Khi UAV trở thành trạm chuyển tiếp: mô hình TW-FDU cho liên lạc hai chiều

1.000.000/Phép thử Monte Carlo

Gần 2 lần/Thông lượng TW-FDU so với TW-HDU tại k = −80 dB

Công nghệ cốt lõi

Một thiết bị bay không người lái (UAV) có thể làm điểm trung chuyển tín hiệu khi hai thiết bị mặt đất ở xa hoặc bị che khuất. Báo cáo nghiên cứu một mô hình trong đó UAV vừa nhận vừa chuyển tiếp tín hiệu theo phương thức song công toàn phần, đồng thời phân tích ảnh hưởng của nhiễu tự thân còn dư và phần cứng vô tuyến không hoàn hảo đến chất lượng liên lạc.

Một UAV nối hai đầu liên lạc

Trong mô hình TW-FDU, hai thiết bị đầu cuối A và B không thể liên lạc trực tiếp do khoảng cách hoặc vật cản. UAV được đặt giữa hai đầu, nhận tín hiệu từ cả A và B, khuếch đại rồi chuyển tiếp tín hiệu trở lại hai phía. Song công toàn phần cho phép nút chuyển tiếp phát và thu đồng thời trên cùng hệ thống; đổi lại, tín hiệu phát có thể lọt vào bộ thu và tạo nhiễu tự thân.

Nhóm nghiên cứu xây dựng mô hình có xét nhiễu tự thân còn dư sau khử nhiễu, cũng như méo tín hiệu do phần cứng phát và thu không hoàn hảo. Phân tích so sánh hai cách đặt độ khuếch đại chuyển tiếp: cố định và biến đổi theo thông tin trạng thái kênh. Từ mô hình này, báo cáo thiết lập các biểu thức để đánh giá xác suất dừng, thông lượng và hiệu quả năng lượng.

Mô hình tính toán

Đánh giá bằng phân tích và mô phỏng

Các biểu thức toán học được đối chiếu với mô phỏng Monte Carlo trong MATLAB. Báo cáo sử dụng 1.000.000 phép thử cho các kịch bản mô phỏng nhằm kiểm tra sự phù hợp giữa kết quả phân tích và mô phỏng. Đây là kiểm chứng trên mô hình tính toán, không phải thử nghiệm bay hay đo kiểm một hệ thống UAV ngoài thực địa.

Trong kịch bản được báo cáo với mức nhiễu tự thân còn dư (k=-80\,\mathrm{dB}), thông lượng của TW-FDU được ghi nhận cao gần hai lần so với mô hình TW-HDU dùng làm đối chiếu. Kết quả cũng cho thấy hiệu năng thay đổi theo công suất phát, độ cao UAV, tần số sóng mang, mức nhiễu tự thân và mức độ không hoàn hảo của phần cứng. Vì vậy, cấu hình có lợi trong một kịch bản không nên được hiểu là tối ưu cho mọi điều kiện.

Thông lượng BCPU

Ở phân tích hiệu quả năng lượng, giá trị cực đại được báo cáo là 60 Mbit/Joule cho trường hợp không xét méo phần cứng và 23,5 Mbit/Joule khi có xét méo phần cứng, trong tập tham số mô phỏng của báo cáo. Kết quả này làm rõ rằng giả thiết phần cứng ảnh hưởng đáng kể đến đánh giá hiệu quả năng lượng; tăng công suất phát không mặc nhiên làm chỉ số này tăng.

Từ mô hình đến công cụ khảo sát

Đầu ra nghiên cứu gồm mô hình toán học TW-FDU, các công thức phân tích hiệu năng và hai chương trình MATLAB để mô phỏng xác suất dừng và hiệu quả năng lượng. Công cụ có thể hỗ trợ người nghiên cứu khảo sát tác động của các tham số hệ thống trong những kịch bản được thiết lập.

Hướng ứng dụng được đặt ra là đánh giá phương án liên lạc tạm thời ở nơi hạ tầng mặt đất bị hạn chế, chẳng hạn khu vực địa hình che khuất hoặc sau thiên tai. Tuy nhiên, báo cáo trình bày mô hình và kết quả mô phỏng; chưa cung cấp bằng chứng về nguyên mẫu UAV truyền thông, thử nghiệm thực địa hay triển khai dịch vụ. Các kết quả vì thế phù hợp để định hướng và tiếp tục đánh giá thiết kế, chưa thể diễn giải thành hiệu quả vận hành thực tế.