TỔNG QUAN
GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, mạng truyền thông không dây đang phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam, cho phép người dùng di chuyển tự do và truy cập Internet từ bất kỳ vị trí nào trong khu vực có sóng So với mạng hữu tuyến, mạng vô tuyến mang lại nhiều lợi ích thiết thực hơn, đặc biệt trong những tình huống khẩn cấp như thiên tai hay cứu hộ, vì nó dễ dàng triển khai và không tốn nhiều thời gian cũng như chi phí lắp đặt hạ tầng Mạng không dây cũng cho phép thêm hoặc bớt người dùng một cách linh hoạt mà không cần dây nối, giúp tiết kiệm chi phí quản lý và duy trì mạng Chính vì vậy, mạng truyền thông không dây ngày càng được người dùng và các nhà cung cấp dịch vụ tin tưởng và ưa chuộng.
Với sự gia tăng nhanh chóng của số lượng thiết bị không dây, dự đoán sẽ có tới 38,6 tỷ thiết bị trên toàn cầu vào năm 2025, mật độ thiết bị không dây ngày càng cao Sự phát triển đô thị hóa cũng làm cho việc trao đổi thông tin giữa các thiết bị không dây và các trạm cơ sở (Base Station - BS) gặp nhiều khó khăn do đường truyền trực tiếp (Line of Sight - LoS) bị ảnh hưởng bởi nhiễu và vật cản Để khắc phục vấn đề này, truyền thông hợp tác (Cooperative Communications) đã được phát triển nhằm cải thiện phạm vi phủ sóng mà không cần tăng công suất phát tại các trạm cơ sở, từ đó giải quyết hiệu quả vấn đề LoS.
Ngoài việc đảm bảo đường truyền, yếu tố năng lượng cung cấp cho các cảm biến không dây trong mạng vô tuyến đã trở thành một vấn đề quan trọng trong những năm gần đây Nghiên cứu của Alkheir và cộng sự [2] đã chỉ ra tiềm năng của việc thu thập năng lượng RF trong mạng vô tuyến.
Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp truyền thông hợp tác với thu thập năng lượng (Energy Harvesting – EH) có thể nâng cao hiệu suất của truyền thông D2D (Device-to-Device) Tuy nhiên, trong lĩnh vực hệ thống chuyển tiếp hai chiều với thu thập năng lượng, còn thiếu các nghiên cứu trên kênh truyền Nakagami-m, khi mà phần lớn các công trình chỉ tập trung vào kênh truyền fading Rayleigh Nghiên cứu trên kênh truyền Nakagami-m được coi là có ý nghĩa khoa học hơn nhờ tính tổng quát của nó Một nghiên cứu đáng chú ý về mạng hai chiều song công chuyển tiếp AF (Amplify-and-Forward) với thu thập năng lượng dạng phân chia công suất trên kênh truyền Nakagami-m Fading đã được thực hiện bởi Tan và cộng sự.
Dựa trên các nghiên cứu trước đây, nhóm chúng tôi đã chọn đề tài "Mạng chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng trên kênh truyền Nakagami-m" cho mini project Mục tiêu của nghiên cứu là phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống hai chiều, sử dụng nút chuyển tiếp DF để phát năng lượng và giải mã bằng kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự SIC.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Trong nghiên cứu này, nhóm chúng tôi khám phá mạng chuyển tiếp hai chiều, trong đó nút chuyển tiếp áp dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp, cùng với SIC và phát năng lượng Chúng tôi sử dụng mô hình Monte Carlo để mô phỏng và đánh giá hiệu suất của hệ thống dựa trên xác suất dừng.
Từ đó đưa ra kết luận và định hướng phát triển cho đề tài.
NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Mạng truyền thông hợp tác là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, bao gồm mạng hai chiều, nơi các nút có thể gửi và nhận thông tin từ nhau Kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến cho phép các thiết bị thu năng lượng từ sóng vô tuyến để hoạt động hiệu quả hơn Bên cạnh đó, kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng tín hiệu và giảm thiểu nhiễu trong quá trình truyền thông Những khía cạnh này tạo nên nền tảng lý thuyết vững chắc cho việc phát triển các hệ thống truyền thông hiện đại.
- Phân tích và mô phỏng xác suất dừng hệ thống
Trong mô hình này, chúng tôi tập trung vào hai nút nguồn có khả năng vừa truyền vừa nhận thông tin Ngoài ra, chúng tôi cũng xem xét một nút chuyển tiếp sử dụng phương pháp DF mà không tính đến nhiễu từ bên ngoài.
Bài viết đề cập đến ba loại nút nghe lén khác nhau và phân tích kỹ thuật thu thập năng lượng thông qua việc chia thời gian và công suất Đồng thời, nó cũng đánh giá hiệu năng của hệ thống dựa trên xác suất dừng.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài trong lĩnh vực này chúng tôi nghiên cứu bằng những phương pháp như:
- Tìm kiếm tài liệu, các bài báo, tạp chí liên quan đến đề tài trong và ngoài nước
- Phương pháp phân tích, phương pháp đánh giá, kiểm tra
- Tiến hành kiểm tra đánh giá hệ thống bằng cách mô phỏng.
BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Trong chương này, chúng tôi sẽ giới thiệu tổng quan về mạng vô tuyến, bao gồm tình hình nghiên cứu hiện tại, mục tiêu của đề tài, nhiệm vụ và giới hạn nghiên cứu, cũng như phương pháp nghiên cứu và cấu trúc của đồ án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Phần này trình bày các lý thuyết quan trọng liên quan đến mạng truyền thông hợp tác và mạng hai chiều, cùng với các kỹ thuật thu thập năng lượng, phương pháp triệt can nhiễu tuần tự và cách đánh giá hệ thống hiệu quả.
