MỞ ĐẦU 1. Bối cảnh nghiên cứu Cùng với sự phát triển của ngành viễn thông và khoa học máy tính, hệ thống thông tin vô tuyến đã trải qua những bước phát triển vượt bậc cả về công nghệ phần cứng cũng như phần mềm. Kiến trúc hệ thống ngày càng hiện đại và tối ưu, đặc biệt là hệ thống thông tin tế bào và mạng cảm biến không dây. Sự phát triển đó dẫn đến việc triển khai nhiều thiết bị đan xen lẫn nhau về không gian và thời gian [1,2].
Do vậy, trong không gian vô tuyến xác định1 , sẽ có nhiều nguồn bức xạ năng lượng điện trường đến với thiết bị. Tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng bức xạ này trước đây chưa được quan tâm một cách đầy đủ, nhưng trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật thu thập năng lượng từ nguồn bức xạ đó. Đây là một kỹ thuật mới để kéo dài thời gian hoạt động cho các thiết bị có nguồn năng lượng cung cấp hữu hạn. Phương pháp truyền thống cấp nguồn cho các thiết bị hoạt động là kết nối với mạng điện lưới.
Trong một số trường hợp, cấp nguồn bằng điện lưới không thể thực hiện được, một biện pháp đảm bảo cấp nguồn thay thế để duy trì hoạt động là sử dụng pin. Nhưng hạn chế của biện pháp này là nguồn pin sẽ suy giảm theo thời gian và tỷ lệ cấp nguồn cho thiết bị. Có thể khắc 1 Được hiểu theo khu vực địa lý, trong các phạm vi có nguồn năng lượng vô tuyến bức xạ 1 luan an 2 phục điều này bằng cách thay thế hoặc nạp lại định kỳ, dẫn đến chi phí cao và trong một số trường hợp thực hiện gặp nhiều khó khăn, nguy hiểm. Đây chính là động lực thôi thúc để các nhà khoa học trả lời câu hỏi: Từ đâu, và bằng cách nào để có thể bổ sung năng lượng thiếu hụt cho thiết bị điện tử?.
Thu thập nguồn năng lượng vô tuyến bức xạ đến thiết bị là một biện pháp đầy hứa hẹn, như là một công cụ tiên phong để bổ sung năng lượng cho các thiết bị điện tử mà ở đó yêu cầu nguồn cung cấp nhỏ (cỡ µW đến mW ). Đặc biệt cung cấp cho các thiết bị cảm biến, mạng thông tin cơ thể, các thiết bị giám sát ở vùng sâu/vùng xa. Sự thành công của việc nghiên cứu cách thức khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này trong tương lai sẽ tạo ra sự trải nghiệm vượt trội cho người dùng thiết bị di động vì giải phóng họ khỏi sự phụ thuộc vào việc cấp nguồn được coi là kém thuận tiện như hiện nay. Để khẳng định nghiên cứu này là khả thi, chúng ta hãy ngược dòng lịch sử với các phương thức thu thập năng lượng trước đây.
Vào khoảng thế kỷ thứ IX, thu thập năng lượng gió để chuyển thành cơ năng đã xuất hiện, tiếp theo đó thu thập năng lượng mặt trời để chuyển thành điện năng phục vụ cho nhu cầu của con người cũng được triển khai. Đây là những nguồn năng lượng vô tận, sạch, vĩnh cửu; nhưng sự cồng kềnh, chi phí cao không thể áp dụng vào các thiết bị di động kích thước nhỏ. Dung lượng các thiết bị lưu trữ năng lượng không thể vô cùng lớn để lưu trữ một lần rồi sử dụng vĩnh viễn. Hơn nữa các nguồn năng lượng từ môi trường tự nhiên phụ thuộc rất nhiều vào thời gian xuất hiện của mặt trời và hướng gió dẫn đến hoạt động thu thập sẽ bị gián đoạn theo thời gian.
Thêm vào đó, do ra đời đã lâu và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nên thu thập năng lượng từ mặt trời, gió, các loại năng lượng từ sự hóa thạch, sự chuyển động và các hiện tượng vật lý luan an 3 khác đã không còn là vấn đề mang tính thời sự. Năm 2008 tại Hội nghị Quốc tế về Lý thuyết Thông tin ở Canada (ISIT 2008), Lav R. Varshney đã trình bày chủ đề về biến đổi đồng thời năng lượng vô tuyến và thông tin [3]. Một điều thật đáng tiếc ý tưởng này đã không được quan tâm đúng mức trong những năm sau đó.
Như một lẽ tự nhiên của sự phát triển, khi nhu cầu năng lượng đảm bảo cho các thiết bị điện tử, các hệ thống vi điều khiển, thiết bị cảm biến trở nên bức thiết, kết hợp với thí nghiệm thành công của giáo sư Manos Tentzeris vào năm 2012 về biến đổi thông tin và năng lượng đồng thời thì ý tưởng được trình bày trước đây của Lav R. Varshney mới thực sự được quan tâm. Trong vài năm trở lại đây, các nghiên cứu về biến đổi năng lượng và truyền tín hiệu đồng thời là chủ đề được nghiên cứu sôi động của cộng đồng các nhà khoa học. Các kết quả nghiên cứu không chỉ dừng lại việc công bố lý thuyết mà còn có các sản phẩm thí nghiệm đã thành công [4–6].
Bên cạnh đó, mạng 5G (5G: Fifth Generation) sẽ được triển khai vào năm 2020, như một hệ quả hiển nhiên là nhu cầu phổ tần sẽ tăng đột biến. Để đáp ứng nhu cầu đó thì các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ đã và đang được thực hiện, như công nghệ vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), kỹ thuật truyền dẫn song công (FD: Full-Duplex), đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal Frequency-Division Multiple Access). Nhưng quá trình ứng dụng những kỹ thuật này đã bộc lộ những hạn chế cần phải được khắc phục bằng các giải pháp kĩ thuật mà không được làm thay đổi cấu trúc hoặc quy hoạch mạng đã triển khai. Sự phát triển là nguyên lý tất yếu để khắc phục những hạn chế đã bộc lộ, do đó ý tưởng sử dụng kĩ thuật đa truy nhập không trực giao thay thế cho các kỹ thuật đa luan an 4 truy nhập trực giao đã được nghiên cứu trong vài năm trở lại đây.
Nhằm cải thiện phạm vi phủ sóng mà không tăng công suất phát là nền tảng của ý tưởng triển khai các mạng truyền thông hợp tác trong vài thập kỉ qua. Các mô hình mạng chuyển tiếp đã được triển khai ứng dụng và cho thấy hiệu quả vượt trội của nó so với các hệ thống truyền thông điểm-điểm. Luận án được nghiên cứu trong bối cảnh nhu cầu kết nối tăng vọt. Đặc biệt khi các thiết bị điện tử kích thước nhỏ được sử dụng để thay thế hoạt động trực tiếp của con người, mạng cảm biến không dây và mạng thông tin quanh cơ thể được triển khai.
Nhằm mục đích cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng cho các thiết bị Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of Things), đồng thời cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần vốn được coi là hạn chế như hiện nay. Do đó, phương thức đa truy nhập không trực giao sẽ thay thế cho đa truy nhập trục giao sẽ được áp dụng. Trên cơ sở các công bố khoa học trước đây, nghiên cứu sinh tiếp tục đề xuất các mô hình mới, dựa vào phân tích giải tích và mô phỏng Matlab để kiểm chứng hệ thống. Đây là phương pháp tin cậy được các nhóm nghiên cứu trên thế giới và trong nước áp dụng.
Tuy nhiên, trong thời điểm hiện tại các nhà khoa học trong nước nghiên cứu về ứng dụng thu thập năng lượng vô tuyến và kỹ thuật đa truy nhập không trực giao chưa nhiều, điều kiện thí nghiệm và kiểm tra kết quả đề xuất trên phần cứng thực tế chưa thể triển khai. Các công trình nghiên cứu liên quan Để bổ sung những nội dung nghiên cứu về thu thập năng lượng vô tuyến và kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, trong phần này NCS trình bày các kết quả nghiên cứu đã đạt được trên thế giới cũng như trong nước đối luan an 5 với hai kỹ thuật đầy hứa hẹn này. Từ đó để thấy được những đóng góp khoa học cũng như những vấn đề chưa được giải quyết để luận án hướng tới giải quyết một phần những tồn tại của các công trình trước đây. Tính đến thời điểm bắt đầu thực hiện đề tài, các công trình công bố về hệ thống vô tuyến có ứng dụng thu thập năng lượng đã có nhiều giao thức, kịch bản và mục tiêu khác nhau được đề xuất.
Trong luận án này chỉ tập trung khảo sát các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp có ứng dụng thu thập năng lượng vô tuyến và các mô hình ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, làm cơ sở để NCS đề xuất các mô hình trong luận án.1 Các nghiên cứu thu thập năng lượng vô tuyến Hiện tại, việc nghiên cứu thu thập năng lượng vô tuyến không chỉ thực hiện ở các hệ thống điểm-điểm mà còn được nghiên cứu trong các mạng chuyển tiếp và hệ thống hợp tác đa người dùng. Năm 2013, công trình [7] lần đầu tiên nghiên cứu ứng dụng thu thập năng lượng vô tuyến (RF: Radio Frequency) ở giao thức chuyển tiếp đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO: Single Input-Single Output). Trong công trình này Nasir và cộng sự đã đề xuất sử dụng hai kĩ thuật thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp đó là kỹ thuật chuyển mạch thời gian (TSR: Time Switching Relay) và kỹ thuật phân chia công suất (PSR: Power Splitting Relay). Các tác giả đã xác định được biểu thức tường minh (chỉ chứa các hàm cơ bản) xác suất dừng (OP: Outage Probability), so sánh phẩm chất của TSR với PSR cho thấy PSR có hiệu quả dung lượng tốt hơn nhưng OP kém hơn.
Trên cơ sở phương thức TSR các tác giả trong [8] đã phân tích biểu thức OP cho hai giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) và giải mã chuyển tiếp (DF: Decode and Forward), nhưng các tác giả đã không đưa ra luan an 6 sự so sánh hoặc kết luận nào giữa hai giao thức đã khảo sát. Tác giả có nhiều công trình công bố về hệ thống truyền thông chuyển tiếp ứng dụng kỹ thuật thu thập năng lượng mà việc khảo sát hệ thống dựa vào phương pháp giải tích là I. Krikidis [9–17] và một số công trình khác. Tuy nhiên mỗi công trình chỉ khảo sát một giao thức và thông số cụ thể nhằm đánh giá phẩm chất của hệ thống, trong đó chủ yếu tập trung vào tìm biểu thức OP hoặc tốc độ truyền tối đa đạt được.
Đưa ra các khuyến nghị sử dụng hình thức quản lý năng lượng phù hợp cho từng yêu cầu dịch vụ khác nhau. Các nghiên cứu đối với mạng hợp tác ứng dụng thu thập năng lượng trên cơ sở các giao thức AF và DF cho những mô hình đơn giản (hệ thống chỉ có một nút chuyển tiếp) đã được trình bày trong [7, 15, 18].