Harvest use cooperative networks with halffull duplex relaying

Bài báo này đề cập đến ứng dụng của HU trong hệ thống truyền thông và nghiên cứu phối hợp các giao thức, nơi mà các nút chuyển tiếp có thể HU.. Hầu hết các công việc trên các mạng phối h

Lê Huỳnh Long Hải

MSSV: 13141079

Harvest-Use Cooperative Networks with

Half/Full-Duplex Relaying

Tóm tắt: HU là thu hoạch năng lượng cấu trúc là nơi nhận

được năng lượng không thể lưu trữ được mà phải tiêu thụ

ngay lập tức để duy trì hoạt động Do lợi ích giới hạn của nó

trong các ứng dụng hiện tại, cấu trúc này chưa được nghiên

cứu trong tài liệu và triển khai trong hệ thống truyền thống, nó

vẫn là mốt vấn đề mở Bài báo này đề cập đến ứng dụng của

HU trong hệ thống truyền thông và nghiên cứu phối hợp các

giao thức, nơi mà các nút chuyển tiếp có thể HU Chúng tôi

thấy rằng chuyển tiếp HU đưa ra một sự cân bằng giữa thời

gian EH và thời gian chuyển tiếp ( truyền thông dữ liệu); sự

cân bằng này sẽ được thảo luận trong hai chính sách chuyển

tiếp cơ bản a) Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) với chuyển

tiếp bán song công (HD) và b) AF với chuyển tiếp song công

(FD) Thời gian tối ưu được chia ra là đề ra vấn đề tối ưu hóa

và một xấp xỉ được trình bày trong một dạng đóng Kết quả

cho thấy rằng FD nhanh hơn so với HD và được giới thiệu

như là một chính sách chuyển tiếp hiệu quả đối với hệ thống

phối hợp HU

Thu hoạch năng lượng, cấu trúc thu hoạch và sử dụng

kênh truyền chuyển tiếp, chuyển tiếp song công, suy giảm trên

kênh truyền

I GIỚI THIỆU

Hệ thống truyền thông bằng năng lượng pin thông

thường bị giới hạn trong một thời gian ngắn và đòi hỏi phải

thay thế định kỳ hoặc sạc pin để duy trì kết nối mạng Gần đây

sự phát triển trong ngành vi điện tử và vật liệu làm cho thu

hoạch năng lượng trở thành một giải pháp kỹ thuật khả thi và

cho phép thiết kế các mạng hoàn toàn tự xử lý và tự duy trì

hoạt động mà không hạn chế thời gian sử dụng [1] EH cho

các hệ thống truyền thông không dây nói đến dung lượng của

các nút không dây để thu năng lượng từ xung quanh ( nặng

lượng mặt trời, rung động, năng lượng radio xung quanh,v.v.)

và chuyển nó sang điện để đảm bảo dung lượng hoạt động Từ

một quan điểm khác, hệ thống EH được chia làm 2 loại chính:

[2], [3]: a) HU (harvest-use) ở đó năng lượng không thể lưu

trữ và phải sử dụng ngay lập tức và b) HSU

(harvest-store-use) ở đó năng lượng thu hoạch được có thể được lưu trữ để

sử dụng cho tương lai

Hầu hết các công việc trong tài liệu với cấu trúc HSU

do áp dụng đáng kể/ lợi ích thương mại của họ Giả sử hệ

thống HSU có một thiết bị lưu trữ năng lượng tại các nút EH

và yêu cầu phải quản lý phù hợp của năng lượng lưu trữ Các nghiên cứu như [4] - [6] mô hình năng lượng pin như năng lượng đệm và phân tích chính sách truyền dẫn khác nhau cho các hệ thống truyền thông khác nhau và mục tiêu tối ưu hóa Mặt khác, hệ thống HU không có cơ chế để lưu trữ năng lượng thu hoạch và tham khảo các ứng dụng mà ở đó các nút trao đổi/ khuếch tán truyền một số gói tin ngắn (cảm biến mạng cho giám sát, vv) Tài liệu liên quan đến cấu trúc HU này rất hạn chế và chủ yếu là liên quan đến một số biện pháp triển khai phần cứng cho các ứng dụng cụ thể [1]; tổng quan về các công việc liên quan đến việc triển khai HU được trình bày trong [3] (và tài liệu tham khảo trong đó) Một thực hiện HU thú vị là hệ thống áp điện gắn trên giày thiết kế tại MIT Media Lab [7], trong đó năng lượng được thu hoạch qua việc đi bộ của con người

