Phân tích và đánh giá hiệu năng trong mạng chuyển tiếp không dây truyền năng lượng

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
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường



7

lên mạng tế bào. Trong [2], một giao thức thu năng lượng và truyền (harvest-then-
transmit) 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
thông tin đã được chấp nhận rộng rãi [5-6]. Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô
tuyến đồng thời (Simultaneous wireless information and power transfer – SWIPT) [7]
được đề xuất để truyền năng lượng RF, thường trong vùng năng lượng thấp, ví dụ như
mạng cảm biến không dây. SWIPT cung cấp một ưu điểm về việc khống chế để đảm
bảo yêu cầu về truyền năng lượng và thông tin đồng thời với giá thành thấp mà không
cần thay đổi nhiều phần cứng của máy phát. Tuy nhiên, những kết quả nghiên cứu mới
nhất cho thấy việc tối ưu 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 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, đóng góp cho sự phát triển
chung của thông tin vô tuyến trên thế giới.
- Về hiệu quả giáo dục: Phục vụ cho công tác dạy và học của các ngành điện tử
viễn thông của trường, nâng cáo năng lực và trình độ nghiên cứu của giảng
viên.

Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

8

CHƯƠNG 2
NỘI DUNG KHOA HỌC ĐỀ TÀI
2.1. Mô hình hệ thống
Chúng tôi khảo sát mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng
lượng vô tuyến như hình 1.

Source
Relay
Destination
Power transfer & Information
transmission channel
Relay channel
sr
h
rd
h

Hình 2.1. Mô hình hệ thống 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 máy đích vì
đường truyền này xấu hoặc tín hiệu quá yếu làm cho việc thông tin liên lạc từ S
đến D không thể thực hiện được mà cần sự giúp đỡ của máy chuyển tiếp R.
 Máy chuyển tiếp R thu năng lượng từ trạm nguồn S bằng cách sử dụng các giao
thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian (time switching-based relaying -

TSR) [12] và giúp trạm nguồn truyền thông tin đến máy đích theo phương thức
khuếch đại 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 pha-
đinh 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
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường



9

tế, các kênh giữa nguồn và máy chuyển tiếp có tia trực tiếp (LOS), trong khi
các kênh giữa các máy chuyển tiếp và máy đích có thể không nhất thiết phải
giống nhau. Lưu ý rằng, pha-đinh Rician xảy ra khi một trong những đường đi
của tín hiệu là một tín hiệu LOS, nó mạnh hơn nhiều so với những thành phần
khác. Chúng tôi cũng cho rằng trong mỗi lần thời gian khối T, hệ số các kênh
này là hằng số, độc lập và có phân phối đồng nhất (iid).
 Tất cả các máy phát và máy thu được trang bị với một ăng-ten duy nhất.
 So với năng lượng được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy chuyển tiếp đến
đích, năng lượng dùng cho việc xử lý yêu cầu của truyền / nhận tiêu hao trên
mạch tại máy chuyển tiếp là không đáng kể. Vì vậy, nó có thể được bỏ qua.
Đầu tiên, máy chuyển tiếp thu năng lượng từ trạm phát năng lượng (tức trạm
nguồn) trong khoảng thời gian

T
. Từ đó, công suất truyền từ máy chuyển tiếp là [14]:
P
r

=
E
h
(1-

)T / 2
=
2

P
s
| h
sr
|
2

(1-

)d
1

1
= aP
s
g
1
, (1)
trong đó,
1
2

1
| |
s sr
h
P h T
E
d

 
=
là năng lượng thu được tại máy chuyển tiếp,
0 1

 
là
hiệu suất chuyển năng lượng, nó phụ thuộc quá trình chỉnh lưu và mạch thu năng
lượng;
S
P
là công suất truyền của trạm nguồn; T là thời gian khối mà trong đó thông tin
của khối được truyền từ trạm nguồn đến máy đích;

là hệ số biểu thị tỉ lệ của thời
gian khối dùng để truyền năng lượng cho máy chuyển tiếp,
0 1

 
. Đối với kênh
truyền từ trạm nguồn đến máy chuyển tiếp,
2

| |
sr
h
là độ lợi công suất kênh truyền,
1
d

là khoảng cách truyền,
1

là hệ số suy hao đường truyền;
2
(1 )
a


=
-
,
1
2
1
1
| |
sr
h
d

g
=

.
Trong khoảng thời gian


1 / 2
T

-
, trạm nguồn truyền tín hiệu x(t) đến máy
chuyển tiếp. Khi đó, tín hiệu nhận được ở máy chuyển tiếp là:

1
1
( ) ( )
s sr
r
P h
y t x t n
d

= 
, (2)
trong đó,
r
n
là nhiễu trắng Gaussian phức,
1
~ (0, )
r
n N


.
Trong khoảng thời gian còn lại


1 / 2
T

-
, máy chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường



10

nhận từ trạm nguồn và truyền lại cho máy đích. Giả sử hệ số kênh truyền từ nguồn đến
máy chuyển tiếp là
sr
h
được biết trước ở máy chuyển tiếp. Tín hiệu nhận được ở máy
đích là:

 
2
2
2
( ) ( )
| ( ) |
rd

r
d
hP
z t y t n
y t
d

= 
E
, (3)
trong đó,
2
d
và
2

lần lượt là khoảng cách và hệ số suy hao đường truyền từ máy
chuyển tiếp đến máy đích.
d
n
là nhiễu trắng Gaussian phức,
2
~ (0, )
d
n N

. Để đơn
giản, chúng tôi giả sử
1 2 0
N N N

= =
;



E
là toán tử kỳ vọng của biến ngẫu nhiên.
Chúng ta viết lại z(t) như sau:
1 2
1
2
1
2
1 2
0
1
2
2
0
1
( ) ( )
| |

.
| |
r s sr rd
s sr
rdr
r d
s sr

P P h h
z t x t
P h
d d
N
d
h
P
n n
P h
d
N
d
 



=

 

(4)
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tức thời SNR ở máy đích được tính bởi
2 2
1 2 1 2
2
2 2
2 1 0 20 0
1 1 0
.

() )(
r s s
r s s s
e e
PP aP
P P N aPN N
P N
g g g g
g
g g g g g
= =
   
(5)
trong đó,
1
2
1
1
| |
sr
h
d

g
=
,
2
2
2
2

| |
rd
h
d

g
=
.
Đối với vùng giá trị SNR cao, ta được:

1 2
2
2 0
~ .
( 1)
e e
S
aP
a N
g g
g
g

(6)
Hàm mật độ phân bố xác suất (probability density function - PDF) của biến ngẫu
nhiên (RV)
1
g
là [6]
( 1)

1
1
0
1 1
( 1) ( 1)
( ) 2 .
K x
K
K e K K x
f x e I

g
 

-
-
 
 
=
 
 
 
(7)
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường



11

trong đó,



1
2
1
1
| |
sr
h d


= E
, K là tham số Rician được tính bởi tỉ số công suất giữa
thành phần LOS với các thành phần tán xạ khác và


0
I

là hàm Bessel hiệu chỉnh bậc
0 loại 1.
Ta viết lại (7) như sau:

1
2
0
( )
( )
( !
,

)
l
l qx
l
qK
f x p x e
l
g

-
=
= 
(8)
trong đó,
1 1
( 1) 1
,
K
K e K
p q
 
-
 
= =
, và
2
0
2 2
0
( )

2 ( !)
l
l
l
x
I x
l

=
= 
[15].
Hàm mật độ tích luỹ (cumulative density function - CDF) của biến ngẫu nhiên
1
g

được tính như sau [9]:

1 1
0 0
0
( ) ( ) 1 .
! !
l
l m
m q
l m
p K q
F f x dx e
q l m
g

g
g g
g g

-
= =
= = -  

(9)
Tương tự, hàm PDF và CDF của biến ngẫu nhiên
2
g
lần lượt được tính bởi:
PDF:

2
2
2
,
( )
x
f x e

g

-
= (10)
CDF:

2

2
( ) 1
,
x
F x e

g
-
= -
(11)
trong đó,


2
2
2
2
/ | |
rd
d h


= E
.

Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường



12

2.2. Phân tích hiệu năng
Để đánh giá hiệu năng của hệ thống vô tuyến, người ta thường dùng các thông số
xác suất dừng hệ thống, thông lượng và xác suất lỗi ký tự trung bình.
2.2.1. Xác suất dừng hệ thống
Xác suất dừng hệ thống là một tiêu chí hiệu năng quan trọng thường dùng để đặt
tả hệ thống thông tin không dây. Nó được định nghĩa là xác suất mà tỉ số công suất tín
hiệu trên nhiễu tức thời đầu cuối – đầu cuối SNR,
2
e e
g
, thấp hơn giá trị ngưỡng cho
trước
0
g
, được tính bởi
 
2
1 2
0 0
2 0
( 1
,
)
e e
s
out
aP
P F Pr
a N

g
g g
g g
g
 
= = 
 

 
(12)
trong đó,


2
0
e e
F
g
g
là CDF của SNR tức thời,
0
2 1
R
g
= -
, R là tốc độ truyền xác định
trước ở trạm nguồn.
Chúng tôi tính được xác suất dừng hệ thống như sau:

 

 
 
2 2
1
0
0
0
2
0
2
0 2 0
0 1 2 2 2
2
0
0 2 0
2 2
2
0
0
0
0
/
2
0 0
0
0
/
0
2
/

/
/

|
1
! !
2

1

e e
S
S
out
S
S
l m q
m n
l m
P
n
l m n
S
q
t
t aP
n
l
N
N

a
P F Pr f d
a P
a
F f d
a P
m
p
K q
e
n
q P
l m a
t e dt
p
q
N
N
N
g g
g g
g
g

g g g
g g g g g
g
g g g
g g
g

g



-
-
= = =

- -
-
=
 

= = 
 
 
 

=



 
 
 
= -
 
 
 
 

= -





0
0
( 1)/2
( 1)/2
02
( 1)/2
0
0
0
0
1
/
0
0
2
/

/
( )
! !( )!
2 .
S
l m
m n

l n
n
m n
S
q
P
n
S
N
q
K
P
l n m n a
q
e
N
NaP
g
g

 g

- -


= =
-
-
 
 

-
 
 
 







(13)
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường


13
Lưu ý, để đạt được (13), chúng tôi sử dụng một số công thức sau:
 
0
2
/2
1
0
( ) ,
1
,
2 2 ,
m
m m n n
n

t
t
m
x y x y
n
t
t e dt





g



-
=

- -
-
 
 =
 
 
=
 
=
 
 





trong đó,

,

là các giá trị số thực dương và


.


là hàm Bessel hiệu chỉnh bậc


loại 2.
2.2.2. Thông lượng hệ thống
Chúng tôi phân tích thông lượng (

) ở máy đích cho phương thức truyền giới
hạn thời gian trễ. Nó được tính toán bằng việc đánh giá xác suất dừng hệ thống ở tốc
độ truyền cho trước của trạm nguồn – R bits/s/Hz, trong đó,
2 0
log (1 )
R
g
= 
. Chúng tôi

quan sát trạm nguồn truyền thông tin ở tốc độ R bit/s/Hz và thời gian truyền hiệu dụng
từ trạm nguồn đến máy đích trong khoảng thời gian khối T là
(1 ) / 2
T

-
. Khi đó,
thông lượng

ở máy đích được tính như sau:

(1 )(1 )
(1 ) / 2
(1 ) .
2
out
out
P R
T
P R
T



- -
-
= - =
(14)
2.2.3. Xác suất lỗi ký tự trung bình
Xác suất lỗi ký tự trung bình (ASEP) là một tham số rất quan trọng khác mà các

nhà thiết kế hệ thống phải biết. Nó dùng để đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến và nó
được tính như sau:

 
 
2
0
,
( )
e e
s
P e Q f d
g
 g g g

=

(15)
trong đó,
2
/2
1
( )
2π
t
x
Q x e dt

-
=


là hàm Q Gaussian,

và

là các hằng số phụ thuộc
vào loại điều chế.
Theo [6], chúng ta có thể biểu diễn (13) như sau:
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường


14

2
2
2
2
/2
0
/2 1/2
0
( )
2π
.
2 2π
e e
e e
t
s
t

t
P e F e dt
t
F e t dt
g
g





-

- -
 
=  
 
 
 
=
 
 


(16)
Sử dụng kết quả tính toán (13), chúng ta có được (17) như sau:
0
2
/2 1/2
0

( 1)/2
( 1)/2
2
( 1)/2
0 0 0
0
/2 1/2
2
0
1
/
0
( )
2 2π
( )
2
1
2 2π
! !( )!
2
/
/

e e
S
t
s
l m
m n
l n

n
l m n
S
qt
P
t
n
S
N
N
t
P e F e t dt
K
p qt
q P
l n m n a
qt
e e t dt
a P N
g











- -


- -


= = =
-
- -
-
 
=
 
 

 

= -
 

-
 



 


 
 

 


=




0
/2 1/2
0
( 1)/2
( 1)/2
2
( 1)/2
0 0 0
1
2
/2
2
1
/2
2
/2
0
0
/
0
0
0

0
2 2π
( )
2π
! !( )!
2
( )
2
2 2π
! !( )!
/

/
S
t
l m
m n
l n
n
l m n
S
q
t
P
m n
n
S
l m
l n
n

l m n
N
e t dt
K
p q
P
q
l n m n a
qt
t e dt
a P
K
p q
q
l n m n a
N
N







 

- -

- -



= = =
 
- 
 
-
 
= =

-

=
 
-
 
-
 
 
 
 

 
= -
-





/2

( 1)/2
2 2
( 1)/2,( 1)
0
0
0 0
/2
1 3 1

2 2 2
2
.
(2 ) (2 )
/
/
/ /
m n
S
m n
S
m n n
S S
N
N
N N
P
q
m n m
P
q q

exp
a q P a q P


 
 
-
-  -
-  - -
 
 
 
 
   
   -   
 
   
   
 
   

   
 
   



(17)
Ở đây, các công thức sau đã được sử dụng:
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

15
 
1
2
0
2
0
2 2
,
π
,
1 1
2
2 2 2
,
2
qt
t
e
dt
q
t
t e t dt
exp





 

    

 
 

-

-
-
-
-
=
   
=  -    
   
   
   

   
   
   





với



.

là hàm Whittaker.
2.3. Kết quả 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 (
1
d
) 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 ASEP được đánh giá và xác nhận
thông qua kết quả mô phỏng như ở hình 2. Ở hình này, chúng tôi khảo sát sự thay đổi
của OP và ASEP theo P
S
với các kỹ thuật điều chế được sử dụng lần lượt là BPSK và
QPSK. Ta quan sát thấy rằng, kết quả phân tích và mô phỏng trùng khít hơn trong
vùng SNR cao hay trong vùng P
S
có giá trị lớn. Điều này là do chúng tôi sử dụng công
thức gần đúng của SNR nhận được tại đích (
2

e e
g
) như ở (6). Thêm vào đó, hình 2 cũng
chỉ ra rằng OP và ASEP giảm khi P
S
tăng do
2
e e
g
càng lớn và giá trị của ASEP –
BPSK là nhỏ hơn so với ASEP – QPSK.
10 15 20 25 30 35 40
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
P
S
(dBm)
ASEP & OP


Analysis
Simulation

ASEP - QPSK
ASEP - BPSK
OP

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.
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường


16
2.3.2. Ảnh hưởng của tham số thời gian thu năng lượng (


)
Hình 3 và hình 6 mô tả tác động của

lên OP, ASEP (hình 3) và thông lượng

(hình 6). Kết quả ở hình 3 cho thấy rằng, khi

tăng thì OP và ASEP giảm. Điều này
là do khi

tăng, sẽ có nhiều thời gian hơn cho việc truyền năng lượng, dẫn đến giá trị
2
e e
g
thu được càng lớn nên OP và ASEP có giá trị nhỏ hơn tại nút đích. Đối với thông
lượng

ở hình 6, ta thấy rằng có một giá trị cụ thể của

(chúng tôi gọi là
*

, nó có
giá trị khoảng 0.21 trong hệ thống được chúng tôi khảo sát) giúp cho

đạt giá trị đỉnh.
Thông lượng

tỉ lệ thuận với


trong vùng từ 0 đến
*

và tỉ lệ nghịch trong vùng
còn lại của

. Điều này được lý giải như sau, khi

càng nhỏ hơn
*

, thời gian dành
cho việc truyền năng lượng càng ít, do đó năng lượng thu được càng nhỏ dẫn đến OP
càng cao. Vì vậy, giá trị thông lượng quan sát được tại nút đích sẽ càng nhỏ. Mặt khác,
khi

càng lớn hơn
*

, nhiều thời gian sẽ bị lãng phí cho việc truyền năng lượng
trong khi thời gian truyền thông tin càng ít đi. Vì vậy, thông lượng đạt được tại nút
đích là nhỏ hơn do sự suy giảm của tỷ số (1 -

)/2.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
10
-4
10
-3
10

-2
10
-1
10
0

ASEP & OP


Analysis
Simulation
OP
ASEP - QPSKASEP - BPSK

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.
2.3.3. Ảnh hưởng của tham số hiệu suất thu năng lượng (

)
Ảnh hưởng của

lên OP, ASEP và thông lượng

được chỉ ra trong hình 4 (OP
và ASEP) và hình 6 (

). Xem xét hình 4 ta thấy rằng, OP và ASEP giảm theo chiều
tăng của

do giá trị của

càng lớn thì năng lượng thu được càng nhiều. Do đó, giá
trị của OP và ASEP tại nút đích càng thấp. Đồng thời, hình 6 cho ta thấy rằng, giá trị
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường


17
của

càng lớn khi

tăng do sự suy giảm của OP.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

10
-3
10
-2
10
-1
10
0

ASEP & OP


Analysis
Simulation
ASEP - BPSK
ASEP - QPSK
OP

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.
2.3.4. Ảnh hưởng của tham số vị trị nút chuyển tiếp (d
1
)
Ảnh hưởng của vị trí nút chuyển tiếp (d
1
) lên OP, ASEP và

được mô tả trong
hình 5 (OP và ASEP) và hình 6 (

). Ở hình 5, ta nhận thấy rằng, khi d
1
tăng thì OP và
ASEP tăng. Thật sự rằng, giá trị của
1
1
d

càng cao sẽ dẫn đến năng lượng thu được
cũng như cường độ tín hiệu nhận được (y(t)) tại nút chuyển tiếp càng nhỏ. Vì vậy, OP
và ASEP lớn cũng như giá trị đạt được của

giảm như trong hình 6 do sự suy giảm

của cường độ tín hiệu nhận được tại đích.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
d
1
ASEP & OP


Analysis
Simulation
ASEP - BPSK
ASEP - QPSK
OP

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.
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường


18
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7

0.8
0.9
1

,

or d
1
Throughput


Analysis
Simulation

d
1


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.



Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường


19
CHƯƠNG 3
KẾT LUẬN
3.1. Kết quả đạt được
Sau gần một năm nghiên cứu, đề tài đã đạt được những kết quả như sau:
- Có một bài báo đã được chấp nhận tại Hội nghị Quốc tế Electronics 2015
và tạp chí ISI “ELEKTRONIKA IR ELEKTROTECHNIKA”.
- Đánh giá được tình hình nghiên cứu của đề 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 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 giữa S – R và R – D được giả sử
lần lượt là Rician và Rayleigh). Để đánh giá hiệu năng của mạng này, chúng tôi đã
phân tích và tính toán các biểu thức về xác suất dừng hệ thống (OP) và xác suất lỗi ký
tự trung bình (ASEP). Thông qua OP, thông lượng của hệ thống với phương thức
truyền giới hạn thời gian trễ cũng đã được xem xét. Đồng thời, chúng tôi cũng đã thực
hiện mô phỏng các đại lượng này trên máy tính để xác 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. Để mở rộng đề
tài này, các hướng nghiên cứu tiếp theo là:
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường


20
- 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.
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

21
PHỤ LỤC
Ở phần này, chúng tôi sẽ cung cấp những đoạn code mô phỏng liên quan đến vấn
đề đã được khảo sát. Chúng tôi lần lượt sử dụng hai phần mềm là MATHEMATICA
9.0 và MATLAB 7.11 để phân tích các kết quả tính toán được ở (13), (14), (17) và mô
phỏng mô hình thực tế của hệ thống được khảo sát. Quá trình phân tích chỉ đơn giản là
thay thế giá trị cụ thể của các tham số vào (13), (14) và (17) bằng phần mềm
MATHEMATICA để có được các kết quả phân tích cần thiết. Do đó, ở đây chúng tôi
chỉ cung cấp các đoạn code chính cho quá trình mô phỏng bằng phần mềm MATLAB.
1. Hàm mô phỏng đại lượng xác suất dừng bảo mật
function output = Pout_sim(K, sigma, g0, Ps, No, a, d1, d2, N)
l1 = d1.^(-sigma(1));
l2 = d2.^(-sigma(2));
mean = sqrt(K/(K+1));
var = sqrt(1/(2*(K+1)));
%% Tạo các biến ngẫu nhiên Rician và Rayleigh
h1 = gauss(mean,var,1,N) + j*gauss(0,var,1,N);
g1 = abs(sqrt(l1(i))*h1).^2;
h2 = sqrt(1/2)* (gauss(0,1,1,N) + j*gauss(0,1,1,N));
g2 = abs(sqrt(l2(i))*(h2).^2;
%% Tính toán
2
e e
g
theo công thức (5)
ge2e = (a(u).*Ps(k)^2.*(g1.^2).*g2)./(((a(u).*Ps(k).*g1.*g2) + Ps(k).*g1).*No +
No^2);
%% Tính OP với số lượng vòng lặp là N

output = size(ge2e(ge2e<g0),2)/N;
end
trong đó, h1 và h2: lần lượt là biến ngẫu nhiên Rician với tham số K và Rayleigh;
gauss(mean, var, 1, N): tạo ma trận 1xN các biến ngẫu nhiên phân bố Gaussian với kỳ
vọng là mean, phương sai là var.
2. Hàm mô phỏng xác suất lỗi ký tự trung bình