Nghiên cứu kỹ thuật SSC (switch and stay combining) trong mạng vô tuyến thu thập năng lượng (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

-----------------------------------------

NGUYỄN THANH TÂM

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SSC ( SWITCH AND STAY
COMBINNING) TRONG MẠNG VÔ TUYẾN THU THẬP
NĂNG LƢỢNG
Chuyên Ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã Số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH- 2016


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Nguyễn Quốc Bảo

Phản biện 1:………………………………………..

Phả biện 2:…………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn
thạc sĩ tại Học viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông
Vào lúc: …….. giờ……ngày ……tháng……….năm

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

-Thư viện của Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn
Thông


1
MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài

Trong thời đại hiện nay, các thiết bị di động đang dần thay thế các
thiết bị cố định. Do đó, các hệ thống truyền thông phải đáp ứng nhu cầu
ngày càng tăng của các thiết bị di động. Để đáp ứng nhu cầu này, các hệ
thống truyền thông không dây phải được triển khai rộng khắp và duy trì
hoạt động liên tục. Tuy nhiên, các hệ thống truyền thông không dây hiện
nay hầu hết sử dụng các nguồn năng lượng được cung cấp như điện lưới,
pin, acquy. Điều này khó khăn cho việc duy trì hoạt động liên tục và triển
khai hệ thống tại những nơi có địa hình phức tạp, khó khăn [1].
Để cung cấp khả năng thu thập năng lượng cho các hệ thống không
dây, các hệ thống vô tuyến có thể thu thập năng lượng từ thiên nhiên như
năng lượng mặt trời, nhiệt, gió, điện từ, hóa học…hoặc do con người tạo ra
[2]. Ưu điểm của giải pháp này là có thể ứng dụng để triển khai mạng ở
những vùng nông thôn xa xôi và thúc đẩy sự phát triển y tế, môi trường,
giáo dục [2]. Tuy nhiên, nhược điểm của thu thập năng lượng từ thiên nhiên
là sự không ổn định và có thể phụ thuộc vào thời điểm
Để có thể tăng tính ổn định của nguồn năng lượng thu thập, hệ
thống vô tuyến có thể thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến ở môi trường
xung quanh mà ở đó tín hiệu vô tuyến có thể được dung để cung cấp đồng
thời thông tin và năng lượng cho máy thu [2]. Một vấn đề khó khăn là các
mạng thu thập năng lượng khó có thể nhận ra năng lượng thu và thông tin

của tín hiệu trong cùng một lúc . Bên cạnh đó, công nghệ thu thập năng
lượng hiện nay có hiệu suất năng lượng thu thập rất thấp dẫn đến các nút
mạng sử dụng năng lượng có vùng phủ sóng nhỏ [4]. Việc sử dụng kỹ thuật
chuyển tiếp cho các mạng thu thập năng lượng vô tuyến là một giải pháp
tiềm năng.
Trong luận văn này, chúng tôi đề xuất sử dụng kỹ thuật phân bố và
giữ (SSC) để:
-

Mở rộng vùng phủ sóng của mạng sử dụng nút chuyển tiếp thu
thập năng lượng
Cải thiện hiệu suất phổ tần của mạng.


2
2.

3.

Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu mạng vô tuyến chuyển tiếp, mạng truyền thông cộng
tác.
- Tìm hiểu kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp trong mạng vô
tuyến chuyển tiếp
- Tìm hiểu kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp trong mạng vô tuyến
chuyển tiếp
- Tìm hiểu kỹ thuật chuyển tiếp kết hợp trong mạng thu thập
năng lượng
Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
- Xét mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng với nút

nguồn S, nút chuyển tiếp R và nút đích R

R

S

4.

5.

D

- Kỹ Thuật thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TS).
- Kỹ Thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PS).
- Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp.
- Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp.
Phƣơng pháp nghiên cứu
- Khảo sát các luận văn và bài báo có cùng hướng nghiên cứu.
- Nghiên cứu lý thuyết mạng vô tuyến chuyển tiếp, mạng truyền
thông cộng tác, mạng vô tuyến thu thập năng lượng.
- Xây dựng mô hình toán học để tính toán hiệu năng với nút
chuyển tiếp thu thập năng lượng và nút đích sử dụng kỹ thuật
SSC.
- Đánh giá hiệu năng hệ thống qua phần mềm mô phỏng
Matlab.
Cấu trúc luận văn
Nội dung luận văn thực hiện cụ thể gồm 3 chương:


