Phân tích hiệu năng của hệ thống truyền thông chuyển tiếp đường lên với thu thập năng lượng và kết hợp lựa chọn tại nút đích

Thảo
QuốcGia
Gia2015
2015 về
về Điện
Điện Tử,
Truyền Thơng
Nghệ
Thơng
Tin Tin
(ECIT
2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
Tử, Truyền
ThơngvàvàCơng
Cơng
Nghệ
Thơng
(ECIT
2015)

Phân Tích Hiệu Năng của Hệ Thống Truyền Thông Chuyển
Tiếp Đường Lên với Thu Thập Năng Lượng và Kết Hợp Lựa
Chọn tại Nút Đích
Trần Mạnh Hồng∗ , Nguyễn Thị Thái Hịa † , Trần Trung Duy ‡ , Võ Nguyễn Quốc Bảo
∗

‡

Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự (email: )
Đại Học Thông Tin Liên Lạc, Khánh Hịa (email: )
‡ Phịng Thí Nghiệm Thơng Tin Vơ Tuyến (WCOMM)
Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Cơ Sở tại TP. Hồ Chí Minh (e-mail: {trantrungduy,baovnq}@ptithcm.edu.vn)
†

Tóm tắt nội dung—Trong bài báo này, chúng tơi đề xuất mơ
hình truyền thông hai chặng đường lên với phương thức giải mã
và chuyển tiếp (Decode and Forward-DF), ở đó nút chuyển tiếp
hoạt động dựa trên cơ sở thu thập năng lượng bức xạ từ tần
vô tuyến (RF) để cấp nguồn sử dụng cấu trúc chuyển mạch thời
gian (TS). Nút đích được cấu hình nhiều anten và sử dụng kỹ
thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining - SC) để nâng cao
hiệu năng của hệ thống. Chúng tơi phân tích xác suất dừng hệ
thống trên kênh truyền pha-đinh Rayleigh và sử dụng phương
pháp mô phỏng Monte Carlo trên phần mềm Matlab được thực
hiện để kiểm chứng kết quả phân tích lý thuyết.

Từ khố - Truyền thông chuyển tiếp, thu thập năng lượng,
nguồn một chiều.
I. GIỚI THIỆU
Hiện nay, thông tin vô tuyến di động ngày càng được sử
dụng rộng rãi và trở thành nhu cầu thiết yếu của con người.
Các thiết bị này nhỏ gọn và được trang bị nhiều cảm biến cho
phép hỗ trợ con người trong nhiều hoạt động hàng ngày. Một
trong những khó khăn cho các thiết bị thơng tin di dộng là
nguồn năng lượng sử dụng. Công nghệ pin hiện tại chỉ có thể
giúp thiết bị hoạt động trong một khoản thời gian giới hạn
[1].
Để giải quyết bài toán trên, các nhà khoa học trong những

năm gần đây quan tâm đến kỹ thuật thu thập năng lượng từ
sóng vơ tuyến [2], [3]. Ý tưởng chính của kỹ thuật này là sử
dụng năng lượng của tín hiệu ở băng tần vơ tuyến, thu được ở
máy thu, chuyển đổi thành nguồn điện một chiều (DC), cung
cấp năng lượng cho thiết bị thu/phát [4]. Cơng nghệ này cho
phép hệ thống có thể duy trì hoạt động bình thường hoặc kéo
dài thời gian sống của mạng vì khơng phụ thuộc vào việc cấp
nguồn như hiện nay, đặc biệt lý tưởng cho các mạng vô tuyến
hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt mà việc thay
thế hoặc nạp lại pin gặp nhiều khó khăn [5]. Tuy nhiên, do
hiệu suất chuyển dổi cũng như do hiệu ứng suy hao đường
truyền, năng lượng thu thập được là không lớn dẫn đến vùng
phủ sóng của các máy phát thu thập năng lượng là khơng lớn
[5].
Khi đó, việc sử dụng kỹ thuật truyền thông hợp tác [6] hoặc
kỹ thuật chuyển tiếp [7] cho mạng thu thập năng lượng là cần
thiết với một số nghiên cứu tiêu biểu như [8]–[13]. Cụ thể,
trong bài báo [8], các tác giả đã xem xét hệ thống MIMO

