Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Hiệu Ứng Không Tuyến Tính Lên Hiệu Năng Hệ Thống Thu Thập Năng Lượng Vô Tuyến (LV thạc sĩ)

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

TRẦN VĂN LINH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KHÔNG
TUYẾN TÍNH LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

TP. HỒ CHÍ MINH - 2017


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

TRẦN VĂN LINH
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KHÔNG
TUYẾN TÍNH LÊN HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO

TP. HỒ CHÍ MINH - 2017

i

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.
Tác giả luận văn

Trần Văn Linh


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Võ
Nguyễn Quốc Bảo - Trưởng Khoa Viễn Thông 2, Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thông cơ sở TP. HCM. Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn
sâu sắc tới thầy.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Học Viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông, Phòng Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá
trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành biết ơn toàn thể Thầy, Cô giảng dạy đã tận tình truyền đạt
những bài học cũng như những kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên trong gia đình, đã tạo điều
kiện, động viên khích lệ tôi trong những lúc khó khăn để tôi học tập và thực hiện đề
tài.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2017
Học viên thực hiện

Trần Văn Linh

iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ...........................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................ v
DANH SÁCH CÁC HÌNH......................................................................................vii
MỞ ĐẦU................................................................................................................... 1
Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ................................................................ 3
1.1 Giới thiệu............................................................................................................. 3
1.2 Các nghiên cứu liên quan .................................................................................... 4
1.3 Cấu trúc mạng thu thập năng lượng. .................................................................... 7
1.3.1 Trạm phát sóng ................................................................................... 7
1.3.2 Nguồn năng lượng .............................................................................. 8
1.3.3 Thiết bị thu nhận năng lượng RF ........................................................ 8
1.4 Mô hình chuyển tiếp và các giao thức hoạt động chuyển tiếp .......................... 10
1.4.1 Mô hình kênh chuyển tiếp ................................................................ 10
1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF (Decode and Forward) ............. 11
1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF (Amplifier and Forward) .... 12
1.5 Các kỹ thuật phân tập kết hợp .......................................................................... 12
1.5.1

Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) ................... 12

1.5.2

Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC) .... 13

1.5.3

Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC) ... 14

1.6 Các kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp .............................................................. 14
1.6.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay
Selection)......................................................................................... 14
1.6.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần (Full Relay
Selection)......................................................................................... 15
1.7 Mô hình thu thập năng lượng không tuyến tính ................................................ 15


iv

1.7.1 Mô hình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp ............................. 16
1.7.2 Hiện tượng phi tuyến tính mô hình thu thập năng lượng vô tuyến.... 17
Chương 2 - MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỰA
CHỌN CHUYỂN TIẾP VỚI MÔ HÌNH KHÔNG TUYẾN TÍNH ........................ 19
2.1 Giới thiệu.......................................................................................................... 19
2.2 Mô hình đề xuất................................................................................................ 20
2.2.1

Mô tả hệ thống ................................................................................. 20

2.2.2

Phân tích hệ thống ........................................................................... 22

2.3 Phân tích xác suất dừng .................................................................................... 27

2.4 Thông lượng ..................................................................................................... 34
Chương 3 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ........................................ 35
3.1 Mô hình hóa ..................................................................................................... 35
3.2 Các kết quả mô phỏng ...................................................................................... 36
3.3 Kết luận ............................................................................................................ 45
Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................ 46
4.1 Kết luận ............................................................................................................ 46
4.2 Hướng phát triển .............................................................................................. 46
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................ 48


v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

AS

Antenna Selection

Lựa chọn ăng-ten

CRN

Cognitition Radio Network

Mạng vô tuyến nhận thức

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh truyền

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

EGC

Equal Gain Combining

Kết hợp độ lợi cân bằng

EH

Energy Harvesting

Thu thập năng lượng

ER

Energy Receiver

Nhận/thu năng lượng

ET

Energy Transmitter

Máy phát năng lượng

FDD

Frequency Division Duplex

Song công phân chia theo tần số

PS

Power Splitting

Phân chia công suất

MIMO

Multiple Input- Multiple Output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

MRC

Maximal Ratio Combining

Kết hợp tỉ số tối đa

Orthogonal Frequency- Division

Ghép kênh phân chia tần số trực

Multiplexing

giao

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SC

Selection Combining

Kết hợp lựa chọn

SCN

Small Cell Network

Mạng tế bào

SIMO

Single Input- Multiple Output

Một đầu vào nhiều đầu ra

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

OFDM


vi

SWIPT

Simultaneous Wireless Information Truyền tải đồng thời thông tin và
and Power Transfer

năng lượng không dây

TDD

Time Division Duplex

Song công phân chia theo thời gian

TS

Time Switching

Chuyển đổi theo thời gian

WET

Wireless Energy Transfer

Truyền tải năng lượng không dây

WSN

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây


vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1. Một mạng lưới phát sóng năng lượng không dây và cơ cấu nhận năng lượng.
.............................................................................................................. 4
Hình 1.2. Mạng truyền tải năng lượng từ điểm đến điểm trong hệ thống MIMO ... 5
Hình 1.3. Cấu trúc mạng thu thập năng lượng RF .................................................. 7

Hình 1.4. Minh họa sơ đồ khối một máy thu thập năng lượng RF.......................... 9
Hình 1.5. Phân tập kết hợp .................................................................................... 12
Hình 1.6. Mô hình chuyển tiếp một phần năng lượng trong mạng vô tuyến........... 16
Hình 1.7. Phân chia khung thời gian ..................................................................... 16
Hình 1.8. Đặc tính không tuyến tính ở ngõ ra......................................................... 17
Hình 2.1. Lựa chọn chuyển tiếp một phần năng lượng trong mạng vô tuyến ......... 20
Hình 2.2. Lựa chọn nút chuyển tiếp ....................................................................... 21
Hình 2.3. Phân chia khung thời gian ...................................................................... 23
Hình 2.4. Giao thức chuyển mạch tại nút chuyển tiếp ............................................ 23
Hình 2.5. Sử dụng kỹ thuật lựa chọn kết hợp tại nút đích ...................................... 25
Hình 3.1. Mô hình hóa hệ thống trong mặt phẳng 2 chiều...................................... 36
Hình 3.2. Tác động của Nt vào tính chính xác OP ................................................ 38
Hình 3.3. Xác suất dừng được vẽ theo các giá trị SNR = 10:5:50dB, PS = 1, α = 0.3,
eta = 0.8, R = 1, M = 2, N = 3, PL = 3, khi vị trí nút chuyển tiếp thay đổi xR = 0.1,
0.3, 0.5 .... .............................................................................................................. 39
Hình 3.4. Xác suất dừng được vẽ theo các giá trị SNR_dB = 10:5:50, PS  1, α =
0.3, eta = 0.8, M = 2, N = 3, xR = 0.3, PL = 2, khi tốc độ bit thay đổi R = 1, 1.5,
................ .............................................................................................................. 40
Hình 3.5. Xác suất dừng được vẽ theo các giá trị SNR_dB = 10:5:50, eta = 0.8, R =
1, M = 2, N = 3, xR = 0.3, PL = 2, PS  1 khi α thay đổi, α = 0.1, 0.3, 0.5 ...... 41


viii

Hình 3.6. Tác động của α lên OP được vẽ với các giá trị PS  3 ,   0.1: 0.1: 0.8 , eta
= 0.8; R = 1, M = 4, N = 4, xR  0.5 , PL = 1, Pth  20dB khi công suất phát thay
đổi SNR = 30, 35, 40dB ......................................................................................... 42
Hình 3.7. Tác động của α lên OP được vẽ với các giá trị SNRdB = 40, PS  3 ,

  0.1: 0.1: 0.8 , eta = 0.8, R = 1, M = 4, N = 4, xR  0.5 , PL = 1, Pth  20dB ,

khi tốc độ bit thay đổi R = 1, 1.5. ........................................................................... 43
Hình 3.8. Tác động α lên OP được vẽ theo các giá trị SNR = 40dB, PS  3 , α =
0.1:0.1:0.8, eta = 0.8, R = 1, M = 4, N = 4, xR  0.5 , PL = 1 khi công suất
ngưỡng thay đổi Pth = 5, 10, 20 dB........................................................................ 44
Hình 3.9. Tác động α lên OP được vẽ theo các giá trị SNR = 40dB, Ps = 3, α =
0.1:0.1:0.8, eta = 0.8, R = 1, N = 4, xR  0.5 , PL = 1, Pth = 20dB, khi số ăng-ten
tại nút D thay đổi M = 2, 3, 4 ................................................................................. 45
Hình 4.0. Thông lượng của hệ thống được vẽ theo các giá trị PS = 1, eta = 0.8, R =
1, M = 2, N = 3, xR  0.3 , PL = 3, Pth = 20dB khi α thay đổi α = 0.1, 0.3, 0.5. 46


1

MỞ ĐẦU
Thu thập năng lượng từ môi trường xung quanh để cung cấp năng lượng cho
các thiết bị điện tử sử dụng năng lượng thấp trong mạng vô tuyến đã trở thành một
giải pháp đầy hứa hẹn. Giải pháp này đặc biệt trở nên hữu ích trong các ứng dụng mà
việc thay thế pin là khó khăn phức tạp, hoặc nguy hiểm, ví dụ, mạng cảm biến làm
việc trong môi trường độc hại và mạng cảm biến không dây trong cơ thể người.
Nguồn năng lượng tự nhiên đề cập ở đây thông thường là năng lượng mặt trời và gió.
Gần đây, tín hiệu tần số vô tuyến (RF) cũng có thể được xem như một nguồn thu năng
lượng hiệu quả.
So với các loại nguồn năng lượng khác, thu thập năng lượng trên sóng vô tuyến
có một số lợi thế nhất định, vì sóng vô tuyến lan truyền trong không gian mang năng
lượng điện nên cũng được gọi là truyền năng lượng không dây. Năng lượng vô tuyến
là một nguồn cung cấp năng lượng chủ động, đáng tin cậy và đảm bảo hiệu năng cho
hệ thống.
Cho đến nay, đã có một số nghiên cứu trên mô hình thu thập năng lượng, các
mô hình này đều giả sử rằng năng lượng thu thập là tuyến tính, cụ thể năng lượng thu
thập tỷ lệ thuận với năng lượng nguồn phát và độ lợi kênh truyền từ nguồn phát đến