3

Chương 1 – Tổng quan về mạng thu thập năng lượng, giới thiệu
mạng thu thập năng lượng, các kỹ thuật thu thập năng lượng, các
kỹ thuật chuyển tiếp, các thông số cơ bản của mạng.
Chương 2 – Đề xuất kỹ thuật kết hợp SSC trong mạng thu thập
năng lượng, giới thiệu kỹ thuật SSC, trình bày mô hình hệ thống
nghiên cứu. Khảo sát, phân tích và đưa ra kết quả tính toán để đánh
giá hiệu năng hệ thống.
Chương 3 – Mô phỏng và đánh giá kết quả.


4

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THU THẬP NĂNG LƢỢNG
1.1 Giới thiệu về mạng thu thập năng lƣợng
1.2 Mạng chuyển tiếp thu thập năng lƣợng
1.2.1
Mô hình hệ thống
S

R

D

Hình 1. 1: Mô hình mạng chuyển tiếp thu thập năng lƣợng
Xét hình 1.1, mô hình gồm 3 nút : nút nguồn S, nút chuyển tiếp R và nút
đích D. Nút nguồn S truyền thông tinh đến D thông qua nút chuyển tiếp R.
Đối với mạng chuyển tiếp thông thường nút R được cung cấp năng lượng.
Tuy nhiên trong mạng thu thập năng lượng, nút R tự thu thập năng lượng từ
sóng vô tuyến truyền từ nút nguồn. Nút R sử dụng 2 phương pháp: thu thập
năng lượng phân chia theo thời gian và thu thập năng lượng phân chia (TS)

theo công suất (PS) để thu thập năng lượng. Tại nút R sử dụng 2 kỹ thuật
chuyển tiếp: kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp và kỹ thuật giải mã và
chuyển tiếp.
1.2.2
Thu thập năng lƣợng phân chia theo thời gian (TS)
Energy Harvesting
RX
TX

(1  )T / 2

(1  )T / 2

Hình 1. 2: Thu thập năng lƣợng phân chia theo thời gian
Trong hình 1.2 mô tả cách thức thu thập năng lượng và xử lý
thông tin trong kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo thời gian [5].
Trong đó, T là tổng thời gian truyền từ nút nguồn đến nút đích và là một
phần trong tổng thời gian truyền để nút chuyển tiếp thu thập năng lượng với
, tức là trong khoảng thời gian đầu nút nguồn sẽ truyền năng
lượng vô tuyến đến nút chuyển tiếp để nút chuyển tiếp thu thập năng lượng,
)
phần còn lại , (
dùng để truyền thông tin từ nguồn đến nút


5
)
chuyển tiếp và (
dùng dể truyền thông tin từ nút chuyển tiếp đến
đích. Tất cả các năng lượng thu thập trong giai đoạn thu thập năng lượng

được tiêu thụ bởi các nút chuyển tiếp trong khi chuyển tiếp các tín hiệu
nguồn đến đích[5].
1.2.3

Thu thập năng lƣợng phân chia theo công suất (PS)
Energy Harvesting tại R

Truyền thông tin từ

Truyền thông tin từ

T /2

T /2

Hình 1. 3: kỹ thuật thu thập năng lƣợng phân chia theo công suất
Hình 1.3 mô tả kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công
suất [5]. Trong đó, P là công suất truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp, T là
tổng thời gian truyền, với một nửa thời gian dùng cho việc truyền tải thông
tin và năng lượng từ S đến R, và một nửa còn lại dùng để truyền truyền
thông tin từ R đến D.
Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Kỹ thuật này nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại những gì
nó nhận được từ nút nguồn. Quá trình khuếch đại tương ứng với 1 biến đổi
tuyến tính xảy ra tại nút chuyển tiếp. AF còn được gọi là mô hình chuyển
tiếp không tái tạo và cơ bản là nó thực hiện những phương thức xử lý tương
tự cho tín hiệu [6],[7].
1.2.5
Kỹ thuật giả mã và chuyển tiếp (DF)
Kỹ thuật chuyển tiếp này còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển

tiếp tái tạo, cơ bản nó thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu. Ở mô
hình này, nút chuyển tiếp hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông
minh và giải mã/ giải điều chế tín hiệu nhận được từ nút nguồn ở khe thời
gian truyền thứ nhất hay ở pha truyền thứ nhất. Quá trình này sẽ loại bỏ sự
hiện diện của nhiễu [8],[9].
1.3 Mạng thu thập năng lƣợng sử dụng các kỹ thuật kết hợp truyền
thống.
1.3.1
Mô hình hệ thống.
1.2.4