Chương 3: Mô hình hệ thống Ở chương này, chúng tôi trình bày cách xây dựng hệ thống và phân tích xác suất dừng, tốc độ truyền và tỉ lệ lỗi bit hệ thống
Chương 4: Kết quả mô phỏng và nhận xét
Bài viết trình bày giải thuật và kết quả mô phỏng, từ đó nhận xét về ảnh hưởng của khoảng cách truyền, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) và hiệu suất chuyển đổi năng lượng đến hệ thống đã phân tích trong chương 3 Những yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống truyền thông.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển
Bài viết tổng kết đề tài và đánh giá các kết quả đã đạt được, đồng thời đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm phát triển đề tài trong tương lai.
Phần cuối của đồ án là danh mục các tài liệu tham khảo và phụ lục
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC
2.1.1 Tổng quan về mạng truyền thông hợp tác
Từ "cooperate" được hình thành từ tiền tố "co-" (cùng nhau) và động từ "operate" (hoạt động), mang nghĩa là "làm việc cùng nhau" hay hợp tác Hợp tác là quá trình mà các thực thể làm việc chung để đạt được mục tiêu và lợi ích chung Trong lĩnh vực truyền thông, truyền thông hợp tác (Cooperative Communications) đề cập đến mạng vô tuyến, nơi các thiết bị không dây tương tác để đạt được mục tiêu cụ thể Mỗi thiết bị không dây trong mạng này đóng vai trò là một nút (node), có khả năng giao tiếp và trao đổi thông tin với các thiết bị lân cận mà không cần phải thông qua trạm trung gian.
BS hay các điểm truy cập [9]
Chuyển tiếp Đích Nguồn Đích Đích Nguồn
Hình 2.1: Ứng dụng truyền thông hợp tác trong các mạng: a) mạng di động, b) mạng ad-hoc
Truyền thông hợp tác có khả năng ứng dụng trong nhiều loại mạng khác nhau, bao gồm mạng di động, mạng ad-hoc và mạng nhận thức, như minh họa trong hình 2.1.
2.1.2 Mạng chuyển tiếp hợp tác
Trong truyền thông hợp tác, quá trình truyền thông tin được chia thành hai giai đoạn: giai đoạn phối hợp và giai đoạn chuyển tiếp
Hệ thống chuyển tiếp hợp tác cơ bản bao gồm một nút nguồn, một nút đích và một nút chuyển tiếp Trong giai đoạn phối hợp, nút nguồn sẽ quảng bá tín hiệu đến nút chuyển tiếp và nút đích Tiếp theo, trong giai đoạn chuyển tiếp, nút chuyển tiếp nhận và chuyển tiếp tín hiệu đến nút đích Cuối cùng, nút đích sẽ kết hợp các tín hiệu nhận được bằng các kỹ thuật kết hợp phân tập như kết hợp chọn lọc (SC), kết hợp tỉ lệ cực đại (MRC) và kết hợp đồng độ lợi.
Do tín hiệu được gửi đến nút đích qua hai kênh truyền độc lập, khả năng cả hai kênh cùng rơi vào trạng thái fading sâu là rất thấp Điều này giải thích tại sao hiệu suất của hệ thống truyền thông hợp tác vượt trội hơn so với các hệ thống vô tuyến thông thường.
Khung thời gian thứ nhất Khung thời gian thứ hai
Hình 2.2: Mô hình cơ bản của hệ thống truyền thông hợp tác
2.1.3 Các kỹ thuật xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp
Tại nút chuyển tiếp, hai kỹ thuật phổ biến được sử dụng để xử lý tín hiệu trước khi gửi đến nút đích là kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) cùng với kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF).
Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) cho phép nút chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu từ nút nguồn trong khung thời gian đầu tiên và truyền tín hiệu đã được khuếch đại đến nút đích Trong khung thời gian thứ hai, nút đích D nhận tín hiệu trực tiếp từ nút nguồn S (không khuếch đại) cùng với tín hiệu gián tiếp qua nút chuyển tiếp R (đã được khuếch đại) Quá trình này giúp nút đích thực hiện phân tập để tối ưu hóa chất lượng tín hiệu nhận được.
Hình 2.3: Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF
Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) cho phép nút chuyển tiếp giải điều chế tín hiệu nhận từ nút nguồn trong khung thời gian đầu tiên, sau đó điều chế lại và chuyển tín hiệu đến nút đích trong khung thời gian thứ hai, như được minh họa trong hình 2.4.
Hình 2.4: Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF
So sánh hai kỹ thuật xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp, AF có ưu điểm về sự đơn giản nhưng lại khuếch đại cả tín hiệu và nhiễu, trong khi DF được ưa chuộng hơn trong truyền thông hợp tác nhờ khả năng loại bỏ nhiễu và phục hồi tín hiệu gốc trước khi truyền đi, giúp giảm tỉ lệ lỗi bit (BER) Tuy nhiên, DF cũng có hai hạn chế chính: nếu tín hiệu bị giải mã sai tại nút chuyển tiếp, tín hiệu tại nút đích sẽ bị ảnh hưởng, và thời gian trễ lớn hơn do quá trình giải điều chế và điều chế.
2.1.4 Mạng hai chiều trong truyền thông hợp tác
Mạng hai chiều, hay còn gọi là truyền thông hai chiều, là hình thức truyền tải thông tin cho phép các thiết bị trong mạng thực hiện cả hai chức năng phát và nhận dữ liệu Điều này khác biệt hoàn toàn so với mạng một chiều, nơi thiết bị phát chỉ có khả năng truyền dữ liệu đến thiết bị thu mà không có khả năng nhận dữ liệu trở lại.
Trong truyền thông hợp tác, các thiết bị làm việc cùng nhau để tạo ra kết nối đáng tin cậy cho việc trao đổi dữ liệu Nếu quá trình truyền dữ liệu chỉ diễn ra một chiều từ máy phát đến thiết bị thu qua thiết bị chuyển tiếp, sẽ giảm thiểu nhiễu nhưng đồng thời cũng lãng phí tài nguyên thiết bị và băng thông kênh truyền.
