu ý rằng tín hiệu phát được hiểu ngầm trong các tín hiệu trên.

21 sau được dùng để biểu diễn mối quan hệ giữa các tín hiệu băng gốc với α là biến Gaussian ngẫu nhiên phức [8]: t t t r    s  (2.13)

Hệ số suy giảm α bao gồm phần thực và ảo, được mô tả bằng biến ngẫu nhiên Gaussian chuẩn, trong khi biên độ của nó là biến ngẫu nhiên Rayleigh Mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra theo công thức (2.13) được gọi là mô hình kênh truyền fading Độ lợi đường được biểu thị bằng hệ số α, trong khi thành phần ηt đại diện cho nhiễu Gaussian.

Hình 2.12 Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh

Xác suất dừng

Xác suất dừng được xác định bởi xác suất mà tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại một nút nhỏ hơn giá trị ngưỡng γ th Nếu SNR tại nút thấp hơn γ th, nút đó không thể giải mã tín hiệu nhận được Ngược lại, nếu SNR lớn hơn γ th, nút có khả năng giải mã đúng tín hiệu Trong mạng đa người dùng, xác suất dừng còn được định nghĩa là xác suất có ít nhất một nút đích không thể nhận dữ liệu nguồn thành công.

Phương pháp Monte Carlo

Phương pháp Monte Carlo là một tập hợp các thuật toán sử dụng số ngẫu nhiên để giải quyết các bài toán mô phỏng không xác định, trái ngược với các thuật toán xác định Đây là một phương pháp tính toán hiệu quả cho nhiều bài toán liên quan đến nhiều biến.

Phương pháp Monte Carlo là một kỹ thuật hiệu quả để giải quyết các bài toán phức tạp, đặc biệt là với các số giả ngẫu nhiên thay vì số ngẫu nhiên thực Số giả ngẫu nhiên, được tạo ra từ các chuỗi có quy luật, cho phép thực hiện các mô phỏng lặp lại trong cùng điều kiện, giúp tăng tính chính xác của kết quả Khi số lượng lặp lại các bước trong phương pháp này tăng lên, độ chính xác của kết quả cũng tiệm cận gần hơn với giá trị đúng Các số giả ngẫu nhiên cần có mức độ ngẫu nhiên đủ lớn, thường theo phân bố đều hoặc một phân bố đã định trước, để đảm bảo tính hiệu quả trong các mô phỏng.

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo trực tiếp là một kỹ thuật xác suất hiệu quả để giải các phương trình Boltzmann, dựa trên các thành phần chính và nền tảng vững chắc.

Các số ngẫu nhiên là nền tảng quan trọng trong việc phát triển các phương pháp thống kê Chúng không chỉ giúp mô phỏng các hiện tượng ngẫu nhiên trong thực tế mà còn được sử dụng để lấy mẫu ngẫu nhiên từ một phân bố nhất định, ví dụ như trong việc tính toán các tích phân số.

Định lý giới hạn trung tâm (central limit theorem) khẳng định rằng, dưới những điều kiện nhất định, trung bình số học của một lượng đủ lớn các biến ngẫu nhiên độc lập sẽ xấp xỉ theo phân bố chuẩn Điều này rất quan trọng trong phương pháp Monte Carlo, vì đây là một chuỗi các phép thử lặp lại, giúp dễ dàng ước lượng trung bình và phương sai của các kết quả thu được.

 Hàm mật độ xác suất (probability density function - PDF)

 Nguồn phát số ngẫu nhiên (random number generator - RNG)

Hình 2.13 Nguyên tắc hoạt động của phương pháp mô phỏng Monte Carlo [12]

PHƯƠNG PHÁP PHÂN BỐ CÔNG SUẤT TRONG THU THẬP NĂNG LƯỢNG MẠNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÔ TUYẾN

Vấn đề đặt ra trong việc thu thập năng lượng của mạng hợp tác vô tuyến

Các thiết bị di động giá thấp đóng vai trò quan trọng trong các mạng vô tuyến, đặc biệt là trong các mạng cảm biến cho giám sát, quan sát môi trường và chăm sóc sức khỏe Những thiết bị này thường sử dụng nguồn cấp cố định hoặc pin có tuổi thọ hạn chế, việc thay thế pin có thể gặp khó khăn hoặc tốn kém, đặc biệt trong môi trường nguy hiểm Do đó, phương pháp thu thập năng lượng từ môi trường xung quanh đã được nghiên cứu để giải quyết vấn đề năng lượng cho các mạng vô tuyến.

Kỹ thuật thu thập năng lượng truyền thống chủ yếu dựa vào các nguồn năng lượng bên ngoài mạng truyền thông Gần đây, một phương pháp mới đã được đề xuất, cho phép thu thập năng lượng từ tín hiệu vô tuyến, trong đó tín hiệu này có thể truyền tải cả thông tin và công suất Phương pháp này giúp giảm chi phí cho mạng truyền thông bằng cách loại bỏ sự cần thiết của các thiết bị ngoại vi Khái niệm mang đồng thời công suất và thông tin trong tín hiệu vô tuyến đã được giới thiệu trong nghiên cứu trước đó, với việc xem xét sự đánh đổi giữa năng lượng và tốc độ truyền thông Nghiên cứu đã mở rộng sang các kênh truyền lựa chọn tần số và kênh can nhiễu, trong đó các kênh này cũng được xem như nguồn năng lượng tiềm tàng Một thách thức lớn trong việc thu thập năng lượng là thực tế rằng các mạch không thể cùng lúc thu thập thông tin và năng lượng Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã phát triển một kiến trúc tổng quát cho máy thu, cho phép thu thập thông tin và năng lượng đồng thời thông qua việc chia thời gian và công suất Ảnh hưởng của việc chia công suất trong việc đánh đổi giữa thông tin và năng lượng cũng đã được đề xuất trong các nghiên cứu gần đây.

Trong đồ án này, chúng tôi nghiên cứu mô hình mạng hợp tác vô tuyến tổng quát, trong đó các cặp người dùng và đích truyền thông tin qua một relay thu thập năng lượng Nhóm sẽ đề xuất hai phương pháp thu thập năng lượng, được trình bày chi tiết trong phần tiếp theo.

Phương pháp phân bố công suất

Nghiên cứu này tập trung vào mạng hợp tác vô tuyến sử dụng phương pháp relay DF, trong đó nhiều cặp nguồn - đích tương tác thông qua các relay.

DF không chỉ hoạt động như một relay trong mạng mà còn thu thập năng lượng từ kênh truyền vô tuyến Các nút nguồn truyền thông tin đến relay qua các kênh trực giao và khe thời gian khác nhau Relay sử dụng năng lượng thu thập được để chuyển tiếp thông tin đến đích, với giả định rằng nguồn năng lượng đủ lớn để tích lũy công suất đáng kể Mục tiêu của đồ án này là nghiên cứu phân bố công suất hiệu quả trong đa người dùng và kiểm tra ảnh hưởng của quy trình phân bố công suất lên hiệu suất hệ thống Đồ án giới thiệu hai phương pháp thu thập năng lượng, bắt đầu với phương pháp phân bố công suất theo từng mức khác nhau, trong đó việc chuyển tiếp thông tin từ relay đến đích thứ i sử dụng năng lượng từ nguồn thứ i tương ứng Phương pháp này nhấn mạnh ứng dụng thu thập năng lượng trong mạng hợp tác vô tuyến, từ đó phát triển quy trình thu thập năng lượng của relay nhằm nâng cao hiệu suất truyền thông tin Các biểu thức tính toán tốc độ truyền dữ liệu và xác suất dừng của hệ thống được tham khảo từ tài liệu [1].

Phương pháp nghiên cứu tiếp theo là phân bố công suất một cách cân bằng, trong đó relay thu thập năng lượng từ tất cả các kênh truyền của N nút nguồn Năng lượng được thu thập sẽ được tích lũy và sau đó phân bố đều cho tất cả các kênh truyền từ relay đến đích (Relay-Destination) Ưu điểm của cơ chế này là cho phép người dùng có điều kiện kênh truyền kém vẫn có thể nhận thông tin từ relay nhờ vào việc phân bổ công suất đồng đều Điều này cải tiến so với phương pháp trước đó Công thức tính xác suất dừng sẽ minh chứng cho hiệu quả của cơ chế chuyển tiếp này.

25 phân tích cho thấy rằng phương pháp phân bố công suất theo một mức như nhau (cân bằng) có thể làm tốt hơn phương pháp thức nhất.

