đặt vấn đề, tình hình nghiên cứu của đề tài, mục tiêu, nội dung thực hiện … Chương 2: Cơ sở lý thuyết về mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng. Chương này trình bày về của mạng vô tuyến nhận thức, thuật chuyển tiếp trong truyền thông, các giao thức thu thập năng lượng trong mạng hợp tác… Chương 3: Phân tích hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng. Nội dung của chương này trình bày cấu trúc của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng. Đưa ra thuật toán cho mô hình hệ thống, đồng thời phân tích hiệu năng của mô hình hệt thống thông qua đại lượng xác suất dừng.
Chương 4: Kết quả mô phỏng và nhận xét. Dựa trên kết quả tính toán ở chương 3, trong chương này sẽ trình bày phương pháp thực hiện và tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab để kiểm chứng các biểu thức được đưa ra. Đồng thời đưa ra nhận xét về các đại lượng ảnh hưởng đến xác suất dừng, năng lượng thu thập trung bình của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng. Chương 5: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.
Trình bày tóm tắt các kết quả đạt được từ đó đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài. 9 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HỖ TRỢ THU THẬP NĂNG LƯỢNG Chương này trình bày tổng quan những vấn đề cơ bản về vô tuyến nhận thức, truyền thông chuyển tiếp và sự kết hợp truyền thông chuyển tiếp hỗ trợ thu thập năng lượng và các giao thức thu thập năng lượng của mạng vô tuyến nhận thức.1 Mạng vô tuyến nhận thức 2.1 Khái niệm vô tuyến nhận thức Vô tuyến nhận thức là một mô hình mới mà có khả năng tự nhận thức các thực thể, rất nhạy cảm với thay đổi trong môi trường xung quanh và nó có khả năng tương tác với môi trường một cách thích nghi để tự cấu hình hay tái thiết lập mạng, đây là ý tưởng kỹ thuật hoàn toàn mới đối với các nghiên cứu tại Việt Nam. Cho đến nay có rất nhiều định nghĩa khác nhau về vô tuyến nhận thức như: Theo FCC [24]: Vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng nhận biết môi trường xung quanh và điều chỉnh các các tham số hoạt động của nó để tối ưu hoá hệ thống dưới dạng: tối đa băng thông, giảm can nhiễu, truy nhập phổ tần động. Định nghĩa do giáo sư Simon Hayskin - cha đẻ của vô tuyến nhận thức [25]: vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả năng nhận biết được môi trường xung quanh và từ môi trường nó sẽ thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các thông số tương ứng (công suất truyền, tần số sóng mang, phương pháp điều chế) trong thời gian thực với hai vấn đề chính: i) truyền thông với độ tin cậy cao bất cứ khi nào và bất cứ nơi đâu và ii) sử dụng hiệu quả phổ vô tuyến.
Theo IEEE: “Vô tuyến nhận thức là hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà được thiết kế để thông minh phát hiện một khoảng phổ đang sử dụng hay không, và 10 nhảy (hoặc thoát khỏi nếu cần thiết) rất nhanh qua một khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phép khác.2 Kiến trúc vật lý của vô tuyến nhận thức Bộ phận chính của hệ thống thu phát vô tuyến nhận thức [29] gồm hai phần là phần cao tần (RF font end), như trình bày ở Hình 2.1, và phần xử lý băng gốc (baseband processing unit). Hai bộ phận đều có thể được tái cấu hình thông qua đường điều khiển (control) nhằm thích nghi với các điều kiện thay đổi liên tục của môi trường. Phần xử lí băng gốc tương tự như các hệ thống thu phát bình thường. Ưu điểm nổi trội của phần đầu cao tần trong hệ thống vô tuyến nhận thức là khả năng nhận biết rộng, có thể điều chỉnh đến bất cứ phần nào trong dải phổ rộng lớn.
Hơn nữa phần cao tần có thể đo lường các thông tin phổ từ môi trường để phục vụ cho chức năng nhận biết phổ.1: Sơ đồ khối phần vô tuyến của hệ thống vô tuyến nhận thức Chức năng cụ thể của các khối trong RF Front-End như sau: Bộ lọc cao tần (RF Filter): Có tác dụng chọn lọc được khoảng băng thông mong muốn bằng cách cho tín hiệu qua bộ lọc thông dải. Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA-Low noise amplifier): Bộ khuếch đại nhiễu thấp có tác dụng loại nhiễu tần số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu ngõ 11 vào của máy thu tới mức cần thiết để đổi tần, tăng độ nhạy máy thu. LNA thường có từ một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, có điều hưởng chọn lọc tần số-băng thông tín hiệu mong muốn. Có tác dụng khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm tín hiệu nhiễu.
Bộ trộn tần (MIXER): Tại bộ đổi tần thì tín hiệu thu được từ máy thu sẽ được trộn với tần số gốc được phát ra và chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tâm. Bộ VCO (Voltage controlled oscillator): Được biết đến như là bộ điều chỉnh tần số bằng điện áp, có tác dụng như bộ khóa pha giúp tần số ra ổn định. Bộ lọc lựa chọn tần số (Channel selection filter): Được dùng để chọn kênh mong muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận. Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC - Automatic gain control): Là hệ thống hồi tiếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời mở rộng dải động, cho phép ta tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu yếu hay mạnh bằng cách thay đổi điện áp phân cực.
