Mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của tỷ số mục tiêu trong hệ thống TSR energy havesting bán song công

có sơ đồ nguyên lý, sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán và hướng dẫn chi tiết về ảnh hưởng của tỷ số mục tiêu trong hệ thống TSR energy haveting bán song công .........................................................................................................

Mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của

tỷ số mục tiêu trong hệ thống TSR

energy havesting bán song công

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AF : Amplify-and-forward

RF : Radio frequency

TSR : Time Switching-Based Relaying

PSR : Power Splitting-Based Relaying

TS : Time switching

PS : Power splitting

D : Distance

AWGN : Additive white Gaussian noise

MIMO : Multiple-input-multiple-output

S : Source

R : Relay

D : Destination

1G – 4G : 1st – 4th Generation

MAC : Media Access Control

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU VÀ LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1.1 Mục đích nghiên cứu:

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật ngày nay, nhu cầu truyền tải dữ liệu nhanh chóng, dung lượng truyền tải lớn và ít tiêu tốn năng lượng là một nhu cầu bức thiết Từ việc nghe nhạc, xem video, cho tới chia sẽ thông tin hay cập nhật các mạng xã hội như Facebook, Twitter,… đều cần phải kết nối liên tục với nhiều người hiện nay

Các thế hệ hệ thống di động như 1G, 2G, 3G, 4G phát triển từ thấp lên cao, đáp ứng được nhu cầu ngày càng lớn của người sử dụng nhưng với lượng dữ liệu ngày một phình to ra, hệ thống cần được phát triển tiếp, mạnh mẽ hơn nhằm đáp ứng kịp nhu cầu

sử dụng

1.2 Lí do chọn đề tài:

Tuy có nhiều phương hướng phát triển thế hệ di động tiếp theo, nhưng hệ thống thông tin hợp tác là hệ thống đáp ứng được một số nhu cầu tối thiểu của thế hệ tiếp theo như tiết kiệm năng lượng, đáp ứng nhanh,…

Do đó, ở đề tài này, em chọn nghiên cứu “Mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của tỷ

số mục tiêu trong hệ thống TSR energy havesting bán song công”

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN HỢP TÁC

2.1 Các giao thức mạng:

Những tiến bộ trong hệ thống thông tin hợp tác tập trung vào hai mục tiêu:

• Tăng tốc độ truyền qua mạng

• Tăng độ tin cậy thông tin của mạng

Những tiến bộ thường được chứng minh bằng toán học (lý thuyết) phân tích các chiến lược truyền tín hiệu trên các mô hình truyền thông Các chiến lược truyền tín hiệu thường liên quan đến truyền phối hợp bởi nhiều node mạng, nhưng mặc dù có những quá trình gần đây, vẫn còn những rào cản lớn cho việc áp dụng các kết quả vào

sự phát triển các giao thức mạng thực tế

Lấy ví dụ như, nhiều kết quả lý thuyết dựa trên độ dài khối lớn và thường bỏ qua các chi phí cần thiết để thiết lập và duy trì bộ truyền dẫn hợp tác Tuy nhiên trong thực

tế, và nhất là các mạng di động không dây, các biến thời gian trong các kênh truyền đòi hỏi sự thay đổi trong chiến lược truyền tín hiệu Do đó, các thiết lập và duy trì tín

hiệu trở thành phí tổn hao định kỳ Ta sử dụng điều kiện giao thức mạng cho một bộ

phân phối thuật toán được thực hiện bởi các node mạng đã được cấu hình, thực thi và cấu hình lại chiến lược truyền tín hiệu để đáp ứng với các biến thời gian Một giao thức mạng hợp tác phải kết hợp các phương pháp để phí tổn hao định kì không ảnh hưởng đến hiệu quả đạt được của chiến lược truyền tín hiệu hợp tác

Một giao thức mạng đáng giá hơn bằng cách cung cấp một dung lượng nhất định trên toàn mạng, thậm chí nếu điều này làm hạn chế việc giảm hiệu suất Trong phần này, sự phát triển của giao thức hợp tác thực tế sẽ được tạo điều kiện bằng cách xác định các khái niệm trừu tượng đơn giản, có thể có của chiến lược truyền dẫn hợp tác

