BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN ÐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2014-2015 Tên đề tài: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG Đơn vị chủ trì: KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ Chủ nhiệm đề tài: TS. Hà Đắc Bình Đà Nẵng, 2015 TRƯ ỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ        Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường i DANH SÁCH CÁN BỘ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI STT Họ và tên Học hàm, học vị, chuyên môn Cơ quan công tác 1 Hà Đắc Bình Tiến sĩ Điện tử Viễn thông Khoa ĐĐT 2 Trần Đức Dũng Cao học Khoa học máy tính Khoa ĐĐT Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường ii MỤC LỤC MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH 1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3 1.1. Tính cấp thiết của đề tài 3 1.2. Mục tiêu của đề tài 6 1.3. Phương pháp nghiên cứu 6 1.4. Các bước tiến hành nghiên cứu 6 1.5. Tình hình nghiên cứu 6 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 6 1.5.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 7 1.6. Hiệu quả kinh tế - xã hội và giáo dục 7 CHƯƠNG 2. NỘI DUNG KHOA HỌC ĐỀ TÀI 8 2.1. Mô hình hệ thống 8 2.2. Phân tích hiệu năng 12 2.2.1. Xác suất dừng hệ thống 12 2.2.2. Thông lượng hệ thống 13 2.2.3. Xác suất lỗi ký tự trung bình 13 2.3. Kết quả số và thảo luận 15 2.3.1. Đánh giá kết quả phân tích 15 2.3.2. Ảnh hưởng của tham số thời gian thu năng lượng (  ) 16 2.3.3. Ảnh hưởng của tham số hiệu suất thu năng lượng (  ) 16 2.3.4. Ảnh hưởng của tham số vị trị nút chuyển tiếp (d 1 ) 17 CHƯƠNG 3. KẾT LUẬN 19 3.1. Kết quả đạt được 19 3.2. Kết luận 19 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường iii 3.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo 19 PHỤ LỤC 21 1. Hàm mô phỏng đại lượng xác suất dừng bảo mật 21 2. Hàm mô phỏng xác suất lỗi ký tự trung bình 21 3. Hàm điều chế MPSK 23 4. Hàm giải điều chế MPSK 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO 24 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 1 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Các thiết bị không dây 3 Hình 1.2. Mức độ sử dụng năng lượng của các thiết bị không dây 4 Hình 1.3. Nguồn năng lượng không dây 5 Hình 1.4. Cấu trúc của mạng truyền năng lượng không dây RF 5 Hình 2.1. Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng 8 Hình 2.2. OP và ASEP vs. công suất truyền P S với  = 0.4,  = 1, d 1 = d 2 = 1, K = 3, R = 2, 1  = 2, 2  = 3, N 0 = 0.01. 15 Hình 2.3. OP và ASEP vs. thời gian thu năng lượng  với P S = 1 W,  = 1, d 1 = d 2 = 1, K = 3, R = 2, 1  = 2, 2  = 3, N 0 = 0.01. 16 Hình 2.4. OP and ASEP vs. hiệu suất thu năng lượng  với P S = 1 W,  = 0.4, d 1 = d 2 = 1, K = 3, R = 2, 1  = 2, 2  = 3, N 0 = 0.01. 17 Hình 2.5. OP và ASEP vs. khoảng cách từ nguồn tới nút chuyển tiếp d 1 với P S = 1 W,  = 0.4,  = 1, d 2 = 2 - d 1 , K = 3, R = 2, 1  = 2, 2  = 3, N 0 = 0.01. 17 Hình 2.6. Thông lượng  vs.  ,  or d 1 with P S = 1 W, d 2 = 2 - d 1 , K = 3, R = 3, 1  = 2, 2  = 3, N 0 = 0.01. 18 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 2 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng Việt AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp ASEP Average Symbol Error Probability Xác suất lỗi ký tự trung bình BPSK Binary Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha nhị phân CDF Cumulative Density Function Hàm mật độ tích lũy LOS Light of Sight Tia trực tiếp OP Outage Probability Xác suất dừng hệ thống PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất QPSK Quadrature Phase Shift Keying Điều chế khóa dịch pha cầu phương RF Radio Frequency Tần số vô tuyến SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu SWIPT Simultaneous wireless information and power transfer Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, các thiết bị không dây được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống xã hội như thông tin liên lạc, giải trí, quân sự… (Hình 1.1). Hình 1.1. Các thiết bị không dây Các ứng dụng trên các thiết bị không dây ngày càng nhiều cộng thêm việc yêu cầu màn hình ngày càng nâng cao làm cho sự tiêu hao năng lượng ngày càng lớn. Những loại thiết bị không dây cho những ứng dụng khác nhau thì có yêu cầu về năng lượng khác nhau, như hình 1.2. Một trong những hướng giải quyết nhằm đáp ứng nhu cầu này là việc chế tạo ra những loại pin có khả năng trữ năng lượng lớn. Bên cạnh đó, việc nạp năng lượng nhanh và tiện lợi cũng là một hướng mà nhiều cơ quan nghiên cứu, hãng sản xuất theo đuổi hiện nay. Có nhiều cách để nạp năng lượng, nhưng nạp không dây vẫn là cách thuận tiện và dễ dàng nhất. Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 4 A v e r a g e P o w e r C o n s u m p t i o n Battery Run Time Hours Days Months Years Target Profiles for RF-based Wireless Power Low-power Wireless Sensors Weeks Hình 1.2. Mức độ sử dụng năng lượng của các thiết bị không dây Một số ví dụ tiêu biểu của nạp năng lượng không dây là nạp năng lượng mặt trời, nạp năng lượng nhiệt và nạp năng lượng sóng vô tuyến, như hình 1.3. Trong đó, công nghệ nạp năng lượng bằng sóng vô tuyến là công nghệ mới nhất hiện nay và nó đang trong quá trình hoàn thiện, nó cho phép các thiết bị di động nạp năng lượng từ các trạm vô tuyến. Một trạm năng lượng vô tuyến điển hình gồm một điểm truy cập có nguồn không đổi phát quảng bá tín hiệu vô tuyến mang cả thông tin và năng lượng đến các thiết bị đầu cuối, như hình 1.4. Trong các thiết bị đầu cuối này, có một số hoạt động như máy thu thông tin giải mã tin hiệu nhận được, một số khác chỉ nhận năng lượng bằng cách nạp năng lượng từ sóng điện từ. Để khắc phục sự suy hao cực kỳ lớn do phải truyền qua môi trường không dây nên các thiết bị nạp năng lượng phải được triển khai gần điểm truy cập. Tuy nhiên, việc này ảnh hưởng như thế nào đến việc truyền thông tin mà điểm truy cập gửi cho các máy thu thông tin. Trong mạng chuyển tiếp, các nút chuyển tiếp thu năng lượng rồi sau đó dùng năng lượng này để chuyển tiếp gói tin, hiệu năng của mạng này như thế nào? Làm thế nào để nâng cao hiệu năng hệ thống mạng chuyển tiếp? Đó là những vấn đề tiêu biểu mà đề tài cần nghiên cứu. Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 5 Ánh sáng Sự chuyển động Tần số vô tuyến Nhiệt Hình 1.3. Nguồn năng lượng không dây Hình 1.4. Cấu trúc của mạng truyền năng lượng không dây RF Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 6 1.2. Mục tiêu của đề tài - Phân tích và đưa ra các biểu thức đánh giá hiệu năng lớp vật lý của hệ thống như xác suất dừng hệ thống, thông lượng và xác suất lỗi ký tự trung bình đối với mạng chuyển tiếp truyền năng lượng hai chặng. - Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của hệ thống trên theo các tham số công suất phát, thời gian truyền năng lượng và khoảng cách truyền. 1.3. Phương pháp nghiên cứu - Phân tích và tổng hợp thông tin. - Phân tích theo đặc tính thống kê. - Mô phỏng Monte Carlo. - Phân tích kết quả và đánh giá. 1.4. Các bước tiến hành nghiên cứu - Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu mới nhất về mạng truyền năng lượng. - Đề xuất mô hình nghiên cứu về mạng chuyển tiếp hai chặng có truyền năng lượng. - Phân tích và tính toán các biểu thức về xác suất dừng hệ thống, thông lượng và xác suất lỗi ký tự trung bình. - Tiến hành mô phỏng và tính toán 3 thông số trên. - Từ đó khảo sát hiệu năng mạng theo các tham số công suất phát, thời gian truyền năng lượng và khoảng cách truyền. 1.5. Tình hình nghiên cứu 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Việc truyền năng lượng vô tuyến (RF) đã thu hút sự quan tâm của giới khoa học từ rất lâu, nó như là vấn đề riêng biệt với việc truyền thông tin vô tuyến. Thông thường, trước đây người ta sử dụng việc định hướng ăn-ten hoặc dung ăn-ten có khẩu độ lớn để khắc phục sự suy hao lớn trong việc truyền năng lượng vô tuyến. Trải qua vài thập kỷ, với sự phát triển của mạch thu năng lượng RF, việc truyền năng lượng thấp cho các thiết bị di động trong hệ thống không dây đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng [1-2]. Các tác giả trong [1] đã đề xuất cấu trúc của mạng không dây cho các trạm sạc RF chồng [...]... chuyển tiếp AF  Trạm nguồn truyền năng lượng và thông tin đến máy chuyển tiếp trên kênh truyền pha-đinh Rician (có tia trực tiếp) Trong khi đó, máy chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu nhận được và truyền thông tin đến máy đích qua kênh truyền phađinh Rayleigh Giả thuyết này là hợp lý vì các máy chuyển tiếp có năng lượng hạn chế thường đến gần trạm truyền năng lượng để tiếp năng lượng Trong thực 8 Báo cáo đề... mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng Trong mô hình này, mạng gồm một trạm nguồn (Source-S) vừa truyền thông tin vừa truyền năng lượng, một máy chuyển tiếp (Relay-R) có năng lượng giới hạn bởi khả năng thu được năng lượng vô tuyến từ trạm nguồn và một máy đích (Destination-D) Trong đề tài này, chúng tôi đề xuất kịch bản như sau:  Giả sử không tồn tại đường truyền trực tiếp giữa trạm nguồn và. .. số và thảo luận Ở phần này, chúng tôi sẽ làm rõ ảnh hưởng của những tham số hệ thống như hệ số thời gian truyền năng lượng (  ), hiệu suất truyền năng lượng (  ) và vị trí của nút chuyển tiếp ( d1 ) lên các đại lượng được đánh giá là xác suất dừng hệ thống (OP), xác suất lỗi ký tự trung bình (ASEP) và thông lượng (  ) 2.3.1 Đánh giá kết quả phân tích Kết quả phân tích đối với hai đại lượng OP và. .. thống mạng không dây hiện có 1.5.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước Tại Việt Nam, theo tìm hiểu của chúng tôi, chưa có nhóm nghiên cứu nào đeo đuổi hướng nghiên cứu về đánh giá hiệu năng trong mạng truyền năng lượng vô tuyến hai chặng 1.6 Hiệu quả kinh tế - xã hội và giáo dục - Về hiệu quả kinh tế - xã hội: Thúc đẩy sự phát triển của mạng không dây chuyển tiếp có yếu tố truyền năng lượng vô tuyến,... lên mạng tế bào Trong [2], một giao thức thu năng lượng và truyền (harvest-thentransmit) được đề xuất cho mạng không dây kết hợp với truyền năng lượng Ngoài ra, có rất nhiều kỹ thuật định hướng ăn-ten mới được triển khai để cải thiện hiệu quả của việc truyền năng lượng không dây cho các ứng dụng di động [2-4] Cho đến ngày hôm nay, việc sử dụng tín hiệu RF cho hai mục đích truyền năng lượng cũng như truyền. .. khoảng cách truyền 3.2 Kết luận Trong đề tài này, chúng tôi đã thực hiện khảo sát mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng bao gồm một trạm nguồn (S) vừa truyền thông tin vừa truyền năng lượng, một máy chuyển tiếp (R) có năng lượng giới hạn bởi khả năng thu được năng lượng vô tuyến từ trạm nguồn và một máy đích (D) hoạt động trong các môi trường pha-đinh không đồng nhất (kênh truyền. .. tài trong và ngoài nước - Thực hiện phân tích, tính toán và mô phỏng thành công các đại lượng xác suất dừng hệ thống, thông lượng và xác suất lỗi ký tự trung bình của mô hình nghiên cứu được đề xuất (mạng chuyển tiếp hai chặng có truyền năng lượng) Thông qua đó, hiệu năng của mạng này đã được khảo sát chi tiết dựa trên các thông số hệ thống: công suất phát, thời gian, hiệu suất truyền năng lượng, và. .. giữa truyền thông tin và năng lượng vô tuyến phải trả giá cho việc thiết kế hệ thống vô tuyến [5, 8] Nguyên nhân được cho là tín hiệu RF quyết định chất lượng thông tin, trong khi đó giá trị bình phương trung bình của tín hiệu RF chính là năng lượng truyền Kết quả là, lượng thông tin truyền và năng lượng truyền không thể đạt cực đại đồng thời Điều này dẫn đến yêu cầu phải thiết kế lại hệ thống mạng không. .. rộng đề tài này, các hướng nghiên cứu tiếp theo là: 19 Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường - Đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền năng lượng mang tính tổng quát hơn như: mạng chuyển tiếp đa chặng, hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO), sử dụng mô hình kênh truyền Nakagami-m - Đánh giá khả năng bảo mật thông tin ở lớp vật lý của mạng chuyển tiếp truyền năng lượng 20 Báo cáo đề tài nghiên cứu... minh tính đúng đắn của các kết quả phân tích Từ đó, ảnh hưởng các tham số hệ thống đã đề cập đến hiệu năng của mạng đã được đánh giá một cách rõ ràng 3.3 Hướng nghiên cứu tiếp theo Hiện nay, truyền năng lượng vô tuyến đang thu hút được sự chú ý của cộng đồng nghiên cứu trên thế giới Ở bài báo này, chúng tôi chỉ mới đánh giá hiệu năng của mạng chuyển tiếp truyền năng lượng với mô hình hệ thống đơn giản . TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2014-2015 Tên đề tài: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG Đơn vị chủ trì: KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ. Các thiết bị không dây 3 Hình 1.2. Mức độ sử dụng năng lượng của các thiết bị không dây 4 Hình 1.3. Nguồn năng lượng không dây 5 Hình 1.4. Cấu trúc của mạng truyền năng lượng không dây RF 5 Hình. dụng năng lượng của các thiết bị không dây Một số ví dụ tiêu biểu của nạp năng lượng không dây là nạp năng lượng mặt trời, nạp năng lượng nhiệt và nạp năng lượng sóng vô tuyến, như hình 1.3. Trong