máy thu năng lượng. Tuy nhiên, trong thực tế mô hình thu thập năng lượng là không
tuyến tính do bởi những hạn chế phần cứng nên ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng
của các mạng vô tuyến thu thập năng lượng.
Trong luận văn này, học viên sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng
không tuyến tính lên hiệu năng hệ thống thu thập năng lượng vô tuyến.
Bố cục luận văn được chia làm các chương sau:
 Chương 1 - Lý thuyết tổng quan
Chương này, tìm hiểu kỹ thuật thu thập năng lượng, kỹ thuật lựa chọn nút
chuyển tiếp trong mạng thu thập năng lượng, phân tích hiện tượng của mô hình thu
thập năng lượng không tuyến tính.
 Chương 2 - Mạng thu thập năng lượng sử dụng kỹ thuật lựa chọn
chuyển tiếp với mô hình không tuyến tính


2

Trong chương 2, giải thích mô hình đề xuất, phân tích đánh giá hiệu năng của
mô hình thu thập năng lượng không tuyến tính.
 Chương 3 - Kết quả mô phỏng và thảo luận
Trong chương này, một số mô phỏng Monte-Carlo và so sánh giữa lý thuyết
bằng phần mềm Matlab được thực hiện để kiểm chứng ảnh hưởng của hiệu ứng
không tuyến tính lên hệ thống thu thập năng lượng chuyển tiếp DF trên kênh truyền
fading Rayleigh được đưa ra trong Chương 2.
 Chương 4 - Kết luận và hướng phát triển
Chương này nêu các vấn đề về luận văn đã làm được, đề xuất hướng phát triển
của luận văn.


3

Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Tóm tắt chương - Tìm hiểu kỹ thuật thu thập năng lượng, kỹ thuật lựa chọn
nút chuyển tiếp trong mạng thu thập năng lượng, phân tích hiện tượng của mô hình
thu thập năng lượng không tuyến tính.

1.1 Giới thiệu
Kỹ thuật truyền phát thông tin bằng sóng vô tuyến được nghiên cứu lần đầu
tiên bởi Heinrich Hertz vào năm 1880. Ngay sau đó, rất nhiều phát minh đã được
khám phá. Từ đó, sóng vô tuyến đã được sử dụng để truyền thông tin trong không
gian. Cho đến nay, các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào các mạng
không dây với các kỹ thuật thu hoạch năng lượng vô tuyến, truyền năng lượng vô
tuyến. Ví dụ, trong năm 1960, các nhà khoa học đã thực hiện thí nghiệm cho một
chiếc trực thăng nhỏ lơ lửng ở một độ cao 50 feet, cung cấp năng lượng bằng sóng vô
tuyến ở tần số 2.45GHz [1].
Thu năng lượng môi trường xung quanh và chuyển đổi nó thành năng lượng
điện sử dụng cho các thiết bị điện ngày càng quan trọng trong xu hướng tiết kiệm
năng lượng hòa hợp với mô trường còn gọi là mạng thông tin liên lạc xanh, điều này
làm tăng tuổi thọ cho các hệ thống thông tin liên lạc, dựa trên việc tự duy trì và tự
cung tự cấp năng lượng. Ngoài các nguồn năng lượng thay thế phổ biến, chẳng hạn
như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt và cơ học, thu thập năng lượng từ tín hiệu vô
tuyến (RF) môi trường xung quanh được cho là một nguồn đầy hứa hẹn có thể được
khai thác trong tương lai. Một lợi thế rõ ràng của kỹ thuật này, so với các nguồn năng
lượng thay thế khác là các nguồn RF xung quanh có thể được cung cấp liên tục bất
kể thời gian và vị trí ở khu vực thành thị hoặc các vùng nông thôn xa xôi hẻo lánh.
Hơn nữa, cùng với sự phát triển của công nghệ hiện nay các thiết bị thu năng lượng
sóng vô tuyến ngày càng nhỏ gọn về kích thước giá thành thấp. Thu thập năng lượng
từ tín hiệu RF được biết đến rộng rãi như là thu thập năng lượng không dây (EH)
hoặc phát năng lượng không dây (WPT) [2].

4

1.2 Các nghiên cứu liên quan
Thu thập năng lượng không dây RF chuyển đổi thành điện áp DC cung cấp
nguồn cho các mạng di động đã nhận được sự chú ý của các nhà khoa học, gần đây
đã có một số nghiên cứu được ứng dụng như mạng cảm biến không dây (WSN), trong
các hệ thống truyền thông cộng tác, mạng vô tuyến nhận thức (CRN) [3] và mạng tế
bào (SCN) [4]. Có nhiều công trình nghiên cứu kết hợp truyền thông tin và năng
lượng trong mạng di động như trong [5], tác giả đã đề xuất một kiến trúc mạng cho
các trạm RF tự cung tự cấp năng lượng bởi các điện thoại di động theo hướng lên.
Trong [6] tác giả xem xét truyền đồng thời thông tin và năng lượng không dây
(SWIPT) theo đường xuống trong hệ thống đa người dùng đa truy nhập phân chia tần
số trực giao (OFDMA), nơi mà mỗi người dùng sử dụng phân chia công suất để điều
phối việc thu năng lượng và giải mã thông tin, bằng cách dùng thuật toán tối ưu để
giải quyết hai vấn đề, thứ nhất tối ưu hóa việc phân bổ sóng mang con và phân chia
công suất một cách luân phiên, thứ hai tối ưu hóa việc phân bổ sóng mang con và
phân chia công suất một cách tuần tự. Kết quả tác giả cho thấy rằng, các phương pháp
đề xuất tốt hơn phương pháp thông thường. Hơn nữa, kỹ thuật beamforming hiện đại
khác nhau được sử dụng để nâng cao hiệu quả truyền công suất cho các ứng dụng
điện thoại di động.
ER1

ER2

Máy phát năng lượng
ER3

Diode

LPF

Diode

LPF

ắc-quy

Hình 1.1. Mạng lưới phát sóng năng lượng không dây và cơ cấu nhận năng lượng [5]

Truyền đồng thời thông tin và năng lượng không dây (SWIPT) [6, 7] được ứng
dụng kiểm soát đồng thời thông tin và năng lượng, trong đó cung cấp năng lượng chi


5

phí thấp liên tục cho các hệ thống mạng không dây mà không sửa đổi phần cứng ở
phía máy phát.

Bộ chỉnh
lưu

Bộ chỉnh
lưu
Năng lượng nhận

Nguồn
tích trữ
Đo năng
lượng

Truyền tải năng lượng
Đường hồi

Hình 1.2. Mạng truyền tải năng lượng từ điểm đến điểm trong hệ thống MIMO [8]

Một thách thức thực tế lớn cho việc thực hiện truyền tải năng lượng không dây
(WET) bằng sóng vô tuyến (RF) là sự suy giảm đáng kể hiệu suất truyền năng lượng
của WET, qua khoảng cách xa từ máy phát năng lượng (ET) đến bộ thu năng lượng
(ER) do suy giảm công suất trên đường truyền của tín hiệu RF. Nhằm nâng cao hiệu
quả thu phát năng lượng vô tuyến, kỹ thuật nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) đã
được các nhà khoa học quan tâm bằng cách trang bị nhiều ăng-ten tại bộ phát năng
lượng (ET) hoặc bộ thu năng lượng (ER) đã được đề xuất [8]. Nhiều ăng-ten ở ET
giúp tập trung truyền tải năng lượng không dây hướng đến cho bộ ER qua kỹ thuật
beamforming, kỹ thuật số hoặc cái gọi là beamforming năng lượng, trong khi nhiều
ăng-ten ở ER giúp cho hệ thống mạng mở rộng vùng diện tích thu hoạch năng lượng
sóng vô tuyến tại nút nhận, tăng số lượng ăng-ten cả hai đầu sẽ tăng cường đáng kể
hiệu năng truyền/nhận năng lượng của hệ thống. Điều này giúp mở rộng phạm vi hoạt
động của WET cho phép ER tăng thu hoạch năng lượng với khoảng cách cố định.
Tuy nhiên, lợi ích của beamforming năng lượng trong MIMO WET không những dựa
vào sự sẵn có của các thông tin trạng thái kênh (CSI) tại ET, mà cần phải được điều


6

chỉnh một cách hiệu quả trong hệ thống thực tế. Và quan trọng với MIMO thì cần
phải tích hợp nhiều ăng-ten vào các thiết bị di động, vốn là vấn đề đòi hỏi chi phí,
kích thước thiết bị và sự phức tạp về công nghệ và phần cứng.
Để phục vụ cho các giới hạn phần cứng của ER hiện có, cũng trong [8] tác giả
đề xuất phương pháp học tập kênh dựa trên những phản hồi mức năng lượng của ER.
Cụ thể, ER thực hiện mã hóa các mức năng lượng thu hoạch trong khoảng thời gian

thu nhận khác nhau thành các bit, (xem hình 1.2), và gửi chúng đến ET thông qua
đường phản hồi. Dựa trên các bit thông tin phản hồi thu thập được, ET điều chỉnh
beamforming truyền của nó trong khoảng thời gian thu nhận tiếp theo. Phương pháp
học tập kênh dựa trên những phản hồi đo mức năng lượng của ER cũng đã được
nghiên cứu trong các hệ thống MIMO vô tuyến nhận thức [9]. Phương pháp học tập
kênh thông tin phản hồi năng lượng này được áp dụng cho cả hai hệ thống TDD và
FDD, và có thể được thực hiện mà không cần thêm các module xử lý baseband tại
ER.
Mặc khác nhằm khai thác lợi ích của nhiều ăng-ten trong [10], tác giả đã đề
xuất ba phương pháp xử lý tuyến tính khác nhau đó là: 1) tỷ lệ kết hợp / tỷ lệ truyền
tối đa (MRC / MRT), 2) Zero-forcing / tỷ lệ truyền tối đa (ZF / MRT) và 3) sai số lỗi
trung bình thấp nhất / tỷ lệ truyền tối đa (MMSE / MRT). Kết quả tác giả cho thấy
rằng việc thực hiện nhiều ăng-ten tăng năng lực thu hoạch năng lượng, do đó cải thiện
đáng kể hiệu năng của hệ thống. Hơn nữa, tác giả chứng minh rằng nhiễu đồng kênh
(CCI) có thể được khai thác để tăng đáng kể hiệu năng hệ thống.
Nhờ sự xử lý phân tập không gian của các nút không dây trang bị nhiều ăngten trong [11], tác giả thiết kế khớp xoay sử dụng một cách linh hoạt cho phân chia
công suất (PS) và lựa chọn anten (AS) của các tín hiệu RF nhận được, từ đó thu năng
lượng tại nút chuyển tiếp hiệu quả hơn so với PS hoặc AS độc lập. Thông qua AS,
một phần ăng-ten được chọn ra chỉ để thu hoạch năng lượng và các ăng ten còn lại
được dùng cho cả xử lý thông tin và thu thập năng lượng.


7

1.3 Cấu trúc mạng thu thập năng lượng.
Trong phần này, tôi mô tả kiến trúc chung của một mạng thu thập năng lượng
RF (RF-EHN) và giới thiệu các kỹ thuật thu hoạch năng lượng RF. Cấu trúc của mạng
thu thập năng lượng điển hình của một RF-EHN có ba thành phần chính. Trạm phát
sóng, nguồn năng lượng RF và các nút mạng / thiết bị [1].
Trạm phát sóng thường được gọi là các trạm gốc, các bộ định tuyến không dây

và chuyển tiếp.
Các nguồn năng lượng RF có thể là các máy phát năng lượng RF chuyên dụng
hoặc các nguồn RF xung quanh (ví dụ, tháp truyền hình).
Các nút mạng là các thiết bị sử dụng giao tiếp với các trạm phát sóng.
Vùng thông tin

Trạm di động cơ sở
Máy phát DME

Trạm
thông tin

Vùng thu thập
năng lượng

Bộ định tuyến

Dòng thông tin

Thiết bị người dùng
Radar

Dòng năng
lượng

Thiết bị thu
năng lượng RF

Máy phát vệ tinh
Máy phát AM&FM

Nguồn RF chuyên
dụng

Máy phát năng
lượng

Vùng thu thập năng
lượng

Hình 1.3. Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng RF [1]

1.3.1 Trạm phát sóng
Thông thường, trạm phát sóng và các nguồn năng lượng RF có nguồn cung
cấp điện cố định và liên tục, trong khi đó các nút trong mạng thu thập năng lượng từ
các nguồn RF chỉ để tự duy trì hoạt động cho chính nó. Trong một số trường hợp, các


8

trạm phát sóng và các nguồn năng lượng RF có thể giống nhau, như thể hiện trong
Hình 1.3, các đường mũi tên liền nét thể hiện cho dòng thông tin, các đường mũi tên
nét đứt thể hiện cho luồng năng lượng.
Các thiết bị trong vùng thu hoạch năng lượng có thể khai thác năng lượng RF
từ trạm tiếp nhận năng lượng. Các thiết bị trong vùng truyền dẫn năng lượng có thể
giải mã thành công thông tin được truyền từ trạm phát sóng. Trong khi đó các thiết
bị nằm trong vùng truyền thông tin sẽ chỉ giải mã được thông tin mà không thu thập
năng lượng. Nói chung, công suất hoạt động của các thành phần thu thập năng lượng
là cao hơn nhiều so với các thành phần giải mã thông tin.

1.3.2 Nguồn năng lượng

Nguồn năng lượng RF (RF Energy Sources) có thể là các máy phát năng lượng
RF chuyên dụng hoặc các nguồn năng lượng RF từ môi trường xung quanh như: sóng
truyền hình tương tự, sóng truyền hình kĩ thuật số, sóng radio trong truyền thanh,
sóng wifi, sóng di dộng và sóng radio trong không gian. Hình 1.4 cũng cho thấy sơ
đồ khối của một nút mạng thu năng lượng RF.