Thu thập năng lượng trong chuyển tiếp thông tin

Nghiên cứu trong đồ án này tập trung vào mô hình mạng truyền thông thu thập năng lượng với M cặp nguồn và đích, sử dụng một relay chuyển tiếp duy nhất Mỗi nút trong mạng được trang bị một anten đơn, cho phép các nút nguồn truyền thông tin tới đích tương ứng một cách hiệu quả.

Relay chuyển tiếp qua kênh truyền trực giao trong nhiều khe thời gian khác nhau, với giả định rằng tất cả các kênh fading Rayleigh cận tĩnh là giống nhau và độc lập Ý tưởng chính của việc thu thập năng lượng từ relay là dựa vào việc quan sát thông minh các kênh truyền vô tuyến Mặc dù có nhiều mô hình thu thập năng lượng khác nhau, nhưng tất cả đều tập trung vào việc chia công suất Trong mạng truyền hợp tác với hai khe thời gian có chu kỳ T/2, trong khe thời gian đầu tiên, relay vừa thu thập năng lượng từ các kênh vô tuyến từ nguồn đến relay, vừa thu nhận thông tin từ nguồn gửi tới, với θ i là hệ số chia công suất.

Hệ số chia công suất θ i được sử dụng để thu thập năng lượng Trong khoảng thời gian đầu tiên, thông tin từ nguồn gửi tới relay được phát hiện theo một công thức cụ thể.

Công suất truyền tại nguồn thứ i được ký hiệu là P i, trong khi độ lợi kênh giữa nguồn thứ i và relay được biểu thị bằng h i Thông tin tại nguồn, với đơn vị năng lượng, được ký hiệu là s i Ngoài ra, nhiễu trắng cộng GAUSSIAN (AWGN) với giá trị thay đổi được ký hiệu là n r,i.

Nhiễu bao gồm nhiễu AWGN dải nền và nhiễu AWGN lẫy mẫu, phát sinh từ quá trình chuyển đổi dải tần số vô tuyến thành tín hiệu dải nền.

Nghiên cứu này được xem xét một cách khách quan, khi việc chia công suất chỉ giảm theo công suất tín hiệu mà không ảnh hưởng đến công suất nhiễu, dẫn đến một giới hạn thấp hơn cho các mạng chuyển tiếp trong thực tế.

Tốc độ dữ liệu mà relay có thể giải mã tín hiệu từ nguồn thứ i được xác định, và giá trị của θ i có thể được điều chỉnh để đáp ứng tiêu chí R r,i = R theo công thức đã nêu.

Tốc độ dữ liệu định mức R được xác định khi sử dụng relay DF (Decode Forward) Việc lựa chọn hệ số tách công suất trong phương trình (3.3) là tối ưu, cụ thể là khi hệ số chia công suất được thiết lập với θ i > 𝜃̃ 𝑖 = 1 − (2 2𝑅 −1).

Khi năng lượng thu thập từ nguồn i quá lớn, sẽ dẫn đến việc không đủ công suất để giải mã tín hiệu, gây ra sai lệch trong quá trình giải mã Nếu θ i < 𝜃̃ 𝑖, công suất sử dụng để phát hiện và thu thập thông tin sẽ vượt quá mức cần thiết, trong khi chỉ cần một lượng công suất là (1 − 𝜃̃ 𝑖 ) ∗ 𝑃 𝑖 ∗ |ℎ 𝑖 | 2 để đảm bảo giải mã chính xác Do đó, việc lựa chọn θ i < 𝜃̃ 𝑖 không hiệu quả trong việc sử dụng tín hiệu Giải pháp tối ưu là chọn hệ số chia công suất θ i ≜ 𝜃̃ 𝑖 Trong giai đoạn đầu tiên, relay sẽ thu thập năng lượng từ nguồn thứ i với η là hệ số thu thập năng lượng.

Trong pha thứ hai, năng lượng thu thập được có thể được sử dụng làm công suất truyền cho relay Tuy nhiên, việc tối ưu hóa cách sử dụng năng lượng này không phải là điều đơn giản, vì các phương pháp khác nhau sẽ yêu cầu cách tiếp cận khác nhau để đạt hiệu quả tối đa Như đã đề cập, phương pháp đầu tiên được nghiên cứu là phân bố công suất theo từng mức khác nhau, cụ thể là truyền cá nhân.

