GIỚI THIỆU
Ngày nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao đã thúc đẩy nghiên cứu về truyền thông hợp tác, với nhiều mạng không dây phát triển mạnh mẽ Các thiết bị hiện nay thường xuyên được bao quanh bởi các tần số vô tuyến RF như tín hiệu mạng tế bào và WiFi, không chỉ mang thông tin mà còn chứa năng lượng Công nghệ WIPT cho phép thiết bị thu thập năng lượng và xử lý thông tin từ tín hiệu RF một cách đồng thời, hỗ trợ các ứng dụng dịch vụ chất lượng cao và kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị không dây So với các nguồn năng lượng truyền thống như pin, việc thu thập năng lượng từ tín hiệu RF giúp giảm chi phí và sự bất tiện khi phải thay thế hoặc sạc điện từ nguồn cố định Với công nghệ WIPT, người dùng có thể yên tâm sử dụng thiết bị của mình mà không lo hết pin khi kết nối vào mạng truyền thông không dây, từ đó góp phần vào việc phát triển truyền thông xanh.
Sự phát triển trong nghiên cứu truyền thông vô tuyến và năng lượng không dây đã dẫn đến khái niệm mạng hợp tác thu thập năng lượng EHCN, hay mạng vô tuyến chuyển tiếp Trong mạng EHCN, các thiết bị không dây kết hợp khả năng truyền thông và thu thập năng lượng, giúp đảm bảo thông tin liên tục mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài Các nút Relay trong mạng này vừa hỗ trợ truyền thông vừa thu thập năng lượng và xử lý thông tin đồng thời Công nghệ WIPT lần đầu được đề xuất trong [2] và được phát triển trong [3] Hai sơ đồ thu thực tế của SWIPT, bao gồm chuyển đổi thời gian TS và phân chia công suất PS, được giới thiệu trong [4] Các nghiên cứu tiếp theo [5]-[7] đã xem xét sơ đồ chuyển đổi thời gian động DTS và sơ đồ phân chia công suất động DPS nhằm nâng cao chất lượng truyền thông SWIPT cũng đã được thảo luận trong hệ thống đa sóng mang [8] và hệ thống đa anten [9] Nghiên cứu về mạng Relay cho SWIPT và giao thức chuyển tiếp dựa trên chuyển đổi thời gian TSR và phân chia công suất PSR được trình bày trong [10] Ngoài ra, phân phối công suất tối ưu tại Relay với thu thập năng lượng không dây cho nhiều user cũng được nghiên cứu trong [11] SWIPT trong hệ thống Relay hai chiều được phân tích trong [12], cùng với việc đề xuất giao thức chuyển đổi thời gian thích nghi để nâng cao thông lượng hệ thống.
Phân phối công suất cho SWIPT trong mạng nhiều người dùng và nhiều Relay được đề xuất trong nghiên cứu Chúng ta tập trung vào mạng Relay sử dụng giao thức PSR, vì nó vượt trội hơn giao thức TSR Đồ án này xem xét mạng Relay không dây áp dụng giao thức PSR để thu thập năng lượng và sử dụng sơ đồ khuếch đại và chuyển tiếp AF để truyền tín hiệu Relay có khả năng tự động điều chỉnh tỷ lệ phân chia công suất giữa Truyền thông tin (IT) và Thu thập năng lượng (EH), nhằm tối thiểu hóa xác suất dừng của IT Các nguyên tắc phân chia công suất động tối ưu dựa trên thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) đầy đủ và một phần được trình bày Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai nguyên tắc này đều cải thiện hiệu suất dừng một cách đáng kể.
Truyền thông hợp tác với đầy đủ CSI mang lại nhiều lợi ích hơn so với việc sử dụng một phần CSI Mặc dù có những nhược điểm như tiêu tốn tài nguyên bổ sung và yêu cầu hệ thống cao hơn, nhưng những ưu điểm của truyền thông hợp tác vẫn khiến nó được ưa chuộng và tiếp tục được nghiên cứu để tối ưu hóa trong thực tế Hiểu rõ các vấn đề này sẽ giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống, từ đó đáp ứng tốt hơn yêu cầu của đề tài - tối ưu mạng vô tuyến chuyển tiếp.
MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất một giao thức cho mạng hợp tác thu thập năng lượng, trong đó các nút Relay không chỉ hỗ trợ truyền thông mà còn thu thập năng lượng xung quanh, giúp duy trì kết nối liên tục mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài Bên cạnh đó, tác giả so sánh hiệu suất của các nguyên tắc với đầy đủ và một phần CSI trong bối cảnh các tỷ số công suất cố định, nhằm xác định hiệu suất tối ưu và lợi ích của từng trường hợp, từ đó tối ưu hóa mạng vô tuyến và xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống.
NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
- Tìm hiểu tổng quan về mạng vô tuyến chuyển tiếp
- Tìm hiểu kỹ thuật đƣợc sử dụng trong mạng vô tuyến chuyển tiếp dùng giao thức AF
- Tìm hiểu các nguyên tắc phân chia công suất động trong mạng Relay AF
- Mô tả các độ lợi hiệu suất với các trường hợp tỷ số công suất khác nhau
- Mô phỏng đánh giá hiệu suất dừng của mạng hợp tác thu thập năng lƣợng dùng giao thức AF
Trong nghiên cứu này, hệ thống bao gồm nút nguồn S, nút đích D và nút Relay R được phân tích Mỗi nút được trang bị một anten và hoạt động ở chế độ đơn công để truyền thông tin từ nguồn S đến đích D Nút Relay chỉ có chức năng chuyển tiếp dữ liệu mà không đóng vai trò là nguồn hoặc đích, và không có liên kết trực tiếp giữa S và D.
D Relay vận hành sơ đồ AF bởi vì đặc tính của nó có độ phức tạp thấp Để đơn giản trong đề tài này chuẩn hóa khoảng cách truyền của nguồn và đích đến Relay là 1.5, cho tốc độ truyền cố định tại nguồn là R3bits/ se /c Hzvà đặc tính kênh truyền là fading Rayleigh.
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Nhƣ vậy, với các yêu cầu về nhiệm vụ và mục tiêu đề ra, đề tài đƣợc xây dựng bao gồm các chương:
Chương 1 cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng vô tuyến chuyển tiếp, nêu bật tình hình nghiên cứu gần đây từ các tác giả khác Bài viết nhấn mạnh tầm quan trọng của việc thu thập năng lượng trong mạng di động hiện nay và xác định các mục tiêu cần đạt được trong đề tài nghiên cứu.
Chương 2 của bài viết tập trung vào các kỹ thuật trong mạng hợp tác thu thập năng lượng, bao gồm kỹ thuật thu thập năng lượng và sơ đồ hợp tác cố định Ngoài ra, chương cũng sẽ trình bày về sơ đồ Relay Khuếch đại và chuyển tiếp AF cố định, cùng với mô hình hệ thống liên quan đến đề tài nghiên cứu.
Chương 3 trình bày các nguyên tắc phân chia công suất động trong mạng Relay AF với thu thập năng lượng không dây, xem xét cả trường hợp có và không có thông tin kênh (CSI) Bài viết so sánh các trường hợp tỷ số công suất cố định và mô tả độ lợi hiệu suất của từng trường hợp, từ đó đưa ra giải pháp tối ưu cho mạng vô tuyến.
Chương 4 trình bày kết quả so sánh hiệu suất tối ưu của mạng vô tuyến với các trường hợp khác để xác định hiệu suất tốt nhất của hệ thống Bên cạnh đó, các kết quả mô phỏng về độ lợi hiệu suất trong từng trường hợp cũng được đưa ra.
- Chương 5: Phần kết luận và hướng phát triển của đề tài
SƠ ĐỒ RELAY KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP AF
Sơ đồ Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF là một mô hình hợp tác cố định, trong đó các nguồn tài nguyên kênh truyền được phân chia cố định giữa nguồn và Relay Hai kỹ thuật phổ biến trong mô hình này bao gồm sơ đồ Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF cố định, cùng với sơ đồ Relay giải mã và chuyển tiếp DF cố định.
Việc truyền tín hiệu hợp tác thông qua phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp AF cho phép nguồn S và đích D trao đổi thông tin qua nút Relay, nơi chỉ thực hiện chức năng chuyển tiếp dữ liệu mà không phải là nguồn hay đích Thiết lập này phù hợp với các mạng cảm biến và mạng truyền thông không gian sâu Mỗi nút Relay nhận tín hiệu từ đối tác, khuếch đại và chuyển tiếp đến đích Như mô tả trong Hình 2.1, nút Relay khuếch đại tín hiệu và truyền đến đích, nơi thông tin từ nút Relay được kết hợp để đưa ra quyết định cuối cùng về bit đã truyền Mặc dù nhiễu tín hiệu cũng được khuếch đại, nút đích chỉ nhận phiên bản tín hiệu bị fading độc lập, giúp cải thiện khả năng phát hiện thông tin.
Hình 2.1: Mô hình sơ đồ Relay khuếch đại và chuyển tiếp AF
Trong giao thức chuyển tiếp AF cố định, Relay nhận tín hiệu và truyền tải phiên bản khuếch đại đến nút đích Nút đích cần biết hệ số kênh truyền giữa nguồn và Relay để thực hiện mã hóa tối ưu, do đó việc trao đổi thông tin này là cần thiết trong quá trình thực thi Một thách thức lớn là việc lấy mẫu, khuếch đại và truyền lại giá trị analog, điều này rất quan trọng trong kỹ thuật Phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp là một cách đơn giản và hiệu quả, cho phép phân tích dễ dàng, từ đó hỗ trợ nâng cao quan điểm về mạng hợp tác thu thập năng lượng.
Kỹ thuật xử lý tại nút chuyển tiếp Relay sử dụng sơ đồ Relay giải mã và chuyển tiếp DF cố định, trong đó Relay nhận tín hiệu, tái mã hóa và truyền lại cho máy thu Loại chuyển tiếp này thường được gọi là DF Tuy nhiên, tín hiệu giải mã tại Relay có thể không chính xác, dẫn đến việc tín hiệu sai được chuyển tiếp đến nút đích, làm cho việc giải mã ở đích trở nên vô nghĩa Cơ chế này chỉ đạt được một mức độ phân tập nhất định, vì hiệu suất hệ thống bị giới hạn bởi các liên kết kém nhất từ nguồn đến Relay và từ nguồn đến đích Mặc dù chuyển tiếp DF cố định có những lợi thế nhất định, nhưng vẫn cần xem xét các yếu tố khác để tối ưu hóa hiệu suất.
Sơ đồ AF được sử dụng để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu tại relay, mặc dù nó yêu cầu khả năng chuyển tiếp tín hiệu lỗi đến đích, điều này có thể làm giảm hiệu suất hệ thống Do những khó khăn liên quan, lựa chọn sơ đồ AF là hợp lý vì nó có độ phức tạp thấp hơn.
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Hình 2.2: Mô hình hệ thống
Hệ thống Relay không dây dựa trên sơ đồ AF với EH cho phép nguồn S truyền thông tin tới đích D mà không cần liên kết trực tiếp Relay hoạt động với độ phức tạp thấp, được trang bị anten và pin lưu trữ để nạp và xả năng lượng Năng lượng cần thiết cho hoạt động của nút Relay chủ yếu đến từ pin, đủ để duy trì hoạt động trong thời gian cần thiết Relay thu thập năng lượng từ các tín hiệu không dây để chuyển tiếp thông tin, với thời gian truyền T được chia thành hai giai đoạn: giai đoạn đầu tiên (T/2) dành cho nguồn S truyền tín hiệu tới Relay, và giai đoạn còn lại để Relay chuyển tiếp thông tin tới đích Độ lợi kênh truyền từ nguồn tới Relay là h, trong khi độ lợi từ Relay tới đích là g, giả sử cả hai kênh truyền đều là kênh fading Rayleigh và giữ nguyên trong suốt quá trình.
8 giai đoạn Kết quả là, h 2 và g 2 theo phân phối mũ với giá trị trung bình tương ứng là
Trong giai đoạn đầu tiên, nguồn S truyền tín hiệu x t tới Relay với công suất
P S Tín hiệu RF thu đƣợc tại Relay là:
Nhiễu anten n(t) tuân theo phân phối Gauss với trung bình 0 và phương sai σ² Tín hiệu RF được chia thành hai phần qua bộ PS với tỷ số công suất p nằm trong khoảng [0,1] Sau đó, tín hiệu r(p)y(t) được gửi qua mạch EH, và năng lượng thu thập tại nút Relay được tính toán.
E = εpP h + σT (2.2), trong đó ε (0 < ε ≤ 1) là hệ số chuyển đổi năng lượng của mạch EH Để đơn giản, giả sử ε = 1 Tất cả năng lượng thu thập được sẽ được Relay sử dụng để chuyển tiếp thông tin tới đích trong giai đoạn hai Do đó, công suất truyền của Relay được xác định dựa trên năng lượng này.
Trong thực tế, xác suất P r phải lớn hơn 0, do đó ta đặt 0 < p ≤ 1 Đồng thời, tín hiệu RF 1 - p y t r (t) được cung cấp cho mạch xử lý tín hiệu SP Tín hiệu dải nền tại Relay được biểu diễn như sau:
Trong hệ thống truyền thông, công thức \( S_{r,n,p} = y_r - p P_h x_n + n_p \) mô tả ảnh hưởng của nhiễu Gauss dải nền cộng, với \( n_p \) có trung bình 0 và phương sai \( \sigma^2_p \) Tín hiệu \( x \) và nhiễu \( n_r \) tương ứng với các biểu thức dải nền của \( x(t) \) và \( n(t) \) Khi \( p = 1 \), Relay ngừng truyền tín hiệu tới đích và thu thập toàn bộ năng lượng nhận được, dẫn đến \( y_r \approx 0 \) và Relay đóng cửa mạch xử lý thông tin Chỉ khi \( 0 < p < 1 \), sơ đồ AF mới được kích hoạt tại Relay, cho phép tín hiệu dải nền được Relay truyền đi.
Hệ số chuẩn hóa công suất của sơ đồ AF được ký hiệu là Trong giai đoạn thứ hai, tín hiệu x r được thu nhận qua kênh truyền g, dẫn đến tín hiệu thu được tại đích.
(2.5) ở đây n d là nhiễu Gauss cộng, với trung bình 0 và phương sai d 2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR tại đích là:
Hệ số phân chia công suất p có mối liên hệ chặt chẽ với giá trị p, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng của hệ thống Do đó, việc tính toán cách phân chia công suất tín hiệu là cần thiết để đạt được hiệu suất truyền tải tối ưu.
Ta sử dụng xác suất dừng tại đích để đánh giá hiệu năng của hệ thống Theo (2.6), hàm p phụ thuộc vào h và g Nếu Relay có khả năng điều chỉnh p theo trạng thái kênh truyền, hiệu suất dừng có thể được tối ưu hóa Với kiến thức về CSI, chúng ta nghiên cứu hai trường hợp phân chia công suất tối ưu: đầy đủ và một phần các CSI, nhằm hiểu rõ hơn tác động của tỷ lệ phân chia công suất đến hoạt động của hệ thống.
THU THẬP NĂNG LƢỢNG
Hình 2.3: Sơ đồ máy thu thập năng lƣợng ở nút Relay
Trong phần này, chúng tôi sẽ giới thiệu về kỹ thuật thu thập năng lượng, trong đó cấu trúc máy thu năng lượng được mô tả trong Hình 2.3 Tín hiệu thu được từ máy thu sẽ được chuyển đổi từ tín hiệu vô tuyến RF thông qua kiến trúc rectenna Trong kiến trúc này, tín hiệu y r (không xét tới giá trị p) được chuyển đổi thành dòng điện một chiều i DC bởi bộ chỉnh lưu, bao gồm diode Schottky và bộ lọc thông thấp (LBF) Dòng điện một chiều i DC sau đó được lưu trữ trong pin và sử dụng cho quá trình truyền thông tin nguồn tới nút đích.
Dòng điện bão hòa I S được định nghĩa cùng với tỷ lệ nghịch của điện áp nhiệt của diode Schottky Hệ số a n được xác định qua khai triển chuỗi Taylor của hàm mũ, với a n = I S n / n! Tín hiệu thu được y R ở ngõ vào của máy thu năng lượng được biểu diễn bởi y R = 2R{y R}, và khi thay thế vào (2.1), tín hiệu phức sẽ được mô tả như sau.
2 j ft S x R Ae , h he j S và n r 2R n r t e j 2 ft
Ta viết lại y r nhƣ sau:
Thay (2.9) vào (2.7) và bỏ qua các số mũ bậc cao lớn hơn mũ 2 Bởi vì mũ cao cho giá trị xấp xĩ gần bằng 0 Chúng ta có biểu thức:
Dòng điện ngõ ra i DC của diode được lọc qua bộ lọc thông thấp (LBF) nhằm loại bỏ các thành phần hài bậc cao f và 2f, từ đó tạo ra dòng điện một chiều Giả sử có nhiễu cộng tại bộ chỉnh lưu n rec, tín hiệu ở ngõ ra bộ lọc sẽ được xác định bởi.
Thay (2.9) và (2.10) vào (2.12) chúng ta có:
Chúng tôi giả sử rằng năng lượng chuyển đổi là một hàm tuyến tính với hệ số chuyển đổi năng lượng trong khoảng 0 < η ≤ 1, và ảnh hưởng của nhiễu đến hệ thống là không đáng kể Dựa vào các phương trình đã nêu, năng lượng thu thập được trong pin, được ký hiệu là E_h, có thể được xác định.
Trong thực tế, nhiều nhà nghiên cứu trong đã tiến hành thí nghiệm sự ảnh hưởng của khoảng cách đối với năng lượng thu được, được thể hiện ở Hình 2.4
Hình 2.4: Đồ thị bức xạ điện từ mô tả sự ảnh hưởng của khoảng cách đối với thu năng lƣợng
Việc thực hiện các thí nghiệm và cung cấp thống kê dữ liệu thực tế cho kỹ thuật thu thập năng lượng được trình bày trong bảng dưới đây.
Năng lƣợng thu đƣợc Máy phát RF đẳng hướng
Máy phát RF đẳng hướng
Máy phát RF đẳng hướng
Bảng 2.1: Dữ liệu thí nghiệm của thu thập năng lƣợng RF
CÁC NGUYÊN TẮC PHÂN CHIA CÔNG SUẤT ĐỘNG
3.1.1 Trường hợp đầy đủ CSI
Trong bài viết này, chúng ta giả định rằng nút Relay có khả năng thu thập đầy đủ thông tin về chỉ số kênh truyền (CSI), bao gồm h và g, trước khi tiến hành truyền tải Để Relay có thể ước lượng các giá trị h và g, một cơ chế RTS/CTS dựa trên sơ đồ ước lượng kênh có thể được áp dụng Cụ thể, trước khi bắt đầu truyền tải thông tin, nguồn sẽ gửi một gói RTS đến Relay và đích, giúp Relay ước lượng độ lợi kênh truyền h Sau khi nhận được gói RTS, đích sẽ phản hồi bằng gói CTS gửi về nguồn và Relay, từ đó Relay cũng có thể tự ước lượng g Giả định rằng việc ước lượng kênh truyền là hoàn hảo và không có lỗi trong ước lượng Thông qua cơ chế RTS/CTS, tương thích với tiêu chuẩn IEEE 802.11, Relay có thể thu thập đầy đủ CSI trước khi thực hiện truyền tải Tuy nhiên, cơ chế này cũng sẽ gia tăng chi phí và tiêu thụ năng lượng cho quá trình ước lượng kênh.
Khi Relay nắm vững thông tin về h và g, việc tối thiểu hóa xác suất dừng sẽ tương đương với việc tối đa hóa SNR tức thời tại điểm đích Do đó, vấn đề tối ưu hóa được đặt ra như sau:
Theo định lý Giá trị Trung bình, hàm liên tục không âm (p) có giá trị (0) = 0 và (1) = 0, do đó tồn tại một (hay nhiều) cực đại trong khoảng này.
Điều đó có nghĩa là tỷ số phân chia công suất tối ƣu đạt
Giá trị cực đại của SNR là một trong những nghiệm quan trọng Trong thực tế, hàm p thể hiện tính lồi với góc lớn hơn 180 độ và nằm trong khoảng 0 < p < 1, điều này có thể được xác định thông qua đạo hàm bậc hai Tuy nhiên, do tính phức tạp của đạo hàm, nội dung này không thể được trình bày trong khuôn khổ đề tài này Người thực hiện cũng dự định sẽ tính toán tất cả các giá trị p có thể theo công thức đã cho.
và lựa chọn p * tối ƣu, để tạo ra SNR cực đại
Thay thế các biểu thức của P r vào (2.6), ta có:
Sau đó đạo hàm bậc nhất của p theo p nhận đƣợc trong (3.2) Để thu đƣợc các giá trị cực trị, ta cần giải phương trình p 0 p
Xem xét (3.2), ta có thể thấy dấu của p p
tương ứng với tử số của số hạng f p a p 1 2 b p c 1 1, ở đây:
Để giải phương trình f(p) = 0, ta chỉ cần xem xét hai trường hợp Nếu a1 = 0, phương trình trở thành một phương trình tuyến tính với nghiệm p = 2 Ngược lại, nếu a1 > 0, phương trình f(p) = 0 sẽ có hai nghiệm khả thi.
Trong cả hai trường hợp, p * có cùng biểu thức Vì thế, để đạt đƣợc SNR cực đại, p * tối ƣu là:
Sau khi thu thập tất cả các CSI dựa trên cơ chế RTS/CTS, Relay tiến hành tính toán các thông số a1, b1 và c1 tương ứng Dựa vào giá trị của a1, Relay điều chỉnh bộ PS theo công thức (3.3) trước khi thực hiện quá trình truyền tải toàn bộ Quá trình truyền dẫn sẽ được mô tả chi tiết trong phần 2.2, khi mô hình hệ thống được kích hoạt.
3.1.2 Trường hợp một phần CSI
Cơ chế RTS/CTS có thể gây ra chi phí phụ cho việc ước lượng kênh, làm giảm hiệu suất truyền tải, đặc biệt trong các tình huống kênh biến đổi nhanh Relay có thể thu thập năng lượng từ tín hiệu nguồn để ước lượng hệ số kênh truyền h trong giai đoạn đầu Ví dụ, một số ký tự thí điểm được truyền từ nguồn có thể được Relay sử dụng để ước lượng hệ số kênh trước khi thực hiện truyền tải toàn bộ Thông thường, số ký tự thí điểm ít hơn số ký tự thông tin, do đó chi phí hệ thống là rất thấp.
Khi ước lượng g trong hệ thống Relay, ta chỉ cần xem xét các đặc điểm thống kê của g, được ước lượng và báo cáo định kỳ Vì các đặc điểm này thay đổi chậm, chi phí truyền g đến Relay có thể được bỏ qua Relay nắm bắt một phần thông tin CSI, bao gồm h và g, và điều chỉnh p để đạt được xác suất dừng tối thiểu trước khi truyền tải Nguyên tắc tối ưu trong trường hợp này là tìm giá trị p nhằm giảm thiểu xác suất dừng trung bình liên quan đến g, với SNR nhận được được nhắm tới là γ0 > 0, từ đó vấn đề tối ưu hóa được xác định.
Cả F p và 0 2 (p) đều độc lập với g, và khi Relay nhận tín hiệu, h được xác định, cho phép Relay điều chỉnh các giá trị F p và 0 2 (p) trong khoảng 0 < p < 1 Hơn nữa, với điều kiện 0 2 (p) 0, ta có 0 0 2 (p) 0 Để thực hiện tính toán (3.4), việc xác định dấu của các tham số là cần thiết.
F p Nếu F p 0 thì g F p 2 0 2 p 0 luôn đúng, tức là,
Pr g F p p h 1, nghĩa là đích không thể nhận đƣợc thông tin không có lỗi Để tránh tình trạng này, ta nên tìm tỷ số tối ƣu trong tập hợp
Thông qua (3.6a), có thể viết tập hợp
Rõ ràng, nếu p ma x h 0, trở thành một tập hợp rỗng Theo (3.7), ta có ngƣỡng
, là nghiệm của p ma x H 0 0, cho h để làm cho không rỗng Nếu
Khi h 2 H 0, việc truyền tải sẽ dừng lại bất kể cách điều chỉnh p, do đó không cần tối thiểu hóa xác suất dừng Ngược lại, nếu h 2 H 0, ta nên thiết lập p * 1 để tối đa hóa việc thu thập năng lượng Trong trường hợp h 2 > H 0, không gian không rỗng và cần xác định p tối ưu trong không gian này.
tương đương với tối đa hóa W p , giải quyết vấn đề (3.4) tương đương với:
Hàm W(p) là hàm liên tục với p thuộc tập hợp Ω và có giá trị W(0) = 0 và W(p_max) = 0 Do W(p) là hàm lõm trong khoảng 0 ≤ p ≤ 1, nên tồn tại một giá trị p* tối đa hóa W(p) trong tập hợp Ω Đạo hàm của W(p) theo p sẽ giúp xác định điểm tối đa này.
