Cải thiện hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng công nghệ thu thập năng lượng

Nhằm thiết kế được các giao thức cho phép cải thiện hiệu năng của hệ thống sử dụng thu thập năng lượng bằng các kỹ thuật tiên tiến ở lớp vật lý, xây dựng các mô hình toán và ba phương pháp phân tích mới để đánh giá hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến thu thập năng lượng, tối ưu hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến thu thập năng lượng đồng thời xây dựng nhóm nghiên cứu về thông tin vô tuyến mạnh, có uy tín không những ở Việt Nam mà trên thế giới có chuyên môn sâu về thông tin vô tuyến nói chung và hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật truyền năng lượng nói riêng, nhóm nghiên cứu do ông Võ Nguyễn Quốc Bảo, Học Viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông cơ sở tại TP. Hồ Chí Minh, là một trong những nhóm nghiên cứu có công bố quốc tế đều đặn và được ghi nhận bởi đồng nghiệp trong lĩnh vực thông tin vô tuyến đứng đầu đã thực hiện nghiên cứu đề tài: “Cải thiện hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng công nghệ thu thập năng lượng”.

Sau 36 tháng, từ 01/05/2015 đến 31/05/2018, nhóm nghiên cứu thu được như sau:

1. Nội dung 1: Nghiên cứu thiết kế giao thức liên lạc vô tuyến hiệu quả dựa trên kỹ thuật thu thập năng lượng sử dụng các kỹ thuật tiên tiến ở lớp vật lý như: kỹ thuật truyền thích nghi, truyền thông đa chặng, kỹ thuật chuyển tiếp, v.v... Mô hình kênh truyền fading xem xét bao gồm: Rayleigh, Nakagami-m và Rician. Tham số hiệu năng cơ bản bao gồm: xác suất dừng, dung lượng Shannon (hoặc dung lượng bảo mật nếu xem xét hiệu năng bảo mật của hệ thống). Nhóm nghiên cứu trong đề tài đã thiết kế được 6 giao thức như sau:

- Thiết kế giao thức 1: truyền hai chặng sử dụng kỹ thuật lựa chọn anten phát (Transmit Antnena Selection - TAS) ở máy phát và MRC/SC ở máy thu hoạt động ở kênh truyền fading Nakagami-m và Rician.

- Thiết kế giao thức 2: truyền song công (full-duplex) sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng trong hai trường hợp có và không có thông tin kênh truyền hoàn hảo (perfect and imperfect channel state information).

- Thiết kế giao thức 3: truyền chuyển tiếp hai chiều trong hai trường hợp: không sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng và sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng. Khi triển khai nghiên cứu mạng chuyển tiếp hai chiều, nhóm đề tài phát hiện ra rằng sự kết hợp giữa công nghệ vô tuyến nhận thức và thu thập năng lượng là một sự kết hợp rất tự nhiên và thú vị, khi mà tín hiệu can nhiễu từ máy phát sơ cấp của mạng sơ cấp không những là tín hiệu có hại đối với máy thu thứ cấp mà có thể xem là nguồn phát năng lượng có ích cho mạng thứ cấp khi mạng thứ cấp sử dụng công nghệ thu thập năng lượng. Do đó phần nghiên cứu trong phần này có hai phần: (i) nghiên cứu mạng chuyển tiếp hai chiều trong môi trường vô tuyến nhận thức và (ii) kết hợp công nghệ vô tuyến nhận thức và thu thập năng lượng trong mạng chuyển tiếp hai chiều.

- Thiết kế giao thức 4: truyền chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng trong môi trường bình thường và môi trường vô tuyến nhận thức để nâng cao hiệu năng truyền và hiệu năng bảo mật của hệ thống.

- Thiết kế giao thức 5: truyền đa người dùng hai chặng tận dụng kênh truyền trực tiếp.

- Thiết kế giao thức 6: truyền gia tăng với nút chuyển tiếp hoạt động dựa trên thu thập năng lượng sử dụng kỹ thuật truyền gia tăng.

2. Nội dung 2: Nghiên cứu các mô hình toán biểu diễn hệ thống gần với thực tế và phương pháp phân tích hiệu quả và đơn giản về mặt toán học. Các phương pháp phân tích cho phép tính toán và biểu diễn các tham số hiệu năng ở dạng đóng hoặc có thể phân tích hiệu năng hệ thống ở vùng nhiễu thấp hoặc nhiễu cao. Trong nội dung nghiên cứu 2, nhóm nghiên cứu đã đề xuất 04 phương pháp phân tích mới như sau:

Phương pháp 1: Đã đề xuất một phương pháp phân tích mới để đánh giá hiệu năng mạng thu thập năng lượng sử dụng kỹ thuật phân tích chuỗi, cho phép đánh giá hiệu năng của hệ thống với độ chính xác cần thiết đặc biệt ở vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp, là vùng hoạt động của hệ thống thu thập năng lượng khi mà hiệu năng thu thập năng lượng hiện nay rất thấp. Phương pháp đề xuất có ưu điểm hơn phương pháp hiện tại đề xuất bởi Nasir trong tài liệu [A], chỉ cho kết quả hợp lý ở vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao.

Phương pháp 2: Đã đề xuất phương pháp phân tích mới để phân tích hiệu năng hệ thống chuyển tiếp hai chặng thu thập năng lượng ở kênh Rician [J1] sử dụng biểu chuỗi vô hạn của hàm modified Bessel function và kênh Nakagami-m [C3] sử dụng chuỗi generalized hypergeometric series

Phương pháp 3: Đề xuất phương pháp phân tích cho phép xấp xỉ hiệu năng của hệ thống vô tuyến nhận thức dạng nền ở vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thấp và cao, các kết quả này sẽ được ứng dụng trực tiếp vào hệ thống vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng và được áp dụng trong các công bố sau: [C4] và [D7].

Phương pháp 4: Đề xuất phương pháp tính toán dung lượng dừng chính xác cho mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp có thể áp dụng cho các trường hợp mạng chuyển tiếp truyền thống, mạng áp dụng kỹ thuật vô tuyến nhận thức và mạng áp dụng kỹ thuật thu thập năng lượng từ nguồn phát năng lượng (có power beacon) bằng cách tận dụng tính chất của hàm logarit và tính chất đặc thù của tỷ số tính hiệu tương đương của hệ thống. Đây là phương pháp rất có ý nghĩa vì cho đến nay các công bố liên quan đến dung lượng dừng của chuyển tiếp AF đều phải sử dụng kỹ thuật xấp xỉ, ví dụ xấp xỉ Jensen, và không chính xác ở vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp, là vùng hoạt động của các hệ thống thu thập năng lượng và vô tuyến nhận thức.

3. Nội dung 3: Nghiên cứu tối ưu hiệu năng của hệ thống ở kênh truyền fading. So sánh kết quả bài toán tối ưu với hệ thống truyền thống để chứng minh ưu điểm của giải pháp. Ở nội dung này, nhóm nghiên cứu đã tối ưu hiệu năng hệ thống truyền gia tăng [J9] và hệ thống DSSC [J7] (làm giá trị xác xuất dừng hệ thống nhỏ nhất) bằng cách điều chỉnh giá trị của tốc độ chuyển mạch khi cho trước tốc độ dừng và đề nghị giải thuật đề tìm giá trị tối ưu của giá trị phân chia thời gian.

Như vậy, kết quả nghiên cứu của đề tài sẽ là những hiểu biết mới về hệ thống thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật thu thập năng lượng. Những hiểu biết này giúp cho mọi người hiểu sâu sắc hơn về tiềm năng và khả năng áp dụng thực sự của kỹ thuật thu thập năng lượng, cụ thể: Các mô hình toán học mới để mô tả hệ thống thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật thu thập năng lượng; Các phương pháp phân tích hiệu năng mới để đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật thu thập năng lượng; Các giải pháp/mô hình/giao thức mới để cải thiện hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến dựa trên kỹ thuật thu thập năng lượng.

Công trình nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí EURASIP Journal on Wireless Communications and Networking; Journal of Science and Technology on Information and Communications; The National Foundation for Science and Technology Development Conference on Information and Computer Science (NICS); The IEEE Transactions on Wireless Communications,…

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 15475/2018) tại Cục Thông KH&CN Quốc gia.

P.T.T (NASATI)