Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ mạng không dây, đặc biệt là mạng 5G, việc cung cấp năng lượng hiệu quả cho các thiết bị đầu cuối trở thành một thách thức lớn. Theo ước tính, mạng 5G hướng tới tốc độ truyền tải dữ liệu từ 1 đến 10 Gbps, độ trễ chỉ còn 1 ms và khả năng kết nối hàng nghìn thiết bị trong cùng một vùng phủ sóng. Tuy nhiên, các thiết bị không dây như cảm biến, thiết bị IoT thường bị giới hạn bởi nguồn năng lượng pin, ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian hoạt động và hiệu suất mạng. Do đó, kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến (RF Energy Harvesting) được xem là giải pháp tiềm năng để cung cấp năng lượng xanh, bền vững cho mạng 5G.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá giao thức thu năng lượng vô tuyến dựa trên phương pháp phân chia công suất (Power Splitting-Based Relaying - PSR) trong mạng truyền thông hợp tác thu năng lượng (Energy Harvesting Cooperative Network - EHCN). Nghiên cứu tập trung vào mô hình mạng sử dụng ba nút chuyển tiếp để vừa thu năng lượng từ nút nguồn, vừa khuếch đại và truyền tiếp tín hiệu đến nút đích, nhằm tối ưu hóa thông lượng mạng. Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng và phân tích hiệu suất mạng trong môi trường kênh truyền Rayleigh phẳng, với các tham số được thiết lập phù hợp cho mạng 5G.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong mạng không dây, kéo dài tuổi thọ thiết bị và giảm thiểu sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng truyền thống. Kết quả nghiên cứu góp phần thúc đẩy ứng dụng công nghệ thu năng lượng vô tuyến trong mạng 5G, hỗ trợ phát triển các hệ thống mạng thông minh, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết mạng thu năng lượng vô tuyến (RF Energy Harvesting Networks - RF-EHNs) và lý thuyết mạng truyền thông hợp tác (Cooperative Communication Networks). RF-EHNs mô tả khả năng chuyển đổi tín hiệu sóng vô tuyến thành năng lượng điện, cung cấp nguồn năng lượng cho các thiết bị không dây trong mạng. Mạng truyền thông hợp tác sử dụng các nút chuyển tiếp để cải thiện chất lượng tín hiệu và tăng cường phạm vi phủ sóng.

Mô hình nghiên cứu sử dụng giao thức phân chia công suất (Power Splitting-Based Relaying - PSR), trong đó nút chuyển tiếp chia công suất tín hiệu thu được thành hai phần: một phần để thu năng lượng, phần còn lại để xử lý và truyền tiếp thông tin. Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • Nút nguồn (Source node): phát tín hiệu và năng lượng RF.
  • Nút chuyển tiếp (Relay node): thu năng lượng từ tín hiệu RF, khuếch đại và truyền tiếp tín hiệu.
  • Nút đích (Destination node): nhận tín hiệu truyền tiếp từ các nút chuyển tiếp.

Mô hình mạng sử dụng ba nút chuyển tiếp nhằm tăng khả năng lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, cải thiện thông lượng và độ tin cậy của mạng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mô hình lý thuyết và số liệu mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình mạng gồm một nút nguồn, ba nút chuyển tiếp và một nút đích, với các tham số kênh truyền Rayleigh phẳng và hệ số suy hao kênh phù hợp với môi trường mạng 5G.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng dựa trên các kịch bản khác nhau về khoảng cách giữa các nút, hệ số phân chia công suất và mức nhiễu anten, nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này đến thông lượng đạt được tại nút đích. Phân tích tập trung vào tính toán năng lượng thu được tại các nút chuyển tiếp, xác suất dừng (outage probability) và thông lượng (throughput) của hệ thống.

Timeline nghiên cứu bao gồm:

  • Thu thập và tổng hợp lý thuyết về RF-EHNs và mạng truyền thông hợp tác.
  • Xây dựng mô hình mạng với ba nút chuyển tiếp sử dụng giao thức PSR.
  • Phát triển công thức tính toán năng lượng thu được, xác suất dừng và thông lượng.
  • Thực hiện mô phỏng trên Matlab với các tham số khác nhau.
  • Phân tích kết quả và so sánh với mô hình sử dụng một nút chuyển tiếp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng thông lượng với mô hình ba nút chuyển tiếp: Kết quả mô phỏng cho thấy thông lượng đạt được tại nút đích trong mô hình sử dụng ba nút chuyển tiếp cao hơn đáng kể so với mô hình một nút chuyển tiếp. Cụ thể, thông lượng tăng khoảng 15-20% khi sử dụng ba nút chuyển tiếp, nhờ khả năng lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu và phân phối tải hiệu quả hơn.

  2. Ảnh hưởng của hệ số phân chia công suất (ρ): Thông lượng tối ưu đạt được khi hệ số phân chia công suất ρ dao động trong khoảng 0.3 đến 0.5, tức là khoảng 30-50% công suất tín hiệu thu được được sử dụng để thu năng lượng, phần còn lại dành cho truyền thông tin. Việc điều chỉnh ρ phù hợp giúp cân bằng giữa năng lượng thu được và chất lượng tín hiệu truyền tiếp.

  3. Ảnh hưởng của nhiễu anten và nhiễu chuyển đổi: Nhiễu anten và nhiễu trong quá trình chuyển đổi băng tần làm giảm thông lượng tại nút đích từ 5% đến 10%, tùy thuộc vào mức độ nhiễu. Mô hình đề xuất vẫn duy trì hiệu suất tốt hơn so với các nghiên cứu trước đây ngay cả khi có sự hiện diện của nhiễu.

  4. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa nút chuyển tiếp và nút đích: Khi khoảng cách tăng lên, thông lượng giảm do suy hao tín hiệu. Tuy nhiên, việc sử dụng đồng thời ba nút chuyển tiếp giúp giảm thiểu tác động này, duy trì thông lượng ổn định hơn so với mô hình một nút chuyển tiếp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc tăng thông lượng trong mô hình ba nút chuyển tiếp là do khả năng đa dạng hóa kênh truyền và lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của fading và nhiễu. So với nghiên cứu của nhóm tác giả Ali A. Nasir về mô hình một nút chuyển tiếp, mô hình này cải thiện đáng kể hiệu suất mạng nhờ sự phối hợp giữa các nút chuyển tiếp.

Kết quả mô phỏng có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa hệ số phân chia công suất và thông lượng, biểu đồ so sánh thông lượng giữa mô hình một nút và ba nút chuyển tiếp, cũng như bảng số liệu xác suất dừng dưới các mức nhiễu khác nhau.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp một giải pháp kỹ thuật khả thi để nâng cao hiệu quả thu năng lượng và truyền thông tin trong mạng 5G, góp phần phát triển các mạng không dây tiết kiệm năng lượng và bền vững.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hệ số phân chia công suất (ρ): Khuyến nghị các nhà thiết kế mạng điều chỉnh ρ trong khoảng 0.3-0.5 để cân bằng hiệu quả thu năng lượng và truyền thông tin, nhằm đạt thông lượng tối ưu trong mạng 5G. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và triển khai mạng.

  2. Triển khai mô hình nhiều nút chuyển tiếp trong mạng 5G: Khuyến khích áp dụng mô hình sử dụng ba hoặc nhiều nút chuyển tiếp để tăng cường độ tin cậy và thông lượng mạng, đặc biệt trong các khu vực có điều kiện kênh truyền phức tạp. Chủ thể thực hiện: các nhà cung cấp dịch vụ mạng và nhà sản xuất thiết bị.

  3. Giảm thiểu nhiễu anten và nhiễu chuyển đổi: Đề xuất nghiên cứu và phát triển các kỹ thuật lọc nhiễu và cải tiến thiết kế phần cứng để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu, nâng cao chất lượng tín hiệu truyền tải. Thời gian thực hiện: nghiên cứu và phát triển trong vòng 1-2 năm.

  4. Nâng cao hiệu suất thu năng lượng RF: Khuyến nghị phát triển các mạch thu năng lượng và anten có hiệu suất cao, phù hợp với dải tần số của mạng 5G, nhằm tăng lượng năng lượng thu được tại các nút chuyển tiếp. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mạng thu năng lượng vô tuyến và giao thức truyền thông hợp tác, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan.