6
R

S

D

Hình 1.4: Mạng thu thập năng lƣợng sƣ dụng kỹ thuật kết hợp
1.3.1.1 Giới thiệu mạng truyền thông cộng tác.
Mỗi thiết bị di động thường chỉ có một anten và không thể riêng lẽ
tạo thành phân tập không gian. Tuy vậy, giả sử một thiết bị di động có thể
nhận dữ liệu từ các thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ
liệu của nó. Và bởi kênh truyền fading đối với các thiết bị di động khác
nhau là độc lập thống kê với nhau, nên việc đạt được phân tập không gian
là hoàn toàn khả thi. Việc truyền đi nhiều tín hiệu sẽ góp phần tạo nên phân
tập, góp phần chống lại ảnh hưởng của fading [10]. Đó chính là ý tưởng
chính của khái niệm truyền thông cộng tác (Cooperative Communication).
1.3.1.2 Ưu nhược điểm mạng truyền thông cộng tác.

+ Ưu điểm
- Giảm thiểu công suất truyền cần thiết.
- Nâng cao dung lượng kênh Shanon.
- Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, nâng cao vùng phủ sóng
của mạng.
- Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS.
- Tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng
+ Nhược điểm
- Tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến hơn so với truyền trực tiếp
- Truyền thông cộng tác thường bao gồm bước tiếp nhận và xử
lý gói tin tại nút chuyển tiếp trước khi nó được truyền đi tiếp.
Khi xét tới những dịch vụ nhạy với trễ như thoại, những dịch
vụ truyền thông đa phương tiện phổ biến hiện nay thì trễ tại
các bước xử lý ở nút chuyển tiếp rõ ràng không có lợi.
- Việc lập lịch phức tạp.
1.3.1.3 Kỹ thuật kết hợp
- Kỹ thuật lựa chọn kết hợp SSC.


7
Kỹ thuật phân tập SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu
có tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận
được từ các nhánh khác nhau rồi đưa vào xử lý[11],[12].
- Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC).
Kỹ thuật này sử dụng tín hiệu thu từ tất cả các nhánh để đưa vào
xử lý. Trong kỹ thuật MRC, SNR của ngõ ra bộ kết hợp là tổng của các
SNR trên các nhánh thành phần [10],[13]. SNR của tín hiệu thu sẽ tăng
tuyến tính theo số nhánh phân tập.
- Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (EGC).
Về bản chất EGC cũng giống MRC, đều sử dụng tất cả các tín hiệu

thu được tại các nhánh để đưa vào xử lý, tuy nhiên, tỉ số SNR đầu ra trong
phương pháp EGC thoả điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh như nhau.
- Kỹ thuật SSC.
Với SSC, máy thu sẽ chọn một anten cho đến khi chất lượng của
nó giảm xuống dưới ngưỡng xác định trước. Khi đó, máy thu sẽ chuyển đến
anten khác và giữ trạng thái cho đến khe thời gian tiếp theo,mặc dù chất
lượng của anten đó trên hay dưới ngưỡng được xác định trước [15].
1.3.1.4 Các kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp.
- Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần: nút chuyển tiếp
tốt nhất được lựa chọn dựa trên tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu đơn phần tức thời
của kênh truyền giữa nguồn và đích [18] hoặc giữa đích và nút chuyển tiếp
[6].
- Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần: nút chuyển
tiếp tốt nhất được lựa chọn dựa vào tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trên cả hai kênh
truyền từ nguồn đến nút chuyển tiếp và từ nút chuyển tiếp đến đích [19].
1.3.2 Các thông số cơ bản của mạng
1.3.2.1 Xác suất dừng..
1.3.2.2 Xác suất lỗi bit.
1.3.2.3 Hiệu suất trải phổ.
1.4 Tổng quan về đề tài và chọn đề tài.
1.5 các nghiên cứu liên quan
1.6 Đóng góp của luận văn


8
CHƢƠNG 2 KỸ THUẬT KẾT HỢP SSC TRONG MẠNG THU THẬP
NĂNG LƢỢNG
2.1 Giới thiệu về kỹ thuật SSC
Giả sử mạng truyền thông cộng tác gồm 3 nút: nút nguồn S, nút chuyển tiếp
R và nút đích D. Nút nguồn sẽ truyền dữ liệu đến nút đích với sự trợ giúp

của nút chuyển tiếp. Đặc biệt, nút đích có thể nhận trực tiếp tín hiệu từ
nguồn hoặc gián tiếp thông qua nút chuyển tiếp [32].
Với kỹ thuật SSC, nút đích sẽ lựa chọn một trong hai tín hiệu nhận
được để giải mã.
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại D trên chặng S – D:

1

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại D trên chặng S – R – D:

 2  min( SR ,  RD )
Trong đó,

 SR

và

 RD

(2.4)

là tỉ số tín hiệu trên nhiễu tương hứng

trên chặng S-R và R – D.
Giả sử, tín hiệu nhận được từ nguồn có tỉ số tín hiệu trên nhiễu

1

lớn hơn ngưỡng

 th

cho trước thì nút đích sẽ chọn tín hiệu này để

giải mã. Đến khi, tỉ số tín hiệu trên nhiễu
hiệu còn lại có tỉ số tín hiệu trên nhiễu

1

2

nhỏ hơn ngưỡng
lớn hơn ngưỡng

 th
 th

và tín
thì nút

đích sẽ chọn tín hiệu còn lai để giải mã.
2.2 Mô hình hệ thống
R
γ1
S

γ2
D

Hình 2. 1: Mô hình mạng thu thập năng lượng sử dụng kỹ thuật SSC


9
Trong mô hình như trình bày ở Hình 2.1, nút đích (D) có thể nhận
thông tin trực tiếp từ nguồn (S) hoặc thông qua kênh gián tiếp thông qua
nút chuyển tiếp (R) thông qua kênh truyền SRD.Tùy theo chất lượng tín
hiệu nhận tại nút đích, nút đích sẽ kết nối với đường trực tiếp hay đường
gián theo theo quy luật của bộ chuyển và giữ. Giả sử nút đích đang kết nối
với nút nguồn qua kênh truyền trực tiếp, nếu tỷ số tín hiệu trên nhiễu của
kênh truyền này nhỏ hơn một giá trị ngưỡng cho trước, nút đích sẽ chuyển
kết nối sang kênh truyền gián tiếp thông qua nút chuyển tiếp và ngược lại.
Trong trường hợp nút D nhận tín hiệu thông qua nút R và sử dụng kỹ thuật
DF, có nghĩa là mỗi khe thời gian truyền được chia thành 2 khe thời con.
Trong khe thời gian con thứ nhất, tín hiệu truyền từ nguồn sẽ được giải mã
tai nút chuyển tiếp và trong khe thì gan con thứ hai, tin hiệu sao khi được
giải mã được truyền từ nút chuyển tiếp đến đích.
Trong mô hình này, điểm khác biệt với mô hình truyền thống là
nút chuyển tiếp không sử dụng năng lượng từ pin, hoặc điện lưới mà phải
tự thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến từ nút nguồn.
2.3 Phân tích hiệu năng hệ thống
2.3.1 Hàm phân phối tích lũy (CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF)
Giả sử kênh truyền từ nút nguồn S đến nút đích D ( hSD ), kênh
truyền từ nút nguồn đến nút chuyển tiếp R ( hSR ) và từ nút chuyển tiếp R đế
nút đích D ( hRD ) có phân phối fading Rayleigh. Giả sử các kênh truyền là
độc lập và đồng nhất, các kênh truyền

SD , SR , RD

hSD , hSR , hRD có phân phối mũ

,ta có hàm phân phối tích lũy (CDF).
F SD ( x)  1  exp(SD x),
F SR ( x)  1  exp(SR x)
F RD ( x)  1  exp(RD x)

Từ các hàm CDF, ta có các hàm mật độ xác suất PDF tương ứng:

(2.5)


10
f SD ( x)  SD exp(SD x),
f SR ( x)  SR exp(SR x)

(2.7)

f RD ( x)  RD exp(RD x)

2.3.2 Xác suất dừng hệ thống.
Xác suất dừng được định nghĩa là xác suất mà dung lượng kênh
tức thời của liên kết giữa máy phát và máy thu nhỏ hơn một tốc độ

Rth nếu

liên kết đó lớn hơn hoặc bằng ngưỡng chuyển kênh liên kết T .
Với

 dl : là xác suất mà liên kết trưc tiếp được chọn và được cho bởi công

thức [32]:

dl 

 rl

F SRD (T )
F SD (T )  F SRD (T )