2.2 Các vấn đề của hợp tác vô tuyến:

Ở mạng truyền thống quy định trình tự các node trung gian truyền đi như một tuyến/đường truyền Một cách để hiểu về hệ thống thông tin hợp tác là để xem một bộ node tham gia trong việc cung cấp các gói dữ liệu từ một nguồn đến đích như là một

thiết bị đầu cuối đa liên kết Ta đề cập một cách khái quát như là một liên kết hợp tác, hoặc đơn giản là một liên kết Liên kết L là một tập hợp các node được sử dụng phối

hợp cùng hành động để cung cấp các tin đáng tin cậy từ một nguồn đến một hoặc

nhiều các điểm đích Giả sử rằng một node đích d là nơi nhận cuối cùng của các gói dữ liệu Nếu node d là một relay cho một liên kết khác, ta giả định rằng việc chuyển một gói tin cho liên kết thứ hai này đến node d đại diện cho một điểm nối “mới” trong quá trình chuyển mạch gói Nghĩa là node d có thể là nguồn của một liên kết hợp tác L’ khác để cung cấp các gói tin để có điểm đến d’ khác Tuy nhiên, việc phân phối các gói tin đến node d’ bằng liên kết L’ có thể không sử dụng bộ truyền liên quan đến liên kết L Trong trường hợp này, một đường truyền trở thành chuỗi gồm một hoặc nhiều

liên kết (hợp tác)

Sự hợp tác qua liên kết hoặc qua lớp mạng, có sự khác nhau trong kiến trúc mạng

để thực hiện các nhiệm vụ sau:

• Giải mã tin tức: sử dụng tất cả các gói tin thu được để giải mã

• Thiết lập liên kết hợp tác: chỉ định một phương thức để phối hợp quá trình truyền của nhiều node với mục tiêu thu được tin tức được giải mã đáng tin cậy tại một đích hay nhiều đích

• Định tuyến hợp tác: cấu hình một chuỗi các liên kết hợp tác thành một tuyến truyền

2.3 Các giao thức đa dạng hợp tác được đề xuất:

Nhiều chiến lược hợp tác đã được đề xuất theo lý thuyết và phần lớn các chiến lược trong số này đã được kiểm tra Tuy nhiên, chỉ có một số ít các đề xuất đã xem xét để truyền tín hiệu hợp tác ở các mạng lưới thực tế dựa trên các tiêu chuẩn báo hiệu lớp vật lý hiện có và hỗ trợ đa đường dữ liệu từ nguồn đến đích

Ở phần này, ta xem xét bốn giao thức hợp tác Mỗi giải pháp ứng cử này được đặt

ra để giải quyết các vấn đề về giải mã tin tức, thiết lập liên kết hợp tác và định tuyến hợp tác Mặc dù mỗi giải pháp là dựa trên một cơ chế đa dạng hóa hợp tác, mỗi đại diện khác nhau có tính phức tạp khác nhau, có khả năng tương thích với chuẩn 802.11 MAC, và hiệu suất

Ba đề xuất đầu tiên (CoopMAC, HARBINGER và VMISO) sử dụng bộ chuyển tiếp đáng tin cậy để tiếp nhận Trong đó việc truyền tải một tin tức gói bằng một nguồn được hỗ trợ bởi một hoặc nhiều relay mà các gói dữ liệu được mã hóa được truyền về đích Đặc biệt, một gói tin đã mã hóa được gửi bởi một relay dựa trên một gói tin tức duy nhất từ một nguồn Gói giải mã có thể không đáng tin cậy và tin tức được giải mã dựa trên sự kết hợp mềm giữa các gói tin Chúng ta mô tả các giao thức này theo trình

tự tăng dần độ phức tạp

Giao thức thứ tư, COPE, sử dụng một mạng lưới mã hóa và tiếp cận trong đó các node trung gian nhận được các gói tin đáng tin cậy được mã hóa có sự kết hợp của nhiều gói tin tức, thường là từ nhiều nguồn Cách tiếp cận này cần lớp vật lý đơn giản kết hợp với giải mã cứng của mỗi gói tin riêng nhận được Đa dạng độ lợi phát sinh từ

bộ phát tới nhiều bộ thu Quá trình xử lí một gói tin tức đã được mã hóa là sự kết hợp của nhiều gói tin tức, việc giải mã phụ thuộc vào các gói tin tức trước đó nhận đã được giải mã

2.4 Tổng quan:

Ta đã thấy được rằng hệ thống thông tin hợp tác mang rất nhiều triển vọng Một số

đề xuất trong triển vọng này đã được minh chứng Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thứ phải làm Ví dụ, một số đề xuất không bao gồm nhiều ý tưởng

Hợp tác đòi hỏi việc thiết kế lại hoàn chỉnh của việc kết hợp giao thức mạng Một nghiên cứu mang tính trừu tượng cho thấy thu được lợi ích đáng kể bằng sự kết hợp chặt chẽ giữa lớp mạng với lớp MAC, liên kết, và lớp vật lý Cụ thể, việc tiếp cận như vậy có khả năng mang lại sự linh hoạt lớn nhất trong việc tối ưu hóa sử dụng toàn cầu của các tài nguyên mạng vô tuyến

Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi sự phát triển đáng kể về chức năng của lớp mạng và các thiết bị phương diện tốc độ cao, phức tạp hơn ở lớp vật lý và của phần mềm lớp mạng Đòi hỏi của việc cấu hình lại cũng có thể ngăn cản việc thực hiện thực

tế các kỹ thuật hợp tác Đó là việc đòi hỏi phải có một lớp mạng phức tạp hơn, đại diện cho một rào cản đối với việc chấp thuận các giao thức hợp tác vô tuyến Giá trị thực

tiễn của hệ thống thông tin hợp tác là khả năng phụ thuộc vào việc chúng ta có thể đạt được những lợi ích gắn liền với việc hợp tác mà không đòi hỏi nhiều hơn từ lớp mạng

CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HỆ THỐNG

3.1 Giới thiệu chung:

Một giải pháp mới cho việc kéo dài tuổi thọ của các node relay hạn chế năng lượng trong mạng không dây là tận dụng các môi trường xung quanh tần số tín hiệu vô tuyến (RF) và đồng thời thu năng lượng và xử lý thông tin Trong đề tài này, ta sẽ xem xét hệ thống chuyển tiếp khuếch đại và hồi tiếp (AF – amplify-and-forward), nơi các node relay hạn chế năng lượng thu năng lượng từ tín hiệu RF nhận được và sử dụng năng lượng lưu trữ đó để chuyển tiếp các thông tin từ nguồn đến đích Căn cứ vào mô hình phân chia thời gian và phân chia năng lượng, hai giao thức được đặt tên, cụ thể là giao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian (time switching-based relaying – TSR) và giao thức chuyển tiếp phân chia theo năng lượng (power splitting-based relaying – PSR) cho phép thu năng lượng và xử lý thông tin tại relay Để xác định thông lượng, biểu thức cho xác suất dừng và dung lượng hệ thống bắt nguồn cho truyền dẫn các chế

độ delay-limited và delay-tolerant tương ứng Các phân tích số cung cấp những hiểu biết thực tế về ảnh hưởng của các thông số hệ thống khác nhau, chẳng hạn như thời gian thu năng lượng, tỷ lệ phân chia năng lượng, tốc độ truyền dẫn nguồn, khoảng cách giữa nguồn và relay, công suất nhiễu, hiệu suất thu năng lượng, trong quá trình thu năng lượng không dây và xử lý thông tin bằng cách sử dụng các node chuyển tiếp

AF Cụ thể là các giao thức TSR nhanh hơn so với giao thức PSR về thông lượng ở SNR và tốc độ truyền cao

Kéo dài tuổi thọ của một mạng không dây thông qua việc thu năng lượng đã nhận được sự chú ý đáng kể gần đây Tuy có thể thay thế hay sạc pin thay cho việc thu năng lượng nhưng nó phải có một chi phí cao và có thể là bất tiện, nguy hiểm (ví dụ: trong môi trường độc hại) hoặc không mong muốn (ví dụ: ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong

cơ thể con người) Trong tình huống như vậy, một lựa chọn an toàn và thuận tiện để có thể thu năng lượng từ môi trường Ngoài các phương pháp thu năng lượng thông thường, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió, độ rung, hiệu ứng nhiệt điện hay các hiện tượng vật lý khác thì một giải pháp mới đang nổi lên là để tận dụng tín hiệu vô tuyến (RF) Ưu điểm của giải pháp này là các tín hiệu RF có thể mang năng lượng và

các thông tin cùng lúc Như vậy, các node hạn chế năng lượng có thể thu được năng lượng và xử lý thông tin cùng một lúc

Thu năng lượng không dây bằng cách sử dụng tín hiệu RF, thời gian gần đây trong

hệ thống kết nối điểm-điểm có thể phân loại thành hai cách tiếp cận chính Tiếp cận thứ nhất là xem xét thiết kế một bộ thu mà có thể đồng thời quan sát và trích xuất năng lượng từ tín hiệu thu được Tuy nhiên, giả thiết này không đúng trong thực tế, các bo mạch thực tế cho việc thu năng lượng từ các tín hiệu RF chưa thể giải mã thông tin mang theo một cách trực tiếp Cách tiếp cận thứ hai là xem xét thiết kế một máy thu thực tế có thể thực hiện đồng thời giải mã thông tin riêng biệt và thu năng lượng từ bộ thu thu năng lượng và bây giờ được áp dụng rộng rãi Đối với thế hệ đầu của máy thu,

ý tưởng truyền tải thông tin và năng lượng đồng thời lần đầu tiên được đề xuất, nơi mà các tác giả [1] sử dụng một lượng năng lượng để nghiên cứu sự cân bằng hiệu suất cơ bản cho đồng thời cả thông tin và chuyển giao năng lượng Công việc được mở rộng

để lựa chọn tần số kênh với AWGN (additive white Gaussian noise) Một hệ thống thông tin liên lạc hai chiều cho phép thu năng lượng và truyền tải thông tin đã được nghiên cứu Đối với thế hệ thứ hai của máy thu, các giới hạn hiệu suất của một trong

bộ ba node multiple-input-multiple-output (MIMO) trong hệ thống phát sóng, với việc tách riêng việc thu năng lượng và giải mã thông tin nhận được cũng đã được nghiên cứu Việc áp dụng thu năng lượng không dây của mạng vô tuyến đã được xem xét, nơi

mà thông lượng của mạng thứ cấp được tối ưu hóa dưới một mức độ cho các mạng chính và phụ

Phần lớn các nghiên cứu gần đây trong việc thu năng lượng không dây và xử lý thông tin đã được xem xét ở các hệ thống mạng điểm-điểm Trong mạng lưới hợp tác hoặc cảm biến không dây, các node relay hoặc cảm biến có thể có trữ một lượng pin hạn chế và cần phải dựa trên một số cơ chế sạc bên ngoài để duy trì hoạt động của mạng Vì vậy, việc thu năng lượng trong các mạng như vậy là đặc biệt quan trọng vì

nó có thể cho phép chuyển tiếp thông tin

Trong đề tài này, ta đang quan tâm đến các vấn đề về việc thu năng lượng không dây và xử lý thông tin chế độ AF trong hợp tác không dây hoặc mạng cảm biến Ta

xem xét kịch bản nơi mà node relay hạn chế năng lượng thu năng lượng từ tín hiệu RF phát ra bởi một node nguồn và sử dụng năng lượng thu được để chuyển tiếp tín hiệu nguồn đến một node đích Chúng ta áp dụng thời gian chuyển đổi (TS – time switching) và phân chia năng lượng (PS – power splitting) vào hệ thống máy thu đã được đề xuất Dựa trên bộ thu và được biết như giao thức AF, ta đề xuất hai giao thức chuyển tiếp là giao thức chuyển tiếp phân chia thời gian (time switching-based relaying – TSR) và giao thức chuyển tiếp phân chia năng lượng (power splitting-based relaying – PSR) để xử lý riêng biệt thông tin và thu năng lượng tại các node relay hạn chế năng lượng Trong giao thức TSR, relay sẽ dành một khoảng thời gian để thu năng lượng và phần thời gian còn lại để xử lý thông tin Trong giao thức PSR, relay sẽ sử dụng một phần năng lượng nhận được để thu năng lượng và phần năng lượng còn lại

để xử lý thông tin Những số liệu ở đây chính là thông lượng, được định nghĩa là số bit được giải mã thành công cho mỗi đơn vị thời gian trên một đơn vị băng thông tại node đích Ta thiết kế và nghiên cứu cho cả giao thức TSR và PSR với chế độ truyền trễ giới hạn (delay-limited) và trễ không giới hạn (delay-tolerant) tương ứng

Hình 3.1 Mô hình hệ thống [1]

Thu năng lượng tại R Truyền tín hiệu từ S => R Truyền tín hiệu từ R => D

αT

Hình 3.2 Mô hình TSR [1]

S

g h

D

d2 d1

R

là khối thời gian, trong đó một khối nhất định của thông tin được truyền từ node nguồn đến node đích và là tỉ số phân chia thời gian, thu năng lượng từ nguồn tín hiệu, trong đó

Hình 3.3 Mô hình phân chia thời gian [1]

3.2 Thu năng lượng:

Tín hiệu RF, thu được tại node relay được đầu tiên được gửi đến bộ thu năng lượng (trong khoảng thời gian ) và sau đó đến bộ thu thông tin (khoảng ) bị ảnh

hưởng bởi nhiễu Gaussian hẹp, , được biết qua các ăng-ten nhận Năng lượng thu được

từ tín hiệu RF được sử dụng cho việc sạc pin Tín hiệu thu được tại node relay, , được tính bởi:

Trong đó là độ lợi từ nguồn đến relay, là khoảng cách từ nguồn đến relay, là công suất truyền từ nguồn, là hệ số suy hao đường truyền, và là tín hiệu thông tin bình thường hóa từ nguồn, ví dụ, , với là phép toán kỳ vọng và là giá trị tuyệt đối

Năng lượng thu, trong quá trình thu năng lượng được tính bởi:

Với là hiệu suất chuyển đổi năng lượng, phụ thuộc vào quá trình phân chia và bo mạch thu năng lượng

3.3 Truyền năng lượng hạn chế:

Bộ thu thông tin - chuyển đổi tín hiệu RF kiểu băng gốc và xử lý tín hiệu băng gốc, trong đó là nhiễu phụ xuất hiện từ quá trình chuyển đổi băng RF sang tín hiệu băng gốc Sau khi chuyển đổi, tín hiệu băng gốc được lấy mẫu tại node relay, , được tính bởi:

Với là chỉ số biểu tượng, là tín hiệu lấy mẫu và chuẩn hóa thông tin từ nguồn, là nhiễu phụ băng gốc kiểu Gauss trắng (AWGN) do ăng-ten thu tại node relay, và là AWGN lấy mẫu trong quá trình biển đổi băng RF sang tín hiệu băng gốc Bộ relay khuếch đại tín hiệu nhận được và tín hiệu truyền từ relay, được tính bởi:

Với mẫu số, là hệ số hạn chế công suất tại relay, và là phương sai của AWGN,

và , tương ứng, và là công suất truyền từ node relay, phụ thuộc vào lượng năng lượng thu được trong thời gian thu năng lượng Lưu ý rằng node relay có thể có được hệ số hạn chế công suất từ công suất của tín hiệu thu được Việc lấy mẫu tín hiệu nhận được tại điểm đến, được tính bởi:

Trong đó và là các ăng-ten và chuyển đổi AWGN tại node đích, tương ứng, và là

độ lợi từ relay đến đích Ta có:

Cuối cùng, ta có:

Sử dụng công thức , được tính bởi:

Từ đó, ta có: