đặt vấn đề, mục tiêu nghiên cứu, nhiệm vụ nghiên cứu, ý nghĩa khoa học, ứng dụng thực tiễn. - Chương 2 (tổng quan) trình bày các khái niệm có liên quan như kênh truyền vô tuyến, mạng vô tuyến nhận thức, kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến, bảo mật thông tin lớp vật lý (PLS) và các nghiên cứu liên quan. - Chương 3 phân tích và đánh giá hiệu năng PLS trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (UCRN) với thông tin kênh truyền fading Rayleigh không hoàn hảo và kênh truyền fading Nakagami-m. - Chương 4 phân tích hiệu năng PLS của giải pháp nâng cao hiệu năng - UCRN có thiết bị gây nhiễu hữu ích.
- Chương 5 phân tích hiệu năng PLS của UCRN thu thập năng lượng và giải pháp nâng cao hiệu năng - Mạng chuyển tiếp nhận thức dạng nền thu thập năng lượng. - Chương 6 (kết luận - kiến nghị) trình bày các kết quả đạt được của luận án và hướng nghiên cứu tiếp theo. Equation Chapter (Next) Section 1 4 CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN Chương này trình bày các kiến thức cơ sở về kênh truyền vô tuyến, nhiễu, vô tuyến nhận thức, thu thập năng lượng sóng vô tuyến, bảo mật lớp vật lý và các công trình nghiên cứu liên quan. Các kênh truyền vô tuyến Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền, nơi mà các tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu.
Không giống như các kênh truyền hữu tuyến có chất lượng ổn định và có thể dự đoán được, kênh truyền vô tuyến là ngẫu nhiên và không dễ dàng trong việc phân tích. Kênh truyền AWGN Kênh truyền AWGN (Additive White Gaussian Noise) là mô hình kênh truyền lý tưởng. Tín hiệu đi qua kênh truyền sẽ bị tác động bởi nhiễu Gaussian trắng cộng như Hình 2.1, làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu, giảm hiệu năng của hệ thống. Nhiễu này có phổ công suất phân bố đồng đều trong cả băng thông và biên độ tuân theo phân bố Gaussian.1: Tín hiệu cộng với AWGN 5 Kênh truyền fading 2.1 Định nghĩa fading Qua kênh truyền vô tuyến, các tín hiệu được phát đi bị cản trở bởi các tòa nhà, núi non, cây cối, …, bị phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ.
Các hiện tượng này được gọi chung là fading. Kết quả là máy thu thu được rất nhiều phiên bản khác nhau của tín hiệu phát, làm ảnh hưởng đến chất lượng thông tin. Hiện tượng fading trong một hệ thống thông tin có thể được phân thành hai loại: fading diện rộng (large-scale fading) và fading diện hẹp (small-scale fading). Fading diện rộng mô tả sự suy yếu của công suất tín hiệu trung bình hoặc độ suy hao kênh truyền do sự di chuyển trong một vùng rộng.
Hiện tượng này chịu ảnh hưởng bởi địa hình (đồi núi, rừng, các khu nhà cao tầng) giữa máy phát và máy thu, và vì thế, máy thu bị che khuất bởi các vật cản cao. Các thống kê về hiện tượng fading diện rộng cho phép ta ước lượng độ suy hao kênh truyền theo khoảng cách. Fading diện hẹp diễn tả sự thay đổi đáng kể về biên độ và pha tín hiệu. Điều này xảy ra do sự thay đổi nhỏ trong không gian (khoảng nửa bước sóng) giữa máy phát và máy thu.
Fading diện hẹp do hai nguyên lý: dàn trải thời gian (time-spreading) của tín hiệu và đặc tính thay đổi theo thời gian (time-variant) của kênh truyền. Đối với các ứng dụng di động, kênh truyền biến đổi theo thời gian là do sự di chuyển của máy phát và máy thu mà dẫn đến sự thay đổi đường truyền sóng.2 Kênh truyền fading Rayleigh Kênh truyền fading Rayleigh là một trong những kênh truyền phổ biến, được sử dụng nhiều trong tính toán thiết kế thông tin vô tuyến vì mô tả được trường hợp fading tương đối xấu của tín hiệu nhận được tại máy thu. Fading Rayleigh có nguồn gốc từ hiện tượng đa đường do khi tín hiệu truyền từ máy phát tới máy thu, nó bị phản xạ, phân tán và truyền qua nhiều đường khác nhau. Các tín hiệu này khi đến được máy thu có độ trễ và pha khác nhau dẫn tới tín hiệu nhận được tại máy thu sẽ bị suy giảm và biến đổi không đều theo thời gian.
Kênh truyền fading Rayleigh có thể được dùng để mô hình hóa kênh truyền trong khu vực đô thị. Nếu gọi htr là hệ số kênh truyền từ máy phát t đến máy thu r có fading Rayleigh thì htr 6 phân bố ngẫu nhiên Gausian phức đối xứng, được biểu diễn bằng htr ( 0, tr ). Trong đó, 0 là giá trị trung bình (mean) và tr = dtr− là độ lệch chuẩn (standard deviation) với là số mũ suy hao của đường truyền và dtr là khoảng cách giữa t và r 2 [9]. Khi đó, độ lợi kênh truyền htr có phân bố mũ.
2 - Hàm mật độ xác suất (PDF) của độ lợi kênh truyền htr là: x 1 − f h 2 ( x) = e tr , x0 (2.1) tr tr - Hàm phân phối tích lũy (CDF) của độ lợi kênh truyền được cho bởi x − Fh 2 ( x ) = 1 − e tr , x0 (2.2) tr PDF và CDF được dùng để tính hiệu năng hệ thống, từ đó có thể tối ưu hóa các thông số hệ thống nhằm đạt được hiệu năng tốt nhất.3 Kênh truyền fading Nakagami-m Kênh truyền fading Nakagami-m là kênh truyền fading tương đối tổng quát, được sử dụng để mô hình hóa các kênh truyền trong khu vực đô thị và nhiều kênh truyền vô tuyến trong thực tế như các kênh truyền trong vùng đồi núi, nơi tín hiệu truyền qua phải đối mặt với hiện tượng đa đường. Nếu gọi htr là hệ số kênh truyền từ máy phát t đến máy thu r có fading Nakagami-m thì htr được biểu diễn bằng cặp tham số ( mtr , tr ). Trong đó, mtr là mức độ trầm trọng fading và tr = mtr / tr với tr = dtr− là công suất fading. Khi mtr = 1 thì mô hình Nakagami-m sẽ trở thành mô hình Rayleigh; khi mtr 1 thì mức độ trầm trọng fading của kênh truyền fading Nakagami-m sẽ ít hơn so với kênh truyền fading Rayleigh; trong khi mtr 1 thì mức độ trầm trọng fading sẽ nhiều hơn so với kênh truyền fading Rayleigh.
- PDF của độ lợi kênh truyền gtr = htr 2 là tr f gtr ( x ) = xmtr −1e− tr x (2.) lần lượt biểu diễn cho các hàm Gamma và Gamma không đầy đủ dưới [10]. Trong thực tế, mtr có thể nhận các giá trị là các số thực. Tuy nhiên, để tính toán nhanh các kết quả, luận án chỉ khảo sát mtr với các giá trị nguyên dương. Từ đó, sử dụng công thức chuỗi của (.4) được viết lại thành: mtr −1 ( tr x ) t Fgtr ( x ) = 1 − e − tr x t! t =0 (2.5) Mạng vô tuyến nhận thức Mạng sơ cấp T R Máy phát Máy thu sơ cấp sơ cấp Máy phát Máy thu thứ cấp thứ cấp S D Mạng thứ cấp Hình 2.2: Kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức Mạng vô tuyến nhận thức là một loại mạng không dây thông minh có khả năng tự động cấu hình và tối ưu hóa các thông số mạng để đáp ứng các yêu cầu của ứng dụng và môi trường.