(2.9)

là xác suất mà liên kết gián tiếp được chọn và được cho bởi

công thức [32]:

rl 

F SD (T )
F SD (T )  F SRD (T )

(2.10)

Với T là giá trị ngưỡng chuyển từ liên kết trực tiếp sang liên kết
gián tiếp và ngược lại.
Xác suất dừng của hệ thống được đưa ra như sau:

 Pr( SD  T ,  SD  2 Rth  1) 
OP   dl 


2 Rth
  Pr( SD  T ,  SRD  2  1) 

(2.12)

 Pr( SRD  T ,  SRD  2  1) 
  rl 

Rth
  Pr( SRD  T ,  SD  2  1) 
2 Rth

Gọi   2Rth  1 và  0  22 Rth  1 là các ngưỡng dừng của các liên
kết trực tiếp và gián tiếp.


11
2.3.2.1 Xác suất dừng với nút chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng kỹ
thuật thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TS)
+ Trường hợp 1: T  


   T
  T

1  2 SR RD  K1  2 SR RD






OPTS  
 1  exp( T )   1  2 SRRDT  K  2
SD
1











SRRDT   

   


 


 exp (SDT )  exp(SD ) 


   

SRRD 0

 K1  2 SR RD 0
 (1  exp(SDT ))  1  2







1  exp(SD T )


 1  exp( T )   1  2 SRRDT  K  2 SRRDT
SD
1











  







 
  
 

   T

   T 
  2 SR RD  K1  2 SR RD  






 



 SRRD 0  
SRRD 0


 K1  2
   2









 




  1  2 SRRDT  K  2 SRRDT    1  exp(  )  
1
SD

 





 


+ Trường hợp 2:   T   0

(2.26)


12



   T
  T

1  2 SR RD  K1  2 SR RD





OPTS  



T
 1  exp( T )   1  2 SR RD  K  2
SD
1











SRRDT   

  
   


 




   
  
  (1  exp(SDT ))  1  2 SR RD 0  K1  2 SR RD 0









  







1  exp(SDT )



 1  exp( T )   1  2 SRRDT  K  2 SRRDT   


SD
1



   



   T

   T 
  2 SR RD  K1  2 SR RD  


  








  

   


   2 SR RD 0  K1  2 SR RD 0  







 



  1  2 SRRDT  K  2 SRRDT    1  exp(  )  
1
SD
 


  

 


(2.27)

+ Trường hợp 3: T   0



   T
  T

1  2 SR RD  K1  2 SR RD





OPTS  

 1  exp( T )   1  2 SRRDT  K  2
SD
1













SRRDT 
  

   


 




   
  
  (1  exp(SDT ))  1  2 SR RD 0  K1  2 SR RD 0










1  exp(SDT )


 1  exp( T )   1  2 SRRDT  K  2 SRRDT
SD
1









   T
  T
  1  2 SR RD  K1  2 SR RD







  






 
  
 



   1  exp(SD )  




2.3.2.2 Tối ưu mô hình đề xuất
Giá trị xác suất dừng OP nhỏ nhất được cho bởi công thức:

(2.28)


13

OP 



12
2

 
ln  1 
 2 
2



 T   12  1  
ln   
1
 
 1  2  2  
a



(2.42)

T
1
1
a



    12  1  

ln   
 
1

T
2  2 
 

ln  1    1  
1
a

1 2  2 
a
2
1

khi và chỉ khi T   0
2.3.2.3 Xác suất dừng với đa nút chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng
kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TS).
RM

Rb

R1
S

D

Hình 2. 2: Mô hình mạng thu thập năng lƣợng sử dụng kỹ thuật SSC
với đa nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng phân chia
theo thời gian
Hệ thống hoạt động tương tự như mô hình đề xuất ở trên tuy nhiên
kênh liên kết gián tiếp thông qua nút R được chọn dựa trên kỹ thuật lựa
chọn nút chuyển tiếp toàn phần (tức là kênh gián tiếp được chọn có tỉ lệ tín
hiệu trên nhiễu toàn trình từ nút nguồn đến R và từ R đến đích D là lớn
nhất) do đó hiệu năng của hệ thống sẽ được tăng đáng kể so với hệ thống
chỉ có một nút chuyển tiếp.
Xác suất dừng của hệ thống cũng được viết lại như sau:


14
 Pr( SD  T ,  SD  2 Rth  1)


OPTS  ρdl 
2 Rth


Pr(


T
,
arg
max
min(

,

)

2

1)


SD
SRi
RDi
i 1,..., M


 Pr(arg max min( SRi ,  RDi )  T , arg max min( SRi ,  RDi )  2
i 1,..., M
i 1,..., M
 ρ rl 
  Pr(arg max min( SR ,  RD )  T ,  SD  2 Rth  1)

i
i
i 1,..., M


(2.45)
2 Rth

 1) 




2.3.2.4 Xác suất dừng với nút chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng kỹ
thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PS).
2.3.2.5 Tối ưu mô hình đề xuất sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng phân
chia theo công suất (PS).
2.3.2.6 Xác suất dừng với đa nút chuyển tiếp thu thập năng lượng sử dụng
kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PS).
RM

Rb

R1
S

D

Hình 2. 3: Mô hình mạng thu thập năng lƣợng sử dụng kỹ thuật SSC
với đa nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lƣợng phân chia

theo thời gian
Hình 2.3 được đề xuất hoạt động tương tự như mô hình trong phần
2.3.2.2 với đa nút chuyển tiếp và sử dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp
toàn phần. Tuy nhiên, điểm khác biệt so với mô hình được đề xuất trong
phần 2.3.2.2 là nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng phân
chia theo công suất.
2.3.2.7 So sánh xác suất dừng của mô hình truyền trực tiếp với mô hình đề
xuất.


15
CHƢƠNG 3 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KÉT QUẢ
3.1 Tham số hệ thống và kênh truyền
Trong các mô phỏng Monte Carlo, để xác định các giá trị xác suất
dừng thì số lượng phép thử được sử dụng là 5x10^6.
3.2 Mô phỏng hiệu năng hệ thống và đánh giá
3.2.1 Mô phỏng hiệu năng hệ thống với kỹ thuật thu thập năng lƣợng
phân chia theo thời gian
0

10

-1

10

-2

10

-3

OP

10

-4

10

-5

10

-6

10

-7

10

-10

MP (T=1)
LT (T=1)
MP (T=8)
LT (T=8)
-5

0

5

10

15

SNR (dB)

Hình 3. 1: xác suất dừng đƣợc vẽ theo giá trị SNR(dB) khi
P  3, Rth  0.5,   0.1,   0.25, T  1, T  8
Hình 3.1 biễu diễn xác suất dừng (OP) của hệ thống như một hàm
theo công suất tín hiệu trên công suất nhiễu SNR. Từ hình vẽ, ta có thể thấy
xác suất dừng của hệ thống sẽ giảm khi SNR tăng ứng với các công thức
(2.26) đến (2.28). Tiếp theo, ta có thể quan sát thấy nếu giảm giá trị T thì
xác suất dừng của hệ thống sẽ giảm theo, tuy nhiên không phải ta cứ giảm
giá trị T là xác suất dừng của hệ thống sẽ giảm theo, Hình 3.2 sẽ cho ta thấy
rõ điều này.


16
0

10

-1

10

-2

10

-3

OP

10

-4

10

MP(T=0.1)
LT(T=0.1)
MP(T=0.41)
LT(T=0.41)
MP(T=0.5)
LT(T=0.5)
MP(T=1)
LT(T=1)
MP(T=8)
LT(T=8)

-5

10

-6

10

-7

10

-10

-5

0

5

10

15

SNR (dB)

Hình 3. 2: Xác suất dừng đƣợc vẽ theo giá trị SNR(dB) khi
P  3, Rth  0.5,   0.1,   0.25, T  0.1, T  0.41, T  0.5, T  1, T  8

Trong hình 3.2, ta có thể quan sát thấy khi tăng giá trị SNR thì với

T  0.1 có giá trị xác suất dừng lớn nhất tức là hiệu năng của hệ thống
thấp đạt được là thấp nhất. Ngoài ra, ta nhận thấy rằng với T=0.5 có giá trị
xác suất dừng lớn hơn khi T=0.41 ( T

   2Rth  1 : ngưỡng dừng kênh

truyền trực tiếp). Tuy nhiên, ta nhận thấy rằng giá trị xác suất dừng nhỏ
nhất ứng với khi T=1( ứng với T   0  2
truyền gián tiếp).

