Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống thông tin chuyển tiếp sử dụng đa truy nhập không trực giao thu thập năng lượng vô tuyến tại nút chuyển tiếp

Chia sẻ: Gaocaolon6 Gaocaolon6 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:140

Thêm vào BST

Báo xấu

56
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kết cấu của luận án bao gồm 3 chương với các nội dung: tổng quan thu thập năng lượng vô tuyến và đa truy nhập không trực giao; phân tích hiệu năng hệ thống chuyển tiếp đường xuống không trực giao ứng dụng lựa chọn chuyển tiếp đơn phần và thu thập năng lượng vô tuyến; đề xuất hệ thống chuyển tiếp đường xuống song công không trực giao có ứng dụng thu thập năng lượng vô tuyến.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu hệ thống thông tin chuyển tiếp sử dụng đa truy nhập không trực giao thu thập năng lượng vô tuyến tại nút chuyển tiếp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN MẠNH HOÀNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TẠI NÚT CHUYỂN TIẾP LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ TRẦN MẠNH HOÀNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN CHUYỂN TIẾP SỬ DUNG ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TẠI NÚT CHUYỂN TIẾP Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9.52.02.03 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN TRUNG TẤN TS. LÊ THẾ DŨNG HÀ NỘI - 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự định hướng của các giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 06 tháng 12 năm 2019 Tác giả Trần Mạnh Hoàng
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Trước hết NCS xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Thế Dũng, TS Nguyễn Trung Tấn đã tạo điều kiện giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh cảm ơn sự đóng góp ý kiến của PGS.TS Trần Xuân Nam, TS Phạm Thanh Hiệp để các công trình nghiên cứu của NCS đảm bảo chất lượng và hàm lượng khoa học. Cảm ơn PGS.TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo đã tạo tiền đề và rèn luyện cho NCS tính kiên trì, nghiêm túc, trong tiếp cận các vấn đề khoa học và GS. Seong-Gon- Choi đã tài trợ một phần kinh phí cho nghiên cứu này. Nghiên cứu sinh cũng chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong Ban chủ nhiệm Khoa Vô tuyến điện tử, Tập thể Bộ môn Thông tin, các đồng nghiệp nghiên cứu sinh đã giúp đỡ, chia sẽ tạo điều kiện để NCS có thể hoàn thành công tác nghiên cứu của mình. Tác giả cũng xin cảm ơn thủ trưởng Bộ Tư lệnh Thông Tin Liên Lạc và Trường Sĩ Quan Thông Tin là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho tác giả tham gia nghiên cứu và học tập trong thời gian làm nghiên cứu sinh. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng chí, đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ, giúp đỡ tác giả vượt qua khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay.
MỤC LỤC MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. TỔNG QUAN THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN VÀ ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1. Khái niệm và ứng dụng thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.1. Khái niệm thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.1.2. Ứng dụng năng lượng thu thập từ RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 1.2. Cấu trúc, sơ đồ khối của mạng thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . 19 1.2.1. Cấu trúc mạng thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.2. Sơ đồ khối máy thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.3. Các nguồn phát năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 1.2.4. Kỹ thuật thu thập năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.3. Những ảnh hưởng trong thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1.4. Các mô hình truyền lan năng lượng sóng vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.5. Hệ thống đa truy nhập không trực giao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.5.1. Khái niệm và phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 1.5.2. Kỹ thuật SIC tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 1.5.3. Ứng dụng kỹ thuật NOMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 i
ii 1.5.4. Ưu điểm của kỹ thuật NOMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.6. Các tham số đánh giá phẩm chất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.6.1. Xác suất dừng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.6.2. Dung lượng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 1.6.3. Xác suất lỗi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 1.7. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Chương 2. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP ĐƯỜNG XUỐNG KHÔNG TRỰC GIAO ỨNG DỤNG LỰA CHỌN CHUYỂN TIẾP ĐƠN PHẦN VÀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.1. Động lực nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3. Phân tích phẩm chất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.3.1. Xác suất giải mã không thành công x1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.2. Xác suất giải mã không thành công x2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.3.3. SIC không hoàn hảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.3.4. Xác suất lỗi symbol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.3.5. Dung lượng trung bình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 2.4. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.5. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Chương 3. ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP ĐƯỜNG XUỐNG SONG CÔNG KHÔNG TRỰC GIAO CÓ ỨNG DỤNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.1. Mô hình hệ thống hai người dùng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 3.1.1. Động lực nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
iii 3.1.2. Cấu hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.1.3. Mô hình kênh và tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.1.4. Phân tích phẩm chất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.1.5. Kết quả số và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.2. Mô hình hệ thống tổng quát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2.1. Cấu hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 3.2.2. Mô hình kênh và tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 3.2.3. Xác suất dừng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 3.2.4. Kết quả số và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 3.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . . . 115
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt AC Alternating Current Dòng diện xoay chiều AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp AWGN Additive White Gaussian Tạp âm trắng cộng tính Noise chuẩn BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DC Direct Current Dòng điện một chiều DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp EE Energy Efficiency Hiệu suất năng lượng EH Energy Harvesting Thu thập năng lượng FCC Federal Communications Ủy ban truyền thông liên Commission bang FD Full-Duplex Song công GSM Global System for Hệ thống thông tin Mobile Communications di động toàn cầu HD Half-Duplex Đơn công HSU Harvesting-Storage-Use Thu thập-lưu trữ-sử dụng HU Harvesting-Use Thu thập - sử dụng HUS Harvesting-Use-Storage Thu thập-sử dụng -lưu trữ iv
v ID Information-Decode Giải mã thông tin IoT Internet of Thing Internet vạn vật IP Interference Probability Xác suất can nhiễu MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường MIMO Multiple Input and Multi- Đa đầu vào và đa đầu ra ple Output [1] QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu Modulation phương MRC Maximal Ratio Combining Kỹ thuật kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất NOMA Non-Orthogonal Multiple Đa truy nhập không trực Acces giao OP Outage Probability Xác suất dừng OFDMA Orthogonal Frequency- Đa truy nhập phân chia Division Multiple Access theo tần số trực giao PDMA Pattern Division Multiple Đa truy nhập phân chia Access theo mẫu PS Power Splitting Phân chia công suất PU Primary User Người dùng sơ cấp QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RF Radio Frequency Tần số vô tuyến ROC Receiver Operating Charac- Hàm đặc tính công tác máy teristic thu SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn SDF Selection Decode and For- Kỹ thuật giải mã và chuyển ward tiếp có lựa chọn SDMA Spatial Division Multiple Đa truy nhập phân chia Access theo không gian
vi SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm SE Spectrum-Efficiency Hiệu suất phổ tần SIC Successive Interference Khử nhiễu nối tiếp Cancellation SISO Single Input-Single Output Đơn đầu vào đơn đầu ra SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm SU Secondary User Người dùng thứ cấp SWIPT Simultaneous Wireless In- Biến đổi đồng thời thông tin formation and Power Trans- và năng lượng vô tuyến fer TS Time Switching Chuyển mạch thời gian
DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Cấu trúc mạng thu thập năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2 Sơ đồ khối thu thập năng lượng vô tuyến. . . . . . . . . . . . . . 20 1.3 Tỉ lệ khoảng thời gian thu thập năng lượng và xử lý tín hiệu . . 24 1.4 Phân chia công suất tại máy thu không có CSI tại máy phát. . . 25 1.5 So sánh SEP hệ thống MIMO chuyển tiếp EH và không EH. . . . 27 1.6 Các phương thức NOMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.7 NOMA đường xuống hai người dùng. . . . . . . . . . . . . . . . 31 1.8 NOMA đường lên hai người dùng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.1 Mô hình hệ thống NOMA lựa chọn chuyển tiếp đường xuống. . . 41 2.2 Cấu trúc chuyển mạch thời gian thu năng lượng và tín hiệu. . . . 41 2.3 Tỉ lệ khoảng thời gian thu thập năng lượng và xử lý tín hiệu. . . 41 2.4 So sánh hàm phân bố tích lũy của SINR chặng 1 và chặng 2 của hệ thống EH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 2.5 Xác suất giải mã không thành công x1 khi N khác nhau. . . . . 61 2.6 Xác suất giải mã không thành công x2 khi N khác nhau. . . . . 62 2.7 So sánh SIC hoàn hảo và không hoàn hảo tại R và D2 với ρ1 = 0.01 và ρ2 = 0.04 tác động đến hiệu suất người dùng 2. . . 63 2.8 Ảnh hưởng khác nhau của ρ1 và ρ2 lên hiệu năng hệ thống. . . . 64 2.9 Ảnh hưởng của số nút chuyển tiếp đến khoảng thời gian thu thập năng lượng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 2.10 Xác suất lỗi symbol tại D1 , D2 trong điều kiện SIC hoàn hảo với N khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.11 Dung lượng hệ thống và dung lượng mỗi người dùng khi N=1 và SIC hoàn hảo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.12 Tổng dung lượng trung bình của hệ thống khi số nút chuyển tiếp khác nhau N = 1, 2, 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 vii
viii 2.13 Thông lượng tại nút D2 khi số nút chuyển tiếp khác nhau N = 1, 2, 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.1 Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.2 Cấu trúc sơ đồ khối mạch thu năng lượng và xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3 Tỉ lệ khoảng thời gian thu thập năng lượng và xử lý tín hiệu. . . 76 3.4 Xác suất dừng hệ thống NOMA-SWIPT Full-duplex với ρ = 0.1, α = 0.33 và các tham số m khác nhau, các hệ số phân bổ công suất tương ứng là a1 = 0.7, a2 = 0.3. . . . . . . . . . . . . 90 3.5 Tác động của ρ lên OP hệ thống với mi = 2 và κ = 0.2, hệ số phân bổ công suất a1 = 0.7, a2 = 0.3 và α = 0.33. . . . . . . . . 92 3.6 Khảo sát OP theo các hệ số α lượng khác nhau, hệ số phân bổ công suất a1 = 0.7, a2 = 0.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.7 Khảo sát tác động của α đến xác suất dừng hệ thống. . . . . . . 94 3.8 So sánh OP của D1 và D2 với tác động của nhiễu dư và sai số ược lượng kênh với mi = 2, PS = 15[dB], α = 0.33. . . . . . . . 95 3.9 Tác động của nhiễu dư và sai số ước lượng kênh đến xác suất dừng với các tham số pha-đinh mi khác nhau, α = 0.33. . . . . . 96 3.10 Ảnh hưởng của phân bổ công suất đến tối ưu xác suất dừng của nút đích D2 với α = 0.33. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.11 Tác động của SINR/SNR đến tỉ lệ thời gian thu thập năng lượng và xử lý tín hiệu để cực đại thông lượng của hệ thống với r2 = 1, ρ = 0.02 và κ = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.12 Tác động của tốc độ truyền r đến thông lượng hệ thống với giá trị tối ưu α∗ và PS = 20 [dB]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 3.13 Mô hình hệ thống tổng quát nhiều người dùng NOMA . . . . . . 99 3.14 Cấu trúc song công một ăng-ten thu/phát. . . . . . . . . . . . . 100 3.15 OP theo công suất phát của BS với số ăng-tenna khác nhau. . . . 106 3.16 Xác suất dừng của từng người dùng theo công suất phát của nguồn với số lượng ăng-ten tại BS N=2. . . . . . . . . . . . . . . 107 3.17 Khảo sát OP của hệ thống FD và HD theo số ăng-ten phát tại BS. 107
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa Pr(·) Xác suất FX (x) Hàm phân bố xác suất tích lũy của X fX (x) Hàm mật độ phân bố xác suất của X E{·} Ký hiệu toán tử trung bình Ek (·) Ký hiệu tích phân hàm mũ 2 F1 Ký hiệu hàm Hypergeometric G.,. .,. (.|.) Hàm MeijerG Kn Hàm Bessel sửa đổi bậc n loại hai Wn Hàm Whittacker CN (0, σ 2 ) Phân bố chuẩn trung bình không, phương sai σ 2 Γ(·) Hàm Gamma Γ(x, n) Hàm Gamma không hoàn chỉnh khuyết dưới γ(x, n) Hàm Gamma không hoàn chỉnh khuyết trên κ Hệ số nhiễu dư trong hệ thống full-duplex γth Ngưỡng độ nhạy máy thu α Hệ số thu thập năng lượng η Hiệu suất mạch tái tạo năng lượng ρ Hệ số tương quan giữa kênh hoàn hảo và không hoàn hảo N n Tổ hợp chập n của N phần tử ix
MỞ ĐẦU 1. Bối cảnh nghiên cứu Cùng với sự phát triển của ngành viễn thông và khoa học máy tính, hệ thống thông tin vô tuyến đã trải qua những bước phát triển vượt bậc cả về công nghệ phần cứng cũng như phần mềm. Kiến trúc hệ thống ngày càng hiện đại và tối ưu, đặc biệt là hệ thống thông tin tế bào và mạng cảm biến không dây. Sự phát triển đó dẫn đến việc triển khai nhiều thiết bị đan xen lẫn nhau về không gian và thời gian [1, 2]. Do vậy, trong không gian vô tuyến xác định1 , sẽ có nhiều nguồn bức xạ năng lượng điện trường đến với thiết bị. Tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng bức xạ này trước đây chưa được quan tâm một cách đầy đủ, nhưng trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật thu thập năng lượng từ nguồn bức xạ đó. Đây là một kỹ thuật mới để kéo dài thời gian hoạt động cho các thiết bị có nguồn năng lượng cung cấp hữu hạn. Phương pháp truyền thống cấp nguồn cho các thiết bị hoạt động là kết nối với mạng điện lưới. Trong một số trường hợp, cấp nguồn bằng điện lưới không thể thực hiện được, một biện pháp đảm bảo cấp nguồn thay thế để duy trì hoạt động là sử dụng pin. Nhưng hạn chế của biện pháp này là nguồn pin sẽ suy giảm theo thời gian và tỷ lệ cấp nguồn cho thiết bị. Có thể khắc 1 Được hiểu theo khu vực địa lý, trong các phạm vi có nguồn năng lượng vô tuyến bức xạ 1
2 phục điều này bằng cách thay thế hoặc nạp lại định kỳ, dẫn đến chi phí cao và trong một số trường hợp thực hiện gặp nhiều khó khăn, nguy hiểm. Đây chính là động lực thôi thúc để các nhà khoa học trả lời câu hỏi: Từ đâu, và bằng cách nào để có thể bổ sung năng lượng thiếu hụt cho thiết bị điện tử?. Thu thập nguồn năng lượng vô tuyến bức xạ đến thiết bị là một biện pháp đầy hứa hẹn, như là một công cụ tiên phong để bổ sung năng lượng cho các thiết bị điện tử mà ở đó yêu cầu nguồn cung cấp nhỏ (cỡ µW đến mW ). Đặc biệt cung cấp cho các thiết bị cảm biến, mạng thông tin cơ thể, các thiết bị giám sát ở vùng sâu/vùng xa. Sự thành công của việc nghiên cứu cách thức khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này trong tương lai sẽ tạo ra sự trải nghiệm vượt trội cho người dùng thiết bị di động vì giải phóng họ khỏi sự phụ thuộc vào việc cấp nguồn được coi là kém thuận tiện như hiện nay. Để khẳng định nghiên cứu này là khả thi, chúng ta hãy ngược dòng lịch sử với các phương thức thu thập năng lượng trước đây. Vào khoảng thế kỷ thứ IX, thu thập năng lượng gió để chuyển thành cơ năng đã xuất hiện, tiếp theo đó thu thập năng lượng mặt trời để chuyển thành điện năng phục vụ cho nhu cầu của con người cũng được triển khai. Đây là những nguồn năng lượng vô tận, sạch, vĩnh cửu; nhưng sự cồng kềnh, chi phí cao không thể áp dụng vào các thiết bị di động kích thước nhỏ. Dung lượng các thiết bị lưu trữ năng lượng không thể vô cùng lớn để lưu trữ một lần rồi sử dụng vĩnh viễn. Hơn nữa các nguồn năng lượng từ môi trường tự nhiên phụ thuộc rất nhiều vào thời gian xuất hiện của mặt trời và hướng gió dẫn đến hoạt động thu thập sẽ bị gián đoạn theo thời gian. Thêm vào đó, do ra đời đã lâu và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nên thu thập năng lượng từ mặt trời, gió, các loại năng lượng từ sự hóa thạch, sự chuyển động và các hiện tượng vật lý
3 khác đã không còn là vấn đề mang tính thời sự. Năm 2008 tại Hội nghị Quốc tế về Lý thuyết Thông tin ở Canada (ISIT 2008), Lav R. Varshney đã trình bày chủ đề về biến đổi đồng thời năng lượng vô tuyến và thông tin [3]. Một điều thật đáng tiếc ý tưởng này đã không được quan tâm đúng mức trong những năm sau đó. Như một lẽ tự nhiên của sự phát triển, khi nhu cầu năng lượng đảm bảo cho các thiết bị điện tử, các hệ thống vi điều khiển, thiết bị cảm biến trở nên bức thiết, kết hợp với thí nghiệm thành công của giáo sư Manos Tentzeris vào năm 2012 về biến đổi thông tin và năng lượng đồng thời thì ý tưởng được trình bày trước đây của Lav R. Varshney mới thực sự được quan tâm. Trong vài năm trở lại đây, các nghiên cứu về biến đổi năng lượng và truyền tín hiệu đồng thời là chủ đề được nghiên cứu sôi động của cộng đồng các nhà khoa học. Các kết quả nghiên cứu không chỉ dừng lại việc công bố lý thuyết mà còn có các sản phẩm thí nghiệm đã thành công [4–6]. Bên cạnh đó, mạng 5G (5G: Fifth Generation) sẽ được triển khai vào năm 2020, như một hệ quả hiển nhiên là nhu cầu phổ tần sẽ tăng đột biến. Để đáp ứng nhu cầu đó thì các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ đã và đang được thực hiện, như công nghệ vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), kỹ thuật truyền dẫn song công (FD: Full-Duplex), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). Nhưng quá trình ứng dụng những kỹ thuật này đã bộc lộ những hạn chế cần phải được khắc phục bằng các giải pháp kĩ thuật mà không được làm thay đổi cấu trúc hoặc quy hoạch mạng đã triển khai. Sự phát triển là nguyên lý tất yếu để khắc phục những hạn chế đã bộc lộ, do đó ý tưởng sử dụng kĩ thuật đa truy nhập không trực giao thay thế cho các kỹ thuật đa
4 truy nhập trực giao đã được nghiên cứu trong vài năm trở lại đây. Nhằm cải thiện phạm vi phủ sóng mà không tăng công suất phát là nền tảng của ý tưởng triển khai các mạng truyền thông hợp tác trong vài thập kỉ qua. Các mô hình mạng chuyển tiếp đã được triển khai ứng dụng và cho thấy hiệu quả vượt trội của nó so với các hệ thống truyền thông điểm-điểm. Luận án được nghiên cứu trong bối cảnh nhu cầu kết nối tăng vọt. Đặc biệt khi các thiết bị điện tử kích thước nhỏ được sử dụng để thay thế hoạt động trực tiếp của con người, mạng cảm biến không dây và mạng thông tin quanh cơ thể được triển khai. Nhằm mục đích cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho các thiết bị Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of Things), đồng thời cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần vốn được coi là hạn chế như hiện nay. Do đó, phương thức đa truy nhập không trực giao sẽ thay thế cho đa truy nhập trục giao sẽ được áp dụng. Trên cơ sở các công bố khoa học trước đây, nghiên cứu sinh tiếp tục đề xuất các mô hình mới, dựa vào phân tích giải tích và mô phỏng Matlab để kiểm chứng hệ thống. Đây là phương pháp tin cậy được các nhóm nghiên cứu trên thế giới và trong nước áp dụng. Tuy nhiên, trong thời điểm hiện tại các nhà khoa học trong nước nghiên cứu về ứng dụng thu thập năng lượng vô tuyến và kỹ thuật đa truy nhập không trực giao chưa nhiều, điều kiện thí nghiệm và kiểm tra kết quả đề xuất trên phần cứng thực tế chưa thể triển khai. 2. Các công trình nghiên cứu liên quan Để bổ sung những nội dung nghiên cứu về thu thập năng lượng vô tuyến và kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, trong phần này NCS trình bày các kết quả nghiên cứu đã đạt được trên thế giới cũng như trong nước đối
5 với hai kỹ thuật đầy hứa hẹn này. Từ đó để thấy được những đóng góp khoa học cũng như những vấn đề chưa được giải quyết để luận án hướng tới giải quyết một phần những tồn tại của các công trình trước đây. Tính đến thời điểm bắt đầu thực hiện đề tài, các công trình công bố về hệ thống vô tuyến có ứng dụng thu thập năng lượng đã có nhiều giao thức, kịch bản và mục tiêu khác nhau được đề xuất. Trong luận án này chỉ tập trung khảo sát các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp có ứng dụng thu thập năng lượng vô tuyến và các mô hình ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, làm cơ sở để NCS đề xuất các mô hình trong luận án. 2.1 Các nghiên cứu thu thập năng lượng vô tuyến Hiện tại, việc nghiên cứu thu thập năng lượng vô tuyến không chỉ thực hiện ở các hệ thống điểm-điểm mà còn được nghiên cứu trong các mạng chuyển tiếp và hệ thống hợp tác đa người dùng. Năm 2013, công trình [7] lần đầu tiên nghiên cứu ứng dụng thu thập năng lượng vô tuyến (RF: Radio Frequency) ở giao thức chuyển tiếp đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO: Single Input-Single Output). Trong công trình này Nasir và cộng sự đã đề xuất sử dụng hai kĩ thuật thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp đó là kỹ thuật chuyển mạch thời gian (TSR: Time Switching Relay) và kỹ thuật phân chia công suất (PSR: Power Splitting Relay). Các tác giả đã xác định được biểu thức tường minh (chỉ chứa các hàm cơ bản) xác suất dừng (OP: Outage Probability), so sánh phẩm chất của TSR với PSR cho thấy PSR có hiệu quả dung lượng tốt hơn nhưng OP kém hơn. Trên cơ sở phương thức TSR các tác giả trong [8] đã phân tích biểu thức OP cho hai giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) và giải mã chuyển tiếp (DF: Decode and Forward), nhưng các tác giả đã không đưa ra
6 sự so sánh hoặc kết luận nào giữa hai giao thức đã khảo sát. Tác giả có nhiều công trình công bố về hệ thống truyền thông chuyển tiếp ứng dụng kỹ thuật thu thập năng lượng mà việc khảo sát hệ thống dựa vào phương pháp giải tích là I. Krikidis [9–17] và một số công trình khác. Tuy nhiên mỗi công trình chỉ khảo sát một giao thức và thông số cụ thể nhằm đánh giá phẩm chất của hệ thống, trong đó chủ yếu tập trung vào tìm biểu thức OP hoặc tốc độ truyền tối đa đạt được. Bài báo [9] đã khảo sát và so sánh các phương pháp điều phối năng lượng RF thu thập được đó là: thu thập-sử dụng (HU: Harvest-Use), thu thập- sử dụng-lưu trữ (HUS: Harvest-Use-Store), thu thập-lưu trữ-sử dụng (HSU: Harvest-Store-Use). Đưa ra các khuyến nghị sử dụng hình thức quản lý năng lượng phù hợp cho từng yêu cầu dịch vụ khác nhau. Các nghiên cứu đối với mạng hợp tác ứng dụng thu thập năng lượng trên cơ sở các giao thức AF và DF cho những mô hình đơn giản (hệ thống chỉ có một nút chuyển tiếp) đã được trình bày trong [7, 15, 18]. Tuy chỉ là các mô hình có cấu trúc đơn giản nhưng là nền tảng để phát triển các mô hình có cấu hình phức tạp hơn [19–21]. Trên nền tảng các mô hình đã đề xuất, tác giả trong [14] tiếp tục phát triển hệ thống nhiều ăng-ten mà có độ phức tạp thấp trong điều kiện kênh truyền pha-đinh phẳng. Đây có thể được coi là công trình nghiên cứu khởi đầu để tăng hiệu suất thu thập năng lượng thông qua việc kết hợp tổng các nhánh tại mạch thu. Để đảm bảo hai hoạt động đồng thời là thu thập năng và xử lý tín hiệu, phương thức lựa chọn đồng thời hai nút chuyển tiếp trong một khe thời gian đã được đề xuất trong [22]. Hai nút được lựa chọn để thực hiện hai mục đích
7 khác nhau đó là một nút thu thập năng lượng, một nút chuyển tiếp tín hiệu. Mục tiêu đặt ra trong đề xuất này là đảm bảo độ bền vững và tin cậy cho hệ thống, trong khi đó chấp nhận một thuật toán lựa chọn phức tạp hơn. Bài báo [23] đã đề xuất phương thức xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp hoàn toàn mới kết hợp với thu thập năng lượng RF, theo đó chu kỳ các tín hiệu được chia cho phần thu thập năng lượng là cố định, khoảng còn lại được sử dụng để giải mã và chuyển tiếp tín hiệu tại tất cả các nút chuyển tiếp. Khi tất cả các nút chuyển tiếp giải mã thành công mới thực hiện chuyển tiếp tín hiệu đến nút đích. Bài báo kết luận rằng, mặc dù đã sử dụng một khoảng thời gian để thu thập năng lượng nhưng với phương thức chuyển tiếp này vẫn có thể đạt độ lợi phân tập tốt hơn phương thức chuyển tiếp truyền thống. Tuy nhiên, các tác giả trong [23] cũng đã chỉ ra hệ thống có độ trễ lớn và đồng bộ phức tạp. Phân tích theo độ lợi phân tập hệ thống trên cơ sở lựa chọn chuyển tiếp theo tiêu chuẩn max-min, bài báo [24] đã đề xuất mô hình có nhiều cặp nguồn-đích thực hiện truyền thông qua một nút chuyển tiếp thu thập năng lượng. Kết quả được trình bày trong bài báo là biểu thức OP tương ứng của mỗi cặp nguồn-đích có độ lợi kênh khác nhau. Để khắc phục việc gián đoạn liên lạc của hệ thống, khi nút chuyển tiếp cạn kiệt nguồn năng lượng (vì trong quá trình thu thập, sẽ có một số nút không thu thập được, hoặc đã sử dụng hết nhưng chưa được bổ sung). Do đó bài báo [25] đề xuất phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp có đủ năng lượng để truyền dữ liệu, như vậy, có thể coi đây là một phương pháp lựa chọn chuyển tiếp theo tiêu chuẩn năng lượng. Trong công trình [26], các tác giả đã khảo sát một hệ thống mà ở đó nút chuyển tiếp thu thập năng lượng ở đường