1.3.3 Thiết bị thu nhận năng lượng RF
Một nút thu năng lượng RF bao gồm các thành phần chính sau đây:
 Ứng dụng.
 Khối vi điều khiển công suất thấp, để xử lý dữ liệu từ các ứng dụng.
 Khối thu phát RF công suất thấp, cho truyền tải hoặc nhận thông tin.
 Khối thu thập năng lượng, bao gồm một ăng ten RF, một trở kháng phù hợp,
một mạch nhân điện áp và một tụ điện, để thu các tín hiệu RF và chuyển đổi
chúng thành điện năng.
 Khối module quản lý điện năng, quyết định việc lưu trữ điện năng thu được
từ các máy thu thập năng lượng RF hoặc sử dụng để truyền thông tin ngay
lập tức.
 Khối lưu trữ năng lượng.
Các mô-đun quản lý điện năng chia thành hai phương pháp để kiểm soát dòng
năng lượng đầu vào là thu hoạch sử dụng và thu hoạch lưu trữ sử dụng.


9

Trong phương pháp thu hoạch sử dụng, năng lượng thu hoạch được ngay lập
tức sử dụng để cấp nguồn cho các nút mạng. Do đó, đối với các nút mạng để hoạt
động bình thường, các bộ chuyển đổi điện phải liên tục chuyển đổi điện áp AC thành
DC vượt quá nhu cầu năng lượng tối thiểu của các nút mạng, nếu không các nút sẽ bị
vô hiệu.
Trong phương pháp thu hoạch lưu trữ sử dụng, các nút mạng được trang bị với

một bộ lưu trữ năng lượng hoặc pin có thể sạc lại. Bất cứ khi nào năng lượng thu
hoạch là nhiều hơn so với mức tiêu thụ của nút, năng lượng dư thừa sẽ được lưu trữ
trong pin để sử dụng trong tương lai.

Thu thập năng
lượng RF

Modul quản lý
năng lượng

Lưu trữ tạm
thời

Máy thu phát
RF công suất
thấp

Vi điều khiển
công suất thấp

Ứng dụng

Hình 1.4. Minh họa sơ đồ khối một máy thu thập năng lượng RF [1]

Các ăng-ten có thể được thiết kế để làm việc trên cả hai đơn băng tần số hoặc
đa băng tần số, trong đó các nút mạng có thể thu hoạch từ một hoặc nhiều nguồn cùng
lúc.
Khối phối hợp trở kháng là một mạch cộng hưởng hoạt động ở tần số được
thiết kế để tối đa hóa việc truyền tải năng lượng giữa các ăng-ten.
Các thành phần chính của mạch nhân điện áp và mạch chỉnh lưu chuyển đổi

tín hiệu RF (tín hiệu AC trong tự nhiên) thành điện áp DC là điốt. Hiệu suất chuyển
đổi điện áp của mạch có thể cao hơn bằng cách chọn điốt có điện áp ngưỡng thấp
hơn. Các tụ điện đảm bảo cung cấp điện thông suốt cho tải. Ngoài ra, khi năng lượng
RF bị gián đoạn, các tụ điện cũng có thể phục vụ như là một nguồn dự trữ cho một
thời gian ngắn.


10

Trong thu năng lượng RF, lượng năng lượng có thể khai thác phụ thuộc vào
công suất phát, bước sóng của tín hiệu RF và khoảng cách giữa một nguồn năng lượng
RF của nút thu hoạch. Việc thu thập năng lượng RF từ môi trường truyền trong không
gian có thể được tính toán dựa trên mô hình xác suất thực tế và áp dụng rộng rãi là
mô hình Rayleigh, trong đó giữa một máy phát và máy thu được cho là nhìn thẳng.
Trong mô hình Rayleigh, chúng ta có

PR  PRdet10L log 1 unif (0,1) ,

(1.1)

trong (1.1), PRdet là năng lượng RF nhận được tính bằng một mô hình xác định. Hệ số
suy hao đường truyền L được định nghĩa là L   log10(d / d0 ) , và d0 là khoảng
cách tham khảo, unif (0, 1) biểu thị số ngẫu nhiên được tạo ra sau phân bố đều giữa
0 và 1.

1.4 Mô hình chuyển tiếp và các giao thức hoạt động chuyển tiếp
1.4.1 Mô hình kênh chuyển tiếp
Kênh chuyển tiếp (Relay channel) có vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền đi các
tín hiệu mang thông tin. Đối với mô hình kênh chuyển tiếp cổ điển, nút chuyển tiếp
có nhiệm vụ duy nhất là trợ giúp cho đường truyền trực tiếp giữa nút nguồn và nút

đích. Tuy nhiên, việc chuyển tiếp thông tin đó có thể là đầu cuối cố định, không có
thông tin cho riêng nó để truyền đi hoặc có thể vừa là đầu cuối vừa có chức năng phát
thông tin của chính nó, vừa có chức năng như một đầu cuối cộng tác để truyền thông
tin của các đầu cuối đối tác của nó.
Trong hai loại hình nút chuyển tiếp trên, chuyển tiếp cộng tác có ý nghĩa thực
tiễn hơn do nút thực hiện chuyển tiếp là cố định. Vì thế, điều kiện kênh truyền giữa
nó và nút đích (trạm gốc trong thông tin di động) là tương đối ổn định hơn so với
trường hợp còn lại. Thêm vào đó, khi thực hiện chức năng chuyển tiếp thì nút chuyển
tiếp phải có các bước xử lý với các dữ liệu nhận được từ các nút khác vì thế sẽ tiêu
tốn nhiều năng lượng hơn. Và đây lại là một lợi thế của nút chuyển tiếp cố định so
với nút chuyển tiếp là một thiết bị di động. Mặt khác, nếu sử dụng hình thức cộng tác
người dùng sẽ nảy sinh một số vấn đề phức tạp cần phải giải quyết như: tính bất


11

thường về số lượng, vị trí và tính cân bằng của các thuê bao di động. Ngoài ra, dựa
vào số chặng (Hop) giữa nút nguồn và nút đích ta có thể phân loại kỹ thuật chuyển
tiếp làm hai loại: chuyển tiếp hai chặng (Two-hop) và chuyển tiếp đa chặng (multihop). Từ tên gọi trên, ta có thể thấy rõ ràng về đặc điểm của chúng.
- Chuyển tiếp hai chặng: chỉ có một nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ
liệu người dùng về nút đích.
- Chuyển tiếp đa chặng: số nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người
dùng về nút đích là từ hai trở lên. Thực tế là các nút chuyển tiếp không thể thu và
phát cùng lúc do không thể tránh khỏi của hiệu ứng coupling giữa mạch phát và mạch
thu. Điều này dẫn đến giới hạn half-duplex, và đây chính là nguyên nhân chính mà
sự truyền dẫn từ nút nguồn qua nút chuyển tiếp đến nút đích trong truyền thông cộng
tác được chia thành hai pha thời gian truyền. Nghĩa là chúng chỉ có thể hoạt động ở
chế độ bán song công, chủ yếu thực hiện qua hai giai đoạn truyền:
 Ở giai đoạn thứ nhất, nút nguồn gửi thông tin đến các nút chuyển tiếp.
 Ở giai đoạn thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận

được từ các nút khác tới nút đích. Mỗi nút có thể giải mã thông tin nhận được
và chuyển tiếp đi, đây là kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-andForward, viết tắt là DF) [12]. Hoặc đơn giản là khuếch đại và truyền đi, đây
là kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward, viết tắt là AF)
[13, 14].

1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF (Decode and Forward)
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.


12

1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF (Amplifier and Forward)
Ở mô hình 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.

1.5 Các kỹ thuật phân tập kết hợp
Các kỹ thuật được sử dụng trong thu thập năng lượng thường là kỹ thuật kết
hợp lựa chọn (Selection Combining: SC), Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal
Ratio Combining: MRC), Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining:
EGC) .
Xét sơ đồ phân tập kết hợp như Hình 1.5 với M m (m = 1, 2,…,M) ăng-ten, có
các nhánh rm như hình vẽ.
Ăng-ten

Ăng-ten

Ăng-ten







Nhánh

Nhánh thứ i

Nhánh

SNR:



Ngõ ra kết hợp
SNR:

Hình 1.5. Phân tập kết hợp [15]

1.5.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC)
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. Trong kỹ thuật này, tại một thời điểm chỉ có một nhánh

13

được sử dụng nên phương pháp SC chỉ yêu cầu máy thu được chuyển đến vị trí anten
tích cực (anten có tín hiệu được lựa chọn). Tuy nhiên kỹ thuật này đòi hỏi trên mỗi
nhánh phải có một bộ theo dõi SNR đồng thời và liên tục. Trong phương pháp SC,
tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính là giá trị cực đại của SNR trên tất cả các
nhánh. Vì tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu của một nhánh đưa vào xử lý nên kỹ
thuật này không yêu cầu sự đồng pha giữa các nhánh [15].

1.5.2

Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC)
Đối với kỹ thuật phân tập SC, tín hiệu ngõ ra trên bộ kết hợp chính là tín hiệu

trên một nhánh riêng biệt nào đó. Kỹ thuật MRC khác với kỹ thuật trên, 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. SNR của tín
hiệu thu sẽ tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập.
Theo Hình 1.5 ta có i  ai e ji , i là pha của tín hiệu đến nhánh thứ i i  m
M

tổng ngõ ra của bộ kết hợp sẽ là: r   ai ri . Giả định rằng nhiễu là như nhau N0 2 ,
i 1

nhiễu tổng trên mỗi nhánh là Ntot 2 thì tại ngõ ra của bộ kết hợp của nhiễu tổng sẽ
M

là Ntot 2   ai N0 2 . Khi đó, tín hiệu trên nhiễu ngõ ra của bộ kết hợp công suất
i 1

nhiễu trên các nhánh như nhau sẽ là [15]
2

M

ai ri 


2
r
1  i 1
 .
 

M
Ntot N0
 ai2

(1.2)

i 1

Vì ai tỷ lệ thuận với tỷ số SNR trên các nhánh, sử dụng định lý CauchySchwarz ta có thể thu gọn biểu thức trên thành:
M

  
i 1

M

ri2
  i .
No i 1

(1.3)

Vậy SNR của ngõ ra bộ kết hợp là tổng của các SNR trên các nhánh thành
phần. SNR của tín hiệu thu được sẽ tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập.


14

1.5.3

Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC)
Trong kỹ thuật MRC thì yêu cầu phải biết sự biến đổi của SNR trên từng nhánh

theo thời gian, tuy nhiên thông số này rất khó để đo được. Vì vậy để đơn giản kỹ thuật
MRC người ta dùng 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, trọng số i  ai e j trong phương pháp MRC được thay thế bằng trọng số

i  e j ,(ai  1) tại tất cả các nhánh trong phương pháp EGC. Tỉ số SNR đầu ra trong
phương pháp EGC thoả điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh như nhau
2

1 M 
 
r .
MN0  i1 i 

(1.4)

1.6 Các kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp
Như đã được giới thiệu ở trên, kỹ thuật truyền đồng thời thông tin và năng
lượng là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để cung cấp năng lượng cho các WET hệ thống
thông tin vô tuyến trong môi trường nhiễu fading.
Để nâng cao hơn nữa hiệu năng của mô hình, mục tiêu là làm giảm tiêu thụ
điện năng trong một mạng không dây hiện có với các cặp nguồn-đích (S-D). Cách
tiếp cận được đề xuất là triển khai đa nút chuyển tiếp EH để chuyển tiếp thông tin
cho các cặp S-D. Gần đây các giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, khi có
nhiều nút chuyển tiếp sẵn sàng giúp đỡ nguồn truyền dữ liệu đến đích, đã được đề
xuất và khảo sát [16]. Theo thông thường, các nhà nghiên cứu chia các phương pháp
chọn lựa nút chuyển tiếp thành hai loại chính.

1.6.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay
Selection)
Trong phương pháp này, nút chuyển tiếp tốt nhất được lựa chọn dựa trên thông
tin đơn phần tức thời của kênh giữa nguồn và các nút chuyển tiếp (S  R) hoặc giữa
đích và các nút chuyển tiếp (R  D) [12].
- Ưu điểm: Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, quá trình chọn nút sẽ đơn giản
hơn do chỉ yêu cầu thông tin trạng thái kênh truyền từ một phía.


15

- Nhược điểm: do không cần đến thông tin kênh truyền còn lại, nên có khả
năng bỏ qua nút chuyển tiếp có độ lợi cao hơn.

1.6.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần (Full Relay

Selection)
Trong phương pháp này, nút chuyển tiếp (R) tốt nhất được lựa chọn dựa vào
tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu trên cả hai chặn SR và từ RD [17]. Sau đây là các ưu
điểm và nhược điểm của phương pháp này:
- Ưu điểm: đạt được độ lợi phân tập đầy đủ (full diversity gain) bằng với số
nút chuyển tiếp (tăng thêm 1 nếu có đường truyền trực tiếp giữa nguồn và đích). Do
đó, nâng cao hiệu năng đáng kể so với phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp đơn
phần.
- Nhược điểm: Phức tạp hơn rất nhiều so với phương pháp chọn lựa nút chuyển
tiếp đơn phần. Phương pháp này cũng đòi hỏi các nút chuyển tiếp phải biết được
thông tin trạng thái kênh truyền của cả hai chặng, điều này có thể dẫn đến sự tiêu thụ
năng lượng lớn để thực hiện việc xác định thông tin trạng thái kênh truyền ở mỗi nút
chuyển tiếp. Bên cạnh đó kỹ thuật này cần sự đồng bộ cao giữa các nút chuyển tiếp
trong quá trình chọn lựa nút tốt nhất.

1.7 Mô hình thu thập năng lượng không tuyến tính
Như đã nói ở trên, truyền thông không dây với các nút sử dụng năng lượng thu
thập đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng thu hút sự chú ý nghiên cứu trong
những năm gần đây, ví dụ: [1-5, 7-11, 13, 16-31]. Tuy nhiên, trong hầu hết các nghiên
cứu đến nay đều giả sử mô hình thu thập năng lượng là tuyến tính. Nhưng trong thực
tế mạch thu năng lượng thường bao gồm điốt, cuộn cảm và tụ điện, là không tuyến
tính thường dẫn đến ngưỡng bão hòa ở đầu ra. Cụ thể, năng lượng thu thập ở đầu ra
không tăng mặc dù năng lượng thu thập ở đầu vào có tăng khi năng lượng thu thập
vượt qua một giá trị ngưỡng bão hòa [13]. Khi đó, áp dụng mô hình thu thập năng
lượng tuyến tính thông thường sẽ không đúng và hiệu quả EH phụ thuộc vào mô hình
năng lượng, dẫn đến sự không phù hợp cho phân bổ công suất.