2 Rth

 1 : ngưỡng dừng kênh


17
0

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

10

-1

MP(T=0.41)
LT(T=0.41)
APPRO(T=0.41)
MP(T=1)
LT(T=1)
APPRO(T=1)
MP(T=2)
LT(T=2)
APPRO(T=2)
0

1

2

3

4
SNR (dB)

5

6

7

8

9

Hình 3. 3: Xác suất dừng đƣợc vẽ theo giá trị SNR(dB) khi
P  3, Rth  0.5,   0.1,   0.25, T  0.41   0 , T  1   0 , T  2   0

Trong hình 3.3, tôi mô phỏng mô hình đề xuất với 3 trường hợp

T   0 , T   0 và T   0 . Trong các trường hợp T   0 và T   0 , ta có
thể nhận thấy rằng giá trị xác suất dừng của mô hình đề xuất lớn hơn so với
trường hợp T   0 với các cận dưới xác suất dừng ứng với các đường nét
dứt. Do đó, hiệu năng của hệ thống đạt giá trị tốt nhất ứng với trường hợp
T   0 và xác suất dừng nhỏ nhất ứng với công thức (2.42).
Hình 3.4 được mô phỏng ứng với các công thức từ (2.51) đến
(2.53), hình 3.4 cho ta thấy giá trị xác suất dừng của hệ thống thay đổi khi ta
tăng số luôn nút chuyển tiếp. Theo Hình 3.4 thì hiệu năng của hệ thống sẽ
tăng khi ta tăng số lượng nút chuyển tiếp. Điều này được giải thích như sau
khi ta tăng số lượng nút chuyển tiếp thì nút đích sẽ lựa chọn nút chuyển tiếp
tốt nhất để nhận thông tin và khi đó khả năng giải mã thành công ở nút đích
sẽ tăng lên làm cho hiệu năng của hệ thống cũng tăng theo.


18
0

10

-2

10

-4

OP

10

-6

10

-8

10

MP (R=2)
LT (R=2)
MP (R=4)
LT (R=4)
MP (R=6)
LT (R=6)

-10

10

-12

10

-15

-10

-5
SNR (dB)

0

5

Hình 3. 4: Xác suất dừng của hệ thống vẽ theo SNR(dB) khi
P  3, Rth  0.5,   0.1,   0.25, T  1 với số nút chuyển tiếp R  2, R  4, R  6
0

10

-1

10

-2

10

-3

OP

10

-4

10

-5

10

-6

10

-7

10
-10

DL(LT T=1)
DL(MP T=1)
MP (T=1)
LT(T=1)
MP(T=8)
LT(T=8)
DL(LT T=8)
DL(MP T=8)
-5

0

5

10

15

SNR (dB)

Hình 3. 4: Xác suất dừng đƣợc vẽ theo SNR(dB) khi
Rth  0.5,   0.1,   0.25, T  1, T  8 công suất mô hình truyền trực tiếp
P  6 và công suất mô hình đề xuất P  3
Để đảm bảo so sánh công bằng giữa mô hình đề xuất và mô hình
truyền trực tiếp, công suất của mô hình truyền trực tiếp sẽ gấp đôi công suất
truyền của mô hình đề xuất. Hình 3.5 cho ta thấy rõ sự khác biệt về hiệu
năng của hệ thống khi sử dụng kỹ thuật Switch and stay combining với một
nút chuyển tiếp thu thập năng lượng và hệ thống chỉ sử dụng một đường


19
truyền trực tiếp theo công thức (2.64). Mặc dù, các giá trị khác nhau của
ngưỡng chuyển T thì giá trị xác suất dừng của mô hình truyền trực tiếp đều
lớn hơn các giá trị xác suất dừng của mô hình đề xuất với một nút chuyển
tiếp nên hiệu năng của mô hình đề xuất cao hơn rất nhiều so với mô hình
truyền trực tiếp.
3.2.2 Mô phỏng hiệu năng hệ thống với kỹ thuật thu thập năng
lƣợng phân chia theo công suất.
0

10

-1

10

-2

OP

10

-3

10

-4

10

-5

10

-6

10

-10

MP(T=0.1)

LT(T=0.1)
MP(T=0.41)
LT(T=0.41)
MP(T=0.5)
LT(T=0.5)
MP(T=1)
LT(T=1)
MP(T=8)
LT(T=8)
-5

0

5

10

15

SNR (dB)

Hình 3. 6: Xác suất dừng đƣợc vẽ nhƣ hàm theo SNR(dB) khi
P  3, Rth  0.5,   0.2,   0.25, T  0.1, T  0.41, T  0.5, T  1, T  8

Hình 3.6 với cách giải thích tương tự như hình 3.2, ta cũng có thể
suy ra hiệu năng của hệ thống sẽ đạt giá trị nhất khi ngưỡng chuyển kênh
liên kết bằng với ngưỡng dừng của kênh truyền gián tiếp và giá trị ngưỡng
chuyển kênh.

20
0

10

-1

10

-2

10

-3

10

-4

OP

10

-5

10

-6

10

-7

10

-8

10

-9

10

-5

MP(R=2)
LT(R=2)
MP(R=4)
LT(R=4)
MP(R=6)
LT(R=6)
-4

-3

-2

-1

0

SNR (dB)

1

2

3

4

5

Hình 3. 7: Xác suất dừng đƣợc vẽ nhƣ hàm của SNR(dB) khi
P  3, Rth  0.5,   0.2,   0.25, T  1 với số nút chuyển tiếp R  2, R  4, R  6
Hình 3.7 ta cũng có nhận xét tương tự như hình 3.4, xác suất dừng
của mô hình được đề suất sẽ giảm khi ta tăng số lượng nút chuyển tiếp. Do
đó, hiệu năng của hệ thống sẽ tăng khi ta tăng số lượng nút chuyển tiếp. Ta
có cùng kết luận với mô hình sử dụng với kỹ thuật thu thập năng lượng
phân chia theo thời gian.


21
0

10

-1

10

-2

OP

10

-3

10

-4

10

-5

10

-6

10

-10

DL(LT T=1)
DL(MP T=1)
MP(T=1)
LT(T=1)
MP(T=8)
LT(T=8)

DL(LT T=8)
DL(MP T=8)
-5

0

5

10

15

SNR (dB)

Hình 3. 5: Xác suất vẽ theo hàm của SNR(dB) khi
Rth  0.5,   0.2,   0.25, T  1, T  8 công suất mô hình truyền trực tiếp P  6 và

công suất mô hình đề xuất P  3
Hình 3.8 cho ta thấy rằng mô hình truyền trực tiếp với công suất
phát 2P nhưng xác suất dừng vẫn cao hơn nhiều so với mô hình đề xuất sử
dụng kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất.
Với các hình mô phỏng xác suất dừng của hệ thống được thể hiện ở trên
ta có kết luận:
o

o

Mô hình đề xuất có hiệu năng cao hơn hẳn so với mô hình
truyền trực tiếp. Trong đó, mô hình đề xuất sử dụng cả hai
kỹ thuật thu thập năng lượng: thu thập năng lượng phân

chia theo thời gian và phân chia theo công suất.
Hiệu năng của mô hình đề xuất tốt nhất khi giá trị ngưỡng
chuyển kênh liên kết: T  2 th  1 .
Để tăng thêm hiệu năng của mô hình đề xuất thì ta có thể
tăng thêm số lượng nút chuyển tiếp để giúp đỡ kênh
truyền trực tiếp. Số lượng nút chuyển tiếp càng tăng thì
hiệu năng của hệ thống càng tăng.
2R

o


22
KẾT LUẬN
Trong luận văn này, Tôi nghiên cứu kỹ thuật Switch and Stay
Combining trong mạng thu thập năng lượng trên kênh truyền Fading
Rayleigh, kết hợp với kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp và kỹ thuật lựa
chọn nút chuyển tiếp tốt nhất. Luận văn đạt được các kết quả.
o

o

o
o

Mô hình đề xuất giúp tăng hiệu năng của hệ thống vô
tuyến. Các biểu thức tính toán chính xác xác suất dừng
được đưa ra bởi các công cụ toán và được kiểm chứng
bằng các mô phỏng Monte Carlo.
Nếu ta tăng số lượng nút chuyển tiếp và giữ cố định các

tham số còn lại cho ta thấy rằng hiệu năng của mô hình đề
xuất sẽ tăng lên đáng kể.
Trong luận văn đã đưa ra công thức tính giá trị ngưỡng
chuyển kênh liên kết để hiệu năng hệ thống đạt tốt nhất.
So sánh hiệu năng mô hình đề xuất với mô hình truyền
trực tiếp, mô hình đề xuất có hiệu năng cao hơn trong hầu
hết các trường hợp.

Hướng mở rộng:
o
o

Khảo sát mô hình đề xuất với các kênh truyền khác nhau.
Khảo sát mô hình chuyển tiếp đa chặng.