I. Tổng Quan Nghiên Cứu Giao Thức Thu Năng Lượng 5G Mới
Nghiên cứu về mạng truyền và nhận năng lượng từ sóng vô tuyến đang thu hút sự quan tâm lớn. Thu năng lượng vô tuyến (RF energy harvesting) được xem là giải pháp cho các mạng không dây, đặc biệt trong bối cảnh mạng 5G hướng đến năng lượng xanh cho mạng di động. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc sử dụng giao thức chuyển mạch dựa trên phân chia công suất (PSR) tại các nút chuyển tiếp để vừa thu năng lượng vừa truyền thông tin. Luận văn này đề xuất một mô hình cải tiến với nhiều nút chuyển tiếp, nhằm tăng cường khả năng lựa chọn nút tốt nhất và tối ưu hóa hiệu năng mạng. Theo Ali A. Nasir [4], mô hình một nút chuyển tiếp có hạn chế về chất lượng tín hiệu, mô hình nhiều nút chuyển tiếp sẽ giải quyết vấn đề này. Thông lượng tối ưu được xem xét dựa vào năng lượng RF thu được, một yếu tố then chốt trong thiết kế mạng.
1.1. Tổng Quan Về RF Energy Harvesting Cho Mạng 5G
Công nghệ RF Energy Harvesting (Thu năng lượng vô tuyến) là khả năng chuyển đổi tín hiệu vô tuyến thành năng lượng điện. Đây là một giải pháp đầy hứa hẹn cho các thiết bị không dây và mạng cảm biến, giúp kéo dài thời gian hoạt động. Mạng 5G đang hướng đến các tiêu chuẩn năng lượng xanh và thông minh hơn, giúp cho việc truyền tải năng lượng vô tuyến trở thành một kỹ thuật quan trọng để cung cấp năng lượng cho các mạng không dây trong tương lai.
1.2. Ưu Điểm Của Mô Hình Nhiều Nút Chuyển Tiếp 5G
Mô hình sử dụng nhiều nút chuyển tiếp (3 nút) giúp tăng khả năng chọn lựa nút tốt nhất cho việc truyền tín hiệu từ nguồn đến đích. Ưu điểm của kỹ thuật này là đề xuất mô hình mạng để vừa thu năng lượng của nguồn phát vừa truyền chuyển tiếp tín hiệu từ nguồn đến đích. Thông lượng tối ưu được xem xét dựa vào năng lượng RF thu được ở nút chuyển tiếp, sử dụng giao thức chuyển mạch dựa trên sự phân chia công suất PSR.
II. Vấn Đề Năng Lượng Thách Thức Cho Mạng 5G và IoT
Mạng không dây thường gặp vấn đề về năng lượng hạn chế, đặc biệt trong các mạng cảm biến không dây. Điều này ảnh hưởng đến thời gian hoạt động của mạng. Thu năng lượng từ tín hiệu 5G cho phép các thiết bị thu năng lượng từ sóng vô tuyến trong quá trình xử lý thông tin. Ứng dụng IoT 5G sẽ được hưởng lợi từ việc này. Truyền năng lượng qua RF mở ra nhiều ứng dụng tiềm năng như mạng cảm biến không dây và hệ thống sạc không dây. Sự phát triển của công nghệ điện từ hỗ trợ việc chế tạo mạch thu năng lượng vô tuyến RF. Nghiên cứu lý thuyết trong luận văn này cung cấp cơ sở cho các tính toán thiết kế nhằm tối ưu hiệu năng mạng thu năng lượng vô tuyến.
2.1. Hạn Chế Về Năng Lượng Trong Mạng Cảm Biến Không Dây
Các mạng cảm biến không dây thường có một nguồn năng lượng hạn chế, điều này ảnh hưởng đến thời gian hoạt động của mạng. Khả năng thu năng lượng từ sóng vô tuyến (RF) cho phép các thiết bị không dây thu năng lượng từ sóng vô tuyến trong quá trình xử lý thông tin và truyền tải. Truyền năng lượng qua RF mở ra rất nhiều ứng dụng tiềm năng, bao gồm mạng cảm biến không dây và hệ thống sạc không dây.
2.2. Ứng Dụng Của Giao Thức Thu Năng Lượng Trong IoT 5G
Giao thức thu năng lượng từ sóng vô tuyến có thể ứng dụng trong IoT 5G để giúp các thiết bị IoT hoạt động liên tục mà không cần thay pin thường xuyên. Điều này làm tăng tính khả thi và hiệu quả của việc triển khai các mạng IoT quy mô lớn. Năng lượng thu được sẽ giúp các thiết bị này hoạt động độc lập và kéo dài tuổi thọ, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của mạng lưới thiết bị kết nối internet.
III. Giải Pháp Giao Thức Thu Năng Lượng Vô Tuyến PSR Cho 5G
Luận văn này trình bày về giao thức thu năng lượng từ sóng vô tuyến và truyền chuyển tiếp thông tin từ nguồn đến thiết bị đầu cuối dựa trên giao thức thu năng lượng vô tuyến kiểu phân chia công suất (PSR) trong mạng truyền thông hợp tác EHCN sử dụng mô hình đề xuất nhiều nút chuyển tiếp. Các nút chuyển tiếp thu năng lượng từ nút nguồn, khuếch đại và truyền chuyển tiếp tín hiệu. Kỹ thuật này đầy hứa hẹn cho các thế hệ mạng viễn thông tiếp theo và thu hút nhiều nghiên cứu. Luận văn đóng góp mới bằng cách nghiên cứu mạng vô tuyến truyền năng lượng RF-EHNs và mạng truyền thông hợp tác EHCN.