(Multi Input Multi Output) chuyển tiếp, và nghiên cứu sự cân
bằng tối ưu, giữa biến đổi năng lượng và tốc độ thơng tin tiền
mã hóa. Với bài tốn tối ưu phân chia công suất (cho xử lý
thông tin và mức năng lượng thu thập) thì hệ thống đạt hiệu
suất năng lượng tối đa cho cả nút nguồn và nút chuyển tiếp.
Nhưng ở đây, các tác giả chưa đánh giá các thông số hiệu
suất của hệ thống, theo phương diện truyền dẫn như là xác
suất lỗi và dung lượng kênh. Trong bài báo [9], các tác giả
đã khảo sát hệ thống đa người dùng và nhiều chặng, với việc
biến đổi năng lượng và thông tin đồng thời. Bài báo [9] đã
giả sử rằng, nút chuyển tiếp có thể thực hiện đồng thời, xử lý

thơng tin và trích một phần tín hiệu thu được để chuyển đổi
thành năng lượng cung cấp nguồn cho hệ thống hoạt động.
Nghiên cứu mơ hình chuyển tiếp đơn giản hai chặng đã được
đề xuất trong [10] sử dụng phương thức giải mã và chuyển
tiếp (Decode and Forward-DF), kết hợp thu thập năng lượng
từ sự can nhiễu từ mơi trường xung quanh. Như vậy, tín hiệu
can nhiễu vào hệ thống trong khoảng thời gian thu thập sẽ
trở nên có ích, nhưng khoảng thời gian tiếp theo dành cho xử
lý thơng tin thì bài báo chưa xem xét đến sự can nhiễu đó.
Bài báo [11], [12] lần lượt nghiên cứu giao thức lựa chọn nút
chuyển tiếp trong mạng thu thập năng lượng và giải bài toán
xác định vị trí tối ưu của nút chuyển tiếp trong mạng hai chặng
nhằm mục đích cực đại hiệu suất hệ thống. Cụ thể trong [11],
các tác giả đã phân tích hệ thống lựa chọn nút chuyển tiếp, để
cân bằng hiệu suất năng lượng tại máy thu với đại lượng cân
bằng là lượng tin và năng lượng thu thập được. Bài báo này
đã giải quyết được bài toán tối ưu hiệu suất hệ thống; đặc biệt,
các tác giả đã đưa ra những biểu thức toán học tường minh để
đánh giá hiệu năng hệ thống. Kế thừa và phát triển ý tưởng
của hệ thống truyền thông điểm-điểm, trong bài báo [13], các
tác giả đã xem xét phương thức khuếch đại và chuyển tiếp
(Amplify and Forward-AF), ở đó, nút chuyển tiếp có nguồn
năng lượng hữu hạn, và thực hiện thu thập năng lượng từ tín
hiệu vơ tuyến, dùng năng lượng tái tạo này để cấp nguồn cho
hoạt động chuyển tiếp thơng tin đến đích. Trên cơ sở hai cấu
trúc máy thu chuyển mạch theo thời gian và phân chia công
suất, hai giao thức chuyển tiếp được đề xuất trong bài báo này
có tên là: giao thức chuyển tiếp dựa vào chuyển mạch thời gian
(Time Switching Relay) và giao thức chuyển tiếp dựa trên cơ
sở phân chia công suất (Power Splitting Relay). Gần đây, các

488

ISBN: 978-604-67-0635-9

488


Thảo
QuốcGia
Gia2015
2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thông
Thông và
Thông
TinTin
(ECIT
2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
vàCông
CôngNghệ
Nghệ
Thông
(ECIT
2015)

