Trong luận văn nghiên cứu hiệu năng củagiao thức thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp dạng nềnvới các yêu cầu sau.. Lấy ý tưởng từ cấu trúc của thiết bị nhận TS
TỔNG QUAN
Tổng quan chung
Trong những năm 1990, khái niệm vô tuyến nhận thức bắt đầu được đề cập nhưng ít được các nhà khoa học quan tâm Đến khi ý tưởng vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm xuất hiện, một hội thảo vào năm 1998 tại Viện Công nghệ Hoàng gia ở Stockholm đã chứng kiến Joseph Mitola giới thiệu khái niệm vô tuyến thông minh và công bố nó vào năm 1999.
Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (Software-defined radio - SDR) tăng cường tính linh hoạt của các dịch vụ cá nhân thông qua một ngôn ngữ đại diện được coi là giao thức vô tuyến của thiết bị, phần mềm, sự lan truyền sóng trong môi trường, mạng lưới hạ tầng và các nhu cầu cũng như thiết lập của người dùng Ngôn ngữ này được hiện thực hóa thông qua lựa chọn phổ tần số dựa trên sự xem xét ảnh hưởng của không gian, thời gian và bối cảnh người dùng Chính khả năng này đã biến các nút chuyển tiếp và các tuyến đường cố định thành các nút chuyển tiếp thông minh tự động tìm phương thức cung cấp các dịch vụ mà người dùng mong muốn SDR là nền tảng để triển khai mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio).
Các mạch vô tuyến có kích thước vừa và nhỏ thường gặp hạn chế về nguồn pin liên quan đến tuổi thọ, chi phí, bảo trì, khả năng mở rộng và độ tin cậy; những nhược điểm này được khắc phục khi áp dụng phương pháp thu thập năng lượng không dây Thu thập năng lượng là quá trình khai thác năng lượng từ môi trường xung quanh để cung cấp nguồn cho các mạch vô tuyến, từ đó kéo dài thời gian hoạt động mà không cần cấp nguồn trực tiếp liên tục Năng lượng tồn tại ở nhiều dạng trong môi trường quanh thiết bị như nhiệt độ, ánh sáng, gió, sóng vô tuyến và có thể được thu thập bằng nhiều phương pháp để cấp nguồn cho các mạch không dây [2] Tuy nhiên, thu năng lượng từ sóng vô tuyến (RF) được xem là khả thi hơn trong nhiều trường hợp.
Chương 1: Tổng quan do sự tiện lợi từ việc tự cung tự cấp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến công suất thấp đã được phát triển mạnh trong thời gian gần đây cả trong công nghiệp lẫn trong nghiên cứu Đây là hướng phát triển cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong tương lai như nút mạng cảm biến không dây [3].
Có hai cấu trúc cơ bản của thiết bị nhận để thu năng lượng từ sóng vô tuyến: dạng chia công suất (Power Splitting – PS) và dạng chuyển mạch theo thời gian (Time Switching – TS) [4] PS cho phép phân chia tín hiệu RF giữa thu năng lượng và truyền thông, trong khi TS chọn thời điểm thích hợp để chuyển đổi giữa nhận năng lượng và xử lý dữ liệu, nhằm tối ưu hiệu suất tổng thể của hệ thống thu năng lượng từ sóng vô tuyến.
Trong thiết bị nhận sử dụng cấu trúc chia công suất (PS), một phần nhỏ năng lượng thu được được dùng để thu thập năng lượng, phần còn lại được dùng để thu thập thông tin từ tín hiệu nhận được Cấu trúc PS cho phép vừa khai thác năng lượng từ tín hiệu vừa truyền dữ liệu, giúp tối ưu hóa hiệu quả nguồn năng lượng và chất lượng thông tin Việc cân bằng giữa cấp nguồn và thu thập thông tin phụ thuộc vào tỷ lệ chia công suất và hiệu quả thu năng lượng của hệ thống, ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể và ứng dụng thực tế.
Thiết bị chuyển mạch theo thời gian (TS) hoạt động bằng cách dành một phần thời gian để thu thập năng lượng từ các bộ phát tín hiệu và phần thời gian còn lại để nhận tín hiệu và truy xuất thông tin, giúp tối ưu hóa cân bằng giữa cấp nguồn và truyền dữ liệu trong hệ thống truyền thông.
Nền tảng của sự cân bằng năng lượng thu và phát trong mạng không hỗ trợ chuyển tiếp (non-relay) nghiên cứu trong các mô hình [5].
Hệ thống thông tin truyền đồng thời năng lượng và thông tin đến thiết bị thu mang lại sự thuận tiện cho người dùng, nhưng thiết kế thiết bị đầu cuối vẫn còn gặp hạn chế lớn Hai dạng thiết bị thu thực tế dựa trên chuyển mạch thời gian (TSR) và chia công suất (PSR) đang được nghiên cứu để đánh giá khả năng thu thập năng lượng và tốc độ truyền dữ liệu.
Lấy ý tưởng từ cấu trúc của thiết bị nhận TS và PS, hai giao thức chuyển tiếp thu năng lượng mang tên TSR và PSR được đề xuất để khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu trong mạng dual-hop Năng lượng thu được từ tín hiệu RF được phân chia thành hai phần: một phần cấp nguồn cho mạch hoạt động và phần còn lại dùng để chuyển tiếp thông tin từ nút nguồn đến nút đích Các sai số thời gian trễ và giới hạn trễ được trình bày và phân tích trong [7].
Tình hình nghiên cứu đề tài
Vô tuyến nhận thức (Cognitive Relay – CR) là một công nghệ đầy hứa hẹn nhằm nâng cao khả năng sử dụng phổ tần một cách tối ưu Truyền thông từ điểm tới điểm trong mạng vô tuyến nhận thức (CR networks) đã được nghiên cứu từ lâu; tuy nhiên, các công trình gần đây chủ yếu tập trung vào truyền thông chuyển tiếp hợp tác để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của liên lạc Mô hình CR kết hợp nhận thức phổ với cơ chế truyền tải hợp tác, cho phép khai thác hiệu quả các dải phổ chưa được sử dụng và giảm thiểu gây nhiễu cho người dùng khác Nhờ đó, CR có tiềm năng tăng băng thông khả dụng, nâng cao chất lượng dịch vụ và tính phục hồi của mạng, đồng thời mở ra các ứng dụng mới cho truyền thông nhận thức.
Trong mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức, hiệu suất được thể hiện qua xác suất dừng, phản ánh khả năng truyền tin từ nguồn đến đích thông qua nhiều nút trung gian Nghiên cứu cho thấy xác suất dừng là thước đo quan trọng để đánh giá và tối ưu hóa định tuyến, từ đó cải thiện hiệu quả truyền tải, giảm độ trễ và tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống vô tuyến nhận thức.
Bài báo [9] đánh giá xác suất dừng của mạng chuyển tiếp nhận thức giữa các người dùng thứ cấp dựa trên mô hình nền (underlay approach) và vẫn tuân thủ các ràng buộc với người dùng sơ cấp, đồng thời cho thấy bậc phân tập của sự lựa chọn trong các mạng chuyển tiếp nhận thức mang đặc trưng tương tự như trong các mạng chuyển tiếp thông thường; các công trình được đề cập chủ yếu nghiên cứu một nút phát và một nút thu, và đối với nhiều nguồn phát của các mạng chuyển tiếp nhận thức, việc đánh giá thường dựa trên một ăng-ten và xác suất dừng được sử dụng làm tiêu chí đánh giá trong nghiên cứu [10].
Gần đây, dựa trên ưu điểm của hai khái niệm trên, việc thu thập năng lượng (Energy Harvesting – EH) đã được giới thiệu với các mạng vô tuyến nhận thức (CRN) Trong nghiên cứu [11], EH và Opportunistic Spectrum Access (OSA) được xem xét, trong đó OSA mô tả mô hình người dùng thứ cấp (secondary user) khai thác phổ của người dùng chính (primary user – PU) trong các khoảng thời gian PU không sử dụng để truyền dữ liệu Trong [12], trình bày nghiên cứu thông lượng trong một mạng CRN sử dụng phương pháp khuếch đại và chuyển tiếp (AF), được tối ưu hóa theo thời gian truyền và các ràng buộc năng lượng của mạng.
Trong [13], bài viết phân tích xác suất dừng (outage probability) của mạng thứ cấp không hỗ trợ chuyển tiếp, mạng này chia sẻ phổ và thu thập năng lượng từ các tín hiệu RF, đồng thời hỗ trợ truyền dẫn đến mạng sơ cấp (Primary Network – PN) Kết quả cho thấy mạng thứ cấp có thể thu được đủ năng lượng từ nguồn RF để truyền dữ liệu, từ đó duy trì hoạt động và đóng góp vào hiệu quả của hệ thống thông qua cơ chế chia sẻ phổ và năng lượng.
Chương 1: Tổng quan thông tin đến mạng sơ cấp cũng như truyền thông tin của chính nó Trong [14] nghiên cứu mạng vô tuyến không hỗ trợ chuyển tiếp sử dụng mô hình dạng nền (Underlay) của CR, một nút thứ cấp đồng thời truyền thông tin và năng lượng đến nhiều nút nhận SU bằng cách sử dụng phổ tần được chia sẻ từ người dùng sơ cấp.
Bài viết [15] cung cấp cái nhìn tổng quan về mạng thu thập năng lượng không dây, giới thiệu các kỹ thuật thu thập năng lượng và chỉ ra những vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến thiết kế Nó mô tả cơ chế hoạt động của mạng thu thập năng lượng không dây và so sánh các kỹ thuật thu thập năng lượng nhằm tối ưu hóa nguồn năng lượng và hiệu quả liên thông Bài viết tập trung phân tích ba nhóm mạng chính là mạng single-hop, mạng nhiều anten và mạng vô tuyến nhận thức, nêu bật những thách thức thiết kế đặc thù của từng loại như tối ưu hóa hiệu quả năng lượng, quản lý nguồn và khả năng thích nghi với phổ tần số Nhờ vậy, người đọc có cái nhìn tổng quan và có thể xác định kiến trúc phù hợp cũng như các hướng nghiên cứu tiềm năng trong lĩnh vực mạng thu thập năng lượng không dây.
Đề xuất giao thức thu thập năng lượng không dây cho mạng chuyển tiếp nhận thức có nhiều đầu thu ở mô hình Underlay cho phép nút thứ cấp vừa khai thác năng lượng từ mạng chính vừa chia sẻ phổ tần của mạng sơ cấp Trong khuôn khổ này, nút thứ cấp có thể thu năng lượng từ tín hiệu của mạng chính mà không làm hỏng chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp, nhờ kiểm soát công suất và giới hạn nhiễu Giao thức hướng tới tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng và băng thông bằng cách kết hợp hoạt động thu năng lượng và truy cập tần số trên nền tảng nhận thức.
Bài báo "Tối ưu hóa thu thập năng lượng trong mạng nhận thức hai chiều" công bố năm 2017 bởi S Singh, S Modem và S Prakriya phân tích hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức hai chiều có thu thập năng lượng theo giao thức chia công suất Bài viết trình bày cách tối ưu hóa nguồn năng lượng và hiệu suất truyền thông trong hệ thống nhận thức nhờ cơ chế chia công suất, đồng thời đánh giá tác động của thu thập năng lượng đối với chất lượng liên lạc và hiệu suất mạng Trong nghiên cứu gần đây, các tác giả mở rộng phân tích này để làm rõ ảnh hưởng của cơ chế chia công suất đến hiệu quả thu thập năng lượng và khả năng duy trì liên lạc trong môi trường mạng nhận thức.
Trong nghiên cứu này, hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng được phân tích bằng cách đề xuất một mô hình tích hợp giữa mạng sơ cấp và mạng thứ cấp Mô hình này cho phép vừa khai thác năng lượng từ nguồn vô tuyến vừa truyền thông tin giữa các nút, thông qua một giao thức phân chia công suất và các cơ chế quyết định dựa trên xác suất dừng Việc phân tích và đánh giá tập trung vào ảnh hưởng của xác suất dừng và cách phân bổ công suất lên hiệu quả thu thập năng lượng, chất lượng liên thông và hiệu suất tổng thể của hệ thống mạng nhận thức.
Trong khuôn khổ luận văn, chúng ta phân tích xác suất dừng và thông lượng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền có thu thập năng lượng Nghiên cứu tập trung phân tích công suất thu tại mạng thứ cấp dưới giới hạn công suất phát và can nhiễu tại mạng sơ cấp, từ đó đánh giá thông lượng của hệ thống khi nguồn phát thay đổi về khoảng cách và công suất phát đến mạng thứ cấp Kết quả cho thấy xác suất dừng và thông lượng phụ thuộc vào mức thu năng lượng và mức can nhiễu, đồng thời gợi ý cách tối ưu hóa tham số phát để cân bằng giữa khai thác năng lượng và hạn chế ảnh hưởng lên mạng sơ cấp Những phân tích này cung cấp khung tham chiếu cho thiết kế mạng vô tuyến nhận thức có thu thập năng lượng và giúp tối ưu thông lượng bằng cách điều chỉnh khoảng cách và công suất phát tới mạng thứ cấp.
Mục tiêu của đề tài
Thu thập năng lượng không dây là một giải pháp hứa hẹn cho các mạng không dây hạn chế về nguồn năng lượng Nghiên cứu khảo sát một giao thức thu thập năng lượng không dây dựa trên nền tảng mạng nhận thức chuyển tiếp với hệ thống đa người dùng sơ cấp (PU) Trong giao thức này, nút thứ cấp vừa nhận năng lượng từ mạng sơ cấp vừa chia sẻ phổ với mạng sơ cấp Để đánh giá các tham số tác động lên hệ thống đã trình bày, cần có một biểu thức xác suất dừng chính xác cho các nút mạng thứ cấp và có 3 vấn đề cần xem xét.
- Chỉ định công suất truyền cực đại tại nguồn thứ cấp (SS) và chuyển tiếp thứ cấp (SR).
- Ảnh hưởng can nhiễu của máy phát sơ cấp đến chuyển tiếp thứ cấp (SR) và đích đến thứ cấp (SD).
- Ảnh hưởng của đa người dùng sơ cấp đến hiệu năng của mạng.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi khảo sát tác động của hai dạng truyền delay-sensitive và delay-tolerant trên cùng một đường truyền nhằm thu thập các tham số khác nhau cho mô hình hệ thống thực tế Việc so sánh hai chế độ trên cùng một kênh truyền cho phép xác định các tham số hiệu suất như độ trễ trung bình, độ biến thiên độ trễ, tỷ lệ mất dữ liệu và mức độ đáp ứng QoS ở từng chế độ Kết quả cho thấy sự khác biệt rõ rệt về cách quản lý hàng đợi, phân bổ tài nguyên và chiến lược ghép kênh giữa delay-sensitive và delay-tolerant, từ đó cung cấp cơ sở dữ liệu tham khảo để mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống mạng thực tế Nghiên cứu này hỗ trợ thiết kế các hệ thống truyền thông và IoT, nơi yêu cầu thời gian thực và mức độ chịu đựng độ trễ khác nhau cần được cân nhắc trong mô hình hóa.
Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu
Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền, tìm hiểu về xác suất dừng.
Tìm hiểu mô hình truyền thông đa chặng cộng tác kênh truyền fading Rayleigh.
Phân tích và mô phỏng xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo ngưỡng ràng buộc công suất can nhiễu tại mạng sơ cấp.
Phân tích và mô phỏng xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo công suất phát của mạng sơ cấp.
Phân tích và mô phỏng xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo ngưỡng ràng buộc công suất can nhiễu tại mạng sơ cấp.
Phân tích và mô phỏng xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo công suất phát của mạng sơ cấp.
Đóng góp chính của luận văn
Nhìn chung, lĩnh vực mạng vô tuyến chuyển mạch nhận thức và hệ thống thu thập năng lượng không dây đã có nhiều công trình nghiên cứu, nhưng các nghiên cứu hiện nay đi theo các hướng riêng biệt Đóng góp chính của luận văn là thực hiện nghiên cứu mô hình truyền thông cho mạng này, nhằm làm sáng tỏ cơ chế điều khiển và tối ưu hóa quá trình truyền tải dữ liệu, đồng thời xem xét tích hợp chức năng thu thập năng lượng không dây để nâng cao hiệu quả và khả năng vận hành hệ thống.
Chương 1: Tổng quan thông đa chặng hợp tác M nút phát và N nút nhận dưới sự ảnh hưởng của fadingRayleigh và thực hiện mô phỏng để khảo sát và đánh giá hiệu năng cũng như thông lượng của hệ thống Phân tích, làm rõ các công thức toán để mô phỏng đánh giá hiệu năng của hệt thống Bên cạnh đó luận văn cũng đưa ra đánh giá xác suất dừng/thông lượng của mạng thứ cấp theo ngưỡng ràng buộc công suất can nhiễu, công suất phát tại mạng sơ cấp Ngoài ra luận văn phân tích và làm rõ hơn các công thức toán học.
Phương pháp nghiên cứu
Phân tích và nghiên cứu bài báo liên quan đến mục tiêu của đề tài.
Thực hiện mô phỏng trên Matlab bằng phương pháp Monte Carlo và phân tích đánh giá kết quả thu được.
Bố cục của luận văn
Luận văn gồm có 5 chương;
Đề tài nghiên cứu này cung cấp một tổng quan toàn diện về hiện trạng nghiên cứu trong nước và nước ngoài liên quan đến chủ đề được khảo sát, nhằm xác định khoảng trống khoa học và lý do nghiên cứu Nội dung nghiên cứu được trình bày rõ ràng, gồm các khía cạnh, biến số và mối quan hệ cần phân tích, đồng thời nêu rõ các phương pháp tiếp cận và phạm vi nghiên cứu sẽ được triển khai Đóng góp của đề tài được nhấn mạnh ở cả khía cạnh lý thuyết và thực tiễn, đem lại cơ sở lý thuyết mới, gợi ý các khuyến nghị thực tiễn và mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo cho cộng đồng khoa học và các bên liên quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết sẽ hệ thống hóa các khái niệm then chốt, các mô hình và các lý thuyết nền tảng có liên quan để làm nền tảng cho phương pháp luận và quá trình phân tích dữ liệu.
Chương 3: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền nêu các cơ sở lý thuyết liên quan đến đề tài đang thực hiện, gồm truyền thông hợp tác đa chặng, vô tuyến nhận thức và xác suất dừng Truyền thông hợp tác đa chặng cho thấy cách các nút mạng phối hợp để tối ưu hóa vùng phủ sóng và hiệu suất truyền tải giữa các liên kết trong điều kiện kênh biến động Mạng vô tuyến nhận thức cung cấp khung phân tích cho nhận diện và khai thác phổ một cách có kiểm soát, giảm thiểu can thiệp lên người dùng không triệt để và tăng hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến Xác suất dừng được dùng để mô hình hóa quyết định ngừng hoặc tiếp tục truyền dữ liệu trong quá trình truyền, từ đó hỗ trợ tối ưu hóa chiến lược truy cập và quản lý nguồn lực của hệ thống Bài viết xây dựng nền tảng cho các phân tích sâu về hiệu suất, tối ưu hóa và ứng dụng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ và độ tin cậy của hệ thống.
Bài viết trình bày mô hình nghiên cứu mạng vô tuyến nhận thức ở dạng nền và nêu rõ các tham số chính được sử dụng trong các bài toán mô phỏng Mô hình nền này cho phép đánh giá khả năng nhận diện kênh, quyết định cấp phát phổ và tối ưu hóa tài nguyên theo các kịch bản môi trường khác nhau Các tham số thiết kế bao gồm số lượng nút, mật độ mạng, dải tần, mức nhiễu, xác suất hoạt động và tần suất cập nhật thông tin, thời gian tồn tại của liên kết, cùng độ phức tạp tính toán của thuật toán quản lý phổ Việc triển khai mô phỏng được thực hiện trên các kịch bản thực tế nhằm đo lường hiệu suất, phân tích hiệu quả sử dụng năng lượng, độ tin cậy và chất lượng dịch vụ của mạng vô tuyến nhận thức trong điều kiện biến đổi của môi trường phổ Chương 4: Mô phỏng, phân tích và đánh giá trình bày chi tiết phương pháp mô phỏng, các chỉ số đánh giá và kết quả phân tích, từ đó rút ra những kết luận về hiệu suất, khả năng mở rộng và giới hạn của mô hình.
Kết quả mô phỏng được trình bày theo xác suất dừng của các hàm công suất ngưỡng ràng buộc tại đầu thu, cho thấy mối quan hệ giữa ngưỡng công suất, điều kiện dừng và hiệu suất hệ thống Công suất phát của mạng sơ cấp được xác định là yếu tố tác động lên mạng thứ cấp, từ đó ảnh hưởng đến thông lượng của toàn bộ hệ thống khi công suất phát thay đổi Các kết quả cho thấy thông lượng mạng thay đổi theo mức công suất phát, cho phép đánh giá tối ưu hóa giữa mạng sơ cấp và mạng thứ cấp trong quá trình thiết kế và vận hành.
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài
Tổng kết các kết quả mô phỏng, đưa ra đánh giá cùng với hướng phát triển tiếp theo của đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Kênh truyền
Kênh truyền là môi trường truyền thông tin giữa đầu phát và đầu thu, có hai dạng kênh truyền:
Kênh truyền hữu tuyến sử dụng các loại dây dẫn như dây cáp, cáp đồng trục và cáp quang Ưu điểm của kênh này là tín hiệu ổn định và ít bị ảnh hưởng bởi môi trường xung quanh, đảm bảo chất lượng truyền tải Tuy nhiên, nhược điểm là phải kéo dây từ nơi phát đến nơi nhận, gặp khó khăn về đường truyền và chi phí cao cho thi công và vận hành.
Kênh truyền vô tuyến sử dụng sóng điện từ để truyền thông tin, mang lại ưu điểm lớn là không cần đi dây từ điểm phát đến điểm thu và có tính linh hoạt cao trong việc truyền tín hiệu ở những địa hình phức tạp Tuy nhiên, kênh truyền vô tuyến có thể biến đổi từ đơn giản đến phức tạp và chịu ảnh hưởng lớn từ nhiễu từ môi trường xung quanh, làm giảm hiệu quả truyền tín hiệu Vì vậy, việc đánh giá và tối ưu hóa kênh vô tuyến trở nên quan trọng để duy trì chất lượng liên lạc trong các điều kiện địa hình và môi trường khác nhau.
Hình 2 1: Kênh truyền vô tuyến
Công suất của tín hiệu suy giảm theo phần LOS (Line Of Sight) và theo khoảng cách truyền dựa trên phương trình Friis [19].
G r và G t độ lợi của antenna thu và phát λ: bước sóng của sóng truyền d: khoảng cách từ đầu phát đến đầu thu L: hệ số suy giảm của hệ thống
Hệ số suy giảm khi truyền (PL: Path Loss) khi d >> λ:
Trong truyền thông, công suất thường được biểu diện ở dạng dB hoặc dBm do sự suy giảm thường theo hàm mũ Phương trình trên có thể được diễn tả lại như sau:
Trong đó P r (d 0 ) được đo bằng Watt d 0 là khoảng cách qui chiếu được chọn tùy môi trường (1m với môi trường trong nhà, 100m hoặc 1km với môi trường ngoài trời).
Trong thực tế, sự suy giảm năng lượng theo khoảng cách thường theo hàm mũ bậc β [19]:
hay PL ( d ) dB PL ( d ) 10 log
Hệ số β được thống kê như sau:
Bảng 2 1: Hệ số suy giảm trong các môi trường
Môi trường Hệ số suy giảm, β
Free – space 2 Đô thị 2.7 3.5 Đô thị với nhiều nhà cao tầng 3 5
Trong nhà có vật cản 4 6
2.1.2 Các mô hình kênh truyền cơ bản
2.1.2.1 Kênh truyền theo phân bố Rayleigh
Khi môi trường có nhiều thành phần tán xạ chúng ta có thể dùng mô hình kênh Rayleigh với hai biến Gauss ngẫu nhiên có trung bình bằng không và variance là σ 2 thì Z X 2 Y 2 có phân bố Rayleigh, đồng thời Z 2 có phân bố hàm mũ Nếu r I và r Q đều là biến ngẫu nhiên Gauss và có trung bình bằng không, variance là σ 2 , trong
Có phân bố Rayleigh như sau: z z 2
2 là công suất trung bình theo thời gian;
Z 2 có phân bố hàm mũ:
Hình 2 2: Hàm mật độ xác suất của phân bố Rayleigh
Trong thực tế, giá trị median thường được sử dụng khi phân tích dữ liệu Rayleigh fading vì dữ liệu thu thập từ các môi trường có độ fading không tuân theo một phân bố đặc biệt nào Việc dùng giá trị median thay vì giá trị trung bình giúp dễ dàng so sánh các phân bố fading khác nhau dù chúng có giá trị trung bình khác nhau Hình 2.2 minh họa hàm mật độ xác suất Rayleigh.
2.1.2.2 Kênh truyền theo phân bố Ricean
Ricean fading là mô hình biến đổi tín hiệu xuất hiện khi có sự kết hợp giữa truyền đa đường và đường truyền trực tiếp LOS Tín hiệu nhận được là tổng của một thành phần trực tiếp (LOS) ổn định và một tập hợp các thành phần sóng từ các đường tới bị phản xạ và tán xạ bởi môi trường xung quanh Thành phần LOS — tín hiệu truyền thẳng — đóng vai trò là thành phần biết trước trong tổng hợp tín hiệu nhận được, giúp mô hình hóa sự biến thiên cường độ và pha của tín hiệu khi các đường truyền đa đường giao thoa với nhau.