Mặt khác, việc phối hợp chuyển tiếp này là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để chống hiện tượng fading và tổn hao đường truyền trong các mạng không dây Truyền / nhận phối hợp giữa các nút của một mạng cung cấp lợi ích đáng kể (băng thông, năng lượng, độ tin cậy vv) và đã được nghiên cứu rộng rãi trong tài liệu trong những năm qua [8], [9] Hầu hết các công việc trên các mạng phối hợp giả sử chuyển tiếp half-duplex (HD) ở đó các nút chuyển tiếp không thể nhận và truyền dữ liệu trong cùng một tần số và thời gian [9] Những tiến bộ của công nghệ về anten và xử lý tín hiệu trong thời gian gần đây cho phép chuyển tiếp song công (FD) ở đó các nút chuyển tiếp có thể truyền và nhận đồng thời nhưng bị ảnh hưởng của can nhiễu từ đầu ra của thiết bị chuyển tiếp đến ngõ vào của thiết bị chuyển tiếp [10], [11] Phối hợp chuyển tiếp, đảm bảo sử dụng hiệu quả hơn về năng lượng thu hoạch và nghiên cứu như [12], [13] Kiểm tra tra tác động của nó dựa trên mạng HSU

Theo kiến thức của các tác giả không có bất kỳ tài liệu

về giao thức (protocol phối hợp hoặc không phối hợp) thiết kế cho hệ thống HU; nhận xét này thúc đẩy các công trình nghiên cứu trong bài báo này Trong công việc của chúng tôi, chúng tôi tập trung vào một hệ thống đơn giản gồm 2-hop (nguồn-relay-đích) [13], trong đó các nút chuyển tiếp sử dụng một kiến trúc HU cho EH Cho rằng các nút chuyển tiếp đòi hỏi một thời gian để thu hoạch năng lượng để thực hiện chuyển tiếp, HU giới thiệu một sự cân bằng cơ bản giữa thời gian EH

và thời gian giao tiếp Chúng tôi nghiên cứu này cân bằng cho

chuyển tiếp HD thông thường và chúng tôi lấy được một xấp

xỉ của thời gian phân chia tối ưu trong dạng đóng bằng cách

sử dụng các biểu thức dung lượng như một hàm mục tiêu Để

tăng cường hơn nữa hiệu suất hệ thống, một chuyển tiếp FD

cũng được nghiên cứu Một xấp xỉ của sự phân chia năng

lượng tối ưu cho một chuyển tiếp FD được đưa ra trong một

dạng đóng và chúng tôi cho thấy rằng FD làm tốt hơn đáng kể

HD Ngoài ra, một chương trình hybrid tự động chuyển mạch

giữa FD/HD được thảo luận Kết luận chính của bài báo này là

FD có vẻ là một công nghệ hấp dẫn và đầy hứa hẹn cho các

mạng phối hợp HU Phần còn lại của bài viết này được tổ

chức như sau Phần II giới thiệu các mô hình hệ thống

HU-based và các giả thiết cơ bản Phần III chương trình giảm với

các ứng dụng của chuyển tiếp HD và FD đến hệ thống HU

xem xét và đưa ra liên quan phân chia thời gian tối ưu Trong

phần IV, việc thực hiện các đề án khảo sát được định lượng

thông qua kết quả và Mục V kết luận bài báo

S

R

D

h

Fig 1 The system model S → R → D; the relay node employs a HU

architecture (the second antenna at the relay node is used for the FD case).