  2. Các kỹ sư phát triển mạng 5G và IoT: Thông tin về mô hình mạng và giao thức PSR giúp tối ưu hóa thiết kế mạng, nâng cao hiệu suất và tuổi thọ thiết bị trong các hệ thống mạng không dây.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị thu năng lượng và anten: Nghiên cứu về thiết kế mạch thu năng lượng và kiến trúc bộ thu cung cấp cơ sở kỹ thuật để cải tiến sản phẩm, đáp ứng yêu cầu mạng 5G.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách công nghệ: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách phát triển mạng không dây tiết kiệm năng lượng, thúc đẩy ứng dụng công nghệ xanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giao thức PSR là gì và tại sao được sử dụng trong mạng thu năng lượng?
    Giao thức PSR (Power Splitting-Based Relaying) chia công suất tín hiệu thu được tại nút chuyển tiếp thành hai phần: một phần để thu năng lượng, phần còn lại để truyền thông tin. Điều này giúp nút chuyển tiếp vừa có năng lượng hoạt động, vừa duy trì chất lượng truyền thông tin, phù hợp với mạng thu năng lượng vô tuyến.

  2. Mô hình sử dụng ba nút chuyển tiếp có ưu điểm gì so với một nút chuyển tiếp?
    Mô hình ba nút chuyển tiếp tăng khả năng lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, giảm thiểu ảnh hưởng của fading và nhiễu, từ đó nâng cao thông lượng và độ tin cậy mạng so với mô hình một nút chuyển tiếp.

  3. Ảnh hưởng của hệ số phân chia công suất ρ đến hiệu suất mạng như thế nào?
    Hệ số ρ quyết định tỷ lệ công suất tín hiệu dùng để thu năng lượng. Nếu ρ quá lớn, năng lượng thu được nhiều nhưng tín hiệu truyền thông tin yếu; nếu quá nhỏ, tín hiệu mạnh nhưng năng lượng thu được ít. Giá trị ρ tối ưu thường nằm trong khoảng 0.3-0.5 để cân bằng hai yếu tố này.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu anten và nhiễu chuyển đổi?
    Có thể áp dụng các kỹ thuật lọc tín hiệu, cải tiến thiết kế mạch thu phát và sử dụng anten có độ lợi cao, đồng thời tối ưu hóa thuật toán xử lý tín hiệu để giảm thiểu tác động của nhiễu, nâng cao chất lượng truyền thông.

  5. Ứng dụng thực tế của mạng thu năng lượng vô tuyến trong mạng 5G là gì?
    Mạng thu năng lượng vô tuyến giúp cung cấp năng lượng cho các thiết bị IoT, cảm biến không dây, thiết bị y tế và các thiết bị di động trong mạng 5G, kéo dài tuổi thọ pin, giảm chi phí bảo trì và hỗ trợ phát triển các hệ thống mạng xanh, bền vững.

Kết luận

  • Đã xây dựng và mô phỏng thành công mô hình mạng truyền thông hợp tác thu năng lượng vô tuyến sử dụng ba nút chuyển tiếp với giao thức PSR, phù hợp cho mạng 5G.
  • Mô hình ba nút chuyển tiếp cải thiện thông lượng tại nút đích từ 15-20% so với mô hình một nút chuyển tiếp, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của fading và nhiễu.
  • Xác định được khoảng giá trị tối ưu của hệ số phân chia công suất ρ (0.3-0.5) để cân bằng hiệu quả thu năng lượng và truyền thông tin.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và chính sách nhằm nâng cao hiệu suất mạng thu năng lượng vô tuyến trong thực tế.
  • Hướng phát triển tiếp theo bao gồm nghiên cứu giảm thiểu nhiễu, cải tiến thiết kế mạch thu năng lượng và mở rộng mô hình cho nhiều nút chuyển tiếp hơn.

Để tiếp tục phát triển công nghệ này, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp nên tập trung vào tối ưu hóa thiết kế phần cứng và thuật toán truyền thông, đồng thời triển khai thử nghiệm thực tế trong môi trường mạng 5G. Hành động ngay hôm nay để góp phần xây dựng mạng không dây thế hệ mới, tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường.