I. Nghiên cứu Tổng quan Kỹ thuật Thu thập Năng lượng RF 55 Ký tự
Nghiên cứu về thu thập năng lượng vô tuyến (RF Energy Harvesting) đang thu hút sự quan tâm lớn. Nó hứa hẹn ứng dụng cho hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới, đặc biệt là 5G, 6G, IoT và mạng cảm biến. Có hai phương thức chính: truyền năng lượng trường gần (cảm biến không dây) và truyền năng lượng trường xa. Ứng dụng trường gần phổ biến là sạc không dây cho điện thoại. Tuy nhiên, phương thức này bị giới hạn về khoảng cách. Truyền năng lượng không dây trường xa phù hợp với các thiết bị y tế, di động, hoặc các thiết bị an ninh, quốc phòng. Các thiết bị vô tuyến thế hệ mới tiêu thụ năng lượng ngày càng lớn, đòi hỏi các giải pháp hiệu quả hơn. Một hướng giải quyết là chế tạo pin dung lượng lớn hoặc nạp năng lượng nhanh chóng, thuận tiện. Công nghệ thu thập năng lượng cho phép các nút mạng thu năng lượng từ tín hiệu vô tuyến và chuyển đổi thành nguồn điện một chiều, kéo dài thời gian hoạt động. Điều này phù hợp với xu hướng thông tin xanh. Trong công nghệ thu thập năng lượng (EH), có hai kỹ thuật chính: phân chia theo thời gian và phân chia theo ngưỡng công suất. "Gần đây, hướng nghiên cứu về thu thập năng lượng từ tần số vô tuyến điện đã được các nhà khoa học quan tâm đặc biệt."
1.1. Tổng quan Hệ thống Vô tuyến Chuyển tiếp WPT hiện nay
Kỹ thuật hệ thống vô tuyến chuyển tiếp (Wireless Power Transfer - WPT) đóng vai trò quan trọng trong việc truyền năng lượng không dây. Hệ thống WPT bao gồm các thành phần chính như nguồn phát, trạm chuyển tiếp và thiết bị thu. Nguồn phát cung cấp năng lượng cho hệ thống. Trạm chuyển tiếp thu năng lượng từ nguồn phát và truyền tiếp đến thiết bị thu. Thiết bị thu chuyển đổi năng lượng vô tuyến thành điện năng sử dụng. Nghiên cứu và phát triển các hệ thống WPT hiệu quả cao, đặc biệt là các hệ thống sử dụng giao thức phân chia theo ngưỡng công suất, là một lĩnh vực quan trọng. Hệ thống này thường được sử dụng để mở rộng vùng phủ sóng, nâng cao độ ổn định của việc truyền dữ liệu cho các mạng truyền thông vô tuyến.
1.2. Ưu điểm của Thu thập Năng lượng RF trong IoT và WSN
IoT (Internet of Things) và mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Networks - WSN) hưởng lợi lớn từ thu thập năng lượng. Các thiết bị IoT và WSN thường hoạt động ở những vị trí khó tiếp cận hoặc không có nguồn điện trực tiếp. Thu thập năng lượng RF cung cấp một giải pháp để cung cấp năng lượng cho các thiết bị này một cách bền vững. Điều này giảm thiểu chi phí bảo trì, thay thế pin và mở rộng phạm vi ứng dụng. Công nghệ này cho phép hệ thống có thể duy trì hoạt động bình thường hoặc kéo dài thời gian hoạt động của mạng, mà có thể giảm sự phụ thuộc vào việc cấp nguồn như hiện nay.
II. Thách thức Giải pháp Giao thức Phân chia theo Ngưỡng 58 Ký tự
Hệ thống thu thập năng lượng vô tuyến có một nhược điểm lớn: hiệu suất thu thập năng lượng thấp. Điều này dẫn đến các nút chuyển tiếp hoạt động không ổn định và làm giảm hiệu năng hệ thống. Để cải thiện hiệu năng và tăng tính ổn định, giải pháp là sử dụng nguồn năng lượng từ máy phát của mạng sơ cấp để truyền cho nút chuyển tiếp. Trong hệ thống vô tuyến chuyển tiếp bán song công sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng, ít nghiên cứu được thực hiện trên kênh truyền Nakagami-m. Một số nghiên cứu chỉ tập trung vào kênh truyền fading Rayleigh, một kênh truyền thiếu tính tổng quát. Nghiên cứu trên cả kênh truyền Nakagami-m và Rayleigh sẽ mang lại ý nghĩa khoa học cao hơn. Để giải quyết bài toán về năng lượng, các nhà khoa học trong những năm gần đây đã quan tâm đến kỹ thuật thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến. "Để cải thiện hiệu năng hệ thống, nâng cao tính ổn định cho các nút chuyển tiếp hoạt động, đề án đã đưa ra giải pháp là nguồn năng lượng để truyền cho nút chuyển tiếp chính là nguồn máy phát của mạng sơ cấp."
2.1. Phân tích Hiệu suất Thu thập Năng lượng và Các Yếu tố
Hiệu suất thu thập năng lượng (Energy Harvesting Efficiency) phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Công suất truyền dẫn (Transmission Power), khoảng cách truyền năng lượng (Power Transfer Distance), và đặc tính của môi trường truyền dẫn đều ảnh hưởng đến hiệu suất. Thiết kế ăng-ten thu thập năng lượng (Energy Harvesting Antenna) và thiết kế mạch thu thập năng lượng (Energy Harvesting Circuit Design) cũng rất quan trọng. Việc tối ưu hóa các yếu tố này sẽ giúp cải thiện hiệu suất thu thập và tăng cường khả năng hoạt động của hệ thống.
2.2. Ảnh hưởng của Mô hình Kênh Truyền đến Thu thập Năng lượng
Mô hình kênh truyền (Channel Model) có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu thập năng lượng. Các mô hình như Rayleigh, Rician và Nakagami-m mô tả các đặc tính khác nhau của kênh truyền không dây. Việc lựa chọn mô hình phù hợp và phân tích ảnh hưởng của nó đến hiệu suất thu thập là rất quan trọng. Nghiên cứu ở kênh truyền Nakagami-m và kênh truyền Rayleigh sẽ có ý nghĩa tổng quát hơn về mặt khoa học đối với hệ thống thông tin vô tuyến.
III. Phương pháp Mới Thuật toán Phân chia Ngưỡng Công suất 59
Đề án tập trung nghiên cứu hệ thống vô tuyến chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng qua kênh truyền fading Nakagami-m và Rayleigh. Chế độ truyền bán song công được sử dụng. Mục tiêu là xác định công thức dạng tường minh của xác suất dừng và dung lượng Ergodic của kênh truyền. Đồng thời, kết quả được kiểm chứng bằng mô phỏng Monte-Carlo. Mô hình hệ thống chuyển tiếp thu thập năng lượng được xây dựng. Giao thức thu thập năng lượng phân chia theo ngưỡng công suất (Power Splitting Protocol) được nghiên cứu. Các biểu thức toán học như xác suất dừng hệ thống và dung lượng Ergodic của kênh truyền được xây dựng. "Nghiên cứu hệ thống vô tuyến chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng qua kênh truyền fading Nakagami-m và Rayleigh chế độ truyền bán song công và xác định công thức dạng tường minh của xác suất dừng, xác định công thức dạng tường minh dung lượng Ergodic của kênh truyền và kiểm chứng bằng mô phỏng Monte-Carlo."
3.1. Chi tiết Giao thức Phân chia theo Ngưỡng Công suất PS
Giao thức phân chia theo ngưỡng công suất PS (Power Splitting) cho phép nút chuyển tiếp chia sẻ năng lượng thu được giữa thu thập năng lượng và truyền thông tin. Một phần công suất thu được được sử dụng để cung cấp năng lượng cho mạch điện, phần còn lại được sử dụng để truyền thông tin đến đích. Tỉ lệ chia sẻ công suất có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu năng của hệ thống. Giao thức này là giao thức phân chia theo ngưỡng công suất.
3.2. So sánh Giao thức PS với các Giao thức Thu thập Năng lượng khác
So với các giao thức thu thập năng lượng khác như phân chia theo thời gian (TS), giao thức PS có những ưu điểm và nhược điểm riêng. PS cho phép thu thập năng lượng và truyền thông tin đồng thời, trong khi TS yêu cầu phân chia thời gian cho hai hoạt động này. Tuy nhiên, PS có thể làm giảm hiệu suất truyền thông tin do một phần công suất được sử dụng cho thu thập năng lượng. Việc lựa chọn giao thức phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Cả hai kỹ thuật thu thập năng lượng đều được nghiên cứu và áp dụng trong các hệ thống vô tuyến.
IV. Mô phỏng Đánh giá Hiệu năng Mạng Vô tuyến 56 Ký tự
Chương trình mô phỏng được xây dựng để đánh giá hiệu năng của hệ thống. Các tham số có ảnh hưởng đến hệ thống như công suất nguồn phát Ps, phương sai nhiễu trắng N0, hệ số phân chia ngưỡng công suất 𝜌, hệ số chuyển đổi năng lượng thành điện năng 𝜇 được xem xét. Kênh truyền tuân theo phân bố kênh Nakagami-m hoặc phân bố Rayleigh. Kết quả lý thuyết được kiểm chứng trên mô hình thống kê bằng mô phỏng Monte-Carlo trên Matlab. Sự trùng khớp giữa kết quả mô phỏng và lý thuyết thể hiện sự đúng đắn của mô hình toán. Mô phỏng và đánh giá hiệu năng hệ thống.
4.1. Phân tích Xác suất Dừng và Dung lượng Ergodic
Xác suất dừng và dung lượng Ergodic là hai chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống. Xác suất dừng thể hiện khả năng hệ thống không thể đáp ứng yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu. Dung lượng Ergodic thể hiện tốc độ truyền dữ liệu trung bình mà hệ thống có thể đạt được. Việc phân tích và tối ưu hóa hai chỉ số này là rất quan trọng. "Nghiên cứu hệ thống vô tuyến chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng qua kênh truyền fading Nakagami-m và Rayleigh chế độ truyền bán song công và xác định công thức dạng tường minh của xác suất dừng, xác định công thức dạng tường minh dung lượng Ergodic của kênh truyền và kiểm chứng bằng mô phỏng Monte-Carlo."
4.2. Ảnh hưởng của Các Tham số đến Hiệu năng Hệ thống
Các tham số như công suất nguồn phát, phương sai nhiễu, hệ số phân chia ngưỡng công suất và hệ số chuyển đổi năng lượng đều ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống. Tăng công suất nguồn phát có thể cải thiện hiệu suất thu thập năng lượng. Giảm phương sai nhiễu giúp tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Tối ưu hóa hệ số phân chia ngưỡng công suất giúp cân bằng giữa thu thập năng lượng và truyền thông tin. Các tham số trên tác động đến chất lượng hệ thống, ảnh hưởng đến xác suất dừng hệ thống, dung lượng kênh truyền của hệ thống.
V. Ứng dụng và Tương lai Thu thập Năng lượng Xanh 54
Đề án đóng góp vào việc hoàn thiện cơ sở lý thuyết về kỹ thuật thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến chuyển tiếp. Góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, cung cấp nguồn năng lượng ổn định cho các hệ thống mạng cảm biến, mạng IoT, và các mạng đặc thù cho quốc phòng an ninh. Ý nghĩa thực tiễn thể hiện ở các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả thu thập năng lượng cung cấp cho nút chuyển tiếp và truyền tin đồng thời. Nghiên cứu này mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn. "Nội dung của đề án sẽ đóng góp một phần vào việc hoàn thiện cơ sở lý thuyết về kỹ thuật thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến chuyển tiếp. Góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, cung cấp nguồn năng lượng ổn định cho các hệ thống mạng cảm biến, mạng IoT, các mạng đặc thù cho quốc phòng an ninh hoạt động ổn định, tăng hiệu năng hệ thống."
5.1. Triển vọng Ứng dụng Thu thập Năng lượng trong Thực tế
Ứng dụng của thu thập năng lượng vô tuyến rất đa dạng. Nó có thể được sử dụng trong các mạng cảm biến không dây để giám sát môi trường, theo dõi sức khỏe, hoặc điều khiển các thiết bị thông minh. Trong lĩnh vực IoT, thu thập năng lượng có thể cung cấp nguồn điện cho các thiết bị kết nối, giảm thiểu sự phụ thuộc vào pin. Trong quốc phòng và an ninh, nó có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị giám sát và liên lạc bí mật. Các ứng dụng trên các thiết bị vô tuyến thế hệ mới ngày càng nhiều làm cho sự tiêu hao năng lượng ngày càng lớn.
5.2. Hướng phát triển trong lĩnh vực Năng lượng xanh
Năng lượng xanh và bền vững là xu hướng phát triển quan trọng trong tương lai. Thu thập năng lượng vô tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo và giảm thiểu tác động đến môi trường. Các nghiên cứu trong tương lai có thể tập trung vào việc phát triển các vật liệu và thiết kế ăng-ten mới để tăng hiệu suất thu thập, cũng như tối ưu hóa các giao thức truyền thông để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng. Sử dụng năng lượng thu thập sẽ rất phù hợp cho các mạng vô tuyến hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt mà việc thay thế hoặc nạp lại pin gặp nhiều khó khăn.
