Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)

Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

TRẦN VĂN LINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KHÔNG

TUYẾN TÍNH LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG

THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

TP HỒ CHÍ MINH - 2017

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

-

TRẦN VĂN LINH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KHÔNG

TUYẾN TÍNH LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG

THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trần Văn Linh

Tôi xin chân thành biết ơn toàn thể Thầy, Cô giảng dạy đã tận tình truyền đạt những bài học cũng như những kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên trong gia đình, đã tạo điều kiện, động viên khích lệ tôi trong những lúc khó khăn để tôi học tập và thực hiện đề tài

Tp Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2017

Học viên thực hiện

Trần Văn Linh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Các nghiên cứu liên quan 4

1.3 Cấu trúc mạng thu thập năng lượng 7

1.3.1 Trạm phát sóng 7

1.3.2 Nguồn năng lượng 8

1.3.3 Thiết bị thu nhận năng lượng RF 8

1.4 Mô hình chuyển tiếp và các giao thức hoạt động chuyển tiếp 10

1.4.1 Mô hình kênh chuyển tiếp 10

1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF (Decode and Forward) 11

1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF (Amplifier and Forward) 12

1.5 Các kỹ thuật phân tập kết hợp 12

1.5.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) 12

1.5.2 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC) 13

1.5.3 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC) 14

1.6 Các kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp 14

1.6.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay Selection) 14

1.6.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần (Full Relay Selection) 15

1.7 Mô hình thu thập năng lượng không tuyến tính 15

1.7.1 Mô hình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp 16

1.7.2 Hiện tượng phi tuyến tính mô hình thu thập năng lượng vô tuyến 17

Chương 2 - MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỰA CHỌN CHUYỂN TIẾP VỚI MÔ HÌNH KHÔNG TUYẾN TÍNH 19

2.1 Giới thiệu 19

2.2 Mô hình đề xuất 20

2.2.1 Mô tả hệ thống 20

2.2.2 Phân tích hệ thống 22

2.3 Phân tích xác suất dừng 27

2.4 Thông lượng 34

Chương 3 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 35

3.1 Mô hình hóa 35

3.2 Các kết quả mô phỏng 36

3.3 Kết luận 45

Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 46

4.1 Kết luận 46

4.2 Hướng phát triển 46

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

AS Antenna Selection Lựa chọn ăng-ten

CRN Cognitition Radio Network Mạng vô tuyến nhận thức

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp

EGC Equal Gain Combining Kết hợp độ lợi cân bằng

FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số

MIMO Multiple Input- Multiple Output Nhiều đầu vào nhiều đầu ra MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỉ số tối đa

OFDM Orthogonal Frequency- Division

Multiplexing

Ghép kênh phân chia tần số trực giao

SIMO Single Input- Multiple Output Một đầu vào nhiều đầu ra

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SWIPT Simultaneous Wireless Information

and Power Transfer

Truyền tải đồng thời thông tin và năng lượng không dây

TDD Time Division Duplex Song công phân chia theo thời gian

TS Time Switching Chuyển đổi theo thời gian

WET Wireless Energy Transfer Truyền tải năng lượng không dây WSN Wireless Sensor Network Mạng cảm biến không dây

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1 Một mạng lưới phát sóng năng lượng không dây và cơ cấu nhận năng lượng

4

Hình 1.2 Mạng truyền tải năng lượng từ điểm đến điểm trong hệ thống MIMO 5

Hình 1.3 Cấu trúc mạng thu thập năng lượng RF 7

Hình 1.4 Minh họa sơ đồ khối một máy thu thập năng lượng RF 9

Hình 1.5 Phân tập kết hợp 12

Hình 1.6 Mô hình chuyển tiếp một phần năng lượng trong mạng vô tuyến 16

Hình 1.7 Phân chia khung thời gian 16

Hình 1.8 Đặc tính không tuyến tính ở ngõ ra 17

Hình 2.1 Lựa chọn chuyển tiếp một phần năng lượng trong mạng vô tuyến 20

Hình 2.2 Lựa chọn nút chuyển tiếp 21

Hình 2.3 Phân chia khung thời gian 23

Hình 2.4 Giao thức chuyển mạch tại nút chuyển tiếp 23

Hình 2.5 Sử dụng kỹ thuật lựa chọn kết hợp tại nút đích 25

Hình 3.1 Mô hình hóa hệ thống trong mặt phẳng 2 chiều 36

Hình 3.2 Tác động của N t vào tính chính xác OP 38

Hình 3.3 Xác suất dừng được vẽ theo các giá trị SNR = 10:5:50dB, P S = 1, α = 0.3, eta = 0.8, R = 1, M = 2, N = 3, PL = 3, khi vị trí nút chuyển tiếp thay đổi x R = 0.1, 0.3, 0.5 39

Hình 3.4 Xác suất dừng được vẽ theo các giá trị SNR_dB = 10:5:50, P S 1, α = 0.3, eta = 0.8, M = 2, N = 3, x R = 0.3, PL = 2, khi tốc độ bit thay đổi R = 1, 1.5, 40

Hình 3.5 Xác suất dừng được vẽ theo các giá trị SNR_dB = 10:5:50, eta = 0.8, R = 1, M = 2, N = 3, x R = 0.3, PL = 2, P S 1 khi α thay đổi, α = 0.1, 0.3, 0.5 41

Hình 3.6 Tác động của α lên OP được vẽ với các giá trị P S 3,   0.1: 0.1: 0.8, eta

= 0.8; R = 1, M = 4, N = 4, x R 0.5, PL = 1, P th 20dB khi công suất phát thay

đổi SNR = 30, 35, 40dB 42

Hình 3.7 Tác động của α lên OP được vẽ với các giá trị SNRdB = 40, P S 3,

0.1: 0.1: 0.8

  , eta = 0.8, R = 1, M = 4, N = 4, x R 0.5, PL = 1, P th 20dB,

khi tốc độ bit thay đổi R = 1, 1.5 43

Hình 3.8 Tác động α lên OP được vẽ theo các giá trị SNR = 40dB, P S 3, α = 0.1:0.1:0.8, eta = 0.8, R = 1, M = 4, N = 4, x R0.5, PL = 1 khi công suất

ngưỡng thay đổi P th = 5, 10, 20 dB 44

Hình 3.9 Tác động α lên OP được vẽ theo các giá trị SNR = 40dB, Ps = 3, α =

0.1:0.1:0.8, eta = 0.8, R = 1, N = 4, x R 0.5, PL = 1, P th = 20dB, khi số ăng-ten

tại nút D thay đổi M = 2, 3, 4 45

Hình 4.0 Thông lượng của hệ thống được vẽ theo các giá trị P S = 1, eta = 0.8, R =

1, M = 2, N = 3, x R0.3, PL = 3, Pth = 20dB khi α thay đổi α = 0.1, 0.3, 0.5 46

MỞ ĐẦU

Thu thập năng lượng từ môi trường xung quanh để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện tử sử dụng năng lượng thấp trong mạng vô tuyến đã trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn Giải pháp này đặc biệt trở nên hữu ích trong các ứng dụng mà việc thay thế pin là khó khăn phức tạp, hoặc nguy hiểm, ví dụ, mạng cảm biến làm việc trong môi trường độc hại và mạng cảm biến không dây trong cơ thể người Nguồn năng lượng tự nhiên đề cập ở đây thông thường là năng lượng mặt trời và gió Gần đây, tín hiệu tần số vô tuyến (RF) cũng có thể được xem như một nguồn thu năng lượng hiệu quả

So với các loại nguồn năng lượng khác, thu thập năng lượng trên sóng vô tuyến

có một số lợi thế nhất định, vì sóng vô tuyến lan truyền trong không gian mang năng lượng điện nên cũng được gọi là truyền năng lượng không dây Năng lượng vô tuyến

là một nguồn cung cấp năng lượng chủ động, đáng tin cậy và đảm bảo hiệu năng cho

hệ thống

Cho đến nay, đã có một số nghiên cứu trên mô hình thu thập năng lượng, các

mô hình này đều giả sử rằng năng lượng thu thập là tuyến tính, cụ thể năng lượng thu thập tỷ lệ thuận với năng lượng nguồn phát và độ lợi kênh truyền từ nguồn phát đến máy thu năng lượng Tuy nhiên, trong thực tế mô hình thu thập năng lượng là không tuyến tính do bởi những hạn chế phần cứng nên ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng của các mạng vô tuyến thu thập năng lượng

Trong luận văn này, học viên sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng không tuyến tính lên hiệu năng hệ thống thu thập năng lượng vô tuyến

Bố cục luận văn được chia làm các chương sau:

 Chương 1 - Lý thuyết tổng quan

Chương này, tìm hiểu kỹ thuật thu thập năng lượng, kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng thu thập năng lượng, phân tích hiện tượng của mô hình thu thập năng lượng không tuyến tính

 Chương 2 - Mạng thu thập năng lượng sử dụng kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp với mô hình không tuyến tính

Trong chương 2, giải thích mô hình đề xuất, phân tích đánh giá hiệu năng của

mô hình thu thập năng lượng không tuyến tính

 Chương 3 - Kết quả mô phỏng và thảo luận

Trong chương này, một số mô phỏng Monte-Carlo và so sánh giữa lý thuyết bằng phần mềm Matlab được thực hiện để kiểm chứng ảnh hưởng của hiệu ứng không tuyến tính lên hệ thống thu thập năng lượng chuyển tiếp DF trên kênh truyền fading Rayleigh được đưa ra trong Chương 2

 Chương 4 - Kết luận và hướng phát triển

Chương này nêu các vấn đề về luận văn đã làm được, đề xuất hướng phát triển của luận văn

Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Tóm tắt chương - Tìm hiểu kỹ thuật thu thập năng lượng, kỹ thuật lựa chọn

nút chuyển tiếp trong mạng thu thập năng lượng, phân tích hiện tượng của mô hình

thu thập năng lượng không tuyến tính

1.1 Giới thiệu

Kỹ thuật truyền phát thông tin bằng sóng vô tuyến được nghiên cứu lần đầu tiên bởi Heinrich Hertz vào năm 1880 Ngay sau đó, rất nhiều phát minh đã được khám phá Từ đó, sóng vô tuyến đã được sử dụng để truyền thông tin trong không gian Cho đến nay, các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào các mạng không dây với các kỹ thuật thu hoạch năng lượng vô tuyến, truyền năng lượng vô tuyến Ví dụ, trong năm 1960, các nhà khoa học đã thực hiện thí nghiệm cho một chiếc trực thăng nhỏ lơ lửng ở một độ cao 50 feet, cung cấp năng lượng bằng sóng vô tuyến ở tần số 2.45GHz [1]

Thu năng lượng môi trường xung quanh và chuyển đổi nó thành năng lượng điện sử dụng cho các thiết bị điện ngày càng quan trọng trong xu hướng tiết kiệm năng lượng hòa hợp với mô trường còn gọi là mạng thông tin liên lạc xanh, điều này làm tăng tuổi thọ cho các hệ thống thông tin liên lạc, dựa trên việc tự duy trì và tự cung tự cấp năng lượng Ngoài các nguồn năng lượng thay thế phổ biến, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt và cơ học, thu thập năng lượng từ tín hiệu vô tuyến (RF) môi trường xung quanh được cho là một nguồn đầy hứa hẹn có thể được khai thác trong tương lai Một lợi thế rõ ràng của kỹ thuật này, so với các nguồn năng lượng thay thế khác là các nguồn RF xung quanh có thể được cung cấp liên tục bất

kể thời gian và vị trí ở khu vực thành thị hoặc các vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh Hơn nữa, cùng với sự phát triển của công nghệ hiện nay các thiết bị thu năng lượng sóng vô tuyến ngày càng nhỏ gọn về kích thước giá thành thấp Thu thập năng lượng

từ tín hiệu RF được biết đến rộng rãi như là thu thập năng lượng không dây (EH) hoặc phát năng lượng không dây (WPT) [2]

Máy phát năng lượng

ER3

ER1

ER2

Diode Diode

LPF LPF

ắc-quy

1.2 Các nghiên cứu liên quan

Thu thập năng lượng không dây RF chuyển đổi thành điện áp DC cung cấp nguồn cho các mạng di động đã nhận được sự chú ý của các nhà khoa học, gần đây

đã có một số nghiên cứu được ứng dụng như mạng cảm biến không dây (WSN), trong các hệ thống truyền thông cộng tác, mạng vô tuyến nhận thức (CRN) [3] và mạng tế bào (SCN) [4] Có nhiều công trình nghiên cứu kết hợp truyền thông tin và năng lượng trong mạng di động như trong [5], tác giả đã đề xuất một kiến trúc mạng cho các trạm RF tự cung tự cấp năng lượng bởi các điện thoại di động theo hướng lên Trong [6] tác giả xem xét truyền đồng thời thông tin và năng lượng không dây (SWIPT) theo đường xuống trong hệ thống đa người dùng đa truy nhập phân chia tần

số trực giao (OFDMA), nơi mà mỗi người dùng sử dụng phân chia công suất để điều phối việc thu năng lượng và giải mã thông tin, bằng cách dùng thuật toán tối ưu để giải quyết hai vấn đề, thứ nhất tối ưu hóa việc phân bổ sóng mang con và phân chia công suất một cách luân phiên, thứ hai tối ưu hóa việc phân bổ sóng mang con và phân chia công suất một cách tuần tự Kết quả tác giả cho thấy rằng, các phương pháp

đề xuất tốt hơn phương pháp thông thường Hơn nữa, kỹ thuật beamforming hiện đại khác nhau được sử dụng để nâng cao hiệu quả truyền công suất cho các ứng dụng điện thoại di động

Hình 1.1 Mạng lưới phát sóng năng lượng không dây và cơ cấu nhận năng lượng [5]

Truyền đồng thời thông tin và năng lượng không dây (SWIPT) [6, 7] được ứng dụng kiểm soát đồng thời thông tin và năng lượng, trong đó cung cấp năng lượng chi

phí thấp liên tục cho các hệ thống mạng không dây mà không sửa đổi phần cứng ở phía máy phát

Hình 1.2 Mạng truyền tải năng lượng từ điểm đến điểm trong hệ thống MIMO [8]

Một thách thức thực tế lớn cho việc thực hiện truyền tải năng lượng không dây (WET) bằng sóng vô tuyến (RF) là sự suy giảm đáng kể hiệu suất truyền năng lượng của WET, qua khoảng cách xa từ máy phát năng lượng (ET) đến bộ thu năng lượng (ER) do suy giảm công suất trên đường truyền của tín hiệu RF Nhằm nâng cao hiệu quả thu phát năng lượng vô tuyến, kỹ thuật nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) đã được các nhà khoa học quan tâm bằng cách trang bị nhiều ăng-ten tại bộ phát năng lượng (ET) hoặc bộ thu năng lượng (ER) đã được đề xuất [8] Nhiều ăng-ten ở ET giúp tập trung truyền tải năng lượng không dây hướng đến cho bộ ER qua kỹ thuật beamforming, kỹ thuật số hoặc cái gọi là beamforming năng lượng, trong khi nhiều ăng-ten ở ER giúp cho hệ thống mạng mở rộng vùng diện tích thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến tại nút nhận, tăng số lượng ăng-ten cả hai đầu sẽ tăng cường đáng kể hiệu năng truyền/nhận năng lượng của hệ thống Điều này giúp mở rộng phạm vi hoạt động của WET cho phép ER tăng thu hoạch năng lượng với khoảng cách cố định Tuy nhiên, lợi ích của beamforming năng lượng trong MIMO WET không những dựa vào sự sẵn có của các thông tin trạng thái kênh (CSI) tại ET, mà cần phải được điều

Bộ chỉnh lưu

Bộ chỉnh

lượng

Nguồn tích trữ

Năng lượng nhận

Đường hồi Truyền tải năng lượng

chỉnh một cách hiệu quả trong hệ thống thực tế Và quan trọng với MIMO thì cần phải tích hợp nhiều ăng-ten vào các thiết bị di động, vốn là vấn đề đòi hỏi chi phí, kích thước thiết bị và sự phức tạp về công nghệ và phần cứng

Để phục vụ cho các giới hạn phần cứng của ER hiện có, cũng trong [8] tác giả

đề xuất phương pháp học tập kênh dựa trên những phản hồi mức năng lượng của ER

Cụ thể, ER thực hiện mã hóa các mức năng lượng thu hoạch trong khoảng thời gian thu nhận khác nhau thành các bit, (xem hình 1.2), và gửi chúng đến ET thông qua đường phản hồi Dựa trên các bit thông tin phản hồi thu thập được, ET điều chỉnh beamforming truyền của nó trong khoảng thời gian thu nhận tiếp theo Phương pháp học tập kênh dựa trên những phản hồi đo mức năng lượng của ER cũng đã được nghiên cứu trong các hệ thống MIMO vô tuyến nhận thức [9] Phương pháp học tập kênh thông tin phản hồi năng lượng này được áp dụng cho cả hai hệ thống TDD và FDD, và có thể được thực hiện mà không cần thêm các module xử lý baseband tại

ER

Mặc khác nhằm khai thác lợi ích của nhiều ăng-ten trong [10], tác giả đã đề xuất ba phương pháp xử lý tuyến tính khác nhau đó là: 1) tỷ lệ kết hợp / tỷ lệ truyền tối đa (MRC / MRT), 2) Zero-forcing / tỷ lệ truyền tối đa (ZF / MRT) và 3) sai số lỗi trung bình thấp nhất / tỷ lệ truyền tối đa (MMSE / MRT) Kết quả tác giả cho thấy rằng việc thực hiện nhiều ăng-ten tăng năng lực thu hoạch năng lượng, do đó cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống Hơn nữa, tác giả chứng minh rằng nhiễu đồng kênh (CCI) có thể được khai thác để tăng đáng kể hiệu năng hệ thống

Nhờ sự xử lý phân tập không gian của các nút không dây trang bị nhiều ten trong [11], tác giả thiết kế khớp xoay sử dụng một cách linh hoạt cho phân chia công suất (PS) và lựa chọn anten (AS) của các tín hiệu RF nhận được, từ đó thu năng lượng tại nút chuyển tiếp hiệu quả hơn so với PS hoặc AS độc lập Thông qua AS, một phần ăng-ten được chọn ra chỉ để thu hoạch năng lượng và các ăng ten còn lại được dùng cho cả xử lý thông tin và thu thập năng lượng

ăng-1.3 Cấu trúc mạng thu thập năng lượng

Trong phần này, tôi mô tả kiến trúc chung của một mạng thu thập năng lượng

RF (RF-EHN) và giới thiệu các kỹ thuật thu hoạch năng lượng RF Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng điển hình của một RF-EHN có ba thành phần chính Trạm phát sóng, nguồn năng lượng RF và các nút mạng / thiết bị [1]

Trạm phát sóng thường được gọi là các trạm gốc, các bộ định tuyến không dây

và chuyển tiếp

Các nguồn năng lượng RF có thể là các máy phát năng lượng RF chuyên dụng hoặc các nguồn RF xung quanh (ví dụ, tháp truyền hình)

Các nút mạng là các thiết bị sử dụng giao tiếp với các trạm phát sóng

Hình 1.3 Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng RF [1]

1.3.1 Trạm phát sóng

Thông thường, trạm phát sóng và các nguồn năng lượng RF có nguồn cung cấp điện cố định và liên tục, trong khi đó các nút trong mạng thu thập năng lượng từ các nguồn RF chỉ để tự duy trì hoạt động cho chính nó Trong một số trường hợp, các

Máy phát AM&FM

Nguồn RF chuyên

dụng

Trạm thông tin

Vùng thu thập năng lượng Vùng thông tin

Dòng năng lượng

Dòng thông tin

Thiết bị thu năng lượng RF

Máy phát năng lượng

Vùng thu thập năng lượng

trạm phát sóng và các nguồn năng lượng RF có thể giống nhau, như thể hiện trong Hình 1.3, các đường mũi tên liền nét thể hiện cho dòng thông tin, các đường mũi tên nét đứt thể hiện cho luồng năng lượng

Các thiết bị trong vùng thu hoạch năng lượng có thể khai thác năng lượng RF

từ trạm tiếp nhận năng lượng Các thiết bị trong vùng truyền dẫn năng lượng có thể giải mã thành công thông tin được truyền từ trạm phát sóng Trong khi đó các thiết

bị nằm trong vùng truyền thông tin sẽ chỉ giải mã được thông tin mà không thu thập năng lượng Nói chung, công suất hoạt động của các thành phần thu thập năng lượng

là cao hơn nhiều so với các thành phần giải mã thông tin

1.3.2 Nguồn năng lượng

Nguồn năng lượng RF (RF Energy Sources) có thể là các máy phát năng lượng

RF chuyên dụng hoặc các nguồn năng lượng RF từ môi trường xung quanh như: sóng truyền hình tương tự, sóng truyền hình kĩ thuật số, sóng radio trong truyền thanh, sóng wifi, sóng di dộng và sóng radio trong không gian Hình 1.4 cũng cho thấy sơ

đồ khối của một nút mạng thu năng lượng RF

1.3.3 Thiết bị thu nhận năng lượng RF

Một nút thu năng lượng RF bao gồm các thành phần chính sau đây:

 Ứng dụng

 Khối vi điều khiển công suất thấp, để xử lý dữ liệu từ các ứng dụng

 Khối thu phát RF công suất thấp, cho truyền tải hoặc nhận thông tin

 Khối thu thập năng lượng, bao gồm một ăng ten RF, một trở kháng phù hợp, một mạch nhân điện áp và một tụ điện, để thu các tín hiệu RF và chuyển đổi chúng thành điện năng

 Khối module quản lý điện năng, quyết định việc lưu trữ điện năng thu được

từ các máy thu thập năng lượng RF hoặc sử dụng để truyền thông tin ngay lập tức

 Khối lưu trữ năng lượng

Các mô-đun quản lý điện năng chia thành hai phương pháp để kiểm soát dòng năng lượng đầu vào là thu hoạch sử dụng và thu hoạch lưu trữ sử dụng

Trong phương pháp thu hoạch sử dụng, năng lượng thu hoạch được ngay lập tức sử dụng để cấp nguồn cho các nút mạng Do đó, đối với các nút mạng để hoạt động bình thường, các bộ chuyển đổi điện phải liên tục chuyển đổi điện áp AC thành

DC vượt quá nhu cầu năng lượng tối thiểu của các nút mạng, nếu không các nút sẽ bị

vô hiệu

Trong phương pháp thu hoạch lưu trữ sử dụng, các nút mạng được trang bị với một bộ lưu trữ năng lượng hoặc pin có thể sạc lại Bất cứ khi nào năng lượng thu hoạch là nhiều hơn so với mức tiêu thụ của nút, năng lượng dư thừa sẽ được lưu trữ trong pin để sử dụng trong tương lai

Hình 1.4 Minh họa sơ đồ khối một máy thu thập năng lượng RF [1]

Các ăng-ten có thể được thiết kế để làm việc trên cả hai đơn băng tần số hoặc

đa băng tần số, trong đó các nút mạng có thể thu hoạch từ một hoặc nhiều nguồn cùng lúc

Khối phối hợp trở kháng là một mạch cộng hưởng hoạt động ở tần số được thiết kế để tối đa hóa việc truyền tải năng lượng giữa các ăng-ten

Các thành phần chính của mạch nhân điện áp và mạch chỉnh lưu chuyển đổi tín hiệu RF (tín hiệu AC trong tự nhiên) thành điện áp DC là điốt Hiệu suất chuyển đổi điện áp của mạch có thể cao hơn bằng cách chọn điốt có điện áp ngưỡng thấp hơn Các tụ điện đảm bảo cung cấp điện thông suốt cho tải Ngoài ra, khi năng lượng

RF bị gián đoạn, các tụ điện cũng có thể phục vụ như là một nguồn dự trữ cho một thời gian ngắn

Thu thập năng lượng RF

Modul quản lý năng lượng

Lưu trữ tạm thời

Máy thu phát

RF công suất thấp

Vi điều khiển công suất thấp Ứng dụng

Trong thu năng lượng RF, lượng năng lượng có thể khai thác phụ thuộc vào công suất phát, bước sóng của tín hiệu RF và khoảng cách giữa một nguồn năng lượng

RF của nút thu hoạch Việc thu thập năng lượng RF từ môi trường truyền trong không gian có thể được tính toán dựa trên mô hình xác suất thực tế và áp dụng rộng rãi là

mô hình Rayleigh, trong đó giữa một máy phát và máy thu được cho là nhìn thẳng Trong mô hình Rayleigh, chúng ta có

0 và 1

1.4 Mô hình chuyển tiếp và các giao thức hoạt động chuyển tiếp

1.4.1 Mô hình kênh chuyển tiếp

Kênh chuyển tiếp (Relay channel) có vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền đi các tín hiệu mang thông tin Đối với mô hình kênh chuyển tiếp cổ điển, nút chuyển tiếp

có nhiệm vụ duy nhất là trợ giúp cho đường truyền trực tiếp giữa nút nguồn và nút đích Tuy nhiên, việc chuyển tiếp thông tin đó có thể là đầu cuối cố định, không có thông tin cho riêng nó để truyền đi hoặc có thể vừa là đầu cuối vừa có chức năng phát thông tin của chính nó, vừa có chức năng như một đầu cuối cộng tác để truyền thông tin của các đầu cuối đối tác của nó

Trong hai loại hình nút chuyển tiếp trên, chuyển tiếp cộng tác có ý nghĩa thực tiễn hơn do nút thực hiện chuyển tiếp là cố định Vì thế, điều kiện kênh truyền giữa

nó và nút đích (trạm gốc trong thông tin di động) là tương đối ổn định hơn so với trường hợp còn lại Thêm vào đó, khi thực hiện chức năng chuyển tiếp thì nút chuyển tiếp phải có các bước xử lý với các dữ liệu nhận được từ các nút khác vì thế sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn Và đây lại là một lợi thế của nút chuyển tiếp cố định so với nút chuyển tiếp là một thiết bị di động Mặt khác, nếu sử dụng hình thức cộng tác người dùng sẽ nảy sinh một số vấn đề phức tạp cần phải giải quyết như: tính bất

thường về số lượng, vị trí và tính cân bằng của các thuê bao di động Ngoài ra, dựa vào số chặng (Hop) giữa nút nguồn và nút đích ta có thể phân loại kỹ thuật chuyển tiếp làm hai loại: chuyển tiếp hai chặng (Two-hop) và chuyển tiếp đa chặng (multi-hop) Từ tên gọi trên, ta có thể thấy rõ ràng về đặc điểm của chúng

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

- Chuyển tiếp đa chặng: số nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người dùng về nút đích là từ hai trở lên Thực tế là các nút chuyển tiếp không thể thu và phát cùng lúc do không thể tránh khỏi của hiệu ứng coupling giữa mạch phát và mạch thu Điều này dẫn đến giới hạn half-duplex, và đây chính là nguyên nhân chính mà

sự truyền dẫn từ nút nguồn qua nút chuyển tiếp đến nút đích trong truyền thông cộng tác được chia thành hai pha thời gian truyền Nghĩa là chúng chỉ có thể hoạt động ở chế độ bán song công, chủ yếu thực hiện qua hai giai đoạn truyền:

 Ở giai đoạn thứ nhất, nút nguồn gửi thông tin đến các nút chuyển tiếp

 Ở giai đoạn thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận được từ các nút khác tới nút đích Mỗi nút có thể giải mã thông tin nhận được

và chuyển tiếp đi, đây là kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp Forward, viết tắt là DF) [12] Hoặc đơn giản là khuếch đại và truyền đi, đây

(Decode-and-là kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward, viết tắt (Decode-and-là AF) [13, 14]

1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF (Decode and Forward)

Kỹ thuật chuyển tiếp này còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo,

cơ bản nó thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu Ở mô hình này, nút chuyển tiếp hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông minh và giải mã/ giải điều chế tín hiệu nhận được từ nút nguồn ở khe thời gian truyền thứ nhất hay ở pha truyền thứ nhất Quá trình này sẽ loại bỏ sự hiện diện của nhiễu

1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF (Amplifier and Forward)

Ở mô hình này nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại những gì nó nhận được từ nút nguồn Quá trình khuếch đại tương ứng với 1 biến đổi tuyến tính xảy ra tại nút chuyển tiếp AF còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo và cơ bản

là nó thực hiện những phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu

1.5 Các kỹ thuật phân tập kết hợp

Các kỹ thuật được sử dụng trong thu thập năng lượng thường là kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC), Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC), Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC)

Xét sơ đồ phân tập kết hợp như Hình 1.5 với M m (m = 1, 2,…,M) ăng-ten, có

các nhánh r m như hình vẽ

Hình 1.5 Phân tập kết hợp [15]

1.5.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC)

Kỹ thuật phân tập SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận được từ các nhánh khác nhau rồi đưa vào xử lý Trong kỹ thuật này, tại một thời điểm chỉ có một nhánh



Ngõ ra kết hợp SNR:

được sử dụng nên phương pháp SC chỉ yêu cầu máy thu được chuyển đến vị trí anten tích cực (anten có tín hiệu được lựa chọn) Tuy nhiên kỹ thuật này đòi hỏi trên mỗi nhánh phải có một bộ theo dõi SNR đồng thời và liên tục Trong phương pháp SC, tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính là giá trị cực đại của SNR trên tất cả các nhánh Vì tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu của một nhánh đưa vào xử lý nên kỹ thuật này không yêu cầu sự đồng pha giữa các nhánh [15]

1.5.2 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC)

Đối với kỹ thuật phân tập SC, tín hiệu ngõ ra trên bộ kết hợp chính là tín hiệu trên một nhánh riêng biệt nào đó Kỹ thuật MRC khác với kỹ thuật trên, kỹ thuật này

sử dụng tín hiệu thu từ tất cả các nhánh để đưa vào xử lý Trong kỹ thuật MRC, SNR

của ngõ ra bộ kết hợp là tổng của các SNR trên các nhánh thành phần SNR của tín

hiệu thu sẽ tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập

1

1

M

i i i M tot

i i

a r r

1.5.3 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC)

Trong kỹ thuật MRC thì yêu cầu phải biết sự biến đổi của SNR trên từng nhánh theo thời gian, tuy nhiên thông số này rất khó để đo được Vì vậy để đơn giản kỹ thuật MRC người ta dùng kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng EGC Về bản chất EGC cũng giống MRC, đều sử dụng tất cả các tín hiệu thu được tại các nhánh để đưa vào xử lý, tuy nhiên, trọng số j

i i

r MN

1.6 Các kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp

Như đã được giới thiệu ở trên, kỹ thuật truyền đồng thời thông tin và năng lượng là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để cung cấp năng lượng cho các WET hệ thống thông tin vô tuyến trong môi trường nhiễu fading

Để nâng cao hơn nữa hiệu năng của mô hình, mục tiêu là làm giảm tiêu thụ

điện năng trong một mạng không dây hiện có với các cặp nguồn-đích (S-D) Cách

tiếp cận được đề xuất là triển khai đa nút chuyển tiếp EH để chuyển tiếp thông tin

cho các cặp S-D Gần đây các giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, khi có

nhiều nút chuyển tiếp sẵn sàng giúp đỡ nguồn truyền dữ liệu đến đích, đã được đề xuất và khảo sát [16] Theo thông thường, các nhà nghiên cứu chia các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp thành hai loại chính

1.6.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay Selection)

Trong phương pháp này, nút chuyển tiếp tốt nhất được lựa chọn dựa trên thông

tin đơn phần tức thời của kênh giữa nguồn và các nút chuyển tiếp (S  R) hoặc giữa

đích và các nút chuyển tiếp (R  D) [12]

- Ưu điểm: Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, quá trình chọn nút sẽ đơn giản hơn do chỉ yêu cầu thông tin trạng thái kênh truyền từ một phía

- Nhược điểm: do không cần đến thông tin kênh truyền còn lại, nên có khả năng bỏ qua nút chuyển tiếp có độ lợi cao hơn

1.6.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần (Full Relay Selection)

Trong phương pháp này, nút chuyển tiếp (R) tốt nhất được lựa chọn dựa vào

tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trên cả hai chặn SR và từ RD [17] Sau đây là các ưu

điểm và nhược điểm của phương pháp này:

- Ưu điểm: đạt được độ lợi phân tập đầy đủ (full diversity gain) bằng với số nút chuyển tiếp (tăng thêm 1 nếu có đường truyền trực tiếp giữa nguồn và đích) Do

đó, nâng cao hiệu năng đáng kể so với phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp đơn phần

- Nhược điểm: Phức tạp hơn rất nhiều so với phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp đơn phần Phương pháp này cũng đòi hỏi các nút chuyển tiếp phải biết được thông tin trạng thái kênh truyền của cả hai chặng, điều này có thể dẫn đến sự tiêu thụ năng lượng lớn để thực hiện việc xác định thông tin trạng thái kênh truyền ở mỗi nút chuyển tiếp Bên cạnh đó kỹ thuật này cần sự đồng bộ cao giữa các nút chuyển tiếp trong quá trình chọn lựa nút tốt nhất

1.7 Mô hình thu thập năng lượng không tuyến tính

Như đã nói ở trên, truyền thông không dây với các nút sử dụng năng lượng thu thập đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng thu hút sự chú ý nghiên cứu trong những năm gần đây, ví dụ: [1-5, 7-11, 13, 16-31] Tuy nhiên, trong hầu hết các nghiên cứu đến nay đều giả sử mô hình thu thập năng lượng là tuyến tính Nhưng trong thực

tế mạch thu năng lượng thường bao gồm điốt, cuộn cảm và tụ điện, là không tuyến tính thường dẫn đến ngưỡng bão hòa ở đầu ra Cụ thể, năng lượng thu thập ở đầu ra không tăng mặc dù năng lượng thu thập ở đầu vào có tăng khi năng lượng thu thập vượt qua một giá trị ngưỡng bão hòa [13] Khi đó, áp dụng mô hình thu thập năng lượng tuyến tính thông thường sẽ không đúng và hiệu quả EH phụ thuộc vào mô hình năng lượng, dẫn đến sự không phù hợp cho phân bổ công suất

1.7.1 Mô hình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp

Ví dụ: Xét mô hình vô tuyến chuyển tiếp Hình 1.6 với nút một nguồn S một nút chuyển tiếp R và nút một đích D

Trong mô hình như Hình 1.6, tín hiệu được truyền từ nguồn S, nút chuyển tiếp

R thu thập năng lượng chuyển thông tin đến một nút đích D Tất cả các nút đều được

trang bị với một ăng-ten duy nhất và hoạt động trong một chế độ truyền bán song công (half-duplex)

Trong mô hình Hình 1.6, ta giả định rằng nút chuyển tiếp không được cung cấp năng lượng cố định thông qua nguồn AC hay pin mà cung cấp điện từ nguồn phát

vô tuyến Giả sử rằng không có liên kết trực tiếp từ S → D do khoảng cách xa hoặc

ảnh hưởng của hiệu ứng bóng mờ Giả sử kênh truyền Rayleigh fading không lựa

chọn tần số, hệ số kênh là không đổi trong một khối thời gian T, độc lập, phân phối

giống nhau (i.i.d.) từ một khe kế tiếp và CSI có sẵn tại bất kỳ thiết bị đầu cuối trong mạng

Nút R thu thập năng lượng và thực hiện giao thức chuyển mạch theo thời gian (TS) Hoạt động truyền nhận dữ liệu giữa nút S và nút R được thực thi qua ba

khe thời gian như sau Thời gian tổng cộng cho khối là T, thời gian được sử dụng cho thu thập năng lượng là αT, thời gian 1 Tđược sử dụng như sau, một nửa

Hình 1.6 Mô hình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến

D

Hình 2.3 Phân chia khung thời gian

Trong khe thời gian đầu tiên, tất cả các nút chuyển tiếp thu năng lượng từ nguồn phát trong khoảng thời gian  T và chuyển đổi thành điện áp một chiều (DC)

1.7.2 Hiện tượng phi tuyến tính mô hình thu thập năng lượng vô tuyến

Với mô hình thu thập năng lượng Hình 1.6 tín hiệu nhận được tại nút chuyển

tiếp R, ký hiệu là y R, được cho bởi

S S R

trong (1.6), với 0 < η ≤ 1 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng, phụ thuộc vào quá trình

chỉnh lưu và các mạch thu năng lượng

Với nút chuyển tiếp thu thập năng lượng tuyến tính thì công suất phát của nút chuyển tiếp được chọn có thể viết

2 ,

21

Giả sử tại nút chuyển tiếp luôn giải mã thành công tín hiệu nhận được Tín

hiệu trên nhiễu SNR của chặng S → R là

Khung thời gian T

Thu thập năng lượng Tiếp nhận thông tin Chuyển tiếp thông tin

Giả sử rằng mạch thu thập năng lượng hoàn hảo, khi đó ta có đồ thị thu năng

lượng tại nút chuyển tiếp như sau

Từ đồ thị Hình 1.8 cho thấy năng lượng thu thập liên tục tăng đến giá trị được

biểu thị bởi P th thì không tăng nữa, trong khi công suất đầu vào là vượt quá ngưỡng

Chương 2 - MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỰA CHỌN CHUYỂN TIẾP VỚI MÔ HÌNH

KHÔNG TUYẾN TÍNH

Tóm tắt chương - Giải thích mô hình đề xuất, phân tích đánh giá hiệu năng của mô hình thu thập năng lượng không tuyến tính Nội dung đề xuất bao gồm:

2.1 Giới thiệu

Từ mô hình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp như Hình 1.6, học viên đã

đề xuất mô hình mạng chuyển tiếp thông tin như Hình 2.1, nhằm đánh giá một cách khoa học cho hệ thống thu thập năng lượng, chuyển tiếp thông tin và đặc biệt là sự ảnh hưởng của hiệu ứng không tuyến tính lên kênh truyền vô tuyến

Trong mô hình mạng chuyển tiếp thu thập năng lượng đề xuất Hình 2.1, số lượng nút chuyển tiếp tăng mục đích nâng cao hiệu năng của hệ thống, bằng cách sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp, với nút chuyển tiếp nào có mức năng lượng thu thập lớn nhất sẽ được sử dụng để chuyển tiếp thông tin Mặc khác, để tăng khả năng chuyển tiếp thông tin thành công, phương pháp học tập kênh dựa trên phản hồi mức năng lượng tại nút chuyển tiếp [8] Cụ thể, tại nút chuyển tiếp thực hiện mã hóa các mức năng lượng thu hoạch trong khoảng thời thu nhận khác nhau thành các bit

và gửi chúng đến nút phát thông qua liên kết phản hồi Dựa trên các bit thông tin phản hồi thu thập được, nút phát điều chỉnh beamforming truyền của nó trong khoảng thời gian thu nhận tiếp theo

Khi đó ở chặng thứ hai, mô hình được trang bị nhiều ăng-ten tại nút D nhằm nâng cao hiệu quả thu nhận thông tin Nhiều anten ở D giúp cho hệ thống mạng mở

rộng vùng diện tích thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến, tăng số lượng ăng-ten cả hai đầu sẽ tăng cường đáng kể hiệu năng truyền/nhận năng lượng của hệ thống Điều này giúp mở rộng phạm vi hoạt động của mạng chuyển tiếp với nút chuyển tiếp thu thập năng lượng với khoảng cách cố định

Các nút thu thập năng lượng dùng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF ( Decode – and – Forward) thu thập năng lượng từ môi trường vô tuyến quanh nó và sau đó

năng lượng này được nút thu thập sử dụng để phát chuyển tiếp tín hiệu đến nút D

Hoạt động thu thập năng lượng và chuyển tiếp thông tin được thực thi qua ba

khe thời gian, khe thời gian thứ nhất dùng để thu thập năng lượng khi nút S phát tín

hiệu, khe thời gian thứ hai dành cho việc xử lý giải mã thông tin tại nút R n và khe

thời gian thứ ba cho việc truyền thông tin đến nút D

2.2 Mô hình đề xuất

2.2.1 Mô tả hệ thống

Xét mô hình đề xuất như Hình 2.1, tín hiệu được truyền từ nguồn, ký hiệu là

S, giao tiếp với một nút đích, ký hiệu là D, trong sự hiện diện của N nút chuyển tiếp,

ký hiệu là R n với n = 1, 2,…, N Các nút S, R n được trang bị với một ăng-ten duy

nhất, nút D trang bị m = 1, 2,…,M ăng-ten, hệ thống hoạt động trong một chế độ

truyền bán song công (half-duplex)

Trong luận văn này học viên giả định rằng:

- Tất cả các nút chuyển tiếp không được cung cấp năng lượng cố định thông qua nguồn AC hay pin mà sử dụng năng lượng từ nguồn thu thập được

- Không có liên kết trực tiếp từ S  D do khoảng cách xa hoặc ảnh hưởng

của hiệu ứng bóng mờ

- Tất cả kênh truyền Rayleigh fading không lựa chọn tần số, hệ số kênh là

không đổi trong một khối thời gian T, độc lập, phân phối giống nhau (i.i.d.) từ một

khe kế tiếp và thông tin trạng thái kênh CSI có sẵn tại bất kỳ thiết bị đầu cuối trong mạng

Quá trình truyền dữ liệu từ nút S đến D được chia thành hai chặng

- Nếu nút R n giải mã thành công, nút này gửi thông điệp ACK đến nút S bằng

đường phản hồi (feedback) và các nút chuyển tiếp để thông báo Trong trường hợp này các nút chuyển tiếp sẽ xóa dữ liệu vừa nhận được

- Nếu nút R n giải mã dữ liệu không thành công nút này gửi thông điệp NACK

đến nút S và sự chuyển tiếp thông tin không thành công

Hình 2.2 Lựa chọn nút chuyển tiếp

Chặng 2:

- Nút R n giải mã thành công chuyển tiếp thông tin của nút S đến nút đích D

- Nút đích D được trang bị nhiều ăng-ten

- Sử dụng kỹ thuật SC tại nút D để chọn ăng-ten tốt nhất khi đó tại đầu ra của

bộ chọn lựa kết hợp SC, tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu sẽ là:

h là các hệ số kênh truyền của nút nguồn S đến nút

chuyển tiếp R n,(n1,2, , )N , hệ số kênh truyền của nút chuyển tiếp R n thứ b < N

P là công suất truyền tối đa của nút phát S,

s là dữ liệu mà nút phát muốn truyền đến nút R n ,

R

n là nhiễu cộng tại bộ thu

Từ (2.2), tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu nhận được tại nút R ncó thể được đưa ra như sau:

2 0

n n

SR

SR S

h P N

với N0 là phương sai của n R (giả sử rằng phương sai của nhiễu cộng tất cả các máy thu đều bằng N0)

* Giả sử tại nút R b được lựa chọn, việc thu thập năng lượng và xử lý

thông tin như Hình 2.2