Nghiên cứu kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------

NGUYỄN ĐĂNG QUANG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN GIA TĂNG
TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THU THẬP NĂNG LƯỢNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------

NGUYỄN ĐĂNG QUANG
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN GIA TĂNG
TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THU THẬP NĂNG LƯỢNG
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2016

i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô công tác tại Học Viện
Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông, những người đã truyền đạt các kiến thức quý
báo, các phương pháp nghiên cứu cho tôi trong thời gian học tại Học Viện Công
Nghệ Bưu Chính Viễn Thông.
Tôi xin chân thành cám ơn Thầy PGS.TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo đã trực
tiếp hướng dẫn khoa học để tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Tôi cũng xin cảm ơn gia đình, cùng với bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi cho
tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn.
TP.HCM, ngày 5 tháng 7 năm 2016
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đăng Quang


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TP.HCM, ngày 5 tháng 7 năm 2016
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Đăng Quang


iii

MỤC LỤC
Lời cảm ơn .............................................................................................................................. i
Lời cam đoan ......................................................................................................................... ii
Mục lục .................................................................................................................................iii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ................................................................................ vi
Danh mục các hình .............................................................................................................viii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG ................................ 2
1.1

Tính cấp thiết của đề tài .............................................................................................. 2

1.2

Tổng quan mạng thu thập năng lượng ........................................................................ 3

1.3

Các phương pháp thu thập năng lượng ....................................................................... 4

1.3.1 Thu thập sử dụng (HU) ........................................................................................... 4
1.3.2 Thu thập lưu trữ sử dụng (HSU) ............................................................................. 4
1.3.3 Thu thập sử dụng lưu trữ (HUS) ............................................................................. 4
1.4

Mạng truyền thông hợp tác truyền gia tăng ................................................................ 5

1.5

Kết luận ....................................................................................................................... 6

Chương 2 - KỸ THUẬT TRUYỀN GIA TĂNG SỬ DỤNG MẠNG THU THẬP NĂNG
LƯỢNG ................................................................................................................................. 8
2.1

Mô hình hệ thống ........................................................................................................ 8

2.1.1 Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật truyền thông cộng tác gia tăng ....................... 8
2.1.2 Mô hình sử dụng kỹ thuật SSC (Switch and Stay Combining)............................... 9
2.2

Kỹ thuật chuyển tiếp tín hiệu .................................................................................... 10

2.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) ............................................................. 11
2.2.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) ................................................................... 13


iv

2.3

Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp ............................................................................ 14

2.3.1 Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần ........................................................ 14
2.3.2 Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần ........................................................ 15
2.4

Kỹ thuật phân tập thu ................................................................................................ 16

2.4.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SelectionCombining) ................................................ 18
2.4.2 Kỹ thuật kết hợp tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combining) .................................. 19
2.5

Kỹ thuật phân chia năng lượng ................................................................................. 21

2.5.1 Phương pháp phân chia năng lượng theo thời gian ............................................... 21
2.5.2 Phương pháp phân chia năng lượng theo công suất ............................................. 24
2.6

Phân tích và đánh giá hiệu năng hệ thống ................................................................ 28

2.6.1 Phân tích xác suất dừng mô hình truyền thông cộng tác gia tăng ......................... 31
2.6.1.1 Xét mô hình một nút chuyển tiếp

31

2.6.1.1.1Mô hình một nút chuyển tiếp, nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp
lựa chọn (SC) 31
2.6.1.1.2Mô hình một nút chuyển tiếp, nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp tỷ
số tối đa (MRC) 33
2.6.1.2 Mô hình hệ thống sử dụng nhiều nút chuyển tiếp

36

2.6.1.2.1Mô hình hệ thống nhiều nút chuyển tiếp, nút đích sử dụng kỹ
thuật kết hợp lựa chọn(SC)
37
2.6.1.2.2Mô hình hệ thống nhiều nút chuyển tiếp, nút đích sử dụng kỹ
thuật kết hợp tỷ số tối đa (MRC)

38
2.6.2 Phân tích xác suất dừng mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật SSC ........................ 41
2.7 So sánh hiệu năng hoạt động của mô hình truyền thông cộng tác tăng cường với các
mô hình khác ........................................................................................................................ 48
2.7.1 Mô hình truyền thông cộng tác thông thường ....................................................... 48
2.7.2 Mô hình chuyển tiếp hai chặng ............................................................................. 48
2.7.3 Mô hình truyền trực tiếp ....................................................................................... 49


v

2.8

Số khe thời gian sử dụng trung bình ......................................................................... 50

2.9

Kết luận chương ........................................................................................................ 50

Chương 3 - MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ...................................................................... 51
Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 61
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 62


vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Viết Tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

S

Source

Nút nguồn

R

Relay

Nút chuyển tiếp

D

Destination

Nút đích

TS

Time switching

Phân chia theo thời gian

PS

Power splitting

Phân chia theo công suất

EH

Energy Harvesting

Thu thập năng lượng

RF

Radio frequency

Sóng vô tuyến

HU

Harvest-use

Thu thập sử dụng

HSU

Harvest-store-use

Thu thập lưu trữ sử dụng

HUS

Harvest-use-store

Thu thập sử dụng lưu trữ

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân bố xác suất tích lũy

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ phân bố xác suất

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỷ số tính hiệu trên nhiễu

SC

Selection Combining

Kết hợp lựa chọn

MRC

Maximal Ratio Combining

Kết hợp theo tỷ lệ lớn nhất


vii

OP

Outage Probability

MIMO

Multi-Input Multi-Output

ACK

Acknowledgement

NACK

Negative Acknowledgement

SSC

Swith and Stay Combining

Xác suất dừng


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.Mô hình thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến.....................................4
Hình 2.1.Mô hình truyền thông cộng tác gia tăng. .....................................................8
Hình 2.2.Các giai đoạn cộng tác trong mạng chuyển tiếp gia tăng. ...........................9
Hình 2.3. Mô hình kỹ thuật SSC ...............................................................................10
Hình 2.4. Mô hình kênh truyền ba đầu cuối..............................................................11
Hình 2.5. Mô hình nút chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp ................................11
Hình 2.6. Mô hình giải mã và chuyền tiếp ................................................................14
Hình 2.7. Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần trênh kênh S-R. ..................15
Hình 2.8. Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần............................................16
Hình 2.9.Bộ phân tập thu tuyến tính[54] ..................................................................17
Hình 2.10. Kỹ thuật SC .............................................................................................18
Hình 2.11. Kỹ thuật MRC .........................................................................................19
Hình 2.12. Kỹ thuật phân chia năng lượng theo thời gian tại nút chuyển tiếp .........21
Hình 2.13. Quá trình thu thập và phân chia năng lượng theo thời gian ở nút chuyển

tiếp .............................................................................................................................22
Hình 2.14. Kỹ thuật phân chia năng lượng theo công suất tại nút chuyển tiếp ........25
Hình 2.15.Quá trình thu thập và phân chia năng lượng theo công suất ở nút chuyển
tiếp .............................................................................................................................25
Hình 2.16. Mô hình truyền trực tiếp .........................................................................49
Hình 3.1. Xác suất dừng mô hình 1 nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật TS, D sử
dụng kỹ thuật SC:  th  4; d sr  0.4; drd  0.6;  0.25 .................................................52
Hình 3.2. Xác suất dừng mô hình 1 nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật SP, D sử
dụng kỹ thuật SC với các giá trị  th  4;  0.25;   1 ...............................................53


ix

Hình 3.3. Xác suất dừng của hệ thống khi cùng một công suất phát ở nút R trong
hai kỹ thuật phân chia năng lượng khác nhau. Với các giá trị   0.2;  th  4;   0.25
...................................................................................................................................54
Hình 3.4. Xác suất dừng mô hình nhiều chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật TS, D sử
dụng kỹ thuật SC:  th  4;  0.25;  0.2 .................................................................55
Hình 3.5. Xác suất dừng mô hình nhiều chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật PS, D sử
dụng kỹ thuật SC:  th  4;  0.25;   1;   0.2 ........................................................55
Hình 3.6. Xác suất dừng mô hình một nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật TS, D sử
dụng kỹ thuật MRC:  th  4;  0.2;  0.25 .............................................................56
Hình 3.7. Xác suất dừng mô hình một nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật PS, D sử
dụng kỹ thuật MRC với các giá trị  th  4;   0.2;  0.25 .......................................56
Hình 3.8. Xác suất dừng mô hình nhiều nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật TS, D
sử dụng kỹ thuật MRC:   0.2;  0.25;  th  4 ........................................................57
Hình 3.9. Xác suất dừng mô hình nhiều nút chuyển tiếp, R sử dụng kỹ thuật PS, D
sử dụng kỹ thuật MRC:   0.2;  0.25;   1;  th  8 ...............................................57
Hình 3.10. Xác suất dừng mô hình kỹ thuật SSC nút R dùng kỹ thuật phân chia
năng lượng theo thời gian với các giá trị   0.25; Cth  2;  0.1 .............................58

Hình 3.11. Xác suất dừng mô hình SSC, nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật phân chia
năng lượng theo công suất với các giá trị;   0.2;   1; Cth  2;  0.25 ..................58
Hình 3.12. Số khe thời gian sử dụng trong kỹ thuật truyền thông cộng tác gia tăng
với các giá trị:  th  2, 4,8 ..........................................................................................59
Hình 3.13. Xác suất dừng của các mô hình khác nhau, với các giá trị:
  0.3;  th  4;  0.25 ...............................................................................................60


x


1

MỞ ĐẦU
Truyền thông vô tuyến là lĩnh vực đang được phát triển mạnh mẽ và có khả
năng ứng dụng rộng rãi. Đây cũng là lý do ngày càng có nhiều tác giả quan tâm đến
việc thiết kế, cải tiến các giao thứ mạng nhằm nâng cao chất lượng hoạt động. Để
đạt được vấn đề này, hướng đi mới là truyền thông cộng tác.
Trong mạng truyền thông cộng tác, các thiết bị đầu cuối chia sẻ anten với
nhau để tạo thành một chuỗi anten ảo. Điều này giúp mạng truyền thông cộng tác có
được độ lợi phân tập cao mà không cần phải trang bị nhiều anten. Truyền thông
cộng tác giải quyết được vấn đề hiệu năng của hệ thống, nhưng số khe thời gian
luôn sử dụng là 2. Điều này làm giảm hiệu quả phổ kém đi một nữa khi so sánh với
mô hình truyền trực tiếp giữa hai nút nguồn và đích. Gần đây truyền thông cộng tác
gia tăng đã được đề xuất để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ trong các mô hình
truyền thông cộng tác.
Thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến là một hướng nghiên cứu mới
trong các hệ thống viễn thông. Trạm nguồn sẻ truyền đi đồng thời dữ liệu và năng
lượng đến các thiết bị chuyển tiếp. Điều này làm tăng thời gian và hiệu quả hoạt
động hệ thống vô tuyến.

Luân văn tập trung nghiên cứu vấn đề kết hợp giữa hai kỹ thuật thu thập
năng lượng và kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng vô tuyến. Luận văn sẽ được chia
thành các chương như sau:
-

Chương 1: tổng quan về mạng thu thập năng lượng

-

Chương 2: kỹ thuật truyền gia tăng trong mạng thu thập năng lượng

-

Chương 3: mô phỏng và đánh giá

-

Chương 4 : kết luận


2

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀMẠNG THU THẬP
NĂNG LƯỢNG

1.1

Tính cấp thiết của đề tài

Trong vài năm gần đây, truyền thông hợp tác là một hướng nghiên cứu ở lớp

vật lý cho phép các nút mạng đơn anten hợp tác với nhau hình thành nên mạng
MIMO ảo để cung cấp độ lợp phân tập [1, 2]. Ưu điểm của truyền thông hợp tác so
với hệ thống truyền trực tiếp là:
-

Mở rộng vùng phủ sóng

-

Cải thiện hiệu năng của hệ thống.
Bên cạnh đó, độ lợi phân tập của hệ thống truyền thông hợp tác sẽ tỷ lệ với

số lượng nút chuyển tiếp tham gia vào quá trình hợp tác [3].
Mô hình cơ bản của truyền thông hợp tác gồm ba nút: nút nguồn, nút chuyển
tiếp và nút đích. Cho đến nay, truyền thông hợp tác có ba giao thức cơ bản: truyền
cố định, truyền lựa chọn và truyền gia tăng [4-6]. Trong ba giao thức trên, truyền
gia tăng có ưu điểm là cải thiện hiệu suất phổ tần và hạn chế quá truyền chuyển tiếp
của nút chuyển tiếp. Khi xung quanh nút nguồn và nút đích có nhiều nút chuyển tiếp
rảnh, các nút này có thể tham gia vào qua trình hợp tác theo các giao thức: truyền
lặp lại [7-10], lựa chọn từng phần [11-16], và lựa chọn toàn phần [17-20].
Bên cạnh truyền thông hợp tác, thu thập năng lượng vô tuyến để cung cấp
năng lượng truyền phát cho mạng vô tuyến cũng là một hướng nghiên cứu nhận
được sự quan tâm gần đây [21-28]. Với thu thập năng lượng, các nút thu có thể vừa
thu thập năng lượng và thu thập thông tin. Điều này đặc biệt hữu dụng cho mạng
chuyển tiếp hai chặng mà nút chuyển tiếp hoàn toàn hoạt động dựa vào năng lượng
thu thập [29-31].


3

Như vậy, việc kết hợp ưu điểm của hai kỹ thuật : thu thập năng lượng cho
nút chuyển tiếp và kỹ thuật truyền gia tăng đem lại cái ưu điểm sau:
-

Giảm tải lên nút chuyển tiếp

-

Cải thiện hiệu suất phổ tần của mạng

-

Cải thiện độ lợi phân tập của mạng.

1.2

Tổng quan mạng thu thập năng lượng

Ngày nay, các thiết bị không dây như từ điện thoại di động thường đến điện
thoại thông minh (smart phone), iPad, máy tính xách tay… đã trở nên không còn xa
lạ với cuộc sống hàng ngày của con người. Đi đôi với sự phát triển của các thiết bị
không dây là nhu cầu về năng lượng cho các thiết bị này. 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.
Mặt khác, xu hướng phát triển của các thiết bị vô tuyến ngày càng nhỏ gọn
về mặt kích thước vật lý. Trong các mạng thông tin như vậy, do tính chất liên tục
của nguồn năng lượng, năng lượng ở một số thiết bị chuyển tiếp có thể giảm một
cách đáng kể.Hệ thống hoạt động bằng năng lượng lưu trữ thông thường chỉ hoạt
động trong một thời gian nhất định và phải cần có một định kỳ thay thế nguồn năng
lượng. Cần phải có một có chế để thích nghi theo sự thay đổi của mô hình mạng và

cần có một sự chuyển đổi năng lượng để kéo dài thời gian sống của mạng vô tuyến.
Có nhiều cách để nguồn năng lượng có thể cung cấp cho sự hoạt động của hệ thống
như : năng lượng mặt trời, năng lượng sự vận động, năng lượng của sóng vô tuyến
xung quanh…, nhưng nạp không dây vẫn là cách thuận tiện và dễ dàng nhất. Trong
đó, công nghệ thu thập năng lượng (EH) bằng sóng vô tuyến (RF) là công nghệ mới
nhất hiện nay và đang trong quá trình nghiên cứu để hoàn thiện, nó cho phép các
thiết bị không dây nạp năng lượng từ các trạm vô tuyến. Sự phát triển của các thiết
bị chuyển hóa sóng vô tuyến thành điện năng và công nghệ truyền năng lượng
không dây [32] tạo điều kiện cho việc hợp tác,chia sẽ năng lượng trong cùng một hệ
thống.


4

Giả sử nút nguồn va nút đích không có liên kết trực tiếp. Khi đó, trạm nguồn
sẽ truyền dữ liệu và năng lượng sóng vô tuyến đến các nút chuyển tiếp[33, 34]. Nút
chuyển tiếp thực hiện việc thu thập năng lượng và chuyển tiếp dữ liệu đến phía thu.
Nút R phân chia năng lượng theo hai kỹ thuật sau:
-

Kỹ thuật phân chia năng lượng theo thời gian (TS)

-

Kỹ thuật phân chia năng lượng theo công suất (PS)
Năng lượng sóng vô tuyến

R

d RD

d SR

hrd

hsr

Dữ liệu truyền đi

D

S
S

Nút nguồn

R

Nút chuyển tiếp

D

Nút đích

Hình 1.1. Mô hình thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến

1.3

Các phương pháp thu thập năng lượng

1.3.1 Thu thập sử dụng (HU)
Nút chuyển tiếp thu thập năng lượng trực tiếp từ hệ thống, năng lượng được
sử dụng ngay sau khi thu thập mà không có lưu trữ đê sử dụng trong tương lai.
Năng lượng dùng trong phương pháp này phải được duy trì ở một mức tối thiểu,
nếu năng lượng không đủ để nút chuyển tiếp hoạt động thì nút chuyển tiếp sẽ bị vô
hiệu hóa[35].

1.3.2 Thu thập lưu trữ sử dụng (HSU)
Năng lượng được lưu trữ khi năng lượng thu thập lớn hơn so với năng lượng
hoạt động của hệ thống. Sau khi thu thập sẽ được lưu trữ một phần trong bộ đệm
cho đến khi đáp ứng được nhu cầu hoạt động của hệ thống[35, 36].

1.3.3 Thu thập sử dụng lưu trữ (HUS)


5

Năng lượng thu thập tạm thời được lưu trữ tại các tụ điện, có thể dùng một
cách ngay lập tức. Năng lượng còn lại được xử lý bằng cách lưu vào các bộ đệm
năng lượng để sử dụng cho lần sau [36]
Tóm lại, việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dây trong mạng vô
tuyến ngày càng được quan tâm để tăng cường thời gian hoạt động của mạng vô
tuyến, qua đó nâng cao được chất lượng hoạt động, giúp cải thiện các vấn đề của hệ
thống như: tạo ra được tính bền vững trong hoạt động, giảm sự phụ thuộc vào
nguồn năng lượng điện hoạt năng lượng pin. Ngoài ra, công nghệ thu thập năng
lượng tạo ra tính bền vững và tạo ra thời gian hoạt động gần như vĩnh viễn trong
mạng vô tuyến thông qua việc cung cấp năng lượng cho các thiết bị phần cứng [37].

1.4

Mạng truyền thông hợp tác truyền gia tăng

Trong mô hình truyền thông cộng tác[38], việc truyền dữ liệu diễn ra trên hai
khe thời gian trực giao. Trong khe thời gian thứ nhất, nút chuyển tiếp và nút đích
nhận dữ liệu từ nút nguồn. Trong khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp sẽ chuyển
tiếp tín hiệu về nút đích. Cuối cùng, nút đích sẽ sử dụng các kỹ thuật phân tập như
Selection Combining (SC), Maximal Combining (MRC), Equal Gain Combining
(EGC) để giải mã tín hiệu nhận được.
Kỹ thuật truyền gia tăng với mô hình cơ bản được đề xuất bởi Lanemen
trong bài báo kinh điển [4], trong đó Laneman đã đề xuất phương pháp tính xác
xuất dừng của hệ thống. Tiếp theo sau đó, Ikki trong bài báo đã đề xuất phương
pháp tính tỷ lệ lỗi bit trung bình của hệ thống [39, 40]. Sau đó, Bảo và Ikki đã đề
xuất phương pháp truyền gia tăng cho mạng lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần [41,
42] và bán phần [43].
Gần đây, kỹ thuật truyền gia tăng được chuyển hóa thành kỹ thuật chuyển
tiếp và giữ và được nghiên cứu trong các bài báo sau [44, 45].


6

Một số nghiên cứu chỉ ra rằng phương pháp truyền gia tăng trong mạng vô tuyến
thu thập năng lượng hiệu suất lỗi phụ thuộc vào giá trị ngưỡng ở phí thu. Các giá trị
ngưỡng này phụ thuộc vào ứng dụng của mạng vô tuyến [46, 47].
Ý tưởng cơ bản của phương pháp truyền gia tăng là ngoài việc sử dụng
đường truyền từ nút nguồn qua nút chuyển tiếp, còn sử dụng một đường truyền trực
tiếp từ nút nguồn đến nút đích. Nút đích sau khi nhận thông tin trực tiếp từ nút
nguồn sẽ so sánh tín hiệu nhận được với giá trị ngưỡng, nếu tín hiệu nhận đủ tốt để
giải điều chế thì nút đích sẽ hồi tiếp cho nút nguồn tiếp tục với ký hiệu dữ liệu tiếp
theo. Ngược lại nút đích sẽ hồi tiếp cho nút chuyển tiếp để nút chuyển tiếp chuyển
tiếp dữ liệu mà nó nhận được từ nút nguồn sử dụng năng lượng thu thập. Tại cuối

khe thời gian thứ hai, nút đích sẽ kết hợp tín hiệu mà nó nhận được trực tiếp từ nút
nguồn và gián tiếp từ nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp lựa chọn hoặc tối ưu[48].
Truyền thông cộng tác gia tăng được sử dụng tại mỗi chặng để tăng cường
hiệu năng cũng như độ lợi phân tập mỗi chặng. Ứng dụng của phương pháp truyền
gia tăng sẽ giúp hệ thống cải thiện được hai tín năng sau:
-

Thứ nhất: hạn chế quá trình chuyển tiếp, tránh việc lãng phí khe thời gian

-

Thứ hai: đạt được độ lợi phân tập cao mà không bị mất hiệu quả quang phổ,
chỉ chọn ra một nút chuyển tiếp tốt nhất để truyền tín hiệu [49]

1.5

Kết luận

Thông tin liên lạc một lĩnh vực không thể thiếu trong đời sống xã hội. Nhu
cầu của các dịch vụ thông tin liên lạc như dịch vụ thoại, video, tin nhắn qua kênh
truyền vô tuyến ngày càng phát triển. Để đáp ứng được những yêu cầu trên, hệ
thống thông tin luôn được phát triển cải tiến, năng lượng trong mạng vô tuyến phải
đáp ứng đầy đủ quá trình hoạt động của mạng. Hệ thống ra đời sau được kế thừa
những ưu điểm của hệ thống trước, các kỹ thuật công nghệ tiên tiến được tích hợp
nhằm khắc phục các nhược điểm trong một hệ thống.


7

Trong luận văn này, tôi sẽ nghiên cứu công nghệ thu thập năng lượng kết

hợp với mạng truyên thông cộng tác gia tăng. Qua đó đánh giá, so sánh các ưu điểm
của mô hình hệ thống cộng tác gia tăng với mô hình truyền thông cộng tác thông
thường


8

Chương 2 - KỸ THUẬT TRUYỀN GIA TĂNG SỬ DỤNG
MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG
2.1

Mô hình hệ thống

2.1.1 Mô hình hệ thống sử dụng kỹ thuật truyền thông cộng tác gia
tăng

hsr1

R

hsr2

R

hsr3

R
hsd

S

D
hsrN

S

hrd

Nút nguồn

R

R
Nút chuyển tiếp

D

Nút đích

Hình 2.1. Mô hình truyền thông cộng tác gia tăng.

Trong mô hình khảo sát, chúng ta xem xet mô hình có một nút nguồn
(Source), N nút chuyển tiếp (Relay), một nút đích (Destination)
Như đã thảo luận trong Chương 1, truyền thông cộng tác [38] đã trở thành
một chủ đề nổi bậc để nghiên cứu và ứng dụng nhằm tăng cường hiệu quả truyền dữ
liệu. Để nâng cao chất lượng hơn nữa, mô hình truyền thông công tác gia tăng được
đề xuất (incremental cooperation)[4].Nhiều nút chuyển tiếp sẵn sàng giúp nút nguồn


9

truyền tín hiệu đến đích. Tuy nhiên, để sử dụng phổ hiệu quả, hệ thống chọn một
nút chuyển tiếp tốt nhất để chuyển tiếp tín hiệu đến phía thu
Hệ thống hoạt đông theo nguyên tắc sau:
Trong quá trình truyền dữ liệu từ S  D diễn ra trong hai pha thời gian:
-

Pha 1: nút S gửi quảng bá dữ liệu của nó và tín hiệu này sẽ nhận được

bời nút R, D. Nếu D giả mã thành công, D sẽ gửi ACK(acknowledgment) đến S để
thông báo không cần đến nút R để truyền dữ liệu. Ngược lại nếu D không giải mã
được dữ liệu từ S, D sẽ gửi tín hiệu NACK(negative acknowledgment) đến S thông
báo là cần sử dụng nút R để truyền dữ liệu
-

Pha 2: nếu R nhận được dữ liệu và chuyển tiếp thông tin đến nút D.

Nút D giải mã chính xác dữ liệu, nó sẽ giử tín hiệu ACK đến nút R. Vì vậy giai
đoạn chuyển tiếp thành công. Ngược lại,nếu nút D giải mã không được, nút D sẽ
phát tín hiệu NACK đến R( được mô tả trong hình 2.2)
Nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF và DF để chuyển tiếp tín hiệu
Nút D sử dụng kỹ thuật phân tập thu để kết hợp tính hiệu

R
AC

S

ACK/NACK

Pha 1

K/
NA

Ck

D

Pha 2

Hình 2.2. Các giai đoạn cộng tác trong mạng chuyển tiếp gia tăng.

2.1.2 Mô hình sử dụng kỹ thuật SSC (Switch and Stay Combining)


10

R
D
S
Hình 2.3. Mô hình kỹ thuật SSC
Trong kỹ thuật SSC, kênh truyền chỉ hoạt động nếu tỷ số tín hiệu trên nhiễu
SNR trên một ngưỡng được quy định trước. Bằng cách này, trạng thái kênh truyền
không cần phải biết đến một cach liên tục, hệ thống sẽ hạn chế việc chuyển đổi qua
lại giữa các kênh truyền[50]
Trong quá trình nút S quảng bá dữ liệu đến nút D. D so sánh tỷ số tín hiệu
trên nhiễu với một giá trị T cho trước. Nếu tỷ số tín hiệu trên nhiễu lớn hơn T thì
giữ nguyên nhánh hiện tại để giải mã tín hiệu. Ngược lại, chuyển qua nhánh khác để
giải mã tín hiệu

Có hai nhánh được sử dụng để giải mã tín hiệu. Nút D sẽ sử dụng chuyển đổi
qua lại giữa hai nhánh:
-

Nhánh 1: đường trực tiếp (direct link)

-

Nhánh 2 : đường gián tiếp qua nút chuyển tiếp (relay link)

R

Kê
nh

tru
y

ền
2

K

ên
h

tru

yề
n

1

2.2 Kỹ thuật chuyển tiếp tín hiệu

Kênh truyền 3

S

D


11

Hình 2.4.Mô hình kênh truyền ba đầu cuối

Trong truyền thông cộng tác, kênh truyền chuyển tiếp (relay channel) và các
thiết bị đầu cuối là cơ sở để nghiên cứu. Với vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền tín
hiệu mang thông tin để cải thiện hiệu năng của hệ thống. Trong khoảng thời gian
đầu tiên, các nguồn phát tín hiệu của nó để các nút nguồn và nút chuyển tiếp. Quá
trình chuyển tiếp tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích diễn ra trên hai khe thời gian.
Có hai kỹ thuật chuyển tiếp tín hiệu:
-

Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward)

-

Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward)

2.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Nút chuyển tiếp nhận tín hiệu trước đó và khuếch đại tín hiệu trước khi phát
đến nút tiếp theo. Quá trình khuếch đại tương ứng với một biến đổi tuyến tính xảy
ra tại nút chuyển tiếp[51].Nhược điểm của kỹ thuật này là nhiễu trắng cũng được
khuếch đại được chuyển tiếp trong quá trình truyền dữ liệu đến nút đích
G

R

1
Ps hsr  1
2

hsr

hrd

D
S
Hình 2.5.Mô hình nút chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp

Tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp và nút đích tại khe thời gian thứ nhất:

ysr  t   PS hsr x(t )  nsr

(2.1)

ysd  t   PS hsd x(t )  nsd

(2.2)

12

Sau nhận được tín hiệu từ nguồn, tại khe thời gian thứ hai nút chuyển tiếp
thực hiên khuếch đại tín hiệu và chuyển đến nút đích. Do đó, tín hiệu nhận được tại
nút đích:

yrd  Pr hrd Gysr  nrd

(2.3)

Trong đó :G là hệ số khuếch đại.



Theo như bài báo [4] năng lượng trung bình E x  t 

2

  P . Vì vậy, để đảm

bảo năng lượng trung bình bằng với công suất phát của nguồn, nút chuyển tiếp phải
khuếch đại tín hiệu nhận được theo hệ số:
G

Suy ra:

1

(2.4)

PS hSR  N 0
2

1
2
 PS hSR  N 0
2
G

Thế (2.16) vào(2.18) ta được:
yrd (t )  Pr hrd G





Ps hsr x(t )  nr (t )  nrd (t )

 Pr Ps hrd hsr Gx(t )  Pr hrd Gnr (t )  nrd (t )

(2.5)

Như vậy, tỷ số tín hiệu trên nhiễu tại nút đích:
Pr Ps
2
2
hrd hsr
PP h h G

N
 r s 2rd 2 sd
 0
Pr hrd G N 0  N 0 P h 2  1
r rd
G2
2

 srd

Thay (2.19) vào (2.21), ta có

2

2

(2.6)


13

 SRD

đặt:  rd 

Pr Ps
hrd
N0

Pr Ps

2
2
hrd hsr
2
N0


2
2
Pr hrd  Ps hsr  N 0 PR h 2  PS h 2  1
rd
sr
N0
N0
2

hsr

2

(2.7)

P
Pr
2
2
hrd ;  sr  s hsr ,khi đó ta có:
N0
N0

 srd 

 sr  rd
 sr   rd  1

(2.8)

Do dạng công suất tín hiệu trên công suất nhiễu (2.23) này khá phức tạp
trong tính toán và đánh giá chất lượng hệ thống nên người ta thường dùng phương
pháp xấp xỉ để tính toán. Ta biết chất lượng hệ thống đa chặng thường được quyết
định bởi chặng có công suất tín hiệu trên nhiễu yếu nhất nên nó được xem như là
công suất tín hiệu trên nhiễu tương đương của hệ thống.
 srd  min  sr ;  rd 

(2.9)

2.2.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)
DF là kỹ thuật mà các nút chuyển tiếp sau khi nhận tín hiệu từ nút trước đó
sẽ giải điều chế, giải mã rồi mã hóa và điều chế lại trước khi chuyển đến nút tiếp
theo. Trong mô hình này, nút chuyển tiếp đóng vai trò như một trạm lặp (repeater).
Để giải mã và chuyển tiếp dữ liệu, các nút chuyển tiếp sử dụng các thuật toán phát
hiện hoặc giải mã tín hiệu và tái mã hóa thông tin vào các tín hiệu truyền đi, quá
trình giải mã và mã hóa tương ứng với một biến đổi phi tuyến của các tín hiệu nhận
được
Ưu điểm của kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp là giảm nhiễu, tuy nhiên nó làm
hạn chế hiệu suất của hệ thống vì hiệu ứng fading [48]. Đối với hệ thống có lựa
chọn, sau khi giải điều chế và kiểm tra lỗi nếu tín hiệu giải mã đúng thì phát tới nút
tiếp theo, ngược lại nếu giải mã sai thì tín hiệu này sẽ không được phát tiếp, mô
hình kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp đơn giản như sau.