tác giả trong bài báo [14] đã đề xuất giao thức lựa chọn nút
chuyển tiếp thu thập năng lượng dựa trên tiêu chí năng lượng
mà nút chuyển tiếp thu thập được. Các kết quả phân tích chỉ
ra rằng giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp đã cải thiện đáng
kể hiệu năng của hệ thống.
Trong bài báo này, chúng tơi đề xuất mơ hình truyền thơng
hai chặng cho đường truyền lên sử dụng kỹ thuật thu thập năng
lượng vô tuyến với kỹ thuật lựa chọn anten phát ở nút đích. Cụ
thể trong bài báo này, chúng tơi thực hiện phân tích hệ thống
truyền thơng chuyển tiếp, trong đó nút trung gian có nguồn
năng lượng hữu hạn, và phải thực hiện thu thập năng lượng
từ tín hiệu vơ tuyến để sử dụng cho hoạt động chuyển tiếp dữ
liệu. Hơn nữa, nút đích được trang bị nhiều anten và sử dụng
kỹ thuật kết hợp chọn lựa để nâng cao hiệu quả giải mã dữ
liệu [15], [16]. Bài báo đã đề xuất phương pháp mới cho phép
xấp xỉ xác suất dừng của hệ thống trên kênh truyền fading
Rayleigh. Hơn nữa, chúng tơi cịn thực hiện các mơ phỏng hệ
thống trên máy tính bằng phần mềm Matlab để kiểm chứng
các biểu thức tốn học. Các kết quả phân tích và mơ phỏng
cho thấy mơ hình đề xuất với kỹ thuật lựa chọn anten thu ở
phía nút đích cho phép cải thiện đáng kể hiệu năng của hệ
thống ở kênh truyền fading Rayleigh.
Phần cịn lại của bài báo được trình bày như sau. Phần II
trình bày mơ hình của hệ thống. Phần III là phần đánh giá hiệu
năng của hệ thống dưới dạng xác suất dừng. Đây cũng là phần
đề xuất phương pháp xấp xỉ mới cải thiện độ chính xác của
xác suất dừng hệ thống ở vùng tỷ lệ nhiễu thấp. Phần IV là
phần sử dụng mô phỏng Monte Carlo bằng phần mềm Matlab
để kiểm chứng kết quả phân tích ở Phần III và Phần V là phần

kết luận của bài báo.
II. MƠ HÌNH HỆ THỐNG



Hình 1.



Nút đích được cấu hình với M anten và sử dụng kỹ thuật kết
hợp phân tập lựa chọn trước khi giải điều chế tín hiệu.
Trong hệ thống này, giả sử rằng tác động của fading không
thay đổi trong một khung dữ liệu, nhưng sẽ thay đổi một cách
độc lập trong những khung dữ liệu tiếp theo. Thông tin trạng
thái kênh của từng chặng giả sử được biết tại các nút chuyển
tiếp và nút đích.
Gọi h và gm với m = 1, 2, . . . , M lần lượt là hệ số kênh
truyền từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp và từ nút chuyển tiếp
đến anten thứ m tại nút đích. Xem xét ở kênh truyền fading
2
2
Rayleigh, độ lợi kênh truyền tương ứng, |h| và |gm | , là các
biến ngẫn nhiên có phân
[ bố]hàm mũ với
[ tham
] số đặc trưng là
λh và λg , với λh = E |h|2 , λg = E |gm |2 và E [.] là toán
tử kỳ vọng.
Nút chuyển tiếp thực hiện theo phương thức giải mã và
chuyển tiếp, tức là bản tin mà nút chuyển tiếp thu được từ nút

nguồn ở pha thứ nhất, sẽ được giải mã, mã hóa lại và phát
đến nút đích bằng nguồn năng lượng thu được. Giả sử rằng
năng lượng tiêu tốn cho quá trình giải mã và mã hóa lại tín
hiệu tại nút chuyển tiếp là không đáng kể so với năng lượng
để chuyển tiếp tín hiệu.
Hình 2 minh họa cấu trúc thu thập năng lượng thực hiện
theo phương thức chuyển mạch thời gian khung dữ liệu (Time
Switching-TS) với thời gian αT được sử dụng cho thu thập
năng lượng và thời gian còn lại (1 − α)T được dùng cho xử lý
thông tin. Khi hệ thống là đơn công, (1 − α)T /2 đơn vị thời
gian dùng cho truyền dữ liệu từ S đến R và (1 − α)T /2 đơn vị
thời gian còn lại dùng cho truyền dữ liệu từ R đến D. Sơ đồ
khối máy thu năng lượng và thông tin được minh họa trong
Hình 3. Tín hiệu ở tần số vơ tuyến (Radio Frequency-RF) tại
ngõ vào máy thu, được phân chia thành hai phần, bởi cấu trúc
chuyển mạch thời gian như đã giới thiệu ở trên, một phần đưa
về mạch thu thập năng lượng và một phần dành cho xử lý
thông tin1 .



Thu th năng lưng

Nhn d liu t nút
ngun

Chuyn ti d liu đn
nút đích

Mơ hình hệ thống truyền thơng hai chặng thu thập năng lượng.

Xem xét hệ thống truyền thông vơ tuyến như được biểu diễn
ở Hình 1, trong đó nút nguồn S truyền dữ liệu tới nút đích D
thơng qua sự trợ giúp của nút chuyển tiếp R. Giả sử rằng, hệ
thống khơng có đường truyền trực tiếp từ nút nguồn đến nút
đích do vùng phủ sóng của nút nguồn bị giới hạn hoặc do tồn
tại vật cản giữa nguồn và nút đích. Giả sử nút chuyển tiếp hoạt
động hoàn toàn dựa vào năng lượng thu thập nghĩa là khơng
có thiết bị cung cấp nguồn cố định (ví dụ như sử dụng các
bộ pin mà định kỳ phải thay thế hoặc nạp lại) và thực hiện
thu thập năng lượng từ tần số vơ tuyến và chuyển đổi thành
dịng một chiều để cấp nguồn. Nút nguồn và nút chuyển tiếp
được trang bị một anten hoạt động ở chế độ bán song cơng.

Hình 2.

Cấu trúc chuyển mạch thời gian khung dữ liệu.

Máy thu năng lượng thực hiện chỉnh lưu tín hiệu RF, thơng
qua các cấu trúc chỉnh lưu như được trình bày trong [3], và
đưa trực tiếp đến mạch nạp nguồn của bộ pin. Tín hiệu thu
được tại nút chuyển tiếp là yr (t) được mơ hình bằng biểu thức
tốn học như sau:
√
yr (t) = Ps hs(t) + νR ,
(1)

489

489

1 Chi

tiết của cấu trúc này đã được trình bày kỹ trong


HộiHội
Thảo
Quốc
Gia
vàCơng
CơngNghệ
Nghệ
Thơng
(ECIT
2015)
Thảo
Quốc
Gia2015
2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thơng
Thơng và
Thơng
TinTin
(ECIT
2015)
III. PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG

Xác suất dừng hệ thống là một thông số hiệu năng quan
trọng được định nghĩa là xác suất mà tỉ số tín hiệu trên nhiễu
đầu cuối của hệ thống thấp hơn ngưỡng cho trước, γth . Biểu
diễn theo biểu thức toán học, ta có
OP = Pr(γe2e < γth ),

(8)

2R

trong đó γth = 2 1−α − 1 với R là tốc độ truyền mong muốn
của hệ thống. Thay thế (7) vào (8), ta có

Hình 3.

OP = 1 − Pr [min (γ1 , γ2 ) ≥ γth ]
]
[
γth (1 − α)
γth
. (9)
, |˜
g |2 >
= 1 − Pr |h|2 >
Ps /N0
2αηPs /N0 |h|2

Sơ đồ khối máy thu thơng tin và năng lượng.

trong đó Ps là cơng suất phát trung bình của nút nguồn, s(t)

là tín hiệu mã hóa tại nguồn và νR là nhiễu nội tại máy thu
chuyển tiếp. Giả sử rằng nhiễu tại tất cả các máy thu, như nút
chuyển tiếp R và nút đích D, là nhiễu trắng cộng tính chuẩn
(AWGN) với trung bình bằng khơng và phương sai bằng N0 .
Từ (1), ta có xác định được mức năng lượng thu thập, Eh ,
tại nút chuyển tiếp trong khoảng thời gian αT là
Eh = ηPs |h|2 αT,

(2)

với η ∈ (0, 1) là hiệu suất của mạch điện tái tạo năng lượng
với giả thiết rằng năng lượng dùng cho mạch điện tái tạo là
không đáng kể. Với năng lượng nhận được như trong (2), công
suất phát mà nút chuyển tiếp sử dụng trong khoảng thời gian
(1 − α)T /2 để truyền dữ liệu đến nút đích là
Pr = 2αηPs |h|2 /(1 − α).

(3)

Xem xét anten thứ m của nút đích, ta có tín hiệu nhận được
viết ở dạng như sau:
√
yD,m = Pr gm sˆ(t) + νm
√
2αηPs |h|2
gm s(t) + νm ,
=
(4)
(1 − α)

Đặt X = |h|2 và Y = |˜
g |2 và sử dụng [19, (6-37)], ta viết lại
(9) như sau:
∫ ∞ ∫ ∞
OP = 1 −
fX (x)fY (y)dxdy,
(10)
γth
Ps /N0

trong đó ϕ = γth (1 − α) / (2αηPs /N0 ). Trong (10), fX (x)
và fY (y) lần lượt làm hàm mật độ phân bố xác suất của X
và Y , được cho sau đây [20, (2)]:
)
(
1
x
,
(11)
fX (x) =
exp −
λh
λh
fY (y) =

Ps |h|2
.
N0

γ2 =

2

với |˜
g| =

max

m=1,2,...,M

g |2
2αηPs |h|2 |˜
,
(1 − α) N0

(−1)

m−1

(

)
)
(
M m
my
.
exp −
λg
m λg

(12)

Thay thế các biểu thức (11) và (12) vào (10) và triển khai tích
phân hai lớp, ta có thể viết lại (10) thành (13) ở đầu trang phía
sau. Chú ý rằng tích phân Ω trong (13) khơng tồn tại dạng
đóng2 . Sử dụng phương pháp tương tự như ở [13], ta quan sát
th
thấy rằng tại vùng tỷ lệ trên nhiễu lớn thì Psγ/N
→ 0, nên ta
0
có thể xấp xỉ Ω bằng cách thay đổi cận dưới của tích phân từ
γth
Ps /N0 về 0 như sau:
( )
M
1 ∑
m−1 M
OP ≈1 −
(−1)
λh m=1
m
)
)
(
(
∫ ∞
mϕ
x
dx .
×

exp −
exp −
λh
λg x
0
�
��
�

(5)

Sử dụng với kỹ thuật kết hợp chọn lựa tại nút đích, tỷ số tín
hiệu trên nhiễu ở chặng thứ hai được đưa ra bởi:

M
∑

m=1

trong đó νm là nhiễu trắng tại anten thứ m của D và sˆ là
phiên bản giải điều chế của s tại R.
Từ biểu thức (1), ta xây dựng được biểu thức tỷ số cơng
suất tín hiệu trên nhiễu của chặng từ S đến R như sau:
γ1 =

ϕ
x

(14)

Ω

Sử dụng biến đổi [21, (3.324.1)], ta có

( )
M
1 ∑
m−1 M
(−1)
OP ≈1 −
γ¯1 m=1
m
√
( √
)
mϕ
λh
,
× 2 mϕ K1 2
λg
λh λg

(6)

|gm |2 .

(15)

Trong hệ thống chuyển tiếp DF, chặng yếu hơn sẽ quyết
định hiệu năng của hệ thống, do đó ta có thể viết tỷ số tín

hiệu trên nhiễu tương đương của hệ thống như sau [7], [17],
[18]:

với Kn (.) là hàm Bessel điều chỉnh loại hai [21, (8.407.1)].
Xấp xỉ cho OP (15) sẽ hợp lý khi hệ thống hoạt động ở
vùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao, cụ thể là Ps /N0 ≫ γth .

(7)

2 Closed-form expression hay một số tài liệu còn gọi là dạng tường minh,
nghĩa là biểu diễn dưới dạng những hàm cơ bản.

γe2e = min (γ1 , γ2 ) .

490

490


Thảo
QuốcGia
Gia2015
2015về
vềĐiện
Điện Tử,
Tử,Truyền
Truyền Thông
Thông và
Thông
TinTin

(ECIT
2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
vàCông
CôngNghệ
Nghệ
Thông
(ECIT
2015)

( ) ∫ ∞ ∫ ∞
)
(
)
(
M
my
m
1 ∑
x
m−1 M
exp −
dxdy
(−1)
exp −
ϕ
th
λh m=1

λh
λg
m λg P γ/N
x
s
0
)
( )∫ ∞
)
(
(
M
mϕ
x
1 ∑
m−1 M
dx .
exp −
(−1)
exp −
=1−
γth
λh m=1
λh
λg x
m
Ps /N0
�
��
�

OP = 1 −

(13)

Ω

Khi mà thực tế hiện nay, hệ thống thu thập năng lượng hầu
hết hiệu suất cịn chưa cao dẫn đến cơng suất thu thập được
rất thấp gây ra những sai lệch lớn cho OP ở vùng tỷ lệ tín
hiệu trên nhiễu thấp [22]. Trong bài báo này, tôi đề xuất một
phương pháp tính mới dựa trên khai triển hàm mũ theo chuỗi
vô hạn cụ thể như sau [21, (1.211.1)]
(
) ∑
)t
∞
t(
mϕ
(−1) mϕ
exp −
=
.
(16)
λg x
t!
λg x
t=0

10 0

10 -1

Thay thế (16) vào Ω, ta viết lại Ω như sau:
)t ∫ ∞
) ( )t
(
∞
t(
∑
(−1) mϕ
1
x
exp −
dx.
Ω=
γ
th
t!
λg
λh
x
t=0
Ps /N0
(17)

Sử dụng [21, (3.351.4)], ta có được biểu thức của Ω theo chuỗi
vô hạn như công thức (18) được trình bày ở đầu trang sau với
Ei(., .) là hàm tích phân mũ [21, (3.351.2)].
Cuối cùng, thay Ω ở vừa tính được ở (18) vào (13), ta được

biểu thức xác suất dừng hệ thống như ở (19). Tuy nhiên, biểu
thức (19) trong thực tế khơng thể dùng để tính tốn trên các
phần mềm vì chứa chuỗi vơ hạn. Trong tính toán thực tế, chúng
ta phải xấp xỉ biểu thức (19) như (20) bằng cách chỉ sử dụng
Nt thành phần đầu tiên của chuỗi. Số lượng Nt thành phần
hợp lý sẽ được khảo sát ở phần sau.

Nt = 1

10 -2

Nt = 5
Nt = 10
Nt = 15
Nt = 20
10 -3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Hình 4. Khảo sát ảnh hưởng của số lượng thành phần trong chuỗi lên xác
suất dừng hệ thống, α = 0.3, η = 0.75, R = 1, λh = λg = 1, và M = 3.

10 0

IV. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Trong phần này, chúng tôi sẽ thực hiện mô phỏng Monte
Carlo nhằm hai mục đích: i) kiểm chứng tính chính xác của
phương pháp đề xuất và kết quả phân tích ở các phần trên ii)
so sánh mơ hình để xuất so với mơ hình truyền thống để từ
đó chứng minh ưu điểm của mơ hình đề xuất và iii) khảo sát
ảnh hưởng của số lượng anten ở phía máy thu lên hiệu năng
hệ thống.
Trong Hình 4, chúng tơi khảo sát ảnh hưởng số lượng thành
phần đầu tiên trong chuỗi đến độ chính xác của kết quả xấp
xỉ và đồng thời so sánh kỹ thuật xấp xỉ đề xuất với kỹ thuật
xấp xỉ truyền thống. Số lượng thành phần khảo sát lần lượt là
1, 5, 10, 15 và 20. Quan sát trên Hình 4, ta thấy rằng trường
hợp Nt = 1 và Nt = 5 thì xác suất xấp xỉ đạt được khơng
tốt bằng kỹ thuật truyền thống. Tuy nhiên, khi số lượng thành
phần từ 10 trở lên, thì kết quả xác suất xấp xỉ gần như trùng
với kết quả mơ phỏng ở tồn miền tỷ số tín hiệu trên nhiễu
khảo sát và đồng thời tốt hơn kỹ thuật truyền thống.
Trong Hình 5, chúng tôi khảo sát ảnh hưởng của số lượng
anten lên xác suất dừng hệ thống bằng cách tăng số lượng

10 -1

M = 1, 3, 5

10 -2

Phân tích
10

-3

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Hình 5. Ảnh hưởng của số lượng anten ở nút đích lên xác suất dừng hệ
thống, α = 0.3, η = 0.75, R = 1, λh = λg = 1, và Nt = 20.

anten từ 1 lên 3 và 5. Quan sát trên hình, chúng ta dễ dàng
nhận thấy rằng, khi tăng từ 1 lên 3 anten ở nút đích, xác suất

491

491


Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)
Hội Hội
Thảo
Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015)

Ω=

∞
∑
t=0

(−1)
t!

t(

mϕ
λg

)t



t

(

1
 (−1)

(t − 1)! λh

)t−1

(

Ei −

γth N0
Ps λh

)

+(

e

−

γth N0
Ps λh

γth N0
Ps λh

)k−1

t−2
∑
ℓ=0

(

1
γth N0
−
(t − 1)(t − 2) . . . (t − 1 − ℓ)
Ps λh

)ℓ





(18)

( )∑
]t

M
∞
t[
(−1) mγth (1 − α)
1 ∑
m−1 M
(−1)
OP =1 −
γ¯h m=1
2αηλg Ps /N0
m t=0 t!


γ N0
(
)t−1 (
)
)ℓ
t−2
− Pth
t (
λ
∑
e s h
1
1
γth N0 
γth N0
 (−1)
−

+(
×
Ei −

)k−1
(t − 1)! λh
P s λh
(t
−
1)(t
−
2)
.
.
.
(t
−
1
−
ℓ)
Ps λh
γth N0

(19)

ℓ=0

Ps λh

( )∑

]t
Nt
M
t[
(−1) mγth (1 − α)
1 ∑
m−1 M
OP ≈1 −
(−1)
γ¯h m=1
2αηλg Ps /N0
m t=0 t!


γ N0
(
)t−1 (
)
)ℓ
t−2
− Pth
t (
λh
∑
s
e
1
1
γth N0 
γth N0

 (−1)
−
+(
×
Ei −

)k−1
(t − 1)! λh
P s λh
(t
−
1)(t
−
2)
.
.
.
(t
−
1
−
ℓ)
Ps λh
γth N0

(20)

ℓ=0

Ps λh

dừng của hệ thống được cải thiện đáng kể so với trường hợp
tăng từ 3 lên 5 anten. Bên cạnh đó, độ dốc của đồ thị cũng
chỉ ra rằng, khi tăng số lượng anten ở nút đích chỉ cải thiện độ
lợi mã của hệ thống mà không cải thiện độ lợi phân tập. Bên
cạnh đó, kết quả mơ phỏng trùng khít với kết quả phân tích
chứng minh rằng phương pháp xấp xỉ đề xuất là hoàn toàn
đúng đắn.

10 0
P s = {10 dB, 15 dB, 20 dB}

10 0

10 -1
10 -1

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

α

M = 1, 3, 5

10 -2

0

0

0.1

0.2

0.3

Hình 7. Ảnh hưởng của Ps lên giá trị α tối ưu, η = 0.75, R = 1,
λh = λg = 1, Nt = 20, và M = 2.

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

α

Hình 6. Ảnh hưởng của số lượng anten lên giá trị α tối ưu, η = 0.75,
Ps = 20 dB, R = 1, λh = λg = 1, và Nt = 20.

Trong Hình 6 và 7, chúng tơi khảo sát ảnh hưởng của giá
trị α lên hiệu năng của hệ thống. Trong Hình 6, chúng tơi

giữ ngun tham số kênh truyền trong khi thay đổi số lượng
anten thu ở nút đích. Chúng ta thấy rằng tồn tại một giá trị α
làm cho xác suất dừng hệ thống nhỏ nhất, và chúng ta gọi giá
trị này là giá trị α tối ưu. Chúng ta cũng thấy rằng số lượng
anten sẽ làm thay đổi giá trị tối ưu của α. Khi số lượng anten
tăng lên thì giá trị α có xu hướng nhỏ lại. Cụ thể với trường
hợp N = 5, giá trị tối ưu của α là xấp xỉ 0.3. Hình 7 khảo
sát ảnh hưởng của Ps lên giá trị tối ưu của α. Chúng ta khảo
sát với 3 trường hợp: Ps = 10 dB, Ps = 15 dB, và Ps = 20

492

492


Thảo

Quốc
Gia
2015vềvềĐiện
ĐiệnTử,
Tử,Truyền
TruyềnThơng
Thơng và
TinTin
(ECIT
2015)
HộiHội
Thảo
Quốc
Gia
2015
và Cơng
CơngNghệ
NghệThơng
Thơng
(ECIT
2015)

dB. Ngược với những gì quan sát được ở Hình 6, giá trị Ps
tăng sẽ làm giá trị α tối ưu tăng.
V. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, chúng tơi đã đề xuất được mơ hình truyền
thơng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng tại
nút chuyển tiếp áp dụng cho trường truyền lên. Bài báo đã
đề xuất kỹ thuật phân tích xác suất dừng. Các kết quả phân
tích chứng minh rằng mơ hình đề xuất là tốt hơn mơ hình đơn

