PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH BÁN SONG CÔNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG QUA CHẾ ĐỘ DL VÀ DT

PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH BÁN SONG CÔNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG QUA CHẾ ĐỘ DL VÀ DT PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH BÁN SONG CÔNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG QUA CHẾ ĐỘ DL VÀ DT PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH BÁN SONG CÔNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG QUA CHẾ ĐỘ DL VÀ DT PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH BÁN SONG CÔNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG QUA CHẾ ĐỘ DL VÀ DT

PHÂN TÍCH VÀ SO SÁNH HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH BÁN SONG CÔNG CÓ THU NĂNG LƯỢNG QUA CHẾ ĐỘ

DL VÀ DT

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT X

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

1.1 NỘI DUNG TÌM HIỂU 1

1.2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 2

1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 3

2.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG MẠNG DI ĐỘNG 3

2.1.1 Mạng di động 1G 3

2.1.2 Mạng di động 2G 4

2.1.3 Mạng di động 3G 5

2.1.4 Mạng di động 4G 7

2.1.5 Mạng di động 5G 8

2.2 HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC 8

2.2.1 Giới thiệu hệ thống truyền thông hợp tác 8

2.2.2 Giao thức chuyển tiếp 9

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG THỨC 11

3.1 KỸ THUẬT KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN TIẾP AF (AMPLIFY AND FORWARD) 11

3.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG TSR 12

3.3 PHÂN TÍCH XÁC XUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG THEO DL 14

3.4 PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ THÔNG LƯỢNG THEO DT 15

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉT 17

4.1 THÔNG LƯỢNG ẢNH HƯỞNG BỞI CÔNG SUẤT NGUỒN 17

4.2 THÔNG LƯỢNG ẢNH HƯỞNG BỞI ALPHA 18

4.3 THÔNG LƯỢNG ẢNH HƯỞNG BỞI ĐỘ LỢI THU NĂNG LƯỢNG 19

5.1 KẾT LUẬN 255.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 25

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

1 CHỨNG MINH XÁC SUẤT DỪNG TRONG CHẾ ĐỘ DL 27

2 CHỨNG MINH DUNG LƯỢNG ERGODIC TRONG CHẾ ĐỘ DT 29

Hình 2.2 Thiết bị sử dụng cho mạng 2G 5

Hình 2.3 Thiết bị sử dụng mạng 3G 7

Hình 3.1 Giao thức AF [1] 11

Hình 3.2 Mô hinh chuyển đổi phân chia thời gian (TSR) 12

Hình 3.3 Hệ thống SISO 17

Hình 4.1 Thông lượng trong giao thức AF ảnh hưởng bởi Ps trong 2 chế độ DL và DT 19

Hình 4.2 Thông lượng trong giao thức AF ảnh hưởng bởi alpha trong 2 chế độ DL và DT 21

Hình 4.3 Thông lượng trong giao thức AF theo độ lợi thu năng lượng theo 2 chế độ DL và DT 22

Hình 4.4 Thông lượng trong giao thức AF ảnh hưởng bởi khoảng cách d1 trong 2 chế độ DL và DT 24

Hình 4.5 Thông lượng trong giao thức AF ảnh hưởng bởi tốc độ trong 2 chế độ DL và DT 25

AWGN: Additive White Gaussian Noise

BS: Base Station

CDF: Cumulative Density Function

PDF: Probability Density Function

SISO: Single Input Single Output

TSR: Time Switching – Based Relaying

PSR: Power Splitting – Based Relaying

CDMA: Code Division Multiple Access

TDMA: Time Division Multiple Access

SISO: Single Output Single Input

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

Các hệ thống truyền thông tin hạn chế năng lượng truyền thống có tuổi thọhoạt động giới hạn, và để kết nối mạng ổn định, ta thực hiện thay pin định kỳ hoặcnạp lại được thực hiện, tuy nhiên tốn kém, không tiện lợi và đôi khi không thể thựchiện được Như vậy, thu hoạch năng lượng, thu hút năng lượng từ các nguồn tàinguyên bên ngoài như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, đã thu được rất nhiềulợi ích, vì nó cung cấp một giải pháp tiết kiệm chi phí để kéo dài tuổi thọ của các hệthống truyền thông không dây Tuy nhiên, lượng năng lượng thu được từ tài nguyênthiên nhiên là ngẫu nhiên và phụ thuộc nhiều vào một số yếu tố không kiểm soátđược như điều kiện thời tiết, mà làm cho giao tiếp đáng tin cậy khó khăn Một giảipháp thú vị vượt qua những điều hạn chế trên là thu hoạch năng lượng từ tần số vôtuyến do con người tạo ra (RF) bức xạ điện từ