II MÔ HÌNH HỆ THỐNG Chúng tôi giả định một topo mạng ba nút đơn giản

gồm của một nguồn S, một chuyển tiếp nút R và một điểm

đến D Hình 1, sơ đồ mô tả các chế độ của hệ thống Một liên

kết trực tiếp giữa nguồn-đích là không có sẵn và thông tin liên

lạc có thể được kết nối chỉ có thông qua các nút chuyển tiếp

Tất cả các nút đều được trang bị với một ăng-ten (trong

trường hợp đó chuyển tiếp hoạt động ở chế độ FD, nó được

trang bị với hai ăng-ten, một cho truyền và một cho nhận)

Các nút nguồn luôn có dữ liệu để truyền (backlogged) và

truyền công suất cố định P0 Các nút chuyển tiếp không có

nguồn cung cấp năng lượng và thu hoạch năng lượng từ xung

quanh (năng lượng mặt trời, rung vv) để có thể chuyển tiếp tín

hiệu của nguồn Nó sẽ sử dụng một cấu trúc HU và do đó nó

trực tiếp chuyển đổi năng lượng thu hoạch với năng lượng

điện cho hoạt động mạch của nó Do phần cứng/mạch điện

hạn chế nút chuyển tiếp không thể đồng thời nhận/truyền dữ

liệu và năng lượng thu hoạch Giao tiếp được sắp xếp trong

khung thời gian của khoảng thời gian 1 đơn vị thời gian; mỗi khung được chia thành hai khe thời gian biến kích thước khe thời gian đầu tiên (thời hạn ω [n] cho khung n-thứ với ω0 <ω [n] <1,nơi ω0> 0 biểu thị thời gian tối thiểu có thể được giao cho EH và được kết hợp để hạn chế phần cứng) được sử dụng cho năng lượng thu hoạch trong khi lệnh thứ hai (thời hạn 1

-ω [n]) cho chuyển tiếp tín hiệu nguồn

Chúng tôi giả định rằng năng lượng ở khu vực xung quanh luôn luôn có sẵn với hệ số năng lượng biểu diễn bởi

công thức E(t) = δvà do đó e= ∫

0

T 1 E(t)dt=δTT biểu thị năng lượng thu hoạch cho một thời gian quan sát bằng T1 (thời gian làm sạch); phần năng lượng đủ để hoàn thành công việc Chúng tôi giả định rằng tất cả các năng lượng thu hoạch có thể được sử dụng cho truyền dẫn (chúng ta bỏ qua năng lượng tiêu thụ cho các hoạt động khác) và công suất phát tại nút chuyển tiếp phụ thuộc vào thời gian của thời gian truyền dẫn ví dụ: P

= e/T2 trong một thời gian truyền tải bằng T2 (truyền tải điện được giới hạn bởi năng lượng thu hoạch và năng lượng hạn chế đồng thời cũng sẽ không được giả định) Các nút chuyển tiếp sử dụng một Amplify-and-Forward (AF) chuyển tiếp và

có thể hoạt động hoặc trong HD hoặc trong chế độ FD; chi tiết liên quan đến hoạt động chuyển tiếp được đưa ra trong phần sau

Tất cả các kết nối không dây biểu diễn fading và phụ gia nhiễu Gaussian trắng (AWGN) Fading được giả định là tần số không chuyên biệt Rayleigh khối fading Điều này có nghĩa rằng các hệ số mờ không thay đổi trong một khung, nhưng thay đổi một cách độc lập từ một khung khác;f[n], g[n]

và h[n] biểu thị sự tăng công suất cho liên kết S → R, R → D and R → R (vòng can thiệp từ đầu ra tiếp sức cho các đầu vào tiếp sức cho các trường hợp vận hành FD), tương ứng, cho khung thời gian thứ n; phương sai cho liên kết i → j được kí hiệu bởi ❑ij2 Phương sai của AWGN được giả định là bình thường với số không đúng nghĩa, đơn vị Cuối cùng, chúng tôi giả định các kênh thông tin trạng thái toàn cầu (CSI) tại nút chuyển tiếp; một kênh thông tin phản hồi ngay lập tức CSI hỗ trợ giả định này [14]

III GIAO THỨC CHUYỂN TIẾP HU: SONG CÔNG VÀ BÁN SONG CÔNG

Trong phần này chúng ta nghiên cứu các ứng dụng của

HD và FD chế độ hoạt động cho hệ thống phối hợp HU

A Chuyển tiếp bán song công

Trong trường hợp HD nút tiếp không thể nhận và truyền dữ liệu đồng thời và thông tin liên lạc có thể được thực hiện trong hai khe thời gian trực giao và bình đẳng Do đó, các khe cắm thứ hai của mỗi khung thời gian được chia thành hai trực giao và bằng tiểu khe, một phụ khe để truyền nguồn và một tiểu khe cho chuyển tiếp truyền AF; dựa trên mô hình hệ

thống thời gian của mỗi tiểu khe bằng (1 - ω [n]) / 2 cho

khung thứ n Hình 2 (a) mô tả cấu trúc khung cho các trường

hợp HD Các vụ mùa tiếp sức e [n] = δω [n] (đơn vị năng

lượng) và được truyền tải qua một năng lượng P [n] = 2δω

[n] / (1 - ω [n]) do sự chuyển tiếp trực giao (sub-khe chia tăng

sức mạnh truyền tại nút relay) Bằng cách bỏ qua các chỉ số

khung hình, dung lượng kênh cho việc truyền tải thứ n được

cho bởi [8], [15]

2 0

HD

P fPg C

P f Pg

 

0 2

0

2

log 1

2

1





 

Từ biểu thức trên ta có thể thấy một sự đánh đổi thú vị

kết hợp với thời gian của khe EH: một thời gian EH còn làm

tăng năng lượng thu hoạch nhưng làm giảm thời gian dành

cho giao tiếp và ngược lại; ngoài ra, một ngắn hơn thời gian

giao tiếp làm tăng công suất phát tại nút chuyển tiếp và ngược

lại Một thiết kế hệ thống thích hợp có thể tối ưu hóa công

suất tức thời bằng cách điều chỉnh các tham số ω Cụ thể, các

bộ phận khung tối ưu được đưa ra bằng cách giải quyết các

vấn đề tối ưu hóa sau khi

Tx/Rx

Rx

Energy harvesting

Energy harvesting

Tx

1 /2 (a)

(b)

Hình 2 Frame structure for HU-based AF: (a) HD relaying,

(b) FD relaying

 

* arg axm C HD



(2)

  

Cho rằng các chức năng CHD (ω) là một hàm lõm của

ω, giá trị ω tối ưu * có thể được đưa ra bằng cách giải phương

trình ϑCHDCHD(ω)

ϑCHDω =0 Tuy nhiên, do sự phức tạp của biểu

thức tham gia, một hình thức đóng (và nói chung), giải pháp

của vấn đề tối ưu hóa không tốt; trong công việc này, giá trị ω

tối ưu * được tính bằng số bằng cách sử dụng công cụ tính

toán kỹ thuật tiêu chuẩn như Matlab và Maples Để đơn giản

hóa vấn đề tối ưu hóa và có thể cung cấp một xấp xỉ hình thức

đóng của ω *, chúng ta xem xét một xấp xỉ (chặt chẽ trên ràng

buộc) của (1) được cho bởi [16, Eq (6)]

'

HD

C      P f g

Xấp xỉ trên trong vấn đề tối ưu hóa của chúng tôi, cho phép một xấp xỉ hình thức đóng của ω * cho là

1 0

0

2 0

2 (2) 1

(2)

* ax[ , ],

( )

g Q m

P Q HD

HD m elsewhere

  

 

ax[ , ] for P

m

    

Với Q x( ) W (  x g 1) / exp(1)

1 0

1 2

P f

 



2

2 1 (2) 1

2 1 (2) 1

Q

  

 

Chúng ta ký hiệu W chức năng LambertW, nơi W (x) là giải pháp của W exp (W) = x Kết quả mô phỏng trong phần V xác nhận hiệu quả của xấp xỉ đề xuất

B Chuyển tiếp song công

Một bất lợi của HD chuyển tiếp (đối với các ứng dụng

cụ thể) là thời gian khe thời gian được giao cho EH được nén đáng kể để đảm bảo thời gian hiệu quả cho chuyển tiếp trực giao Động cơ chính cho FD chuyển tiếp là để đảm bảo một sự cân bằng tốt hơn cho thương mại-off cơ bản giữa EH thời gian

và thời gian giao tiếp Cụ thể hơn, trong trường hợp FD, nút chuyển tiếp có thể đồng thời nhận và truyền dữ liệu nhưng với chi phí của một can thiệp vòng lặp rò rỉ từ đầu ra tiếp sức cho các đầu vào tiếp sức FD chuyển tiếp cung cấp một nén của thời gian giao tiếp và do đó có thể phát hành thêm một thời gian để biết thêm EH và hiệu suất lợi ích tiềm năng Trong trường hợp này các tiểu khe thứ hai là không chia và đồng thời

hỗ trợ tiếp nhận dữ liệu và chuyển tiếp truyền Hình 2 (b) mô

tả cấu trúc khung cho các trường hợp FD Bằng cách mở rộng các biểu thức trong [11], dung lượng kênh cho việc truyền tải thứ n được cho bởi [15]

0 2 0

1 ( ) (1 ) log 1

1 1

FD

P f Pg Ph

Pg Ph



0

2

0

1 1

(1 ) log 1

1 1 1 1

P f

g h

P f

g h





 





 

Từ biểu thức trên ta có thể thấy rằng FD không bị các yếu tố trước khi ghi 1/2 liên quan đến việc truyền tải HD nhưng bị ảnh hưởng bởi một sự can thiệp vòng lặp đó là một chức năng của điện truyền tại nút chuyển tiếp Một cách tương đương với các thảo luận tại mục III-A, một thiết kế thích hợp chia tách các cấu trúc khung trong một cách tối đa hoá công suất kênh tức thời Các vấn đề tối ưu hóa được thể hiện như

 

*FD arg axm C FD



(7)   0 1

Giải pháp tối ưu được cung cấp bằng cách giải phương

trình ϑCHDCFD(ω)

ϑCHDω = 0; một biểu hiện hình thức đóng là

không thể và các giá trị tối ưu được tính bằng số Để có một

xấp xỉ hình thức đóng của thời gian phân chia tối ưu, chúng

tôi gần đúng các biểu hiện năng lực (6) như sau (gần biên

trên) [16, Eq (6)]

'

( ) 1 log 1 min[ ( ), ( )]

FD

(8)

Trong đó:

0

1( )

1 1

P f q

h



 





  và 2( )

1

q    g

  Bằng việc sử dụng xấp xỉ trên, vấn đề tối ưu hóa cho

2 0

*

 

(9)

ax[ , ] for P

m

Với

0

1

P f

 





(10)

2

  

 

Kết quả mô phỏng trong phần IV xác nhận tính chính

xác của xấp xỉ được đề xuất

Hình 3: Ergodic capacity versus P0 for optimal and approximated

time split HD* 1/ 3 and FD* 1/ 2 for constant time split,

S R R D R R

,   0 0.1,  20dB

0 10 20 30 40 50 60 0

1 2 3 4 5 6 7

P0(dB)

HD (optiamal)

HD (approximation)

FD (optiamal)

FD (approximation) Hybrid (optiamal) Hybrid (approximation)

HD (constant)

FD (constant) Hybrid (constant)

Hình 4: Ergodic capacity versus P0 for optimal and approximated

time split; HD* 1/ 3 and *FD 1/ 2 for constant time split,

S R R D R R

,  0 0.1,   30dB

C A hybrid scheme

A hybrid scheme đề án hỗn hợp tự động chuyển mạch giữa các HD và FD chuyển tiếp để sử dụng chế độ tối ưu tại mỗi khung thời gian Dựa trên CSI có sẵn, các nút chuyển tiếp quyết định về các chế độ vận hành tối ưu dựa trên so sánh thông số đơn giản Đề án hỗn hợp có thể được thể hiện như

,

arg ax [ m( m]

m HD FD



(11) trong đó m * biểu thị chế độ hoạt động tối ưu; các biểu hiện trên có thể được áp dụng cho

cả chính xác và các giá trị xấp xỉ của ω *

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

w

HD FD

HD with approximated w*

FD with with approximated w*

delta = 10dB

delta = 0dB delta = 20dB

Hình 5: Instantaneous capacity versus ω; f = 2.83, g = 0.5122, h = 0.91,  = {0, 10, 20} dB, P0=40 dB and  0 0.1.

IV CÁC KẾT QUẢ

Mô phỏng Monte Carlo được thực hiện nhằm đánh giá việc thực hiện các đề án điều tra Các môi trường mô phỏng theo

mô tả trong Phần II Các tiêu chí chất lượng thông qua là dung lượng ergodic (theo bit mỗi lần sử dụng kênh (BPCU)) được định nghĩa là công suất kênh trung bình trong số lượng lớn các kênh

Hình 3 và 4 thể hiện dung lượng ergodic so với công suất phát P0 của nguồn cho các đề án chuyển tiếp (chương trình

0 10 20 30 40 50 60

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

P0(dB)

HD (optiamal)

HD (approximation)

FD (optiamal)

FD (approximation) Hybrid (optiamal) Hybrid (approximation)

HD (constant)

FD (constant) Hybrid (constant)

AF-HD với tối ưu / xấp xỉ phân chia thời gian, chương trình

FD với tối ưu / xấp xỉ phân chia thời gian và hybrid

AF-HD / FD AFFD) Các mô phỏng thiết lập bao gồm

❑S , R2 = ❑R , D2 = ❑2R , R=1 và ω0 = 0.1 v EH v i à EH với ới δ = 20

dB and δ = 30 dB , tương ứng Việc thực hiện cho một phân

chia thời gian liên tục và đối xứng với ❑HD¿ = 1

3 và ❑FD

¿

= 1 2

được sử dụng để so sánh Các quan sát chính đầu tiên là tất cả

các giao thức hội tụ đến một tầng công suất do sức mạnh

truyền EH-dựa tại nút chuyển tiếp; tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu

(SNR) của hop thứ hai liên quan chặt chẽ với δ và do đó vẫn

không đổi như P0 → ∞∞ Vì nó có thể được nhìn thấy từ

các đường cong, AF-FD với i phân chia thời gian tối

ưu nhanh hơn so với i kế hoạch AF-HD và EH với đạt được

một hiệu suất công suất ergodic cao (tầng công

suất cao hơn) Các chế độ duplex FD cung cấp

một sự cân bằng tốt hơn giữa EH và EH với thời gian

truyền và EH với được giới i thiệu như là EH với một giải pháp

hiệu quả cho các hệ thống hợp tác xã HU Một

abservation chặt chẽ hơn của các đường cong

cho thấy AF-HD nhanh hơn so AFFD cho P0 thấp

và EH với nhận xét nà EH với y thúc đẩy các chương trình lai tự

động chuyển đổi giữa HD và EH với chế độ hoạt động

FD; các chương trình lai kết hợp các lợi ích từ cả

hai chế độ song công và EH với đạt được hiệu quả tốt

nhất cho tất cả các trường hợp (nó trùng với i

AF-FD tại P0 cao) Mặt khác, chúng ta có thể thấy

rằng hiệu suất đạt được bằng xấp xỉ hiệu quả

phân chia thời gian xấp xỉ với i hiệu suất được đưa

ra bởi các giải pháp chính xác của vấn đề tối ưu

hóa trong (2) và EH với (7); những quan sát nà EH với y xác

nhận phân tích của chúng tôi cho các phân chia

thời gian tối ưu Ngoà EH với i ra, chúng ta có thể thấy

rằng một phân chia thời gian tối ưu là EH với m giảm

đáng kể hiệu suất của hệ thống và EH với do đó tối ưu

nó là EH với một

0 10 20 30 40 50 60

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

P0(dB)

HD (optiamal)

HD (approximation)

FD (optiamal)

FD (approximation) Hybrid (optiamal) Hybrid (approximation)

Hình 6: Ergodic capacity versus P0; S R, R D, R R, 1,

0

P dB

  vấn đề quan trọng đối với i hệ thống xem xét Cuối cùng, một so sánh hai con số cho thấy rằng khi δ tăng hiệu suất của các giao thức được cải thiện đáng kể bởi vì năng lượng nhiều hơn có thể được thu hoạch

Hình 5 giao với các tác động của ω phân chia thời gian về việc thực hiện đạt được; chúng tôi tập trung vào một khung thời gian duy nhất với một thiết lập f = 2.83, g = 0.5122, h = 0.91, δ= {0, 10, 20} dB, P0 = 40 dB, ω0 = 0.1 và ta vẽ

đồ thị công suất kênh tức thời so với ω Vì nó có thể được nhìn thấy, sự biểu hiện năng lực là một chức năng lõm của ω và giá trị tối ưu của nó là mối quan tâm đáng kể để tối đa hóa hiệu suất hệ thống; các xấp xỉ tối ưu phân chia thời gian cho trong (2) và (7) xấp xỉ hiệu quả các giá trị tối ưu (tức là, các giá trị xấp xỉ rất gần đến mức tối đa của đường cong) Ngoài ra, nó

có thể được nhìn thấy rằng ❑FD¿ >❑HD¿ cho tất cả các trường hợp, bởi vì chế độ HD cần phải phân bổ ít thời gian hơn cho

EH do chuyển chuyển tiếp trực giao liên Cuối cùng, hình 6 thể hiện dung lượng ergodic so với P0 cho một mô phỏng thiết lập mà không có bất kỳ hạn chế trên ω (nghĩa là ω0 = 0) và một hồ sơ năng lượng với δ = P0 (các thông số mô phỏng khác cũng tương tự với những người trong hình 3) Có thể thấy rằng trong trường hợp này FD nhanh hơn so với HD mà không

bị một tầng công suất vào khoảng SNR quan tâm Điều đáng chú ý là như P0 → ∞, ta có ❑¿ → ∞0 cho c hai ch ả ế độ song

c ng v v th k t qu n y ch ph c v nh l m tô à EH với ì ế ế ả à EH với ỉ ục vụ như là một ục vụ như là một ư à EH với ộ

h u ch l thuy t r ng bu c.ữ í ý thuyết ràng buộc ế à EH với ộ

V KẾT LUẬN Bài viết này đã giải quyết với thiết kế của giao thức phối hợp cho các hệ thống EH nơi các nút chuyển tiếp triển khai một kiến trúc HU Dựa trên một cấu trúc liên kết ba nút

cơ bản, chúng tôi đã nghiên cứu phân chia thời gian tối ưu (giữa EH và chuyển tiếp truyền) cho cả AF với HD và AF với

FD bằng cách sử dụng công suất kênh như một hàm mục tiêu

Sự phân chia thời gian tức thời tối ưu đã được xấp xỉ trong hình thức đóng và một chương trình lai tự động lựa chọn chế

độ song công Chúng tôi đã chỉ ra rằng chế độ hoạt động FD cung cấp một sự cân bằng hiệu quả giữa EH và chuyển tiếp thời gian và là một giải pháp hấp dẫn cho các hệ thống phối hợp HU-based Các giao thức phức tạp hơn cho các hệ thống thông tin liên lạc với các đặc tính HU là một lĩnh vực nghiên cứu mới đầy hứa hẹn với nhiều tiềm năng cho các ứng dụng có dung lượng pin ít

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] A Khaligh, P Zeng, and C Zheng, “Kinetic energy harvesting using

piezoelectric and electromagnetic technologies,” IEEE Trans Ind.