Kiến trúc CRN gồm hai mạng con là mạng sơ cấp (PN) và mạng thứ cấp (SN), như Hình 2. PN gồm máy phát sơ cấp (T) và máy thu sơ cấp (R), được cấp phát phổ tần để truyền thông. Trong khi đó, SN có máy phát thứ cấp (S) và máy thu thứ cấp (D), không được cấp phổ tần. SN được phép truy cập băng tần của PN để truyền thông tin sao cho vẫn đảm bảo được chất lượng dịch vụ của PN ở mức có thể chấp nhận được.
8 Mạng vô tuyến nhận thức có ba cơ chế hoạt động là nền (Underlay), phủ (Overlay) và đan xen (Interweave), trong đó mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (UCRN) được chọn để nghiên cứu trong luận án này do độ phức tạp khi hiện thực thấp [11]. Tuy nhiên, mạng này làm phát sinh can nhiễu lẫn nhau giữa PN và SN [12]. Do đó, can nhiễu này không thể bỏ qua trong quá trình phân tích. Ngoài ra, thiết kế các hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ mới (ví dụ 5G) gặp khó khăn do các yêu cầu bắt buộc như tốc độ truyền dữ liệu cao, bảo mật mạnh,.
Tuy nhiên, các công nghệ hiện đại như vô tuyến nhận thức và bảo mật lớp vật lý có thể đáp ứng phần nào các yêu cầu này. Thật vậy, với ưu điểm về hiệu suất sử dụng phổ cao thì mạng vô tuyến nhận thức có thể cung cấp tốc độ truyền dữ liệu cao trong tình trạng khan hiếm và thiếu phổ tần số vô tuyến như hiện nay. Kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến Thu thập năng lượng vô tuyến là một trong những kỹ thuật thu thập năng lượng đầy hứa hẹn, trong đó các sóng vô tuyến dành riêng hoặc tồn tại trong môi trường xung quanh được thu thập để cung cấp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến [13], [14]. Kỹ thuật này mang lại nhiều tiện ích như tiết kiệm năng lượng, tiện lợi và bền vững do không phải thay pin, giảm phát thải carbon, triển khai dễ dàng trong môi trường độc hại hoặc khó tiếp cận, … Có ba phương pháp thu thập năng lượng vô tuyến phổ biến: cảm ứng từ [15], cộng hưởng từ [16] và thu thập năng lượng sóng vô tuyến [17].
Hai phương pháp đầu dựa trên sự liên kết từ tính giữa hai cuộn dây hoặc hai vật kích, thông qua đó năng lượng được truyền. Do đó, các phương pháp cảm ứng từ và cộng hưởng từ truyền năng lượng vô tuyến gần vì suy giảm công suất rất lớn theo khoảng cách. Ngược lại, thu thập năng lượng sóng vô tuyến (RFEH) là một loại truyền năng lượng vô tuyến xa và do đó, phù hợp để áp dụng trong các tình huống di động và khoảng cách xa. Vì vậy, luận án này tập trung vào thu thập năng lượng sóng vô tuyến.
Bên cạnh đó, thông tin cũng được truyền bởi các sóng vô tuyến. Do đó, năng lượng và thông tin trong các sóng vô tuyến có thể được thu đồng thời tại các máy thu. Điều này được gọi là truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT). Công trình nghiên cứu ban đầu về SWIPT đã được thực hiện [18] và sau đó, đã được nghiên cứu và phổ biến rộng rãi [19].
Để đạt được truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời, tín hiệu nhận tại máy thu phải được sử dụng cho cả thu thập năng lượng và xử lý thông 9 tin. Có hai kiến trúc hoạt động phổ biến là chuyển mạch thời gian và phân chia công suất.