, do đó, ta có thể thu đƣợc các nghiệm 2 2
Thông qua cơ chế đã được giới thiệu, Relay có khả năng thu được h và g, từ đó p* có thể được tính theo công thức (3.11) Điều này cho phép Relay điều chỉnh tỷ lệ phân chia công suất trước khi thực hiện việc truyền tải.
CÁC ĐỘ LỢI HIỆU SUẤT
Dựa trên các trường hợp của CSI đã đề cập, người thực hiện khảo sát đã phân tích ảnh hưởng của các thông số thống kê kênh truyền đối với độ lợi của các nguyên tắc phân chia công suất Khi xem xét nguyên tắc với p = 0.4, hiệu suất thu được tương đương với mức cơ sở, từ đó xác định độ lợi hiệu suất là: ln(0.4) full out full p out.
P , ar ln 0.4 par out p p out
Độ lợi của nguyên tắc được phân loại thành bốn loại: độ lợi đầy đủ với CSI (full), độ lợi với một phần CSI (p ar), độ lợi khi p = 0.8 (p = 0.8) và độ lợi khi p = 0.6 (p = 0.6) Bài viết sẽ phân tích sự thay đổi của các độ lợi này khi khoảng cách từ S thay đổi.
D tới R thay đổi và ảnh hưởng của các thông số thống kê kênh truyền tới hiệu suất của các nguyên tắc phân chia công suất
MÔ PHỎNG
Trong phần này, kết quả được trình bày nhằm kiểm chứng các lý thuyết đã tính toán ở các chương trước Đầu tiên, các giải pháp tối ưu hóa mạng vô tuyến chuyển tiếp của sơ đồ relay AF cố định sẽ được minh họa thông qua kết quả tính toán, cho phép thu thập năng lượng từ nguồn S và chuyển tiếp dữ liệu đến đích D Đồng thời, hiệu suất dừng của các trường hợp cũng được mô phỏng để khảo sát, cùng với độ lợi được đưa ra nhằm cung cấp cái nhìn sâu rộng hơn về vấn đề đã nêu.
Hình 4.1: Mô phỏng xác suất dừng đạt đƣợc khi giá trị P S thay đổi
Hình 4.2: Mô phỏng các độ lợi hiệu suất đạt đƣợc khi giá trị g thay đổi và xem xét ảnh hưởng
Hình 4.3: Mô phỏng các độ lợi hiệu suất đạt đƣợc khi giá trị h thay đổi và xem xét ảnh hưởng.
KHẢO SÁT ĐẶC TÍNH CỦA HỆ THỐNG
Trong mô phỏng trên, người thực hiện thiết lập các thông số như sau:
, 2 p 20dBm, d 2 17 dBm Tại nguồn, ta cho tốc độ truyền cố định
Giá trị ngưỡng của tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại đích được xác định bởi công thức 0 2 R 1, với R là bít c Hz Để minh họa ưu điểm của các nguyên tắc phân chia công suất động, các sơ đồ phân chia công suất cố định đã được mô phỏng với các giá trị p 0.4, p 0.6 và p 0.8 Chúng tôi đã thực hiện mô phỏng xác suất dừng trung bình của mạng Relay với các sơ đồ phân chia công suất cho hơn 10^6 kênh truyền.
Giả sử khoảng cách từ nguồn đến Relay và từ Relay đến đích là bằng nhau, với h = g = 1.5, hiệu suất dừng đạt được theo các nguyên tắc phân chia công suất được thể hiện trong Hình 4.1 Khi công suất truyền dẫn tăng, xác suất dừng trung bình giảm Cả hai nguyên tắc phân chia công suất đều cho hiệu suất tốt hơn so với các sơ đồ với p cố định Cụ thể, nguyên tắc với đầy đủ CSI cho độ lợi cao hơn khoảng 0.4dB so với sơ đồ p = 0.8, 0.5dB so với p = 0.6 và 1.3dB so với p = 0.4 khi P S = 50dBm Mặc dù nguyên tắc với đầy đủ CSI vượt trội hơn, khoảng cách giữa hai nguyên tắc không quá lớn; khi P S = 50dBm và cả hai xác suất dừng trung bình đều dưới 10^(-4), khoảng cách chỉ khoảng 0.1dB Điều này cho thấy nguyên tắc với một phần CSI, mặc dù tốn ít chi phí hơn, đã gần đạt được hiệu suất của nguyên tắc với đầy đủ CSI Nếu không có cơ chế RTS/CTS, nguyên tắc với một phần CSI sẽ được áp dụng.
Chúng ta đã khảo sát ảnh hưởng của các thông số thống kê kênh truyền đến hiệu suất của các nguyên tắc phân chia công suất Kết quả cho thấy, khi độ lợi g tăng, hiệu suất giảm, cho thấy các nguyên tắc đề xuất phù hợp với tình huống suy hao đường truyền mạnh Cả hai nguyên tắc đề xuất đều có độ lợi lớn hơn p 0.6 và p 0.8, nhưng khi g 5, nguyên tắc với p 0.6 có hiệu suất tốt hơn Tương tự, khi h tăng, hiệu suất cũng tăng do Relay thu được nhiều năng lượng hơn, giúp tối ưu hóa truyền dẫn Kết luận, các thông số kênh truyền ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của các nguyên tắc phân chia công suất, với nguyên tắc đầy đủ CSI đạt hiệu suất tốt nhất.
Để giảm xác suất dừng của hệ thống và nâng cao hiệu suất, cần áp dụng các nguyên tắc phân chia công suất động cho 25 tuyến chuyển tiếp sử dụng giao thức AF Việc này sẽ giúp cải thiện độ lợi hiệu suất và giảm thiểu các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống.
KẾT LUẬN
Trong đồ án này, người thực hiện nghiên cứu về mạng hợp tác thu thập năng lượng, tập trung vào các kỹ thuật xử lý tín hiệu từ nút nguồn đến Relay và khả năng thu thập năng lượng của nút Relay Mô phỏng đánh giá hiệu năng và chất lượng giao thức PSR cho thấy vai trò quan trọng của nó trong hệ thống, bao gồm thông tin tương hỗ tức thời, xác suất dừng, và độ lợi hiệu suất, nhằm tối ưu hóa mạng vô tuyến sử dụng giao thức AF Chương 3 trình bày các kết quả nghiên cứu về tối ưu mạng vô tuyến, chứng minh rằng nguyên tắc phân chia công suất động giúp tăng hiệu năng xác suất dừng Các biểu thức xác suất dừng được đánh giá bằng công cụ toán học và kiểm chứng qua mô phỏng Mạng hợp tác thu thập năng lượng mang lại nhiều ứng dụng và tiềm năng phát triển, với ưu điểm linh hoạt trong việc thu thập năng lượng từ môi trường và hỗ trợ truyền tải thông tin hiệu quả, tiết kiệm tài nguyên kênh truyền và duy trì thời gian hoạt động cho thiết bị không dây Tuy nhiên, hệ thống cũng gặp hạn chế về tốc độ truyền tải dữ liệu và có thể gây ra nhiễu tại nút đích do lỗi khuếch đại trong sơ đồ AF Kỹ thuật thu thập năng lượng đáp ứng nhu cầu năng lượng cho thiết bị không dây, cho phép sạc pin ngay khi kết nối vào mạng hợp tác mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài.
EHCN mang đến nhiều ưu điểm nổi bật, hứa hẹn sẽ có ảnh hưởng tích cực đến lĩnh vực truyền thông không dây trong tương lai Chúng tôi hy vọng rằng nghiên cứu này sẽ góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ không dây và truyền thông hợp tác trong việc thu thập năng lượng.
Xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Đình Thuấn, phó bộ môn Điện tử - Viễn thông, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM, vì những góp ý và sự hỗ trợ quý báu trong quá trình xây dựng và hoàn thiện đề tài này.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Hiểu rõ đề tài giúp cải thiện việc sử dụng sơ đồ trong chuyển tiếp tín hiệu Sơ đồ DF, mặc dù phức tạp, lại có khả năng loại bỏ nhiễu hiệu quả hơn, góp phần tối ưu hóa mạng Sử dụng chế độ truyền song công và phần cứng tốt sẽ nâng cao hiệu quả truyền tải và duy trì sự ổn định của hệ thống Ngoài ra, việc thử nghiệm mô hình hoạt động với nhiều anten và áp dụng giao thức TPSR cho hệ thống hai chiều sẽ cải thiện khả năng phân tập tại nút đích.