Elect., vol 57, pp 850–860, March 2010.

[2] R Rajesh, V Sharma, and P Viswanath, “Information capacity of

energy harvesting sensor nodes,” in Proc IEEE Int Symp Inf.

Theory, Saint Petersburg, July 2011, pp 2363–2367.

[3] S Sudevalayam and P Kulkarni, “Energy harvesting sensor nodes:

survey and implications,” IEEE Commun Surv Tutor., vol 13, pp.

443-461, 3rd Quart 2011.

[4] J Jeon and A Ephremides, “The stability region of random multiple

access under stochastic energy harvesting,” in Proc IEEE Int Symp.

Inf Theory, Saint Petersburg, Russia, July 2011, pp 1796–1800.

[5] O Ozel, K Tutuncuoglu, J Yang, S Ulukus, A Yener, “Transmission

with energy harvesting nodes in fading wireless channels: optimal

policies,” IEEE J Selec Areas Commun., vol 29, pp 1732–1743,

Sept 2011.

[6] F Iannello, O Simeone, and U Spagnolini, “Medium access control

protocols for wireless sensor networks with energy harvesting,” IEEE

Trans Commun., vol 60, pp 1381–1389, May 2012.

[7] N S Shenck and J A Paradiso, “Energy scavenging with

shoe-mounted piezoelectrics,” IEEE Micro, vol 21, pp 30–42, May 2001.

[8] J N Laneman and G W Wornell, “Distributed space-time coded

protocols for exploiting cooperative diversity in wireless networks,”

IEEE Trans Inform Theory, vol 49, pp 2415–2425, Oct 2003.

[9] Z Ding, I Krikidis, B Rong, J S Thompson, C Wang, and S Yang,

“On combating the half-duplex constraint in modern cooperative

networks: protocols and techniques,” IEEE Wireless Commun., vol.

19, pp 20–27, Dec 2012.

[10] T Riihonen, S Werner, and R Wichman, “Optimized gain control for

single-frequency relaying with loop interference,” IEEE Trans.

Wireless Commun., vol 8, pp 2801–2806, June 2009.

[11] T Riihonen, S Werner, R Wichman, and E B Zacarias, “On the feasibility of full-duplex relaying in the presence of loop interference,”

in Proc IEEE Sign Proc Adv Wireless Commun., Perugia, Italy,

June 2009, pp 275– 279.

[12] B Medepally and N B Mehta, “Voluntary energy harvesting relays and

selection in cooperative wireless networks,” IEEE Trans Wireless

Commun., vol 9, pp 3543–3553, Nov 2010.

[13] I Krikidis, T Charalambous, and J S Thompson, “Stability analysis and power optimization for energy harvesting cooperative networks,”

IEEE Sign Proc Lett., vol 19, pp 20–23, Jan 2012.

[14] A Bletsas, A Khisti, and D P Lippman, “A simple cooperative

diversity method based on network path selection,” IEEE J Selec.

Areas Commun., vol 24, pp 659–672.

[15] V Prabhakaran and P R Kumar, “Communication by sleeping:

opti-mizing a relay channel under wake and transmit power costs,” in Proc.

IEEE Int Symp Inf Theory, Seoul, Korea, June 2009, pp 859–863.

[16] H A Suraweera, P J Smith, A Nallanathan, and J S Thompson,

“Amplify-and-Forward relaying with optimal and suboptimal transmit

antenna selection” IEEE Trans Wireless Commun., vol 10, pp.

1874– 1885, June 2011.