Phân bố công suất theo từng mức khác nhau (truyền cá nhân)

Phương pháp này sử dụng công suất thu thập từ nút nguồn thứ i để relay truyền thông tin đến người dùng thứ i Công suất truyền từ relay đến người dùng thứ i là yếu tố quan trọng trong quá trình này.

Trong pha thứ hai, relay sẽ truyền thông tin từ nguồn thứ i khi thông tin này đã được tiếp nhận, tức là |h i | 2 phải lớn hơn 𝜖, với 𝜖 được xác định là 2 2𝑅 −1.

Giả sử relay nhận thành công thông tin từ nguồn thứ i, người dùng thứ i sẽ quan sát để nhận thông tin được chuyển tiếp từ relay Tốc độ dữ liệu từ relay đến người dùng thứ i được xác định bằng công thức: √𝑃 𝑟𝑖 ∗ 𝑔 𝑖 ∗ 𝑠 𝑖 + 𝑛 𝑑,𝑖.

Công thức 2∗ log 2 (1 + 𝑃 𝑟𝑖 ∗ |𝑔 𝑖 | 2 ) mô tả mối quan hệ giữa kênh truyền g i và nhiễu n d,i tại đích Để đơn giản hóa, giả sử rằng nhiễu tại đích và relay có giá trị giống nhau.

Xác suất dừng của cặp người dùng thứ i có thể được biểu diễn theo công thức [1]:

Việc xác định xác suất dừng tốt nhất và xấu nhất trong số M người dùng được thực hiện bằng cách tính toán max {𝒫 i,I , 1 ≤ i ≤ M} và min {𝒫 i,I , 1 ≤ i ≤ M} Công thức phân tích hệ thống từ mô phỏng trên có dạng như sau:

Trong đó, a được xác định là 2 2R - 1 và K n (.) biểu diễn hàm Bessel loại hai bậc n Giả sử tất cả các kênh tương đồng và phân bố độc lập, các nguồn có công suất truyền giống nhau, xác suất dừng xấu nhất và tốt nhất cho M người dùng được tính là 1 – (1 – P i,I ) M và (P i,I ) M.

Chứng minh [1]: Từ công thức (3.7) có thể triển khai theo phân tích toán học như bên dưới và với 𝑎 = 2 2∗𝑅 − 1:

Vậy Q 1 có thể phân tích thành có thể phân tích thành 1 − 𝑒 −

𝑃𝑖 Q 2 có thể phân tích thành như sau:

Với giá trị 𝑧 = 𝑃 𝑖 ∗ |ℎ 𝑖 | 2 − 2 2∗𝑅 + 1 Hàm mật độ 𝓏 có thể được viết lại như sau 𝑓(𝓏) =

𝑃𝑖 Từ đó Q 2 được khai triển thành:

Từ các biến đổi trên, công thức phân tích xác suất 𝒫 𝑖 được xác định Với K n (.) là hàm

Phương pháp đầu tiên đánh dấu bước khởi đầu trong việc áp dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vào mạng hợp tác vô tuyến Dựa trên phương pháp này, đồ án tiếp tục giới thiệu phương pháp thứ hai, sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng tương tự nhưng với cách thức thu thập tại relay khác biệt so với phương pháp đầu tiên.

Phân bố công suất theo một mức như nhau (cân bằng)

Với hệ số chia công suất cho mỗi người dùng là 𝜃 𝑖 = 1 − 2 2∗𝑅 −1

𝑃 𝑖 ∗|ℎ 𝑖 | 2 [1], vậy tổng công suất thu thập tại relay sau pha thứ nhất với N là số lượng các nút nguồn đã gửi thành công thông tin đến relay sẽ là [1]:

Để đơn giản hóa phân tích, giả sử công suất truyền tại tất cả các nguồn đều bằng nhau, tức là \( P_i = P_s \) Tiếp theo, cần nghiên cứu cách phân bố công suất để đảm bảo rằng công suất giữa các người dùng được phân phối đồng đều.

Trong phương pháp này, relay phân bố cùng một lượng công suất đến mỗi người dùng

Phương pháp này có ưu điểm nổi bật là không yêu cầu relay phải biết thông tin về kênh truyền giữa relay và đích đến, điều này giúp giảm thiểu đáng kể phần mào đầu của hệ thống.

