Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU Ở nước ta hiện nay các nghiên cứu về mạng truyền và nhận năng lượng từ sóng vô tuyến hay mạng truyền thông hợp tác truyền đồng thời thì bắt đầu thu hút được sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong nước, ở nước ta đây là hướng nghiên cứu mới. Trong khi đó trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về vấn đề truyền và thu năng lượng từ mạng vô tuyến sử dụng nhiều giao thức khác nhau như trong [1]. Xuất phát từ các đề xuất cho các giao thức thu năng lượng vô tuyến của nhóm tác giả Ali A. Nasir [4] đề xuất mô hình sử dụng một nút chuyển tiếp và giao thức chuyển mạch dựa trên sự phân chia công suất ở nút chuyển tiếp để nút chuyển có thể vừa thu được năng lượng từ nút nguồn đồng thời chuyển tiếp được thông tin từ nút nguồn đến nút đích.
Tuy nhiên, khi sử dụng một nút chuyển tiếp thì chất lượng mạng lưới phụ thuộc chất lượng tín hiệu tại nút chuyển tiếp. Luận văn này đề xuất mô hình sử dụng nhiều nút chuyển tiếp (3 nút chuyển tiếp) nhằm tăng khả năng lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất cho truyền tín hiệu từ nguồn đến đích. Ưu điểm cơ bản 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 và thông lượng tối ưu được xem xét dựa vào năng lượng RF thu được ở nút chuyển tiếp. Mô hình này sử dụng giao thức chuyển mạch dựa trên sự phân chia công suất PSR ở nút chuyển tiếp.
Luận văn đưa ra các công thức tính chính xác xác suất dừng và từ đó tính thông lượng hệ thống. Đây chính là điểm mới và là điểm khác biệt so với các công trình nghiên cứu trong các luận văn cao học thực hiện tại Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Hồ Chí Minh trước đây.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Mục đích của đề tài là nghiên cứu về mạng truyền và thu năng lượng từ sóng vô tuyến và về giao thức chuyển tiếp dựa trên sự phân chia công suất được sử dụng trong mạng truyền thông hợp tác hay trong mạng truyền và thu năng lượng từ sóng vô tuyến. 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].3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 1.1 Nhiệm vụ của đề tài Khảo sát về lý thuyết về mạng truyền và thu năng lượng từ sóng vô tuyến, giao thức chuyển tiếp dựa trên sự phân chia công suất PSR.
Đề xuất mô hình sử dụng nhiều nút chuyển tiếp để thu năng lượng từ nút nguồn và truyền chuyển tiếp thông tin từ nút nguồn đến nút đích. Xây dựng các công thức tính toán thông lượng đạt được tại nút đích. Mô phỏng bằng Matlab + Thông lượng đạt được ở nút đích. + Tìm giá trị tối ưu của hệ số phân chia công suất để thông lượng đạt được ở nút đích là lớn nhất.
+ Xem xét ảnh hưởng nhiễu của anten và nhiễu của quá trình chuyển đổi tại nút đích. + So sánh kết quả giữa khi sử dụng một nút chuyển tiếp và khi sử dụng nhiều nút chuyển tiếp để truyền chuyển tiếp thông tin từ nguồn đến đích thì cái nào tốt hơn.2 Giới hạn của đề tài Trong luận văn này tác giả trình bày mô hình hệ thống gồm có một nút nguồn, ba nút chuyển tiếp, một nút đích và các nút nguồn, nút đích, nút chuyển tiếp sẽ có một anten thu phát ở chế độ bán song công. Giả sử rằng không có đường truyền thẳng từ nút nguồn đến 2 nút đích mà các nút chuyển tiếp sẽ thu năng lượng từ nút phát và sử dụng năng lượng đó để truyền chuyển tiếp tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích do fading sâu. Trong mạng EHCN này, nút chuyển tiếp sẽ khuếch đại và truyền chuyển tiếp tín hiệu AF mà không sử dụng mã hóa rồi mới truyền chuyển tiếp DF.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Tìm các tài liệu, các công trình nghiên cứu có liên quan đến đề tài đang nghiên cứu để thu thập thông tin và cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc nghiên cứu.
Nghiên cứu về mạng vô tuyến thu năng lượng RF-EHN và mạng truyền thông hợp tác EHCN, giao thức thu năng lượng và chuyển tiếp dựa trên sự phân chia công suất PSR. Xây dựng mô hình mạng truyền thông hợp tác thu năng lượng từ sóng vô tuyến và truyền chuyển tiếp thông tin sử dụng nhiều nút chuyển tiếp ( ba nút chuyển tiếp). Sử dụng Matlab để mô phỏng các kết quả tính toán. 3 Chương 2 MẠNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ 5 VÀ MẠNG VÔ TUYẾN TRUYỀN NĂNG LƯỢNG 2.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN THẾ HỆ 5 ( 5G) Thế hệ mạng truyền thông thứ 5 hướng đến truyền tải dữ liệu tốc độ cao, tốc độ truyền tải hàng Ghz trở lên, giảm độ trễ của tín hiệu, tiết kiệm năng lượng, tăng khả năng phát của trạm gốc, cải thiện chất lượng dịch vụ cung cấp so với mạng 4G LTE.
Sự gia tăng không ngừng của các thiết bị di động thông minh cũng như các thiết bị có khả năng kết nối mạng (IoT – Internet of Things) như: đồng hồ đeo thay, kính thực tế ảo, cảm biến không dây, thiết bị theo dõi sức khỏe… Đặt ra yêu cầu cần phát triển một nền tảng mạng truyền thông mới để đáp ứng được các yêu cầu trên. Hiện nay thế hệ mạng truyền thông thứ 5 ( 5G ) vẫn đang được nghiên cứu và phát triển và chưa có một định nghĩa chính thức về mạng 5G.1 ta thấy được sơ đồ mạng vô tuyến thế hệ thứ 5.1: Sơ đồ của mạng vô tuyến thế hệ thứ 5[5] 4 Các mục tiêu đặt ra với mạng vô tuyến thế hệ thứ 5 + Tốc độ truyền tải dữ liệu thực tế từ 1- 10 Gbps cao hơn gấp 10 lần so với tốc độ truyền tải của mạng 4 G LTE hiện tại 150Mbps. + Độ trễ truyền dẫn của mạng là 1ms so với độ trễ của mạng 4G LTE là 10ms. + Băng thông lớn để giúp cho việc kết nối số lượng lớn các thiết bị trong một vùng một cách dễ dàng.
+ Cung cấp được nhiều loại kết nối đối với nhiều thiết bị khác nhau theo xu hướng IoT, mạng không dây thế hệ 5 (5G) cung cấp hàng nghìn kết nối các thiệt bị lại với nhau. + Đảm bảo tỷ lệ sẵn sàng kết nối của mạng là 99,999% + Đảm bảo độ phủ sóng liên tục và mọi lúc mọi nơi. + Nâng cao tuổi thọ pin: bằng cách giảm sự tiêu thụ năng lượng của các thiết bị đầu cuối thì quan trọng trong mạng vô tuyến 5G + Giảm sử dụng năng lượng 90% : sử dụng năng lượng xanh, năng lượng tái tạo, các công nghệ xanh đang được xem xét điều này còn quan trọng hơn là việc tốc độ truyền tải dữ liệu cao và kết nối tối đa các thiết bị lại với nhau. Do đó, truyền và thu năng lượng vô tuyến qua sóng RF trở thành một kỹ thuật hứa hẹn cho mạng vô tuyến 5G tương lai trong việc cung cấp năng lượng cho các thiệt mạng không dây.
Từ đây ta thấy được ứng dụng của giao thức thu năng lượng kiểu phân chia công suất trong mạng vô tuyến thế hệ tiếp theo ( mạng 5G).2: Định hướng năng lượng của mạng vô tuyến thế hệ 5[5] 5 2.2 TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN TRUYỀN NĂNG LƯỢNG Kĩ thuật truyền và thu năng lượng bằng sóng vô tuyến thì đã trở thành một phương pháp để cung cấp năng lượng cho các mạng di động tiếp theo trong tương lai. Công nghệ này thì đang được nghiên cứu và phát triển để cung cấp năng lượng một cách chủ động cho các thiết bị không dây. Nó sẽ thuận tiện trong việc hỗ trợ các ứng dụng với chất lượng dịch vụ cao. Khi chúng ta đi du lịch, hay đi công tác ở một nơi xa mà không cần mang theo bộ sạc cho điện thoại thông minh, máy tính bảng hay máy tính xách tay, không cần lo lắng về việc các thiết bị di động hết pin.
Mà chỉ cần một kết nối với mạng mà các thiết bị di động của chúng ta có thể truyền nhận thông tin và thu được năng lượng một các đồng thời để giúp cho các thiết bị di động hoạt động mà không lo lắng việc hết pin. Các tiến triển của việc nghiên cứu các mạng di động có khả năng truyền và thu năng lượng gọi là các mạng thu năng lượng bằng sóng vô tuyến (RF-EHNs). Tổng quan về kiến trúc hệ thống, kĩ thuật thu năng lượng và các ứng dụng hiện có. Cơ sở của việc thiết kế hệ thống mạng, cũng như việc triển khai mạng vào thực tế.
Xem xét các giao thức đặc biệt được sử dụng trong mạng RF-EHNs cũng như các vấn đề thiết kế quan trọng khác trong sự phát triển của mạng RF-EHNs theo các loại kiểu mạng khác nhau như: mạng đa truy cập, mạng nhiều anten, mạng chuyển tiếp, mạng vô tuyến nhận thức từ đó chúng ta sẽ hình dung ra một hướng nghiên cứu mở mà mọi người có thể tham gia để phát triển nó.1 LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU Trong những năm gần đây, có sự một sự bùng nổ trong trong nghiên cứu thu năng lượng từ số vô tuyến (RF), đó là khả năng chuyển đổi các tín hiệu vô tuyến (RF) thành thành năng lượng điện [1]. Nó trở thành một kỹ thuật hứa hẹn trong việc cung cấp năng lượng bắt buộc cho các mạng không dây. Thông thường các mạng không dây có một 6 năng lượng hạn chế, chẳng hạn trong các mạng cảm biến không dây, có một năng lượng giới hạn mà phần lớn nó đã kiềm chế hoạt động của mạng. Ngược lại thì một mạng thu năng lượng từ sóng vô tuyến (RF-EHNs) có một nguồn cung cấp năng lượng rất dồi dào từ môi trường sóng vô tuyến.
Do đó 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. Từ đó mở ra rất nhiều ứng dụng có thể thấy được như: mạng cảm biến không dây[2], hệ thống sạc không dây. Nhiều ứng dụng thu nặng từ sóng vô tuyến, sạc không dây ngày càng một phát triển và tổ chức Wireless Power Consortium (WPC) đang cố gắng để thiết lập tiêu chuẩn quốc tế cho kỹ thuật năng lượng từ sóng vô tuyến.