anten và số lượng anten tại đích cho phép cải thiện đáng kể
hiệu năng của hệ thống.
ACKNOWLEDGMENT
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và
công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.042014.32.
TÀI LIỆU
[1] J. M. Dilhac and M. Bafleur, “Energy harvesting in aeronautics for
battery-free wireless sensor networks,” IEEE Aerospace and Electronic
Systems Magazine, vol. 29, no. 8, pp. 18–22, 2014.
[2] L. R. Varshney, “Transporting information and energy simultaneously,”
in Proc. of 2008 IEEE International Symposium on Information Theory
(ISIT’08), 2008, pp. 1612–1616.
[3] P. Grover and A. Sahai, “Shannon meets Tesla: Wireless information and
power transfer,” in Proc. of the 2010 IEEE International Symposium on
Information Theory Proceedings (ISIT), 2010, pp. 2363–2367.
[4] H. Yejun, C. Xudong, P. Wei, and G. L. Stuber, “A survey of energy
harvesting communications: models and offline optimal policies,” IEEE
Communications Magazine, vol. 53, no. 6, pp. 79–85, 2015.
[5] M. Yuyi, L. Yaming, Z. Jun, and K. B. Letaief, “Energy harvesting small
cell networks: feasibility, deployment, and operation,” IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 6, pp. 94–101, 2015.
[6] J. N. Laneman, D. Tse, and G. Wornell, “Cooperative diversity in
wireless networks: Efficient protocols and outage behavior,” IEEE Trans.
Inf. Theory, vol. 50, no. 12, pp. 3062–3080, Dec. 2004.
[7] M. O. Hasna and M.-S. Alouini, “End-to-end performance of transmission system with relays over Rayleigh-fading channels,” IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 2, no. 6, pp. 1126–1131, 2003.

[8] B. K. Chalise, Y. D. Zhang, and M. G. Amin, “Energy harvesting in an
OSTBC based amplify-and-forward MIMO relay system,” in Proc. of
IEEE Int. Conf. Acoustics, Speech and Sig Proc. (ICASSP), Mar. 2012,
pp. 3201–3204.
[9] A. M. Fouladgar and O. Simeone, “On the transfer of information and

energy in multi-user systems,” IEEE Commun. Lett., vol. 16, no. 11, pp.
1733–1736, Nov. 2012.
[10] Y. Gu and S. Aissa, “Interference aided energy harvesting in decodeand-forward relaying systems,” in Proc. IEEE Int. Conf. Commun. (ICC),
Jun. 2014, pp. 5378–5382.
[11] D. S. Michalopoulos, H. Suraweera, and R. Schober, “Relay selection
for simultaneous information transmission and wireless energy transfer:
A tradeoff perspective,” IEEE Journal Selected Areas Commun., Aug.
2015.
[12] D. Mishra and S. De, “Optimal relay placement in two-hop RF energy
transfer,” IEEE Trans. Commun, May. 2015.
[13] A. A. Nasir, Z. Xiangyun, S. Durrani, and R. A. Kennedy, “Relaying
protocols for wireless energy harvesting and information processing,”
IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 12, no. 7, pp.
3622–3636, 2013.
[14] N. T. Do, V. N. Q. Bao, and B. An, “A relay selection protocol for
wireless energy harvesting relay networks,” in Proc. 2015 International
Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC), 2015.
[15] B. Barrow, “Diversity combination of fading signals with unequal mean
strengths,” IEEE Transactions on Communications Systems, vol. 11,
no. 1, pp. 73–78, 1963, 0096-1965.
[16] V. N. Q. Bao, K. Hyung Yun, and H. Seong Wook, “Performance analysis of M-PAM and M-QAM with selection combining in independent
but non-identically distributed rayleigh fading paths,” in Proc. IEEE 68th
2008 Veh. Tech. Conf. (VTC 2008-Fall), pp. 1–5.
[17] V. N. Q. Bao and K. Hyung Yun, “Error probability performance for
multi-hop decode-and-forward relaying over Rayleigh fading channels,”
in Proc. 11th 2009 International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT’09), vol. 03, pp. 1512–1516.
[18] V. N. Q. Bao and T. Q. Duong, “Outage analysis of cognitive multihop
networks under interference constraints,” IEICE Trans. Commun., vol.
E95-B, no. 03, pp. 1019–1022, 2012.
[19] A. Papoulis and S. U. Pillai, Probability, random variables, and stochastic processes, 4th ed. Boston: McGraw-Hill, 2002.

[20] V. N. Q. Bao and H. Y. Kong, “Diversity order analysis of dual-hop
relaying with partial relay selection,” IEICE Trans Commun, vol. E92B, no. 12, pp. 3942–3946, 2009.
[21] D. Zwillinger, Table of integrals, series, and products. Elsevier, 2014.
[22] C. Xiaoming, Z. Zhaoyang, C. Hsiao-Hwa, and Z. Huazi, “Enhancing
wireless information and power transfer by exploiting multi-antenna
techniques,” IEEE Commun. Mag., vol. 53, no. 4, pp. 133–141, 2015.

493

493