8 thuật triệt nhiễu tiên tiến hiện nay, việc triển khai mạng hai chiều đang ngày càng trở nên thuận tiện hơn
Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều, như thể hiện trong hình 2.5, bao gồm hai thiết bị đầu cuối (Transceivers) và một thiết bị chuyển tiếp (Relay) Quá trình trao đổi dữ liệu diễn ra qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu, hai thiết bị đầu cuối gửi dữ liệu đến thiết bị chuyển tiếp; giai đoạn sau, thiết bị chuyển tiếp truyền lại một phiên bản đã qua xử lý của tín hiệu (AF hoặc DF) đến hai thiết bị đầu cuối.
THU THẬP NĂNG LƯỢNG
Trong mạng truyền thông không dây, tiêu thụ năng lượng là vấn đề quan trọng, đặc biệt trong các mạng IoT với hàng nghìn cảm biến, nơi việc thay pin hoặc bảo trì là bất khả thi và tốn kém Việc sử dụng năng lượng từ các nguồn tự nhiên như gió, mặt trời và nhiệt có thể giúp giải quyết vấn đề này, nhưng tính chất không liên tục của chúng ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ Do đó, thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến (RF) trở thành một giải pháp khả thi để khắc phục những hạn chế của các nguồn năng lượng tự nhiên.
Khác với các nguồn năng lượng tự nhiên như mặt trời, gió hay nước, việc thu thập năng lượng từ sóng RF không bị ảnh hưởng bởi thời tiết hay thời gian trong ngày Trong thời đại truyền thông không dây hiện nay, tín hiệu điện từ hiện diện khắp nơi xung quanh chúng ta do quá trình truyền dữ liệu liên tục Những tín hiệu này không chỉ chứa thông tin quan trọng mà còn mang theo năng lượng có thể được thu thập và sử dụng.
Hình 2.5: Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều
Có 9 mạch RF đơn giản giúp thu thập năng lượng từ bức xạ điện từ trong môi trường, tạo ra đường truyền riêng cho các cảm biến Nhờ vào việc sử dụng năng lượng này, các thiết bị sẽ không bao giờ cạn kiệt năng lượng Tóm lại, việc thu thập năng lượng RF cho các mạng truyền thông không dây là một mô hình mới, cho phép các thiết bị đầu cuối sạc lại pin từ nguồn năng lượng có sẵn xung quanh.
Nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực thu thập năng lượng và xử lý thông tin vô tuyến chủ yếu tập trung vào hệ thống truyền điểm tới điểm Năng lượng hoạt động của các nút chuyển tiếp hoặc cảm biến trong mạng vô tuyến hợp tác thường bị hạn chế, do đó cần có nguồn năng lượng dự trữ bên ngoài để duy trì hoạt động của hệ thống Vì vậy, việc thu thập năng lượng RF từ môi trường là rất cần thiết cho các hệ thống này.
2.2.1 Mô hình thu thập năng lượng
Mô hình truyền và thu thập năng lượng vô tuyến được nghiên cứu trong bài viết này bao gồm một máy phát có nguồn năng lượng ổn định, thực hiện việc truyền năng lượng đồng thời với dữ liệu Các nút trong mạng sử dụng năng lượng thu thập từ máy phát để tiếp nhận và truyền dữ liệu về máy phát đó.
Trong mô hình trên máy phát năng lượng đồng thời là nút chuyển tiếp dữ liệu
R Các máy thu phát 𝑆 1 , 𝑆 2 được trang bị một anten duy nhất hoạt động ở chế độ bán song công, là nút có hạn chế về năng lượng
Hình 2.6: Mô hình mạng truyền thông hợp tác truyền năng lượng và dữ liệu
Truyền năng lượng Truyền dữ liệu
Trong báo cáo này, mạch giải mã và chuyển tiếp được lựa chọn sử dụng tại nút chuyển tiếp R
Khi công suất xử lý dữ liệu tại nút chuyển tiếp không đáng kể so với công suất truyền dữ liệu, điều này có thể xảy ra khi khoảng cách truyền lớn, khiến năng lượng tiêu thụ chủ yếu đến từ việc truyền tin.
Hệ số kênh truyền ℎ và độ lợi kênh truyền 𝑔 = |ℎ| 2 được coi là thông số gần như tĩnh và không phụ thuộc vào tần số Các kênh truyền này độc lập, không thay đổi trong khoảng thời gian T và tuân theo phân phối Nakagami-m.
2.2.2 Các giao thức thu thập năng lượng trong truyền thông hợp tác a) Giao thức phân chia theo thời gian
Quá trình thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (Time Switching) là một phương pháp xử lý tín hiệu tuần tự tại các nút thu phát thông tin 𝑆 1 và 𝑆 2 Trong mô hình mạng được minh họa, các nút 𝑆 1 và 𝑆 2 có cấu trúc tương tự nhau, do đó có thể gọi chung là nút 𝑆.
Giao thức thu thập thông tin và truyền dữ liệu tại nút thu phát S được mô tả qua chu kỳ T, trong đó 𝛼 là hệ số phân chia thời gian thu thập năng lượng từ nút phát R (0 ≤ 𝛼 ≤ 1) Phần thời gian thu thập năng lượng là 𝛼T, trong khi (1 − 𝛼)T là thời gian dành cho truyền thông tin Một nửa thời gian truyền thông (1 − 𝛼)T/2 được sử dụng để phát thông tin từ nút nguồn S đến nút chuyển tiếp R, và nửa còn lại để nhận thông tin từ R Tất cả năng lượng thu được trong giai đoạn thu năng lượng được sử dụng để truyền dữ liệu tại nút S.
Khe thời gian #1 Khe thời gian #2 Khe thời gian #3
Hình 2.7: Mô hình mạng hai chiều thu thập năng lượng tại nút nguồn S.