Bộ vòng khóa pha (PLL - Phase locked loop): Là hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu hồi tiếp được dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha của tín hiệu vào.3 Chức năng vô tuyến nhận thức Hệ thống vô tuyến nhận thức có các chức năng chính như sau: Nhận biết phổ: cho phép người dùng thứ cấp (SU) phát hiện ra khoảng phổ trống và tận dụng những khoảng tần số này để truyền tín hiệu mà không ảnh hưởng đến hệ thống sơ cấp. Quản lý phổ: bao gồm hai chức năng nhỏ là phân tích phổ và quyết định phổ. Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp sẽ phải quyết định 12 khoảng phổ nào đáp ứng tốt nhất yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) trong những khoảng phổ trống.
Chia theo chức năng, quản lý phổ bao gồm: Phân tích phổ: tính toán ước lượng dung lượng phổ và chất lượng những hố phổ tốt nhất. Một trong những nhiệm vụ quan trọng của chức năng phân tích phổ là tính toán ước lượng dung lượng phổ Quyết định phổ: quyết định lựa chọn dải phổ phù hợp thỏa mãn các yêu cầu chất lượng dịch vụ của hệ thống thức cấp. Chia sẻ phổ: chia sẻ phổ trong hệ thống vô tuyến nhận thức có thể được coi tương tự như quá trình điều khiển truy nhập chung. Khi các người dùng (hệ thống) thứ cấp luôn cố gắng truy cập vào các dải phổ trống, do đó cần thiết phải điều phối các truy cập để tránh sự xung đột trong những phần phổ chồng lấn lên nhau.4 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức Theo nhóm nghiên cứu cùng với giáo sư Goldsmith [26], có ba loại mô hình cho mạng vô tuyến nhận thức, bao gồm dạng nền (underlay), dạng chồng chập (overlay) và đang xen (interweave).1 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (underlay) Trong mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền, mạng thứ cấp và mạng sơ cấp hoạt động trên cùng một tần số trong đó máy phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất phát sao cho công suất can nhiễu nhận tại máy thu sơ cấp phải nhỏ hơn một ngưỡng quy định trước.
Hay nói cách khác, quá trình truyền nhận dữ liệu của hệ thống thứ cấp phải không được gây hại cho hệ thống sơ cấp. Do đó, vùng phủ sóng của mạng vô tuyến nhận thức dạng nền thường nhỏ. Một nhược điểm khác của mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền là máy phát thứ cấp cần phải biết thông tin kênh truyền lý tưởng (không trễ và không lỗi) của kênh truyền can nhiễu từ máy phát thứ cấp đến máy thu sơ cấp có thể do hệ thống sơ cấp hồi tiếp về cho hệ thống thứ cấp. Tuy nhiên trong thực tế, thông tin kênh truyền này là có trễ và có lỗi dẫn đến thực tế 13 rằng hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo mức can nhiễu quy định tại máy thu sơ cấp [27].
Mật độ phổ công suất Người dùng sơ cấp Người dùng thứ cấp Ip Tần số Hình 2.2: Chia sẽ phổ tần trong mô hình dạng nền 2.2 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng chồng chập (overlay) Trong mô hình này, mạng sơ cấp và thứ cấp hoạt động trên cùng băng tần với giả định rằng hai mạng phải trao đổi thông tin và kết hợp lẫn nhau để loại bỏ/tránh can nhiễu giữa hai mạng bằng các kỹ thuật xử lý tín hiệu phức tạp, ví dụ dirty code [26]. Một mô hình đơn cử là hệ thống thứ cấp có thể giúp hệ thống sơ cấp cải thiện hiệu năng dạng chuyển tiếp. Cho đến nay, mô hình mạng loại này vẫn đang được nghiên cứu và làm rõ do các giả sử và điều kiện cần thiết để triển khai mạng hoặc chưa thực tế và/hoặc chưa hợp lý.3 Mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen (interweave) Mô hình vô tuyến nhận thức dạng đan xen là mô hình hoạt động dựa trên khái niệm lỗ phổ dưới dạng không gian và thời gian như mô tả trong Hình 2.3, nghĩa là hệ thống thứ cấp sẽ phát dữ liệu nếu hệ thống phát hiện ra lỗ phổ và lỗ phổ này đảm bảo chất lượng dịch vụ yêu cầu của hệ thống. Do đó, mô hình này đòi hỏi hệ thống thứ cấp phải biết được thông tin hoạt động truyền phát của hệ thống sơ 14 cấp.
Hay nói cách khác, hệ thống thứ cấp phải dừng truyền nếu hệ thống sơ cấp truyền phát trở lại hạn chế gây can nhiễu cho hệ thống sơ cấp. Mật độ phổ công suất Người dùng sơ cấp Người dùng thứ cấp Tần số Hình 2.3: Chia sẽ phổ tần trong mô hình dạng đan xen Nhược điểm của mô hình mạng loại này là khả năng đáp ứng thời gian thực do hoạt động của hệ thống thứ cấp hoàn toàn phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống sơ cấp. Trong một số trường hợp, hệ thống thứ cấp không thể đảm bảo hoạt động khi mà hệ thống sơ cấp hoạt động liên tục.