I. Tổng quan Thu Năng Lượng và Mạng Chuyển Tiếp Hiện Nay
Mạng cảm biến không dây (WSN) tiếp tục là lĩnh vực được quan tâm và phát triển mở rộng. Công nghệ không dây cho phép triển khai nhiều ứng dụng WSN trong những điều kiện mạng đặc biệt và khắc nghiệt, thay thế con người hay các thiết bị truyền thông. Các cảm biến có khả năng phân tích thông tin về nhiều loại sự kiện khác nhau, rồi gửi cảnh báo về trung tâm. Như vậy, có rất nhiều thách thức trong việc thiết kế các mạng cảm biến không dây do đặc điểm khác biệt so với mạng truyền thông truyền thống: số lượng cảm biến lớn, năng lượng hạn chế trong môi trường có độ tổn thất cao và khả năng tự vận hành, quản lý của mạng cảm biến. Trong những năm gần đây, đã có nhiều nghiên cứu về mạng cảm biến không dây đa sự kiện. Tuy nhiên, những nghiên cứu trước chỉ đáp ứng được yêu cầu chất lượng về độ trễ, độ tin cậy hoặc hiệu quả sử dụng năng lượng của mạng, chưa giải quyết được nhiều yêu cầu khác biệt cùng xuất hiện trong mạng log-normal. Cần có thêm những nghiên cứu chuyên sâu để theo kịp và phù hợp với nhu cầu phát triển nhanh của những ứng dụng WSN đa sự kiện. Sau sự tiến bộ của truyền thông thế hệ 5G và 6G sắp tới, truyền đồng thời thông tin không dây và truyền điện (SWIPT) giữ vị trí là một công nghệ đầy hứa hẹn cho các hệ thống liên lạc vì nó có thể mang lại hiệu suất hệ thống đáng chú ý, được chỉ ra bởi cải thiện hiệu suất phổ (SE), tiêu thụ điện năng, quản lý nhiễu và độ trễ truyền. SWIPT tạo điều kiện cho truyền thông tin và năng lượng đồng thời. Đối với hệ thống chuyển tiếp hợp tác SWIPT, có hai chế độ truyền chính được gọi là half-duplex (HD) và full-duplex (FD). Trong chế độ HD, rơle được trang bị một ăng-ten hoạt động để việc giao tiếp giữa bên gửi và bên nhận diễn ra theo cả hai hướng trong truyền dẫn HD, nhưng mỗi lần chỉ được theo một hướng. Ngược lại, ở chế độ FD, một rơle được trang bị hai ăng-ten để tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao tiếp giữa bên gửi và bên nhận có thể diễn ra đồng thời. Sự kết hợp của chế độ vận hành FD trong mạng chuyển tiếp Energy Harvesting (EH) là một chủ đề được liên quan đến khả năng tự duy trì vận hành chế độ FD và thực hiện nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin. Các nhà nghiên cứu đã phát triển công nghệ chuyển giao điện và thông tin đồng thời (SWIPT) để biến đổi năng lượng tái tạo bằng tần số vô tuyến (RF). Trong [11] khi phân tích xác suất dừng (OP) của hệ thống PSR giải mã và kỹ thuật chuyển tiếp (DF), chúng ta có thể thấy rằng mạng chuyển tiếp EH có lợi hơn mạng thông thường truyền thống.
1.1. Ưu điểm của Mạng Cảm Biến Không Dây WSN
Mạng cảm biến không dây (WSN) mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các hệ thống truyền thông truyền thống. Khả năng triển khai linh hoạt, không dây giúp WSN thích hợp với các môi trường khắc nghiệt, khó tiếp cận. WSN cũng cung cấp khả năng thu thập và xử lý dữ liệu phân tán, giảm tải cho trung tâm và tăng tốc độ phản hồi. Bên cạnh đó, WSN có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau như quân sự, giao thông, y tế, môi trường, công nghiệp và nông nghiệp. Ví dụ, trong nông nghiệp thông minh, WSN có thể được sử dụng để theo dõi độ ẩm đất, nhiệt độ và ánh sáng, giúp người nông dân đưa ra quyết định tưới tiêu và bón phân hiệu quả hơn. Việc sử dụng tiến bộ hiện tại trong kỹ thuật công nghệ mạng chuyển tiếp là hợp lý để thúc đẩy hơn nữa hiệu suất hệ thống của các mạng hộ gia đình. Thật vậy, điều này đã được chứng minh là cung cấp dung lượng truyền cao hơn và phạm vi phủ sóng mạng rộng hơn cũng như giảm thiểu hiệu ứng tán xạ [39].
1.2. Thách thức trong Mạng Cảm Biến Không Dây Đa Sự Kiện
Mặc dù có nhiều ưu điểm, WSN vẫn đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là trong các ứng dụng đa sự kiện. Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) cho các sự kiện khác nhau, mỗi sự kiện có yêu cầu về độ trễ, độ tin cậy và độ ưu tiên khác nhau. Việc quản lý năng lượng tiêu thụ cũng là một vấn đề quan trọng, đặc biệt là đối với các cảm biến sử dụng pin. Các nghiên cứu hiện tại mới chỉ tập trung vào một số khía cạnh của QoS, chưa giải quyết được đồng thời nhiều yêu cầu khác biệt. Cần có thêm các nghiên cứu để phát triển các giao thức và kiến trúc mạng có thể đáp ứng được các yêu cầu QoS đa dạng và tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng.
1.3. Tổng quan SWIPT trong Mạng Chuyển Tiếp Hợp Tác
Truyền đồng thời thông tin không dây và truyền điện (SWIPT) nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn cho WSN. SWIPT cho phép các nút mạng thu năng lượng từ tín hiệu vô tuyến, giảm sự phụ thuộc vào pin và kéo dài tuổi thọ mạng. Trong mạng chuyển tiếp hợp tác SWIPT, các nút mạng hoạt động như rơ-le, nhận và chuyển tiếp thông tin, đồng thời thu năng lượng từ tín hiệu. Có hai chế độ truyền chính trong SWIPT: half-duplex (HD) và full-duplex (FD). Chế độ FD cho phép truyền và nhận đồng thời, tăng gấp đôi hiệu suất phổ và cải thiện thông lượng mạng. Tuy nhiên, chế độ FD cũng gặp phải vấn đề tự nhiễu, cần các kỹ thuật xử lý tín hiệu tiên tiến để giảm thiểu.
II. Vấn đề Hiệu Suất Mạng Chuyển Tiếp Thu Năng Lượng
Hiệu suất của mạng chuyển tiếp thu năng lượng (EH) là một vấn đề phức tạp, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố. Một trong những yếu tố quan trọng nhất là độ trễ mạng, ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ truyền dữ liệu và trải nghiệm người dùng. Việc mô hình hóa mạng và mô phỏng mạng cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá và tối ưu hóa hiệu suất. Các kênh truyền trong nhà thường được mô hình hóa bằng các kênh truyền log-normal. Các nghiên cứu đã cung cấp nền tảng để phát triển cái gọi là mạng cảm biến không dây thu hoạch năng lượng thấp (LPEH) (WSN), có thể chống lại sự suy giảm tín hiệu cao và nhiễu trong nhà [41-43]. Trong hệ thống hợp tác, node rơle có trữ lượng pin hạn chế cần phải sạc bên ngoài để trì hoạt động mạng. Do đó, việc thu lượng mạng đặc biệt quan trọng cho phép chuyển tiếp thông tin đến đích theo 2 giao thức phổ biến là TSR và PSR. Trong giao thức TSR, rơle dành khoảng thời gian để thu lượng phần thời gian lại để xử lý thông tin. Trong giao thức PSR, rơle sử dụng phần năng lượng nhận để thu năng lượng phần năng lượng còn lại để xử lý thông tin. Sự kết hợp các yếu tố này ảnh hưởng đến khả năng tự duy trì hoạt động và thực hiện nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin. Do đó, việc đánh giá và cải thiện hiệu suất mạng FD-EH là hợp lý.
2.1. Ảnh hưởng của Kênh Truyền Log Normal đến Hiệu Suất
Kênh truyền log-normal là một mô hình phổ biến để mô tả sự suy giảm tín hiệu trong môi trường trong nhà. Sự suy giảm tín hiệu do tường, đồ đạc và người di chuyển gây ra ảnh hưởng lớn đến hiệu suất mạng. Kênh truyền log-normal có đặc điểm là sự biến động lớn của tín hiệu, gây khó khăn cho việc thiết kế các giao thức truyền thông hiệu quả. Việc hiểu rõ các đặc tính của kênh truyền log-normal là rất quan trọng để phát triển các kỹ thuật bù trừ và tối ưu hóa hiệu suất mạng EH.
2.2. Bài toán Tối Ưu Hóa Năng Lượng và Độ Trễ Mạng
Trong mạng EH, năng lượng là một nguồn tài nguyên hạn chế. Việc tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng là rất quan trọng để kéo dài tuổi thọ mạng. Tuy nhiên, việc giảm tiêu thụ năng lượng thường dẫn đến tăng độ trễ mạng. Do đó, cần phải tìm ra sự cân bằng giữa hai yếu tố này. Bài toán tối ưu hóa năng lượng và độ trễ mạng là một bài toán phức tạp, đòi hỏi các giải pháp thông minh và hiệu quả.
2.3. Các Giao Thức Mạng và Ảnh Hưởng đến Hiệu Suất
Các giao thức mạng đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển hoạt động của mạng EH. Các giao thức định tuyến, giao thức MAC và các giao thức truyền tải ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất. Việc lựa chọn giao thức phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất cao. Các giao thức cần phải được thiết kế để thích ứng với các đặc tính của mạng EH, chẳng hạn như năng lượng hạn chế và kênh truyền biến động.
III. Phương Pháp Phân Tích Hiệu Suất Mạng Chuyển Tiếp EH
Để phân tích hiệu suất mạng chuyển tiếp EH, cần sử dụng các phương pháp phân tích phù hợp. Một trong những phương pháp phổ biến là phân tích xác suất dừng (OP), cho biết khả năng mạng không thể đáp ứng yêu cầu về tốc độ truyền dữ liệu. Ngoài ra, có thể sử dụng các phương pháp mô phỏng Monte Carlo để đánh giá hiệu suất trong các điều kiện khác nhau. Các phương pháp này giúp đánh giá tác động của các yếu tố như phân chia công suất (PS) và chuyển mạch thời gian (TS) đến xác suất dừng. Nghiên cứu đánh giá hiệu suất của lược đồ lựa chọn chuyển tiếp (RS) được gọi là lược đồ RS tối ưu trong ngữ cảnh của LPEH WSN. Các rơ le được trang bị pin và hoạt động với kỹ thuật FD-AF với các kênh truyền log-normal.
3.1. Phân Tích Xác Suất Dừng OP cho Mạng EH
Xác suất dừng (OP) là một chỉ số quan trọng để đánh giá hiệu suất mạng EH. OP cho biết khả năng mạng không thể truyền dữ liệu thành công. OP bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm kênh truyền, giao thức mạng và mức năng lượng. Việc phân tích OP giúp xác định các điểm nghẽn trong mạng và tìm ra các giải pháp cải thiện hiệu suất.
3.2. Kỹ Thuật TSR và PSR trong Mạng Chuyển Tiếp EH
Kỹ thuật chuyển mạch thời gian (TSR) và phân chia công suất (PSR) là hai kỹ thuật phổ biến để quản lý năng lượng trong mạng chuyển tiếp EH. TSR chia thời gian thành các khe để thu năng lượng và truyền dữ liệu. PSR chia công suất nhận được thành hai phần để thu năng lượng và truyền dữ liệu. Việc tối ưu hóa các tham số TSR và PSR giúp cải thiện hiệu suất mạng.
3.3. Mô Phỏng Monte Carlo và Đánh Giá Hiệu Suất
Mô phỏng Monte Carlo là một phương pháp mạnh mẽ để đánh giá hiệu suất mạng trong các điều kiện khác nhau. Phương pháp này sử dụng các số ngẫu nhiên để mô phỏng hoạt động của mạng và thu thập số liệu thống kê. Mô phỏng Monte Carlo giúp đánh giá tác động của các yếu tố như kênh truyền, lưu lượng và các tham số mạng đến hiệu suất. Kết quả mô phỏng và lý thuyết nên phù hợp với nhau để đảm bảo tính chính xác.
IV. Nghiên Cứu Ứng Dụng Thực Tế Mạng Chuyển Tiếp và Thu Năng Lượng
Mạng chuyển tiếp và thu năng lượng (EH) có nhiều ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực khác nhau. Trong nhà thông minh, mạng EH có thể được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các cảm biến không dây, giúp theo dõi nhiệt độ, độ ẩm và ánh sáng. Trong công nghiệp, mạng EH có thể được sử dụng để theo dõi tình trạng máy móc và phát hiện các lỗi tiềm ẩn. Trong nông nghiệp, mạng EH có thể được sử dụng để theo dõi độ ẩm đất và điều kiện thời tiết. Các nghiên cứu hiện tại tập trung vào sơ đồ kết hợp giữa TSR-PSR lai, mô hình mạng chuyển tiếp, mạng hợp tác thu hoạch năng lượng đa dạng mô hình.
4.1. Ứng Dụng trong Mạng Cảm Biến Không Dây WSN
Mạng cảm biến không dây (WSN) là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của mạng EH. WSN bao gồm các cảm biến không dây nhỏ, có thể thu thập và truyền dữ liệu về môi trường xung quanh. Mạng EH giúp kéo dài tuổi thọ của WSN, giảm chi phí bảo trì và thay thế pin. WSN có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm theo dõi môi trường, giám sát công nghiệp và quản lý năng lượng.
4.2. Ứng Dụng trong Mạng Internet of Things IoT
Mạng Internet of Things (IoT) kết nối các thiết bị thông minh với nhau, cho phép trao đổi dữ liệu và điều khiển từ xa. Mạng EH giúp cung cấp năng lượng cho các thiết bị IoT, giảm sự phụ thuộc vào pin và cho phép triển khai các ứng dụng mới. IoT có tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu quả và tiện lợi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm giao thông, y tế và sản xuất.
4.3. Ứng Dụng Mạng EH vào 5G và Các Thế Hệ Mạng Tương Lai
Nghiên cứu tập trung vào phân tích tốc độ truyền, các yếu tố ảnh hưởng, các kỹ thuật giải mã tín hiệu phù hợp. Các thế hệ mạng tương lai như 5G đòi hỏi các giải pháp năng lượng hiệu quả và bền vững. Mạng EH có thể đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho các trạm gốc và thiết bị di động. Việc tích hợp EH vào mạng 5G giúp giảm chi phí vận hành và giảm tác động đến môi trường. Bên cạnh đó, chương trình nghiên cứu và phát triển, kết hợp các giao thức truyền thông theo thời gian/truyền thông theo công suất/lai ghép truyền thông.
V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Thu Năng Lượng Tương Lai
Mạng chuyển tiếp và thu năng lượng (EH) là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng, có thể mang lại nhiều lợi ích cho xã hội. Các nghiên cứu hiện tại đã đạt được những tiến bộ đáng kể, nhưng vẫn còn nhiều thách thức cần giải quyết. Trong tương lai, cần tập trung vào phát triển các giao thức mạng thông minh hơn, các kỹ thuật thu năng lượng hiệu quả hơn và các ứng dụng thực tế sáng tạo hơn. Các nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mô hình mạng chuyển tiếp, mạng hợp tác thu hoạch năng lượng đa dạng mô hình (trực tiếp, chuyển tiếp, lựa chọn rơ-le chuyến tiếp tối ưu). Xây dựng và phân tích biểu thức tốc độ truyền của hệ thống trong các giao thức tuyền thông phổ biến hiện nay (theo thời gian/ truyền thông theo công suất/lai ghép truyền thông). Đề xuất và phân tích biểu thức tốc độ truyền của hệ thống, các yếu tố tác động đến hệ thống, so sánh với các mạng truyền thông hiện nay.
5.1. Các Vấn Đề Nghiên Cứu Mở trong Mạng EH
Có nhiều vấn đề nghiên cứu mở trong mạng EH, bao gồm: phát triển các giao thức định tuyến hiệu quả cho mạng EH, phát triển các kỹ thuật điều chế và mã hóa thích ứng với kênh truyền biến động, phát triển các mô hình năng lượng chính xác hơn cho các thiết bị EH và phát triển các ứng dụng mới và sáng tạo cho mạng EH.
5.2. Tối Ưu Hóa Hiệu Suất và Tuổi Thọ Mạng
Việc tối ưu hóa hiệu suất mạng và tuổi thọ mạng là một trong những mục tiêu quan trọng nhất trong nghiên cứu mạng EH. Cần phát triển các kỹ thuật tối ưu hóa hiệu quả, có thể thích ứng với các điều kiện mạng thay đổi. Các kỹ thuật này cần phải xem xét các yếu tố như kênh truyền, lưu lượng và mức năng lượng.
5.3. Tiềm Năng Ứng Dụng Mạng EH trong Tương Lai
Mạng EH có tiềm năng lớn trong việc ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác nhau trong tương lai. Mạng EH có thể được sử dụng trong các ứng dụng nhà thông minh, thành phố thông minh, công nghiệp thông minh và nông nghiệp thông minh. Mạng EH cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng y tế, quốc phòng và an ninh. Việc phát triển các ứng dụng mới và sáng tạo cho mạng EH sẽ mang lại nhiều lợi ích cho xã hội.
VI. Phân Tích Lựa Chọn Rơ le Trong Mạng Cảm Biến Thu Năng Lượng
Phân tích này cho thấy tiềm năng có thể áp dụng cho các nghiên cứu khác trong tương lai. Nó cũng được chứng minh rằng kênh phân bố log-normal thích hợp để mô hình hóa các tình huống trong nhà, xem xét các sơ đồ chọn ro-le tối ưu và so sánh chúng với các nghiên cứu trong bài báo này để tìm ra phương án tốt nhất cho việc thiết lập mạng truyền thông thu hoạch năng lượng. Trong nghiên cứu [51], một chu kỳ truyền từ (S) đến (D) được thực hiện trong thời gian T được chia thành ba khe theo giao thức TSR. Khe thời gian đầu tiên p*, trong đó p là hệ số thời gian EH, (0 ≤ p ≤ 1), được sử dụng bởi (R) để thu năng lượng từ tín hiệu (S) chương trình phát sóng. Cần lưu ý rằng γ&A trong (3.11) là rất quan trọng đối với quá trình lựa chọn RS tối ưu.
6.1. Giới Thiệu Mô Hình Lựa Chọn Rơ le
Mô hình mạng lựa chọn rơ-le bên dưới mô tả sơ đồ mạng cảm biến không dây thu hoạch năng lượng công suất thấp thân thiện với môi trường có lựa chọn rơ-le bao gồm các thiết bị như sau: điểm nguồn phát (S), một cụm ở giữa (C) với K rơ-le hợp tác (F) ), 1 ≤ ' ≤ J và một điểm nhận (D), sơ đồ đề xuất thiết lập điển hình và thích hợp để nghiên cứu các tác động của sơ đồ RS hoạt động trong mạng không dây tương tự như đã được nghiên cứu trong [44], [45]. Mỗi thiết bị đầu cuối biết trước thông tin trạng thái kênh (CSI) của chính nó.
6.2. Tiêu Chí Lựa Chọn Rơ le Chuyển Tiếp Kênh Truyền
Trong τ*, với năng lượng thu hoạch mà thứ i tại rơ-le chuyển tiếp (R) đã thu ' PQR1" S0,"$! S hoạch, OO = ( , công suất mà rơ-le truyền tải chuyển tiếp tín hiệu có thể được /",$ ! mô tả là T; PQ1" S0,"$ S !&! = ("8Q)R = ("8Q)/(! (3.5) ",$ ! trong đó hiệu suất thu hoạch năng lượng EH η, 0 ≤ η ≤ 1. Như đã đề cập trong [15] vì một rơle có thể nhận ra tín hiệu của chính nó trong kịch bản đa rơ-le theo kênh truyền FD, nên việc loại bỏ nhiễu có thể được áp dụng cho chính nó.6) ",$!
6.3. Mô Hình Lưu Trữ Năng Lượng Tại Rơ le
Theo tài liệu của Tutuncuoglu và cộng sự [52], nói rằng năng lượng tối thiểu cần thiết để kích hoạt FZ và năng lượng thu hoạch trong khối tín hiệu thứ là e;Z . Trước hết, FZ được giả định là không có tích trữ năng lượng, do đó, chỉ hoạt động với e;Z . Khi FZ sử dụng hết toàn bộ năng lượng nếu e;Z ≤ !&A . Xác suất mà sự kiện này xảy ra được đặt tên là xác suất cạn kiệt năng lượng và có thể được công thức như dưới đây % "#$! = $&'()! < $"! + = ∫& "! -#$! (/ )1/ , (3.11) trong đó !"! (#) được sử dụng để biểu thị hàm PDF quy trình phân bố ngẫu nhiên năng lượng eZ . Tuy nhiên, trên thực tế, FZ được lắp đặt bằng pin có dung lượng e;YJ% .