1 hệ thống đa người dùng Lý thuyết mô tả xác suất dừng đạt được trong mạng hợp tác

Phương pháp thu thập năng lượng bằng cách phân bố công suất một cách cân bằng được trình bày trong Định lý 1 Theo đó, xác suất dừng tại đích đến thứ i được xác định thông qua công thức dựa trên phân bố công suất này.

Định lý trên được xây dựng dựa trên giả định rằng tất cả độ lợi kênh truyền là độc lập và có phân bố Gaussian phức đồng nhất, phù hợp với các ứng dụng trong nhà như nhà thông minh và mạng khu vực cá nhân Tuy nhiên, khi xem xét suy hao kênh truyền lớn, việc đánh giá và tính toán xác suất dừng trở nên khó khăn do các kênh truyền có thể không còn phân bố giống nhau Một phương pháp khả thi là áp dụng hình học ngẫu nhiên, giả định rằng các nút được đặt ngẫu nhiên trong cùng một khu vực nhất định, từ đó đảm bảo độ lợi kênh truyền có thể được phân bố đồng nhất trở lại.

Chia tập M đầu tiên thành hai tập S1 và S2, trong đó S1 bao gồm các nút nguồn không thể gửi thông tin đến relay, còn S2 chứa các nút nguồn có khả năng gửi thông tin đến relay Độ lớn của tập S2 được xác định là N.

Từ công thức xác suất dừng ở trên, có thể triển khai thành phân tích như sau:

Vậy Q 1 có thể phân tích thành (1 − 𝑒 −𝜖 )

Trong Q 2 xác suất 𝑖 ∈ 𝑆 2 có thể viết thành 𝑛

𝑀, vậy Q 2 có thể viết lại như sau:

𝑁 ∗ |𝑔 𝑖 | 2 ) < 𝑅 |𝑁 = 𝑛) Dựa vào điều kiện các kênh truyền đều độc lập, có thể phân tích Q 2 thành:

Trong bài viết này, chúng ta xem xét tập hợp các nhiễu {n1, n2, …, nM} và định nghĩa 𝑌 = ∑ 𝑛 𝑖=1 |ℎ 𝑛𝑖 | 2 Để tính xác suất Q3, bước đầu tiên là xác định hàm mật độ của tổng các phân bố exponent n là Y, với điều kiện các biến lớn hơn 𝜖 Dựa vào điều kiện |ℎ 𝑛𝑖 | 2 > 𝜖, chúng ta có thể thực hiện biến đổi Laplace hàm mật độ của |ℎ 𝑛𝑖 | 2.

Với điều kiện các kênh truyền là độc lập, kết hợp với điều kiện |ℎ 𝑛𝑖 | 2 > 𝜖 và 1 ≤ 𝑖 ≤

𝑛, hàm mật độ của tổng các hệ số kênh truyền này có biến đổi Laplace như sau:

(1+𝑠) 𝑛 (3.18) Thực hiện biến đổi ngược Laplace hàm mật độ trên:

(𝑛−1)! ∗ 𝑒 −(𝑦−𝑛∗𝜖) ∗ 𝑢 ∗ (𝑦 − 𝑛 ∗ 𝜖) (3.19) Vậy Q 3 có thể viết lại như sau:

Xác suất 𝑃𝑟(𝑁 = 𝑛) có thể được biển đổi thành:

Từ các biến đổi trên, xác suất dừng có thể được phân tích thành:

Dựa vào định lý 1, xác suất dừng tốt nhất và xấu nhất cho M số người dùng được xác định thông qua phương pháp phân bố công suất đồng đều (cân bằng).

Trong bài viết này, chúng tôi sẽ chứng minh hai trường hợp tốt nhất và xấu nhất khi có N nguồn gửi dữ liệu đến relay Các kênh truyền từ relay đến đích được xác định theo thứ tự g(1) ≤ … ≤ g(N) Đồng thời, xác suất dừng tốt nhất sẽ được xác định dựa trên các yếu tố này.

𝑀 𝑛=1 (3.26) Áp dụng hàm mật độ ∑ 𝑛 𝑖=1 |ℎ 𝑛𝑖 | 2 và công thức (3.21) được chứng minh trong định lý

Xác suất dừng tốt nhất có thể được diễn đạt qua công thức (3.23), trong khi đó, xác suất dừng xấu nhất cũng có thể được chứng minh với công thức (3.24).

KẾT QUẢ THỰC HIỆN