Theo [20] cho hàm phân bố xác suất Ricean như sau: z z
2 là công suất trung bình của thành phần không chứa LOS theo thời gian, s 2 là công suất của thành phần đường trực tiếp, I 0 là hàm Bessel bậc không ;
Công suất trung bình nhận được trong kênh truyền Ricean fading là : r
Thay vào chúng ta được s
Viết lại hàm phân bố Ricean theo K và P r như sau:
Khi K = 0, không có đường tín hiệu nhận trực tiếp khi đó phân bố Ricean trở thành phân bố Rayleigh.
Khi K thì phân bố Ricean trở thành phân bố Gauss.
Thành phần LOS của phân bố Ricean là thành phần tín hiệu tĩnh giúp giảm hiệu ứng fading. p(r) k = dB k = 6 dB
Phân bố Ricean được mô tả với hệ số k-factor (đo bằng decibel), trong đó giá trị điển hình là k ≈ 0 dB cho trường hợp Rayleigh và k ≈ 6 dB cho điều kiện có thành phần LOS nổi bật Khi k lớn (k ≫ 1), giá trị trung bình của phân bố Ricean xấp xỉ với phân bố Gaussian, cho thấy sự chi phối của thành phần đường thẳng trong tín hiệu Bên cạnh đó, bài viết còn trình bày kênh truyền theo phân bố Nakagami như một mô hình linh hoạt để mô tả sự biến thiên của tín hiệu trong nhiều điều kiện nhiễu và đa đường.
Trong một số trường hợp kênh truyền Nakagami bao gồm cả hai dạng kênh truyền trên lúc đó là kênh truyền Nakagami trở thành Nakagami-m.
Theo [20] biểu diễn hàm mật độ đường bao kênh truyền Nakagami-m.
Khi m = 0.5 thì phân bố Nakagami có dạng một nửa phân bố Gauss;
Khi m = 1 thì phân bố Nakagami trở thành phân bố Rayleigh; Khi m >
1 thì phân bố Nakagami trở thành phân bố Ricean;
2K 1 thì phân bố trên sắp sỉ là phân bố Ricean fading với tham số K Khi
P r m thì không có fading. công suất cho kênh Nakagami fading như sau:
Kênh truyền thông thường
Hình 2 4: Mô hình truyền dữ liệu thông thường
Xét quá trình truyền dữ liệu giữa nút phát T và nút nhận R, chúng ta dùng một mô hình suy hao đơn giản để mô phỏng tín hiệu nhận được tại R Theo mô hình này, tín hiệu nhận tại R là kết quả của tín hiệu phát bị suy hao bởi kênh và cộng thêm nhiễu nền Tín hiệu nhận được có thể được biểu diễn bằng công thức cơ bản y = h x + n, trong đó x là tín hiệu phát, h là hệ số suy hao của kênh và n là nhiễu Mô hình suy hao giúp phân tích ảnh hưởng của kênh lên chất lượng nhận và là cơ sở để thiết kế các biện pháp cải thiện độ tin cậy và hiệu suất truyền thông.
Trong công thức (2.14), Pmax là công suất phát tối đa của nút phát T; x là dữ liệu mà nút phát T muốn truyền đến nút nhận R; hT,R là hệ số kênh truyền giữa nút phát T và nút nhận R, cho biết mức suy hao và tác động của đường truyền lên tín hiệu; nR là nhiễu cộng tại bộ thu ảnh hưởng đến chất lượng nhận tín hiệu từ x Sự cân bằng giữa Pmax và các tham số x, hT,R, nR quyết định hiệu suất truyền thông giữa hai nút theo mô hình được nêu trong công thức (2.14).
Từ (2.14), tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu nhận được tại nút nhận R có thể được đưa ra như sau:
13 với N 0 là phương sai của n R (giả sử rằng phương sai của nhiễu cộng tại tất cả các máy thu đều bằng N 0 ), h là kênh Rayleigh fading h T , R
2 sẽ có phân bố mũ Hàm phân
T , R phối và hàm mật độ xác suất của h T , R
2 được cho trong công thức (2.16).
, d T , R là khoảng cách giữa T và R , và β là hệ số suy hao kênh truyền có giá
Vô tuyến nhận thức
Vô tuyến nhận thức là mô hình truyền thông không dây hiện đại nhằm tăng hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên phổ tần ngày càng khan hiếm Theo đó, nó cho phép đài phát có khả năng tận dụng lại cơ sở hạ tầng mạng vô tuyến hiện có trong khoảng thời gian người dùng chính không hoạt động Trong hệ thống này, người dùng thứ cấp phải nhận diện đúng các điều kiện về phổ tần để tối ưu hóa việc sử dụng phổ, trong khi vô tuyến nhận thức sẽ truyền tín hiệu của người dùng thứ cấp đồng thời với tín hiệu của người dùng chính trên cùng một phổ tần thông qua các chế độ nền (underlay), chồng (overlay) hoặc xen kẽ (interweave) mà vẫn không gây ảnh hưởng đến người dùng chính.
Joseph Mitola là người đề xuất những ý tưởng đầu tiên về vô tuyến được định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radio – SDR) Công nghệ SDR mô tả một hệ thống gồm tần số vô tuyến (RF) và một tuner được điều khiển bởi phần mềm, cho phép thay đổi chức năng của radio thông qua phần mềm mà không cần thay đổi phần cứng Các tín hiệu gốc được đưa vào bộ chuyển đổi tương tự – số (ADC) để lượng tử hóa, sau đó được giải điều chế trong một thiết bị có thể tự cấu hình như FPGA hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP).
Trong một bài viết của J Mitola và Gerald Q Maguire, Jr vào năm 1999, J.
Mitola định nghĩa vô tuyến nhận thức như sau:
Vô tuyến nhận thức là một bước tiến của SDR (Software-Defined Radio), cho phép hệ thống tự động thiết lập và điều chỉnh các thông số như băng tần, giao diện và giao thức vô tuyến Trong các môi trường biến đổi về không gian và thời gian, công nghệ này tối ưu hóa việc sử dụng phổ vô tuyến bằng cách nhận diện và thích nghi với điều kiện phổ, từ đó tăng hiệu quả truyền thông và giảm nhiễu Việc tích hợp vô tuyến nhận thức vào SDR giúp các thiết bị có khả năng thích nghi với dải tần linh hoạt, nâng cao hiệu suất mạng và tối ưu hóa khả năng truyền dẫn trong các hệ thống vô tuyến hiện đại.
Mạng sơ cấp Mạng thứ cấp
Hình 2 5: Mô hình mạng vô tuyến nhận thức 2.3.2 Mô hình kênh truyền trong vô tuyến nhận thức
Hình 2 6: Mô hình truyền dữ liệu trong vô tuyến nhận thức dạng nền
Trong vô tuyến nhận thức dạng nền, công suất truyền của nút phát T bị giới hạn bởi công thức sau:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trong công thức đã cho, I_max là mức can nhiễu tối đa do nút PR quy định; h_T,PR là kênh truyền Rayleigh fading giữa nút phát T của mạng thứ cấp và nút PR của mạng sơ cấp; và μ = I_max / P_max Thay (2.18) vào (2.15) cho ta biểu thức của tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu trong môi trường vô tuyến nhận thức ở dạng nền.
2.3.2.1 Mô hình vô tuyến nhận thức dạng xen kẻ (Interweave)
Trong mô hình chia sẻ phổ, người dùng thứ cấp chỉ được phép sử dụng các dải tần khi người dùng sơ cấp không hoạt động, và mạng thứ cấp khai thác các khoảng phổ trống của người dùng chính Khó khăn chính của mô hình này là phải nhận diện và xác định các phổ trống, đặc biệt khi mức sử dụng của người dùng sơ cấp tăng lên, đòi hỏi các thiết bị ở người dùng thứ cấp phải có độ linh hoạt cao Khi lưu lượng truyền của người dùng thứ cấp tăng lên, cần tìm thêm nhiều khoảng phổ trống hơn, dẫn tới giảm hiệu suất của người dùng thứ cấp trong chế độ truy cập xen kẽ.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Người dùng sơ cấp Người dùng thứ cấp
Hình 2 7: Mô hình các dạng vô tuyến nhận thức
1 2.3.2.2 Mô hình dạng nền (Underlay)
Trong mô hình hệ thống, người dùng thứ cấp phát tín hiệu ở công suất thấp hơn người dùng chính tại cùng thời điểm và trên cùng tần số, nhưng vẫn đảm bảo can nhiễu không vượt ngưỡng cho phép để bảo vệ người dùng chính Do đó, yêu cầu với thiết bị của người dùng thứ cấp khác so với mô hình interweave: bộ thu phát ở người dùng thứ cấp phải hoạt động với ngưỡng SNR rất thấp, dẫn đến công suất phát của mô hình này ở mức thấp nhằm duy trì chất lượng liên lạc và giảm thiểu can nhiễu.
1 Nguồn: https://www.intechopen.com/books/cognitive-radio-systems/cooperative-cognitive-systems
2.3.2.3 Mô hình dạng chồng (Overlay)
Trong mô hình này, người dùng thứ cấp dùng một phần công suất truyền tải để tăng cường tín hiệu cho người dùng sơ cấp, từ đó cho phép phân biệt tín hiệu của người dùng sơ cấp tại máy thu chính Nhờ đó, hệ thống đạt được tỉ lệ SNR cao hơn so với mô hình underlay, giúp nâng cao chất lượng truyền thông cho người dùng sơ cấp Tuy nhiên, nhược điểm của phương án này là độ phức tạp của bộ thu tăng lên và cần phải xác định được công suất phát cho cả tín hiệu sơ cấp và thứ cấp để tối ưu hóa hiệu suất toàn hệ thống.
2.3.3 Truyền thông vô tuyến nhận thức hợp tác mô hình Interweave
Trong truyền thông nhận thức, mô hình Interweave cho phép người dùng thứ cấp theo dõi hoạt động phổ của người dùng sơ cấp để thích ứng với những biến động của phổ Khi hợp tác diễn ra, người dùng thứ cấp có thể tận dụng thông tin phổ từ người dùng sơ cấp để tối ưu hóa việc sử dụng phổ và giảm nhiễu Ngược lại, nếu không có sự hợp tác, người dùng thứ cấp phải sử dụng các thuật toán phức tạp để theo dõi phổ tần của người dùng sơ cấp, đặc biệt khi phổ tần suất sử dụng liên tục thay đổi, đòi hỏi cập nhật và điều chỉnh liên tục Mô hình Interweave nhấn mạnh vai trò của sự hợp tác giữa các lớp người dùng nhằm đảm bảo hiệu quả và bền vững trong truyền thông nhận thức.
Khi hợp tác, người dùng thứ cấp và người dùng sơ cấp trao đổi thông tin về cảm nhận phổ, giúp người dùng thứ cấp dễ dàng nhận diện và khai thác các lỗ phổ Trong mô hình này, người dùng thứ cấp đóng vai trò thụ động: họ phát hiện lỗ phổ và truyền tín hiệu của mình, thúc đẩy quá trình tối ưu hóa sử dụng phổ và tăng hiệu quả truyền thông.
2.3.4 Truyền thông vô tuyến nhận thức hợp tác mô hình Overlay
Trong mô hình chia sẻ băng tần Overlay, người dùng sơ cấp cho phép người dùng thứ cấp truy cập tần số và nút phát thứ cấp đóng vai trò như một bộ chuyển tiếp relay cho các nút sơ cấp Sự hợp tác giữa hai lớp người dùng làm tăng hiệu năng của mạng sơ cấp đồng thời mở ra cơ hội cho các nút phát thứ cấp truyền tín hiệu của chúng tới các bộ thu thứ cấp mong muốn Để thực hiện, bộ phát thứ cấp ghép nối tuyến tính tín hiệu của bộ phát sơ cấp với tín hiệu nhận được từ bộ phát sơ cấp [22] Tuy nhiên, hiệu suất của mạng thứ cấp trong các phương án này vẫn bị giới hạn do nhiễu từ bộ phát sơ cấp lên bộ nhận thứ cấp và do sự phân chia công suất phát của bộ phát thứ cấp cho tín hiệu sơ cấp tại máy phát thứ cấp.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
2.3.5 Truyền thông vô tuyến nhận thức hợp tác mô hình Underlay Đây là mô hình truyền thông vô tuyến khá phổ biến hiện nay, người dùng thứ cấp có thể cùng sử dụng băng tần với người dùng sơ cấp, tuy nhiên mô hình này hạn chế về công suất phát nên hiệu suất của mạng không cao Mô hình truyền thông cộng tác được sử dụng để giúp cải thiện vấn đề về công suất phát.
Truyền thông cộng tác
Chuyển tiếp là một lớp mạng nhận thông tin từ nguồn phát và phát lại thông tin đến điểm tiếp theo; nó được xem như một kỹ thuật nâng cao độ tin cậy của dữ liệu từ điểm đầu đến điểm cuối, không chỉ đơn thuần tiếp nhận và truyền dẫn thông tin mà còn đảm bảo tính liên tục và ổn định của thông tin được truyền đi qua mạng.
Chuyển tiếp trong hệ thống truyền thông được phân làm hai loại chính là chuyển tiếp tái tạo và chuyển tiếp không tái tạo Với kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, tín hiệu tại nút chuyển tiếp được giải mã và tái xử lý nhằm tăng hiệu quả và chất lượng của quá trình chuyển tiếp Ngược lại, chuyển tiếp không tái tạo không xử lý tín hiệu tại nút mà vẫn chuyển tiếp tín hiệu nguyên gốc, nên tín hiệu đi ra có thể mang theo nhiễu Mặc dù chuyển tiếp không tái tạo kém hiệu quả hơn các phương pháp tái tạo, nó lại cho phép nhiều người tham gia trong truyền dẫn hợp tác vì người nhận ở nút chuyển tiếp không cần giải mã tín hiệu nguồn.
Chuyển tiếp song công cho phép thiết bị vừa nhận tín hiệu nguồn vừa thực hiện chuyển tiếp trên cùng một dải tần số, tối ưu hóa hiệu quả sử dụng băng thông và giảm độ trễ liên lạc Ngược lại, chuyển tiếp bán song công hoạt động theo cơ chế nhận tín hiệu từ nguồn trước rồi mới tiến hành chuyển tiếp đến đích, với thời gian tách biệt giữa nhận và truyền nhằm kiểm soát chất lượng liên lạc và tài nguyên phổ.
Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward – DF)
Kỹ thuật chuyển tiếp này là một dạng chuyển tiếp tái tạo, thực hiện quá trình chuyển tiếp qua các phương thức xử lý số tín hiệu Trong mô hình này, nút chuyển tiếp vận hành như một trạm lặp thông minh, tiến hành giải mã và giải điều chế tín hiệu nhận được từ nguồn ở khe thời gian truyền đầu tiên hoặc ở pha truyền đầu tiên Quá trình này giúp loại bỏ nhiễu, từ đó cải thiện chất lượng tín hiệu và độ tin cậy của hệ thống.
Hình 2 8: Kỹ thuật chuyển tiếp DF
Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF)
Mô hình này cho thấy nút chuyển tiếp chỉ khuếch đại tín hiệu nhận được từ nút nguồn, và quá trình khuếch đại chính là một biến đổi tuyến tính tại nút chuyển tiếp Amplify-and-Forward (AF) được biết đến như một mô hình chuyển tiếp không tái tạo và nó thực hiện các phương pháp xử lý tín hiệu tương tự cho tín hiệu, như được nêu trong tài liệu tham khảo [24].
Hình 2 9: Kỹ thuật chuyển tiếp AF
2.4.2 Ưu, nhược điểm của truyền thông cộng tác
Truyền thông công tác khai thác phân tập không gian và thời gian trong mạng vô tuyến nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống bằng cách tận dụng sự đa đường của kênh và biến thiên thời gian để tối ưu hóa phân bổ tài nguyên Phân tập không gian và thời gian tăng dung lượng kênh, cải thiện chất lượng liên lạc và độ tin cậy của hệ thống, đồng thời tối ưu hóa sử dụng phổ tần và năng lượng Lợi ích của phân tập kết hợp bao gồm tăng băng thông khả dụng, giảm nhiễu và độ trễ, tăng khả năng khôi phục tín hiệu trong điều kiện kênh biến đổi và phù hợp với các ứng dụng di động, mạng cảm biến và mạng vô tuyến công suất lớn.
- Giảm công suất một trạm phải truyền nhưng vẫn đạt hiệu quả vùng phủ sóng mong muốn
- Phối hợp với nhiều trạm phát làm dung lượng kênh Shanon được nâng cao.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
- Độ tin cậy của truyền dẫn được nâng cao hơn và vùng phủ sóng của mạng rộng hơn.
Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS trong các hệ thống truyền thống gặp thách thức khi người dùng ở rìa vùng phủ sóng hoặc bị ảnh hưởng bởi hiện tượng shadowing thường chịu giới hạn dung lượng Truyền thông cộng tác có thể khắc phục sự khác biệt về QoS và cung cấp QoS đồng đều cho nhiều người dùng.
Giảm chi phí đầu tư cơ sở hạ tầng xây dựng mạng là mục tiêu hàng đầu, và truyền thông cộng tác sử dụng tối đa nguồn tài nguyên của nhà mạng được xem như giải pháp tối ưu để đạt được điều này Bằng cách chia sẻ và khai thác hiệu quả các tài nguyên mạng, các bên có thể giảm thiểu chi phí triển khai, rút ngắn thời gian triển khai, đồng thời nâng cao chất lượng dịch vụ khi không có đủ cơ sở hạ tầng cần thiết Việc tối ưu hoá nguồn lực sẵn có giúp mở rộng phạm vi phủ sóng, cải thiện trải nghiệm người dùng và tăng sức cạnh tranh cho các nhà cung cấp, đồng thời tạo động lực cho sự đổi mới trong hạ tầng mạng thông qua hợp tác chiến lược.
Truyền thông cộng tác có thể là giải pháp giảm thiểu chi phí xây dựng, cung cấp các dịch vụ mạng trong nhiều trường hợp.
Truyền thông cộng tác mang lại ưu điểm nhưng sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến hơn so với truyền trực tiếp Các tài nguyên vô tuyến ở đây gồm khe thời gian, băng tần và các mã trải hoặc mã không gian thời gian được dùng để điều phối lưu lượng chuyển tiếp Những tài nguyên này cần được phân bổ hợp lý cho lưu lượng chuyển tiếp để bảo đảm hiệu quả Nếu không có sơ đồ phân bổ năng lượng hợp lý thì đường truyền cộng tác sẽ gây nhiễu, làm giảm hiệu suất của hệ thống.
Trong hệ thống truyền thông cộng tác, yêu cầu về điều khiển truy nhập, đồng bộ, lập lịch và bảo mật cao hơn nhiều so với hệ thống truyền thông truyền thống Việc quản lý truy cập chặt chẽ, đồng bộ hóa giữa các nút mạng và lên lịch phát sóng hiệu quả là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất cũng như tính tin cậy của mạng Bên cạnh đó, hệ thống cần được thiết kế để bảo vệ dữ liệu khỏi các rủi ro bảo mật và tấn công từ bên ngoài Do tín hiệu được phát chung trên cùng một băng tần, hệ thống truyền thông cộng tác có thể gây xuyên nhiễu cho đường truyền trực tiếp, vì vậy cần các biện pháp giảm nhiễu và quản lý phân chia tài nguyên kênh một cách tối ưu.
Trong truyền thông cộng tác, quá trình tiếp nhận và xử lý gói tin tại nút chuyển tiếp đóng vai trò then chốt trước khi dữ liệu được truyền đi Đối với các dịch vụ đòi hỏi thời gian thực như truyền hình hội nghị và video, cùng với các dịch vụ truyền thông đa phương tiện phổ biến ngày nay, độ trễ ở các bước xử lý tại nút chuyển tiếp được xem là yếu tố bất lợi rõ ràng và ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ.
Trong hệ thống truyền thông cộng tác, việc lên lịch cho lưu lượng không chỉ từ nút nguồn mà còn từ nút chuyển tiếp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất mạng Vì vậy, quá trình lập lịch trở nên phức tạp hơn và mức độ phức tạp này sẽ tăng lên khi có nhiều người dùng và nhiều nút chuyển tiếp tham gia mạng Để đạt được hiệu quả, cần xem xét đồng bộ các luồng dữ liệu từ nhiều nguồn, cân bằng tải và giảm độ trễ trong quá trình truyền thông.
MÔ HÌNH MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC DẠNG NỀN
Mô hình hệ thống
Hình 3.1 trình bày mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức nền, nơi tín hiệu từ SS truyền đến đích thứ cấp SD thông qua nút chuyển tiếp SR và sử dụng phổ tần của người dùng sơ cấp (PU) Mạng sơ cấp gồm N nút phát sơ cấp (PU tx) và M nút nhận sơ cấp (PU rx) Giả sử các PU phát tập trung quanh một điểm trung tâm và các PU nhận cũng nằm gần một điểm trung tâm [25], và do fading nặng nên SS và SD không có liên hệ trực tiếp; giao tiếp giữa SS và SD chỉ có thể thực hiện được qua SR [7] Cả SS và SR đều khai thác năng lượng từ tín hiệu RF của các máy phát PU.
Xét một hệ thống truyền thông có khả năng tích trữ và sạc lại năng lượng tại
Trong hệ thống, toàn bộ năng lượng thu được từ khe thời gian thu thập năng lượng được dùng để truyền thông tin [7] Lưu trữ sạc lại có thể là tụ siêu tụ hoặc pin sạc nhanh, có hiệu suất cao, nhằm hỗ trợ quá trình chuyển đổi giữa năng lượng thu thập và năng lượng dùng để truyền thông tin SN chia sẻ phổ với PN trong một mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, có nghĩa là người dùng thứ cấp có thể truyền đồng thời miễn là sự can thiệp tại PU không vượt quá mức ngưỡng đỉnh được biểu diễn bằng P_I Giả sử năng lượng cần để nhận/xử lý thông tin là không đáng kể so với năng lượng cần để truyền thông tin [6].
Hình 3 1: Mô hình thu thập năng lượng của hệ thống vô tuyến nhận thức dạng nền
Trong trường hợp giới hạn can nhiễu, can nhiễu chủ yếu đến từ bộ phát PU gây nhiễu cho SR và SD [10] Trong mô hình này, mọi kênh truyền có hệ số suy hao được xem là không đổi trong mỗi khối truyền tải, nhưng lại thay đổi độc lập giữa các khối khác nhau, giúp mô tả sự biến thiên điều kiện truyền dẫn theo thời gian.
Trong hình 3.1, hệ số fading từ SS và SR đến PU rx thứ i được ký hiệu lần lượt là g1,i và g2,i với i = 1,2, ,M; hệ số fading giữa các liên kết SS→SR và SR→SD được ký hiệu là h1 và h2; các hệ số fading từ PU tx đến SS, SR và SD được thể hiện là f1,j, f2,j và f3,j với j = 1,2, ,N; khoảng cách từ PU tx đến SS, SR và SD lần lượt là d1,j, d2,j và d3,j; khoảng cách từ SS và SR tới PU rx thứ i được biểu diễn bằng d4,i và d5,i; tương tự, khoảng cách giữa SS→SR và SR→SD được biểu thị lần lượt là d6 và d7 Độ lợi kênh giữa các đường truyền được phân tích dựa trên các tham số trên. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
, h 2 , g 2,i , f 1, j , f 2, j , f 3, j thông số được biểu thị ngắn gọn như sau , ,
1 2 1, i 1, j 2, j 1 là path-loss Giả sử độ lợi kênh truyền giữa nguồn phát PU đến SS và từ SR đến SD là đồng nhất v 1, j v 1 , v 2, j v 2 , v 3, j v 3 với j = 1, 2, …, M Tương tự liên kết từ
SS đến bên nhận PU cũng được giả sử như trên có độ lợi kênh đồng nhất 1, i 1 ,
Trong khe thời gian EH-IT dài T với tham số α thỏa 0 < α < 1, năng lượng thu được tại các nút SS và SR trong khe EH sẽ được lưu trữ (ví dụ siêu tụ hoặc pin nạp nhanh/hiệu suất cao) Sau khi thu thập xong, SS truyền thông tin tới SR trong khoảng thời gian β(1 − α)T, với 0 < β < 1, và SR tiếp tục truyền thông tin tới SD trong khoảng thời gian (1 − β)(1 − α)T Với β được chọn bằng 1/2.
(a) SS thu thập SS truyền thông tin năng lượng đến SR
(b) SR thu thập SR nhận thông tin SR truyền thông tin năng lượng từ SS đến SD αTT (1- αT)T/2 (1-αT)T/2
Hình 3 2: Khe thời gian thu thập xử lý tín hiệu và truyền phát tín hiệu
Kiểu kiến trúc chia thời gian (TS) được sử dụng để thu thập năng lượng ở SS và SR.
Tín hiệu nhận được tại SS từ các PU tx để thu thập năng lượng.
Do đó công suất nhận được tại SS từ các PU tx được tính như sau:
Năng lượng nhận được tại nút SS trong thời
(3 2) với hiệu suất chuyển đổi
Và năng lượng thu thập được tại nút SR được tính như sau:
Do đó công suất nhận được tại SR từ các PU tx được tính như sau:
(3 5) Năng lượng nhận được tại nút SS trong thời gian T với hiệu suất chuyển đổi năng lượng
Trong đó 0 < η