Hình 2.8: Giao thức thu thập năng lượng phân chia theo thời gian.
Sơ đồ khối cho bộ xử lý tại nút thu phát S trong giao thức TS được trình bày ở hình 2.9 Nút S bắt đầu bằng cách nhận tín hiệu năng lượng 𝑒 và gửi đến bộ thu thập năng lượng trong khoảng thời gian 𝛼𝑇 Sau đó, nút chuyển sang bộ thu phát thông tin trong khoảng thời gian (1 − 𝛼)𝑇, sử dụng một nửa thời gian (1 − 𝛼)𝑇/2 để phát tín hiệu thông tin 𝑥 𝑆 (𝑡) cho nút chuyển tiếp R, và nửa thời gian còn lại để nhận dữ liệu 𝑥 𝑅 (𝑡) đã được xử lý tại nút R Tín hiệu nhận được 𝑦 𝑆 (𝑡) bị ảnh hưởng bởi tạp âm tại nút thu phát S, ký hiệu là 𝑛 𝑎 (𝑡).
Hình 2.9: Sơ đồ khối của bộ xử lý tại nút nguồn thông tin trong giao thức TS
Tại khe thời gian thứ nhất (𝛼𝑇), tín hiệu nhận được tại nút S [10] là:
1 S R 1 a y t = P h e + n t (2.1) với ℎ 1 là hệ số kênh truyền chặng 1 từ R → S; 𝑒 là tín hiệu năng lượng từ nguồn năng lượng R, có công suất phát 𝑃 𝑅 và công suất trung bình chuẩn hóa 𝐸{|𝑒| 2 } = 1;
𝑛 𝑎 (𝑡) là tạp âm tại nút thu phát Năng lượng mà nút nguồn thông tin S thu thập được trong khoảng thời gian 𝛼𝑇 được xác định như sau [10]:
𝐸𝐻 𝑆 = 𝜂𝑃 𝑅 |ℎ 1 | 2 𝛼𝑇 (2.2) với 0 < 𝜂 < 1 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng phụ thuộc vào quá trình chỉnh lưu và mạch thu năng lượng
Từ công thức (1.2), công suất phát tín hiệu của nút nguồn thông tin S trong khe thời gian thứ 2 được tính như sau:
(1 − 𝛼) (2.3) b) Giao thức phân chia theo công suất
Quá trình thu thập năng lượng dạng phân chia theo công suất (Power Splitting – PS) diễn ra tại nút nguồn thông tin S, nơi năng lượng thu thập được chia thành hai phần: phần năng lượng 𝜌𝑃 được sử dụng để thu thập năng lượng, trong khi phần năng lượng còn lại (1 − 𝜌)𝑃 được dùng để phát dữ liệu.
Chu kỳ thời gian truyền năng lượng và thông tin được ký hiệu là 𝑇, trong đó 𝑇/3 đại diện cho khoảng thời gian của một khe thời gian Hình 2.10 minh họa giao thức thu thập năng lượng phân chia theo công suất tại nút nguồn S.
Khe thời gian #2 Khe thời gian #3
Hình 2.10: Giao thức thu thập năng lượng phân chia theo công suất
Sơ đồ khối cho bộ xử lý tại nút thu phát S trong giao thức PS được mô tả trong hình 2.11 Tín hiệu nhận được tại nút S được ký hiệu là 𝑦 𝑆 (𝑡) Bộ chia công suất phân chia tín hiệu này theo tỷ lệ ρ: (1 − ρ), cho phép một phần tín hiệu được sử dụng hiệu quả.
√𝜌𝑦 𝑆 (𝑡), được gửi đến bộ thu năng lượng và phần tín hiệu còn lại, √1 − 𝜌𝑦 𝑆 (𝑡) điều khiển bộ thu phát thông tin
Hình 2.11: Sơ đồ khối của bộ xử lý tại nút thu phát S theo giao thức PS
Tại khe thời gian thứ nhất, nút nguồn năng lượng R phát tín hiệu năng lượng 𝑒 đến nút thu phát S, nơi tín hiệu được nhận và xử lý.
Theo nguyên lý thu thập năng lượng với giao thức phân chia công suất, chỉ một phần tín hiệu √𝜌𝑦 1𝑆 (𝑡) được chuyển đến bộ thu năng lượng Năng lượng thu thập được tại khe thời gian thứ nhất được tính theo công thức: 𝑦 1𝑆 (𝑡) = √𝑃 𝑅 ℎ 1 𝑒 + 𝑛 𝑎 (𝑡).
PHƯƠNG PHÁP TRIỆT CAN NHIỄU LIÊN TIẾP (SIC)
Hiện nay, khi các hệ thống truyền thông không dây đối mặt với sự hạn chế do nhiễu, kỹ thuật giảm thiểu nhiễu ngày càng trở nên quan trọng Một trong những phương pháp phổ biến là triệt can nhiễu liên tiếp (Successive Interference Cancellation - SIC), trong đó tín hiệu của các người dùng được giải mã tuần tự SIC ưu tiên giải mã tín hiệu từ người dùng gần trạm gốc nhất với tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao, sau đó loại bỏ tín hiệu đã giải mã để tiếp tục giải mã cho các người dùng xa hơn Tuy nhiên, hiệu quả của SIC phụ thuộc vào thứ tự tín hiệu nhận được từ các máy phát khác nhau, và trong trường hợp có nhiều máy phát cùng khoảng cách đến máy thu, có thể không có máy phát nào được giải mã thành công.
Báo cáo này trình bày việc áp dụng kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp (SIC) tại nút chuyển tiếp, nhằm giải mã các tín hiệu nhận được trước khi mã hóa lại và chuyển tiếp đến nút đích.
KÊNH TRUYỀN NAKAGAMI-M FADING
Phân phối Nakagami-𝑚 là một trong những phân phối phổ biến trong việc mô hình hóa các kênh truyền vô tuyến fading vật lý Thông qua tham số 𝑚, phân phối này có khả năng mô phỏng các điều kiện fading tín hiệu từ mức độ nghiêm trọng đến mức độ trung bình Đặc biệt, một tín hiệu có biên độ phân bố theo phân phối Nakagami-𝑚 được tạo thành từ tổng của nhiều tín hiệu phân phối Rayleigh độc lập và đồng nhất.
Hình 2.12 trình bày mô hình hệ thống truyền thông trực tiếp giữa nguồn phát
Trong mô hình mạng, mỗi nút S và D được giả định có một ăng-ten duy nhất với công suất phát P Nút D phải đối mặt với nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) có trung bình bằng 0 và phương sai N0.
Trong hình 2.12, các tham số (ℎ, 𝑚, 𝑑) đại diện cho hệ số kênh fading Nakamami-𝑚, kênh truyền Nakagami-𝑚 (với 𝑚 ≥ 0,5) và khoảng cách giữa nguồn S và đích D Nguồn S phát tín hiệu 𝑥 𝑆 tới D, với giá trị kỳ vọng tín hiệu là 𝐸{|𝑥 𝑆 | 2 } = 1 Tín hiệu mà D nhận được được biểu diễn dưới dạng.
𝑦 𝑆𝐷 = √𝑃ℎ𝑥 𝑆 + 𝑛 𝐷 (2.9) với 𝑛 𝐷 là nhiễu Gauss trắng cộng tại nút D
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tại nút đích D có công thức:
Hàm mật độ xác suất (Probability Density Function – PDF) và hàm phân phối xác suất tích lũy (Cumulative Distribution Function – CDF) của 𝛾 𝐷 được xác định như sau:
𝛤(𝑚) , 𝑥 ≥ 0 (2.12) với 𝛾 = 𝑑 −𝑃𝐿 /𝑁 0 là SNR trung bình, PL (path-loss) là hệ số suy hao kênh truyền, 𝜆 = 𝑚
Hình 2.12: Mô hình kênh truyền giữa máy phát và máy thu hệ thống truyền thông hợp tác
Hàm 𝛤(𝑚) trong công thức (2.11) và (2.12) được định nghĩa:
(2.13) Hàm Gamma không hoàn chỉnh:
Nếu m là một số nguyên dương: 𝛤(𝑚) = (𝑚 − 1)!
Khi m = 1, kênh truyền Nakagami sẽ trở thành kênh Rayleigh:
Tốc độ dữ liệu đạt được giữa S và D được cho bởi công thức:
Xác suất dừng là khả năng máy thu không giải mã thành công tín hiệu do tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) thấp hơn ngưỡng xác định (𝛾 𝑡) Khi SNR vượt qua ngưỡng này, tín hiệu có thể được giải mã thành công.
Xác suất dừng tại nút D được xác định như sau:
MÔ HÌNH HỆ THỐNG
MÔ HÌNH HỆ THÔNG
Trong báo cáo này, nhóm chúng tôi nghiên cứu mô hình truyền tin và thu thập năng lượng, trong đó máy phát năng lượng đồng thời đóng vai trò là thiết bị chuyển tiếp hai chiều R Hai thiết bị nguồn S1 và S2 hoạt động như các nút nguồn thu năng lượng Chúng tôi giả định rằng các nút nguồn S1 và S2 không đủ năng lượng để thực hiện quá trình thu phát tín hiệu, do đó, mỗi nút cần thu thập năng lượng RF từ máy phát sóng vô tuyến R có nguồn năng lượng ổn định Năng lượng thu được sẽ được sử dụng để phát các gói tin đến nút chuyển tiếp R.
Khe thời gian thứ nhất Khe thời gian thứ hai Khe thời gian thứ ba
Hình 3.1: Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng
Trong nghiên cứu này, giả định rằng mỗi nút được trang bị ăng-ten bán song công và chịu nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) với trung bình bằng 0 và phương sai 𝑁0 Tất cả các kênh truyền độc lập với hệ số kênh truyền và khoảng cách (ℎ𝑗𝑖, 𝑑𝑖) phân bố theo phân phối Nakagami-m, trong đó 𝑖 ∈ {1,2} là chỉ số nút nguồn và 𝑗 ∈ {1,2,3} là chỉ số khe thời gian Hệ số kênh truyền được mô hình hóa bằng ℎ = √𝐺ℎℎ̃, với ℎ̃ ∈ {ℎ11, ℎ12, ℎ21, ℎ22, ℎ31, ℎ32} và 𝐺ℎ ≜ 𝜎𝐴(𝑑𝑖).
𝑑 0 ) −𝑃𝐿 , trong đó 𝑑 𝑖 là khoảng cách từ R đến 𝑆 𝑖 , 𝑃𝐿 là hệ số suy hao đường truyền, 𝑑 0 là khoảng
18 cách tham chiếu và 𝜎 𝐴 là công suất suy hao tại 𝑑 0 Độ lợi kênh 𝑔 𝑗𝑖 = |ℎ 𝑗𝑖 | 2 là các biến ngẫu nhiên có phân phối mũ, với tham số 𝜆 𝑖 = 𝑑 𝑖 𝑃𝐿
Hệ thống hoạt động trong ba khe thời gian, mỗi khe có khoảng thời gian T Trong khe thời gian đầu tiên, nút chuyển tiếp cung cấp một gói năng lượng đến tất cả các nút nguồn Ở khe thứ hai, sau khi nhận năng lượng từ nút chuyển tiếp R, S1 gửi gói thông tin 𝑥1 đến R, trong khi S2 cũng gửi gói thông tin 𝑥2 đến R Cuối cùng, trong khe thời gian thứ ba, nút chuyển tiếp R phát gói tin đã được mã hóa bằng kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp (SIC) dựa trên mã hóa mạng kỹ thuật số với toán tử XOR (𝑥𝑅 = 𝑥1 ⊕ 𝑥2) đến các nút nguồn S1 và S2.
Hiệu năng của hệ thống sẽ được đánh giá thông qua mô phỏng xác suất dừng (outage probability – OP) tại các nút nguồn S1 và S2.
THU THẬP NĂNG LƯỢNG DẠNG PHÂN CHIA CÔNG SUẤT
Trong khe thời gian đầu tiên với khoảng thời gian T, nút chuyển tiếp R phát tín hiệu năng lượng 𝑒 đến các nút nguồn S1 và S2 với công suất phát P, trong đó giá trị kỳ vọng của năng lượng tín hiệu là 𝐸{|𝑒| 2 } = 1 Tín hiệu mang năng lượng nhận được tại các nút nguồn S i trong khe thời gian thứ nhất được xác định như sau:
(𝑃𝑆) = √𝑃ℎ 1𝑖 𝑒 + 𝑛 𝑖 , 𝑖 ∈ {1,2} (3.1) Trong đó, ℎ 1𝑖 là hệ số kênh truyền khe thời gian thứ nhất từ R đến 𝑆 𝑖 , 𝑛 𝑖 là nhiễu AWGN tại ăng-ten nhận của nút nguồn 𝑆 𝑖 với phương sai là N 0
Trong giao thức PS, năng lượng thu thập được được chia làm hai phần: phần năng lượng
Trong hệ thống nghiên cứu, tín hiệu năng lượng 𝑒 được gửi từ nút R đến nút nguồn 𝑆𝑖 là tín hiệu giả, chỉ mang năng lượng mà không chia sẻ cho bộ truyền thông tin Phần năng lượng thu được được xác định bởi hệ số phân chia công suất 𝜌 (0 < 𝜌 ≤ 1), trong đó toàn bộ tín hiệu ở khe thời gian thứ nhất 𝑦 1𝑆 𝑃𝑆𝑖 được chuyển đến bộ thu năng lượng khi 𝜌 = 1.
Do đó, ta suy ra năng lượng thu được tại nút nguồn 𝑆 𝑖 trong thời gian T (thời gian của một khe thời gian) là:
(𝑃𝑆) = ƞ 𝑖 𝑃|ℎ 1𝑖 | 2 𝑇 = 𝜂𝑃|ℎ 1𝑖 | 2 𝑇 (3.2) Với ƞ 𝑖 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng tại nút 𝑆 𝑖 , 0 < ƞ 𝑖 ≤ 1 Do các nút nguồn có cấu tạo giống nhau nên ƞ 𝑖 là hằng số: ƞ 1 = ƞ 2 = 𝜂
Tại khe thời gian thứ hai, các nút nguồn 𝑆 𝑖 sử dụng năng lượng thu thập từ (3.2) để phát tín hiệu 𝑥 𝑖 đến nút chuyển tiếp R Công suất phát của 𝑆 𝑖 trong khoảng thời gian này được xác định rõ ràng.
T được cho bởi công thức:
𝑇 = 𝜂 𝑃 |ℎ 𝑖1 | 2 , 𝑖 ∈ {1,2} (3.3) Tín hiệu nhận được từ các nút nguồn S1 và S2 tại nút chuyển tiếp R được mô tả như sau:
Tại nút chuyển tiếp R, tín hiệu được xử lý bằng phương pháp SIC Nếu khoảng cách từ R đến nút nguồn S1 ngắn hơn, tức là d1 ≤ d2, nút R sẽ tiến hành giải mã tín hiệu x1 trước, coi tín hiệu x2 là nhiễu.
Do đó, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tại nút chuyển tiếp R để giải mã tín hiệu 𝑥 1 là:
Tốc độ đạt được tại nút chuyển tiếp R để giải mã tín hiệu thông tin 𝑥 1 của nút nguồn
Trong đó, hệ số 1/3 đại biểu cho một trên ba khe thời gian của hệ thống
Sau khi tín hiệu 𝑥 1 đã được giải mã và loại bỏ bởi SIC tại nút R, tín hiệu thu được tại nút R lúc này là:
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tại nút R để giải mã tín hiệu thông tin 𝑥 2 được xác định như sau:
Trong đó 𝛾 được định nghĩa là SNR truyền,
= N Như vậy, tốc độ đạt được tại R để giải mã tín hiệu 𝑥 2 của nút nguồn 𝑆 2 bằng:
Sau khi giải mã thành công các giá trị 𝑥 1 và 𝑥 2, nút chuyển tiếp R sẽ tiến hành mã hóa gói tin bằng phương pháp mã hóa mạng kỹ thuật số Gói tin tại nút R sau khi được mã hóa sẽ đảm bảo tính bảo mật và toàn vẹn thông tin.
Trong khe thời gian cuối cùng, nút chuyển tiếp R truyền gói tin 𝑥 𝑅 tới các nút nguồn 𝑆 1 và
𝑆 2 Tín hiệu thu được tại 𝑆 𝑖 có dạng:
(𝑃𝑆) = √𝑃 ℎ 3𝑖 𝑥 𝑅 + 𝑛 𝑖 , 𝑖 ∈ {1,2} (3.11) Khi đó, tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại nút nguồn 𝑆 𝑖 là:
Tốc độ đạt được tại 𝑆 𝑖 để giải mã 𝑥 𝑅 :
𝑆 1 và 𝑆 2 nhận được 𝑥 𝑅 sẽ thực hiện so sánh 𝑥 𝑅 với tín hiệu của chính nó để tìm ra được tín hiệu mong muốn:
THU THẬP NĂNG LƯỢNG DẠNG PHÂN CHIA KHE THỜI GIAN
Trong giao thức TS, toàn bộ quá trình hoạt động của hệ thống diễn ra trong thời gian
T, trong đó, phần thời gian 𝛼𝑇 được sử dụng để thu thập năng lượng, phần thời gian còn lại
Tín hiệu truyền dữ liệu được xác định bởi công thức (1 − 𝛼)𝑇, trong đó một nửa thời gian ((1 − 𝛼)𝑇/2) được sử dụng để truyền thông tin từ nút nguồn 𝑆 𝑖 đến nút R, và nửa còn lại để truyền ngược lại từ R đến 𝑆 𝑖 Trong khe thời gian đầu tiên với khoảng thời gian 𝛼𝑇, tín hiệu mang năng lượng nhận được tại nút nguồn 𝑆 𝑖 sẽ được phân tích và đánh giá.
𝑦 1𝑆 (𝑇𝑆) 𝑖 = √𝑃ℎ 1𝑖 𝑒 + 𝑛 𝑖 , 𝑖 ∈ {1,2} (3.16) Năng lượng thu được tại nút nguồn 𝑆 𝑖 trong thời gian 𝛼𝑇 là:
Tại khe thời gian thứ 2, các nút nguồn 𝑆 𝑖 phát tín hiệu 𝑥 𝑖 đến nút chuyển tiếp R, sử dụng năng lượng thu thập được theo công thức (3.17) trong khoảng thời gian (1 − 𝛼)𝑇/2 Công suất phát tại 𝑆 𝑖 được xác định thông qua một công thức cụ thể.
(1 − 𝛼) , 𝑖 ∈ {1,2} (3.18) Tín hiệu nhận được từ các nút nguồn S1 và S2 tại nút chuyển tiếp R được mô tả như sau:
Tại nút chuyển tiếp R, tín hiệu được xử lý bằng phương pháp SIC Nếu khoảng cách từ R đến nút nguồn 𝑆 1 ngắn hơn, tức là 𝑑 1 ≤ 𝑑 2, nút R sẽ giải mã tín hiệu 𝑥 1 trước, coi tín hiệu 𝑥 2 là can nhiễu.
Do đó, tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tại nút chuyển tiếp R để giải mã tín hiệu 𝑥 1 là:
Tốc độ đạt được tại nút chuyển tiếp R để giải mã tín hiệu thông tin 𝑥 1 của nút nguồn
2 𝑙𝑜𝑔 2 (1 + 𝑆𝑁𝑅 𝑆 (𝑇𝑆) 1 𝑅 ) (3.21) Sau khi tín hiệu 𝑥 1 đã được giải mã và loại bỏ bởi SIC tại nút R, tín hiệu thu được tại nút R lúc này là:
Tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu tại nút R để giải mã tín hiệu thông tin 𝑥 2 được xác định bởi:
Tốc độ đạt được tại R để giải mã tín hiệu 𝑥 2 của nút nguồn 𝑆 2 bằng:
Trong khe thời gian cuối cùng, nút chuyển tiếp R truyền gói tin 𝑥 𝑅 tới các nút nguồn
𝑆 1 và 𝑆 2 Tín hiệu thu được tại 𝑆 𝑖 có dạng:
(𝑇𝑆) = √𝑃 ℎ 3𝑖 𝑥 𝑅 + 𝑛 𝑖 , 𝑖 ∈ {1,2} (3.25) Khi đó, tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại nút nguồn 𝑆 𝑖 là:
Tốc độ đạt được tại 𝑆 𝑖 để giải mã 𝑥 𝑅 :
𝑆 1 và 𝑆 2 nhận được 𝑥 𝑅 sẽ thực hiện phép XOR tương tự giao thức PS.
XÁC SUẤT DỪNG
3.4.1 Xác xuất dừng tại nút nguồn 𝑺 𝟏
Xác suất dừng OP của nút nguồn 𝑆 1 là khả năng mà nút nguồn này không nhận tín hiệu 𝑥 2 từ nút nguồn 𝑆 2 Tình huống này có thể xảy ra trong ba trường hợp: Thứ nhất, nút chuyển tiếp R không nhận được tín hiệu từ nút nguồn 𝑆 1 Thứ hai, nút chuyển tiếp R nhận được tín hiệu từ nút nguồn 𝑆 1 nhưng lại không nhận tín hiệu từ nút nguồn 𝑆 2 Thứ ba, nút chuyển tiếp R không nhận được tín hiệu từ cả hai nút nguồn.
23 chuyển tiếp R nhận được tín hiệu từ cả 𝑆 1 và 𝑆 2 nhưng lúc truyền lại cho nút nguồn
𝑆 1 thì thất bại Như vậy, xác suất dừng tại nút nguồn 𝑆 1 được tính toán như sau:
Từ công thức (3.28) viết gọn lại thành:
3.4.2 Xác suất dừng tại nút nguồn 𝑺 𝟐
Xác suất dừng OP tại nút nguồn 𝑆 2 là khả năng mà nút nguồn này không nhận tín hiệu 𝑥 1 từ nút nguồn 𝑆 1 Điều này bao gồm hai trường hợp: thứ nhất, nút R không nhận tín hiệu từ 𝑆 1; thứ hai, nút R nhận được tín hiệu từ 𝑆 1 nhưng không thể truyền tới nút nguồn 𝑆 2 Do đó, xác suất dừng tại nút nguồn 𝑆 2 được tính toán dựa trên các yếu tố này.
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
CÁC THÔNG SỐ MÔ PHỎNG
Trong chương này, chúng tôi trình bày kết quả mô phỏng xác suất dừng cho cả hai người dùng, được thực hiện thông qua phương pháp mô phỏng Monte Carlo, nhằm đánh giá hiệu quả của hệ thống được phân tích trong chương 3.
Trong kết quả mô phỏng này, chúng tôi giả sử rằng khoảng cách từ nút chuyển tiếp
Khoảng cách từ nút chuyển tiếp R đến nút nguồn S1 là 2 mét, trong khi khoảng cách đến nút nguồn S2 là 5 mét Hệ số suy hao đường truyền được cố định với giá trị PL = 2, và tốc độ dữ liệu là Rt.
= 0,5 (bit/s/Hz) Hiệu suất chuyển đổi năng lượng là 0.9 Công suất phát tại nút chuyển tiếp
R có giá trị từ -20 đến 40 (dBm) Công suất nhiễu tại hai nút S1 và S2 đều bằng -110 (dBm)
Hệ số kênh truyền Nakagami-m được xác định là 2 Bên cạnh các thông số đã đề cập, còn có sự khác biệt nhỏ giữa hai phương pháp phân chia công suất và phân chia theo khe thời gian, đó là thông số α Đối với phương pháp phân chia theo thời gian, hệ số α được sử dụng là 0.4.
LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT
4.2.1 Lưu đồ giải thuật tổng quát cho hai phương pháp thu thập năng lượng
Hình 4.1 minh họa lưu đồ chương trình chính để mô phỏng xác suất dừng tại hai nút S1 và S2 Chương trình này sử dụng hai chương trình con: OP_S1 để thực hiện mô phỏng xác suất dừng tại nút S1 và OP_S2 cho nút S2.
Hình 4.1: Lưu đồ chương trình chính
4.2.2 Lưu đồ giải thuật chương trình mô phỏng xác suất dừng tại nút S1
Hình 4.2 trình bày lưu đồ mô phỏng xác suất dừng tại nút S1 bằng phương pháp Monte Carlo Chúng tôi đã tạo một mảng chứa các phần tử lỗi tại S1, được gọi là CDF_SM1, với số lượng phần tử tương ứng với thông số cần xét, cụ thể là mảng công suất phát tại nút R Ngoài ra, chúng tôi thiết lập biến đếm kk bằng 1 để đại diện cho số phần tử trong mảng lỗi và biến bit_num bằng 1 để chỉ số lần thử, phục vụ cho phương pháp Monte Carlo.
Phương pháp Monte Carlo được sử dụng để xác định số lỗi cho từng phần tử trong mảng lỗi bằng cách thực hiện nhiều lần thử nghiệm, với số mẫu thử được đặt trước là 10,000 Đầu tiên, chúng ta xem xét trường hợp khi biến kk nhỏ hơn hoặc bằng số phần tử trong mảng lỗi CDF_SM1.
Nếu biến bit_num nhỏ hơn hoặc bằng số mẫu thử, tiến hành tính toán các thông số cần thiết để mô phỏng hệ thống theo công thức (3.28).
Hình 4.2: Lưu đồ chương trình mô phỏng xác suất dừng tại S1
Nếu biến bit_num lớn hơn số mẫu thử, điều đó có nghĩa là lỗi đầu tiên đã được phát hiện trong tổng số mẫu Quá trình này sẽ tiếp tục để xác định tất cả các lỗi trong các mẫu thử còn lại Khi biến đếm kk vượt quá số lượng phần tử trong mảng lỗi, tức là tất cả các lỗi trong mảng đã được tìm ra.
Chúng tôi tiếp tục tính toán OP cho nút S1 bằng công thức (3.28), trong đó OP_S1 được xác định là tỷ lệ số lỗi trên số mẫu thử Sau khi tính toán, chúng tôi tiến hành vẽ đồ thị và hoàn tất chương trình Cuối cùng, lưu đồ giải thuật của chương trình mô phỏng tại nút S2 được trình bày.
4.2.3 Lưu đồ giải thuật chương trình mô phỏng xác suất dừng tại nút S2
Tương tự như lưu đồ giải thuật tại nút S1, chúng tôi thiết lập các biến đếm kk và bit_num với giá trị khởi tạo là 1, có chức năng tương ứng là đếm số phần tử mảng lỗi và số lần thử Tuy nhiên, tại nút S2, có một sự khác biệt nhỏ trong công thức tính toán các thông số cần thiết cho mô phỏng, đó là công thức (3.30) Sau khi thay đổi công thức và thực hiện các bước như lưu đồ trước đó, chúng tôi có thể dễ dàng vẽ lưu đồ như hình 4.3 bên dưới.
Hình 4.3: Lưu đồ chương trình mô phỏng xác suất dừng tại nút S2
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.3.1 Xác suất dừng trong thu thập năng lượng phân chia theo thời gian Ở hình 4.4 chúng tôi mô phỏng về xác suất dừng tại hai nút S1 và S2 bằng biện pháp thu thập năng lượng phân chia theo thời gian Ta có thể quan sát và thấy rằng giá trị của OP tại nút S1 sẽ giảm dần khi công suất phát tại nút chuyển tiếp R tăng lên Điều này cũng có nghĩa là R có khả năng giải mã thành công cao tín hiệu được chuyển từ nút S2 sang nút S1 Tiếp theo ta quan sát vào xác suất dừng tại nút S2, ta có thể thấy rằng tại nút S2 thì giá trị của OP cũng sẽ giảm dần đi và OP tại S2 luôn luôn nhỏ hơn so với OP tại S1 Điều này đồng nghĩa với việc là R sẽ được tín hiệu từ S1 chuyển sang S2 cao hơn so với từ S2 chuyển sang S1
Hình 4.4: Mô phỏng xác suất dừng tại hai nút S1 và S2 theo giao thức TS
4.3.2 Xác suất dừng trong thu thập năng lượng phân chia theo công suất
Kết quả mô phỏng trong hình 4.5 cho thấy hai phương pháp thu thập năng lượng đều mang lại kết quả tương đồng Điều này cho thấy nút R có khả năng giải mã thành công cao hơn khi công suất phát tại R được tăng lên Ngoài ra, khả năng giải mã tín hiệu từ S1 đến S2 cũng cao hơn so với tín hiệu từ S2 đến S1.
Hình 4.5: Mô phỏng xác suất dừng tại hai nút S1 và S2 theo giao thức PS