3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Giao Thức PSR Trong Mạng 5G
Giao thức PSR (Power Splitting-Based Relaying) hoạt động bằng cách chia công suất thu được tại các nút chuyển tiếp thành hai phần: một phần để thu năng lượng và một phần để truyền thông tin. Điều này cho phép các nút chuyển tiếp hoạt động độc lập và truyền thông tin một cách hiệu quả. Nó cũng đề xuất mô hình mạng truyền thông hợp tác với ba nút chuyển tiếp, các nút chuyển tiếp thu năng lượng từ nút nguồn và khuếch đại tín hiệu và truyền chuyển tiếp tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích.
3.2. Tính Toán Thông Lượng Trong Mạng EHCN 5G
Luận văn tập trung vào tính toán năng lượng thu được tại nút chuyển tiếp và thông lượng đạt tại nút đích. Kết quả mô phỏng bằng Matlab cho thấy thông lượng đạt được tại nút đích của mô hình đề xuất thu được tốt hơn các công trình nghiên cứu trước đây. Đây là một đóng góp quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu năng của mạng truyền thông hợp tác thu năng lượng từ sóng vô tuyến.
IV. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Mô Phỏng Giao Thức 5G
Mô phỏng và đánh giá kết quả được thực hiện trong hai trường hợp: chỉ sử dụng một nút chuyển tiếp và sử dụng ba nút chuyển tiếp. Các thiết lập thông số mô phỏng được trình bày chi tiết. Kết quả cho thấy sử dụng nhiều nút chuyển tiếp mang lại hiệu quả cao hơn về thông lượng. Đề tài tập trung vào xây dựng công thức tính thông lượng tại nút đích của mô hình sử ba nút chuyển tiếp, ảnh hưởng của nhiễu đến thông lượng đạt được tại nút đích, so sánh mô hình đề xuất sử dụng ba nút chuyển tiếp mới so với mô hình sử dụng một nút chuyển tiếp của tác giả Ali A. Nasir trước đây[4].
4.1. So Sánh Hiệu Năng Giữa Một và Ba Nút Chuyển Tiếp 5G
Kết quả mô phỏng cho thấy việc sử dụng ba nút chuyển tiếp mang lại thông lượng cao hơn so với chỉ sử dụng một nút chuyển tiếp. Điều này chứng tỏ tính hiệu quả của mô hình đề xuất trong việc cải thiện hiệu năng của mạng truyền thông hợp tác thu năng lượng từ sóng vô tuyến. Đây là một kết quả quan trọng có thể ứng dụng vào việc thiết kế và triển khai các mạng 5G trong thực tế.
4.2. Ảnh Hưởng Của Nhiễu Đến Thông Lượng Trong Mạng 5G
Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của nhiễu anten và nhiễu của quá trình chuyển đổi tại nút đích. Kết quả cho thấy nhiễu có thể làm giảm thông lượng của mạng. Do đó, việc giảm thiểu nhiễu là rất quan trọng để đảm bảo hiệu năng của mạng truyền thông hợp tác thu năng lượng từ sóng vô tuyến, đặc biệt trong các môi trường có nhiều nguồn gây nhiễu.
V. Tiềm Năng và Hướng Phát Triển Giao Thức Thu Năng Lượng 5G
Luận văn kết luận về những gì đã đạt được và những vấn đề chưa giải quyết được. Hướng phát triển của đề tài bao gồm nghiên cứu sâu hơn về các giao thức thu năng lượng khác nhau, tối ưu hóa thiết kế mạch thu năng lượng và khảo sát các ứng dụng thực tế của mạng truyền thông hợp tác thu năng lượng từ sóng vô tuyến. Từ các nghiên cứu này có thể phát triển tiếp các hướng nghiên cứu khác nhau như tối ưu hiệu năng mạng, nghiên cứu ảnh hưởng của MIMO, Beamforming lên hiệu suất thu năng lượng.
5.1. Các Hướng Nghiên Cứu Mới Trong Lĩnh Vực Thu Năng Lượng 5G
Các hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này bao gồm việc khám phá các giao thức thu năng lượng tiên tiến hơn, chẳng hạn như SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer). Nghiên cứu sâu hơn về các kỹ thuật beamforming và MIMO để cải thiện hiệu suất thu năng lượng. Phát triển các giải pháp quản lý năng lượng trong mạng 5G hiệu quả.
5.2. Ứng Dụng Thực Tế Của Thu Năng Lượng Trong Mạng 5G
Ứng dụng thực tế của thu năng lượng trong mạng 5G bao gồm việc cung cấp năng lượng cho các cảm biến IoT, các thiết bị đeo thông minh và các thiết bị di động khác. Nghiên cứu cũng có thể tập trung vào việc phát triển các ăng ten thu năng lượng hiệu quả và các mạch chuyển đổi năng lượng tiên tiến để tối đa hóa hiệu suất thu năng lượng.