Vì các tín hiệu RF có thể mang cả thông tin và năng lượng, đã có một sự bùng

nổ các hoạt động nghiên cứu to lớn trong khu vực của thông tin và sức mạnh khôngdây

1.1 Nội dung tìm hiểu

Truyền năng lượng thông qua sóng vô tuyến (RF) là giải pháp mới nhằm kéodài thời gian hoạt động của thiết bị cũng như của mạng không dây Trong đề tàinày, tôi khảo sát hiệu năng của hệ thống truyền thông hợp tác với một trạm nguồnvừa phát năng lượng RF vừa truyền thông tin, một máy chuyển tiếp và một máyđích Máy chuyển tiếp sử dụng cơ chế khuếch đại và chuyển tiếp hợp tác với trạmnguồn chuyển thông tin đến đích nhằm nâng cao hiệu năng của hệ thống Từ đặctính thống kê của tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR), tôi xây dựng công thức tính xácsuất dừng của hệ thống, thông lượng qua hai chế độ truyền Delay-Limited và Delay-Tolerant Sau khi xây dựng công thức, tôi tiến hành mô phỏng trên hệ thống Matlab

để kiểm chứng kết quả phân tích này

1.2 Nguyên lý hoạt động

Tín hiệu từ nguồn phát sẽ đi đến node relay trước khi được truyền tới đích.Relay thường được cung cấp năng lượng từ pin, tuy nhiên nếu điều kiện không chophép thì việc cung cấp năng lượng cho Relay là một vấn đề nan giải Vì thế việc sửdụng năng lượng từ tín hiệu để cung cấp cho Relay đã trở thành bài toán cần đượcgiải quyết để giúp Relay hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.

1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài

CHƯƠNG 2 TÌM HIỂU HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG

2.1 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống mạng di động

2.1.1 Mạng di động 1G

Đây là mạng thông tin di động không dây cơ bản đầu tiên trên thế giới Nó là

hệ thống thông tin được giới thiệu đầu tiên vào những năm đầu thập niên 80 Nó sửdụng các ăng ten truyền sóng do vậy kích thước của các di động đời đầu rất cồngkềnh và bất tiện Mạng 1G chỉ có tần số 150MHz

Tiêu chuẩn thông tin di động analog (tín hiệu tương tự, dạng tín hiệu giốngnhư hình sin) được sử dụng trong mạng 1G, và tín hiệu vô tuyến sử dụng để truyềntin trong 1G là Analog

Trong mạng 1G, các cuộc gọi bằng giọng nói được điều tiết ở 1 tần số cao hơn150MHz để kết nối 2 tháp vô tuyến lại với nhau

Hình 2.1 Thiết bị thu phát tín hiệu analog của mạng di động 1G

2.1.2 Mạng di động 2G

Xuất hiện đầu những năm 1990, đã chuyển qua công nghệ kỹ thuật số, có thêmkhả năng truyền tin nhắn và dữ liệu Các cuộc gọi của người dùng được số hóa, nénlại rồi mới truyền đi, giúp tăng lưu lượng truyền và an toàn hơn, không còn bị nghelén dễ dàng như thời 1G

Mạng thông tin di động 2G cho phép sử dụng điện thoại truy cập Internetnhưng với băng thông hẹp, tốc độ chậm, kiểu như kết nối quay số (dial-up), vàkhông thể kết hợp đồng thời với đàm thoại

2G sử dụng phương pháp chuyển mạch theo kênh (circuit switching), phân ra

2 loại chính, dựa trên nền kỹ thuật đa truy cập (nhiều người dùng): phân chia theothời gian TDMA (Time Division Multiple Access) và phân chia theo mã CDMA(Code Division Multiple Access) kết hợp với phương thức FDMA (tuy nhiên dohạn chế như đã nói nên phương thức FDMA ít được dùng) Về mặt kỹ thuật, TDMAchia nhỏ kênh, rồi phân bổ thời gian sử dụng kênh cho từng cuộc gọi, cho phépnhiều người dùng chung trên một kênh vẫn đảm bảo chất lượng Đối với CDMA,tín hiệu của mỗi người dùng sẽ được cấp một mã ngẫu nhiên duy nhất và truyền đitheo nguyên lý trải phổ trên toàn bộ dải tần được phép Thiết bị thu sẽ căn cứ vào

mã để phục hồi tín hiệu truyền Nhờ vậy nhiều cuộc gọi có thể đồng thời chuyểntrên cùng kênh, đem lại tốc độ truyền tải cao hơn CDMA còn có nhiều ưu điểm nhưcông nghệ giúp tiết kiệm năng lượng, kéo dài thời lượng sử dụng pin cho thiết bị; dễdàng mở rộng dung lượng mạng và chi phí thấp hơn so với GSM

Tuy vậy, CDMA gặp nhiều khó khăn để phát triển do có ít nhà sản xuất điệnthoại di động hệ CDMA (chủ yếu chỉ ở Nhật, Mỹ và Hàn Quốc) nên người dùngquá ít lựa chọn so với chuẩn GSM; mạng CDMA chưa phổ biến trên thế giới, vùngphủ sóng còn hẹp nên hạn chế khả năng chuyển vùng quốc tế; thiết bị CDMAthường không dùng SIM gây phiền phức cho thuê bao khi đổi điện thoại, vì phảiđăng ký lại với nhà mạng

Mặt hạn chế mạng 2G:

Tín hiệu digital yếu hơn

Hình 2.2 Thiết bị sử dụng cho mạng 2G

2.1.3 Mạng di động 3G

3G là thuật ngữ dùng để chỉ các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba Nócho phép người dùng di động truyền tải cả dữ liệu thoại và dữ liệu ngoài thoại (tải

dữ liệu, gửi email, tin nhắn nhanh, hình ảnh, âm thanh, video clips )

Hệ thống 3G yêu cầu một mạng truy cập radio hoàn toàn khác so với hệ thống2G Điểm mạnh của công nghệ này so với công nghệ 2G là cho phép truyền, nhậncác dữ liệu, âm thanh, hình ảnh chất lượng cao cho cả thuê bao cố định và thuê bao

đang di chuyển ở các tốc độ khác nhau Với công nghệ 3G, các nhà cung cấp có thểmang đến cho khách hàng các dịch vụ đa phương tiện, như âm nhạc chất lượng cao;hình ảnh video chất lượng và truyền hình số; các dịch vụ định vị toàn cầu (GPS); e-mail, games,

Quốc gia đầu tiên đưa mạng 3G vào sử dụng rộng rãi là Nhật Bản và hiện tại

là khắp thế thế giới Không cần nói thì chúng ta cũng biết mạng di động 3G đã trởnên quan trọng như thế nào trong cuộc sống

Phổ biến nhất của mạng 3G là hệ thống mạng di động truyền tải tốc độ caoHSDPA (High Speed Downlink Packet Access), phát triển từ 3G và hiện đang đượchơn 166 nhà mạng tại 75 nước đưa vào cung cấp cho người dùng Nó mang đến tốc

độ tải lên đến 7.2Mbps (tương đương 0.9MB/giây) Hiện nay hầu như tất cả các nhàmạng ở Việt Nam đều cung cấp mạng 3G với tốc độ này cho người dùng

Ưu điểm:

học trên mạng, game online…

Nhược điểm:

cập tốc độ sẽ bị giảm xuống

cường độ sóng điện thoại (có lúc sẽ rất thấp)

sở thích xem video hay nghe nhạc

Hình 2.3 Thiết bị sử dụng mạng 3G

2.1.4 Mạng di động 4G

Công nghệ 4G là một công nghệ di động tiên tiến cho phép người sử dụngxem được video hoặc nghe được âm thanh chất lượng cao thông qua giao tứcinternet (internet protocol) end-to-end (từ đầu này sang đầu kia, từ nguồn tới đích).Hiệu năng của 4G nhanh hơn mạng 3G hiện tại từ 3 đến 10 lần Yêu cầu kỹ thuậtcủa 4G gồm có một kênh với băng thông có thể mở rộng lên đến 40MHz và mạngchuyển mạch gói tin dựa trên địa chỉ IP Công nghệ mạng 4G bao gồm: UMTS,SDR, TD-SCDMA, WiMaX, OFDM, MIMO

Mặt hạn chế mạng 4G:

bộ vi xử lý của thiết bị phải được thay đổi thường xuyên

Các tính năng nổi bật mạng 4G:

 Hệ thống quan phổ hiệu quả.

5G là thế hệ tiếp theo của công nghệ 4G Theo các nhà phát minh, mạng 5G sẽ

có tốc độ nhanh hơn khoảng 100 lần so với mạng 4G hiện nay, giúp mở ra nhiềukhả năng mới và hấp dẫn Khi đó, xe tự lái có thể đưa ra nhanh những quyết địnhquan trọng tùy theo hoàn cảnh và thời gian Tính năng chat video sẽ có hình ảnh tốthơn, giúp chúng ta cảm thấy như đang ở trong cùng một mạng nội bộ

Mạng di động 5G sử dụng sóng milimét Sóng milimét đại diện cho phổ tínhiệu RF giữa các tần số 20GHz và 300GHz với bước sóng từ 1~15mm, nhưng nếuxét về góc độ mạng vô tuyến và các thiết bị thông tin, tên gọi sóng milimét tươngứng với các dải tần 24GHz, 38GHz, 60GHz Các dải tần 70GHz, 80GHz gần đâycũng được sử dụng Những dải tần này được dùng thì có thể cải thiện rất nhiều băngthông và tốc độ không dây

2.2.1 Giới thiệu hệ thống truyền thông hợp tác

Truyền thông hợp tác là một phương pháp truyền tín hiệu mới với các thiết bị đầu cuối di động sử dụng một ăng ten hoặc đa ăng ten ở máy thu hoặc phát trong môi trường nhiều thuê bao, cho phép chúng ta hợp tác truyền tín hiệu một cách tốt nhất

Việc truyền thông tin trong mạng hợp tác được thực hiện giữa các node mạng.mỗi node có một chức năng khác nhau, node Relay có nhiệm vụ trung chuyển cácgói tin từ node nguồn đến node đích Việc truyền các dữ liệu đi trong mạng đượcnghiên cứu bằng nhiều phương pháp khác nhau, và với kỹ thuật truyền thông hợptác này đang được nghiên cứu, nhưng để áp dụng cho việc truyền tin vẫn còn gặpnhiều khó khăn bởi những yếu tố tác động từ môi trường xung quanh và dung lượngmạng ngày càng được khai thác triệt để

Các hoạt động truyền tải dữ liệu được chia thành nhiều bước, mỗi bước cónhững giao thức và nguyên tắc riêng.

Gửi dữ liệu:

Nhận dữ liệu:

• Chuyển gói tin vào bộ nhớ đệm, kết nối các gói tin lại với nhau thành một tinhoàn chỉnh

2.2.2 Giao thức chuyển tiếp

Một nghiên cứu mới để duy trì thời gian truyền tin của mạng có năng lượnghạn chế trong mạng không dây, là tận dụng các tần số của sóng vô tuyến (RF), đểthu năng lượng từ môi trường xung quanh và xử lý mã hóa tín hiệu Trong đề tàinày, ta sẽ xem xét kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-And-Forward) Sửdụng năng lượng thu được từ tín hiệu hiệu RF để chuyển tiếp các tín hiệu từ nguồnđến đích

Căn cứ vào thời gian chuyển đổi và mô hình chia tách năng lượng ta chia làm

2 giao thức TSR và giao thức PSR

Giao thức TSR là giao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian, giao thứcPSR là giao thức chuyển tiếp phân chia theo năng lượng Hai giao thức này dùng đểlưu trữ năng lượng tại Relay và chuyển tiếp thông tin Đặc biệt, các giao thức TSRnhanh hơn so với giao thức PSR về lượng tín hiệu thu được tại đích, do tỷ lệ nhiễuthấp và tốc độ truyền dẫn cao

Để duy trì việc truyền tín hiệu của một mạng không dây thông qua lưu trữnăng lượng nhận được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong thời gian gần đây.Mạng không dây có thể duy trì cung cấp năng lượng bằng cách dùng pin lưu trữnăng lượng, nhưng việc dùng pin tốn chi phí khá cao và gây nguy hiểm bởi các yếu

tố hóa học, gây ảnh hưởng đến đời sống cấu trúc bên trong cơ thể con người Vớibài toán đặt ra như vậy lựa chọn được coi là an toàn và thuận tiện nhất là làm tốt bàitoán thu năng lượng từ sóng vô tuyến bởi yếu tố môi trường xung quanh để kéo dàituổi thọ cho việc truyền thông tin của mạng không dây Ưu điểm của giải pháp này

là các tín hiệu RF có thể mang năng lượng và các thông tin cùng một lúc Như vậy,các hạch năng lượng có thể thu lại các năng lượng và xử lý các thông tin cùng mộtlúc

Thu năng lượng không dây bằng cách sử dụng tín hiệu RF có hai phương phápchính Phương pháp thứ nhất xem xét một thiết kế nhận mà có thể đồng thời quansát và trích xuất năng lượng từ tín hiệu nhận được Tuy nhiên như đã thảo luận giảthiết này không đúng trong thực tế, các mạch thực tế về năng lượng thu hoạch từcác tín hiệu RF chưa thể giải mã các thông tin thực trực tiếp Phương pháp thứ haixem xét một thiết kế máy thu thực tế có thể thực hiện với giải mã thông tin riêngbiệt và năng lượng thu nhận thông tin, chuyển giao năng lượng và bây giờ được ápdụng rộng rãi

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ XÂY DỰNG CÔNG THỨC

Kỹ thuật này được sử dụng trong trường hợp thời gian tính toán hoặc côngsuất vốn có của trạm chuyển tiếp bị giới hạn, hay có thời gian trì hoãn Trạm chuyểntiếp nhận được tín hiệu đã bị suy hao và cần phải khuếch đại lên trước khi truyềntiếp

Ưu điểm của cơ chế AF là quá trình thực hiện khá đơn giản, tuy nhiên mặt hạnchế của cơ chế này là khi sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp AF để khuếch đại tín hiệucũng vô tình khuếch đại nhiễu trong quá trình truyền thông tin, làm ảnh huởng đếnhiệu quả của hệ thống

Hình 3.4 Giao thức AF [1]

Ưu điểm của cơ chế AF là quá trình thực hiện khá đơn giản, tuy nhiên mặt hạnchế của cơ chế này là khi sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp AF để khuếch đại tín hiệucũng vô tình khuếch đại nhiễu trong quá trình truyền thông tin, làm ảnh huởng đếnhiệu quả của hệ thống

Trong mô hình bán song công có thu năng lượng này ta sẽ xem xét hai chế độtruyền, đó là chế độ truyền DL và chế độ truyền DT dựa trên kỹ thuật chuyển tiếpAF.

Hình 3.5 Mô hinh chuyển đổi phân chia thời gian (TSR)

Ta có:

 T: là thời gian thông tin được truyền từ nguồn đến đích.

 α :là tỉ số phân chia thời gian thu năng lượng từ nguồn đến đích Với 0 ≤ α ≤ 1

Theo hình 3.2 khe thời gian đầu tiên tại R sẽ thu năng lượng tại S phát ra với

thời gian là αT T Hai khe thời gian còn lại là giành cho truyền tín hiệu với thời gian (1-α))T/2 Bỏ qua ảnh hưởng của khoảng cách ta có tín hiệu nhận được tại R và D:

y r=h x s+n r(1)

y D=g x r+n D(2)

Với h,g, x r , x slà độ lợi kênh truyền, x s và x r thông tin từ nguồn S và R, n r và n d

là nhiễu tại R và D Năng lượng thu được tại R theo hình 3.2:

E H=η P S|h|2αT (3)

Với P s là công suất phát từ S, η là hiệu suất chuyển đổi năng lượng (0<η<1¿taxây dựng công thức nhận được tại R: