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

HỌC VIỆN CÔ NG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔ NG
---------------------------------------

TRẦN VĂN LINH

NGHIÊ N CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KHÔ NG
TUYẾN TÍNH LÊ N HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

CHUYÊ N NGÀ NH: KỸ THUẬT VIỄN THÔ NG
MÃ SỐ: 60.52.02.08

TÓ M TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH - 2017


1

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

Người hướng dẫn khoa học: PGS, TS Võ Nguyễn Quốc Bảo
(Ghi rõ học hàm, học vị)

Phản biện 1: ………………………………………………………
Phản 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


2

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, vìsóng 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 đề cập đến mô hình thu thập năng
lượng, tuy nhiên các mô hình này đều giả sử rằng năng lượng thu thập là tuyến
tính, cụ thể là 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 và 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.

3

Chương 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan đề tài
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: [1-21]. 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 là 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 [12]. 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.
1.2 Mô hình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp
Ví dụ: Xét mô hình vô tuyến chuyển tiếp Hình 1.5 với nút một nguồn S
một nút chuyển tiếp R và nút một đích D. Trong mô hình như Hình 1.6, tín
hiệu được truyền từ nguồn S, nút chuyển tiếp R thu thập năng lượng chuyển
thông tin đến một nút đích D. Tất cả các nút đều được trang bị với một ăngten duy nhất và hoạt động trong một chế độ truyền bán song công (half-duplex).
S

R

D

Hình 1.6. Mô hình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến

Giả sử rằng không có liên kết trực tiếp từ S → D do khoảng cách xa hoặc
ảnh hưởng của hiệu ứng bóng mờ, tất kênh truyền Rayleigh fading không lựa


4

chọn tần số, hệ số kênh là không đổi trong một khối thời gian T, độc lập, phân
phối giống nhau (i.i.d.) từ một khe kế tiếp và CSI có sẵn tại bất kỳ thiết bị đầu
cuối trong mạng
Thời gian tổng cộng cho khối là T, thời gian được sử dụng cho thu thập
năng lượng là αT, một nửa (1 - α)T/2 dùng cho tiếp nhận thông tin và nửa còn
lại (1 - α)T/2 dùng cho chuyển tiếp thông tin với 0 ≤ α ≤ 1
1.3 Hiện tượng phi tuyến tính mô hình thu thập năng lượng vô tuyến
Với mô hình thu thập năng lượng Hình 1.6 tín hiệu nhận được tại nút
chuyển tiếp R, ký hiệu là yR. Được cho bởi:
yR 

PS hSR s  nR ,

(1.1)

trong đó PS là công suất trung bình truyền của nguồn, s là tín hiệu truyền, và
nR là baseband phụ thuộc nhiễu trắng Gauss (AWGN) với phương sai N0 .

Năng lượng thu thập trong một khoảng thời gian αT được cho là
2

E   T PS hS ,R ,

(1.2)

trong đó 0 < η ≤ 1 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Công suất phát của
nút chuyển tiếp được chọn có thể viết:
PR 

2
1

2

PS hS ,R .

(1.3)

Giả sử tại nút chuyển tiếp luôn giải mã thành công tín hiệu nhận được.
Tín hiệu trên nhiễu SNR của chặng S → R là

 SR

PS | hSR |2
.

N0

Khi đó ta có đồ thị thu năng lượng tại nút chuyển tiếp như sau:

(1.4)


5

Output Power
(mW)

Pth

Pth
Input power (mW)

Hình 1.8: Đặc tính không tuyến tính ở ngõ ra

Từ đồ thị Hình 1.8 cho thấy năng lượng thu thập liên tục tăng đến giá trị
được biểu thị bởi  Pth thì không tăng nữa, trong khi công suất đầu vào là vượt
quá ngưỡng Pth dẫn đến bị bão hòa ở đầu ra. Khi đó, ta có

 2
2
2
P
|
h
|
,
P
|
h
|
 Pth
S
SR

S
SR
 (1   )

PR  
 2 P ,
PS | hSR |2  Pth
th
 (1   )

(1.5)

Mô hình này thể hiện hạn chế của các hiện tượng phi tuyến gây ra bởi
những hạn chế phần cứng bao gồm hạn chế độ nhạy cảm mạch và dòng rò [13].
Chương 2: MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT
LỰA CHỌN CHUYỂN TIẾP VỚI MÔ HÌNH KHÔ NG TUYẾN TÍNH
2.1 Giới thiệu
Trong mô hình mạng thu thập năng lượng đề xuất Hình 2.1, số lượng nút
chuyển tiếp tăng mục đích nâng cao hiệu năng của hệ thống, bằng cách sử dụng
kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp, với nút chuyển tiếp nào có mức năng lượng
thu thập lớn nhất sẽ được sử dụng để chuyển tiếp thông tin. Mặc khác, để tăng


6

khả năng chuyển tiếp thông tin thành công, phương pháp học tập kênh dựa trên
phản hồi mức năng lượng tại nút chuyển tiếp [8]. Khi đó ở chặng thứ hai, mô
hình được trang bị nhiều ăng-ten tại nút D nhằm nâng cao hiệu quả thu nhận
thông tin. Nhiều anten ở D giúp cho hệ thống mạng mở rộng vùng diện tích
thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến, 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 mạng chuyển tiếp với nút chuyển tiếp thu thập
năng lượng với khoảng cách cố định.
2.2 Mô hình đề xuất

Anten

S
D

Hình 2.1: Mô hình lựa chọn chuyển tiếp một phần năng lượng trong mạng vô tuyến

2.2.1.

Mô tả hệ thống

Xét mô hình đề xuất như Hình 2.1, tín hiệu được truyền từ nguồn là S,
giao tiếp với một nút đích là D, trong sự hiện diện của N nút chuyển tiếp Rn
với n = 1, 2,…, N. Các nút S, Rn được trang bị với một ăng-ten duy nhất, nút
D trang bị m = 1, 2,…,M ăng-ten, hệ thống hoạt động trong một chế độ truyền
bán song công (half-duplex).


7

Tất cả các nút chuyển tiếp không được cung cấp năng lượng cố định,
không có liên kết trực tiếp từ S → D do khoảng cách xa hoặc ảnh hưởng của
hiệu ứng bóng mờ, tất cả kênh truyền Rayleigh fading không lựa chọn tần số,
hệ số kênh là không đổi trong một khối thời gian T, độc lập, phân phối giống
nhau (i.i.d.) từ một khe kế tiếp và thông tin trạng thái kênh CSI có sẵn tại bất

kỳ thiết bị đầu cuối trong mạng.

   max   SR ,  R D 
n

b

(2.1)

2.2.2 Phân tích hệ thống
Xét sự truyền dữ liệu giữa S  R , Các tín hiệu nhận được tại Rn là y Rn

yRn  PS hSRn s  nR

(2.2)

Trong công thức (2.2), PS là công suất truyền tối đa của nút phát S, s là dữ liệu
mà nút phát muốn truyền đến nút Rn , nR là nhiễu cộng tại bộ thu.
Từ (2.2) tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu nhận được tại nút Rn như sau:
 SR  PS
n

| hSRn |2
N0

(2.3)

Giả sử tại nút Rb được lựa chọn, việc thu thập năng lượng và xử lý
thông tin như Hình 2.2. Thời gian được sử dụng cho thu thập năng lượng là
αT, một nửa 1    T 2

1    T

dùng cho tiếp nhận thông tin và nửa còn lại

2 dùng cho chuyển tiếp thông tin với    0,1


8

αT
yr(t)

yr(t)

Thu thập năng lượng

+
(1-α)T/2

yr(t)

Nhận thông
tin

Xử lý
thông tin

(t)

Hình 2.4: Giao thức chuyển mạch tại nút chuyển tiếp

Tốc độ truyền SNR nhận được cao nhất. Biểu thị Rb là nút chuyển tiếp
được chọn.
Rb :  Rb  arg max  SRn .
n 1,2.. N

(2.4)

Năng lượng thu hoạch của relay chọn trong một khoảng thời gian αT
được cho là:
Eh   T PS max | hSRn |2 .
n 1... N

(2.5)

Trong đó 0 < η ≤ 1 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Công suất phát
của Rn được viết
PRn 

2 PS
max | hSRn |2 .
n
1   1... N

(2.6)

Gọi Pth là công suất ngưỡng mà tại đó công suất PR là nhỏ nhất,
PRn 

2
min ( PS | hSRb |2 , Pth ) .
n
1   1,..., N

(2.7)

Tại nút Rn sẽ thu thập năng lượng và chuyển đổi một lượng điện liên tục,
vìvậy, ta có:


9

 2
2
2
 (1   ) PS | hSR | , PS | hSR |  Pth
PR  
.
2

2

P,
PS | hSR |  Pth
 (1   ) th
b

b

n

(2.8)

b

* Giả sử tại Rb nút giải mã thành công và chuyển thông tin đến đích
trong khi đó ở phía thu được sử dụng đa anten được ký hiệu
M1 , M 2 ,..., M M .

Ăng-ten
Ăng-ten

Nhánh thứ i
SNR:

Ăng-ten

Ngõ ra kết hợp

Nhánh



SNR:

Nhánh

Hình 2.5 Sử dụng kỹ thuật lựa chọn kết hợp tại nút đích
Trong chặng này phía thu sử dụng lựa chọn kết hợp (SC), bộ kết hợp

đầu ra các tín hiệu trên các nhánh với SNR cao nhất

ri 2 M i

. Tại nhánh thứ ri

tín hiệu thu được với phương trình y Rb D
yRb D  PRn | hRb D |2 ySRn  nD ,

(2.9)

trong (2.9) hRb D , là hệ số kênh của liên kết Rn → D, PRn là công suất trung bình
truyền của relay, nD là nhiễu nội tại nút đích, phụ thuộc nhiễu trắng Gauss
(AWGN) với phương sai N0.


10

Giả sử việc xử lý tín hiệu đường hồi (feedback) từ nút chuyển tiếp Rb đến
nút nguồn S, và giải mã tại nút D diễn ra thành công. Tỷ số công suất tín hiệu
trên nhiễu SNR tức thời của chặng thứ hai được cho là:

 R D  PR
b

n

max | hRn D |

2

m1.. M

N0

 PS max | hSR | max | hR D |
2



n 1.. N

n

2

m1.. M

.

(2.10)

b

(1   ) N 0

Từ (2.8) và (2.10) ta có

R D
b

 2
2
2
2
 (1   ) N PS | hSRb | | hRb D | , PS | hSRb |  Pth

0
,(2.11)

2

2
2

P |h | ,
PS | hSRb |  Pth
 (1   ) N 0 th SRb

Đối với thu thập năng lượng sử dụng kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp bán
phần và giải mã và chuyển tiếp DF, tỷ số công suất tín hiệu trên nhiễu SNR ở
end-to-end nhận được tại điểm đích, có thể được viết bởi như [13]

   min( SR ,  R D )
b

b

P
 . (2.12)

2 PS
 min  S max | hSRn |2 ,
max | hRb D |2 max | hSRb |2 
n 1... N
(1   ) N 0 m1..M
 N 0 n1... N


2.3 Phân tích xác suất dừng
Xác suất dừng OP của hệ thống trên kênh truyền fading Rayleigh được
định nghĩa là xác suất mà đầu ra SNR của hệ thống sẽ được quyết định bởi


11

chặng yếu hơn tức là    min( SRb ,  Rb D ) của hệ thống nhỏ hơn một ngưỡng γth
định trước. Do đó, xác suất dừng của hệ thống có thể thu được như
1  

OP  Pr 
log 2 (1    )   
 2

2


1
 Pr     2  1



 Pr      th 

,

(2.13)

trong đó  tốc độ truyền dẫn mong muốn. 1    T 2 là khe thời gian chuyển
tiếp thông tin giữa nút chuyển tiếp và nút đích. Trên kênh truyền Rayleigh
fading, gọi

 th  2

2

(1 )

1 ,

(2.14)

là ngưỡng của hệ thống. Xác suất dừng của hệ thống có thể được thực hiện như
sau:

OP  Pr  min( SRb ,  Rb D )   th 
1  Pr  min( SRb ,  Rb D )   th 

,

(2.15)

Từ (2.8) và (2.12) ta có


 PS max | hSRn |2 2 PS max | hSRn |2 max | hRb D |2 
n

1,2..
N
n

1,2..
N
m

1..
M
2
   th , PS max | hSR |  Pth 
OP  1  Pr  min 
,
n


N0
(1   ) N 0









 PS max | hSRn |2 2 PS max | hSRn |2 max | hRb D |2 
n

1,2..
N
n

1,2..
N
m

1..
M
2
   th , PS max | hSR |  Pth 
 Pr  min 
,
n


N0
(1   ) N 0








(2.16)


12

Đặt: X  max | hSR |2 , Y  max | hR D |2
m 1.. M
n 1,2.. N

b

n



2
.
(1   )

Giả định rằng tất cả các liên kết trong chặng đầu là độc lập, CDF của  SRb
đưa ra là [26]

FX ( x)  Pr( SRn  x)  Pr(max( SRb )  x)

 x  ,
  Pr( SRb  x)   1  exp    
n1
n1 

 1  
N

N

(2.17)

Trong (2.17), PDF của X nhờ vào việc mở rộng nhị thức trong [[32],(1.111)]
như
N

f X ( x)    1
n 1

n 1

 nx 
N n
exp
  .
n
  1
 1 

(2.18)

Sử dụng kỹ thuật lựa chọn kết hợp (SC) tại nút D, trên kênh truyền fading
Rayleigh, CDF của Y có dạng

FY ( y )  Pr( Rb D  y )  Pr(max( Rb D )  y )


 y  ,
  Pr( Rb D  y )   1  exp    
m1
m1 
 2  
M

M

Với 2 là trị trung bình của biến ngẫu nhiên theo hàm mũ hRn D
M

fY ( y )    1
m1

M 1

 my 
M  m
exp

,
m


  2

2 

khi đó xác suất OP được biểu diễn bởi một hàm như sau:

2

(2.19)

, PDF của Y
(2.20)


13






 PS X PS XY 
 PS X  PthY 
,
,
   th , PS X  Pth  - Pr  min 
   th , PS X  Pth 
N0 
 N0
 N0 N0 




OP  1  Pr  min 



I1

I2

(2.21)
OP  1  ( I1  I 2 ) ,

(2.22)

trong (2.22) I1 và I 2 có kết quả là:
Nt

N

M

I1   ( th  Pth ) (1)
t 1 n 1 m 1

t 1

n
  e
 1 

 tn N 0

PS

t

m 1

(1)

n 1

(1)t  m th N 0   N  M  n

   
t !  2 PS   n  m  m

 

n N 
nP N  
  1  t , th 0    1  t , th 0  
1PS 
1PS  

 

.

(2.23)

Trong đó δ (x) là hàm bước và Nt ∈ [1, ∞) biểu thị số lượng các bước

M
N
 n th N 0 m th N 0 
n 1  N 
m 1  M 

 (1)    (1)   exp  

2 Pth 
 n  m1
m 
 n1
 1PS
I2  
N
M
 (1) n1  N  (1) m1  M  exp   n th N 0  m th N 0 


 n 
m 


P


P
n

1

m

1




1
S
2
th




Pth   th

. (2.24)
Pth   th

Chứng minh I1 và I2
Sử dụng xác suất có điều kiện, I1 được viết lại như sau:
Pth   th
 0
 Pth N0


.
I1   PS
  f X ( x)  fY ( y )dxdy Pth   Th

 th N 0
  thPN0
 XPS
 S

(2.25)

Để có được I1 một cách tường minh, chúng ta cần PDF của X và Y. Thay
(2.18) và (2.20) vào (2.25)


14

Pth   th
0
 Pth N0

I1   PS N
 nx   M
 my 
n 1  N  n
m 1  M  m
(

1)
exp

(

1)


  
dxdy Pth   Th
n 
 m  exp  
  




n

1
m

1
  1
  2
 1   th N0

2 
  thPN0
 PS x
 S

(2.28)
Á p dụng khai triển Taylor hàm xấp xỉ lũy thừa ex tại x = 0
 m th N 0    1  m th N 0 
exp  



 .


P
x
t
!


P
x
 2 S  t 0
 2 s 
t

t

Thay đổi biến x  y 


I1  
t 0

 th N 0
. Á p dụng công thức ([32], 3462.17)
PS

t
m 1

n 1 ( 1)
(1)  (1)

t!
m 1
n 1
M

Pth N 0
PS




th N 0

PS

N

n

e

1

(2.30)

( y

 th N 0
PS

 m th N 0 


 2 PS 

t

 N  n  M  2
n m 
  1   m

(2.33)

)


 th N 0 
y



PS 


t

dy.

Hay là
t

t
m1
n 1 ( 1)  m th N 0   N  M  n
I1   ( th  Pth ) (1) (1)

   
t !  2 PS   n  m  m
t 1 n 1 m1
Nt

t 1

n
  e
 1 

 tn N 0
PS

N

M

 

n N 

nP N  
  1  t , th 0    1  t , th 0  
1 PS 
1 PS  

 

Trong đó δ (x) là hàm bước và Nt ∈ [1, ∞) biểu thị số lượng các bước.

,(2.37)


15

Đối với I 2 khi nút thu thập năng lượng ngõ ra bị bão hòa PS | hSR | Pth dẫn
b

đến công suất tín hiệu trên nhiễu của chặng thứ nhất  SRb và chặng thứ hai  Rb D
là độc lập nên I 2 được viết lại như sau:


 P X P Y
I 2  Pr  min  S , th
 N0 N0




PS X



,

P
 th
th  .
N
0



(2.38)

Xác suất khi mạch thu thập năng lượng bị bão hòa

 
  f X ( x)  fY ( y )dxdy
 th N 0
  th N0
 Pth
 PS
I2   


f ( x)
f ( y )dxdy
  N X  N Y
th 0
 thPS 0
 Pth

Pth   th
.

(2.40)

Pth   th

Ta có biểu thức tường minh cho I 2 . Giải tích phân ta được
M
N
 n th N 0 m th N 0 
n 1  N 
m 1  M 
(

1)
(

1)
exp




 n 
m 

P
2 Pth 

  m1
 
1 S
 n1

I2  
N
M
 (1) n1  N  (1) m1  M  exp   n th N 0  m th N 0 


 n 
m 

2 Pth 
  m1
 
 1 PS
 n1

Pth   th

.
Pth   th

(2.43)
2.4 Thông lượng
Đối với hệ thống truyền dẫn giới hạn thời gian, thông lượng được xác
định bằng cách thông qua xác suất dừng OP, với tốc độ truyền tải nguồn cố
định là  bit/giây/Hz. Biết  là tốc độ truyền cố định trong đó nguồn cần phải

đáp ứng như thế nào để   log 2 (1   th ) , khi đó  th là giá trị ngưỡng của SNR để
phát hiện dữ liệu chính xác. Khi đó, thông lượng hệ thống được cho bởi:


16

  (1  OP)

(1   )T / 2 
 (1   )(1  OP) .
T
2

(2.44)

Chương 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
3.1 Mô hình hóa
(w)

D

S

Hình 3.1. Mô hình hóa hệ thống trong mặt phẳng 2 chiều

Trong môi trường mô phỏng, giả sử các nút S, Rn , D được đặt trong một
mặt phẳng hai chiều x-y (Hình 3.1). Như đã nói như trên, các nút R1 , R2 ,..., Rn
giả sử đặt gần nhau, khoảng cách giữa các nút như nhau, gọi LSRn , LRn D lần lượt
là khoảng cách từ các nút S  Rn , Rn  D .



Khi đó các tham số được tính như sau: 1  LSRn



PL



và 1  1  LRn D



PL

.

PL là hệ số suy hao đường truyền.
3.2 Một số đồ thị mô phỏng
Đầu tiên học viên nghiên cứu tác động của N t vào tính chính xác của xác
suất dừng OP. Trong Hình 3.2 ta thấy rằng, khi tăng N t từ 2 đến 16 OP có thay
đổi, việc thay đổi này sẽ cải thiện tính chính xác OP. Cụ thể, như Hình 3.2 cho
ta thấy khi N t > 8 đủ để cung cấp OP chính xác


17

Hình 3.2. Tác động của N t vào tính chính xác của OP

Kế tiếp chúng ta xem xét xác suất dừng OP giữa lý thuyết và mô phỏng
đã đã nghiên cứu. Trong Hình 3.2 ta thấy rằng, xác suất dừng OP như một hàm
của tỷ số công suất phát trên nhiễu có mật độ phân bố Gauss, SNR  PS N0 ,
theo đơn vị Decibel. Như ta có thể quan sát từ Hình 3.2, xác suất dừng của mô
hình tăng khi giá trị của SNR tăng. Tuy nhiên, khi SNR tăng đến một giá trị
nào đó, xác suất dừng sẽ không tăng nữa và sẽ hội tụ đến một giá trị mà không
phụ thuộc vào SNR.
Ngoài ra, vị trí đặt nút chuyển tiếp có ảnh hưởng đến hệ thống thu thập
năng lượng, cụ thể xR càng xa trạm phát năng lượng thì năng lượng thu thập
được và cường độ tín hiệu nhận được y Rn (t ) tại nút chuyển tiếp càng nhỏ, điều
này cho thấy ảnh hưởng nghiêm trọng của hiệu ứng fading lên kênh truyền dẫn


18

đến công suất phủ sóng không dây của chuyển tiếp trở nên yếu hơn, khi nút
chuyển tiếp càng gần với nút đích.

Hình 3.2: 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 .

Tiếp theo xét trường hợp hệ thống thông tin chuyển tiếp hai chặng với
tốc độ khác nhau. Trong đồ thị Hình 3.3, ta thấy hạn chế của kỹ thuật chuyển
tiếp một phần năng lượng ở chế độ truyền bán song công. Việc truyền dữ liệu
được thực hiện tốt hơn khi tốc độ truyền thấp, như vậy tốc độ chuyển tiếp thông
tin từ nút S  D bị ảnh hưởng. Cụ thể, khi tốc độ bit tăng lên OP tăng điều này
đồng nghĩa với tốc độ truyền tải thông tin chậm dẫn đến việc truyền tín hiệu đi
sẽ khó khăn.

19

Hình 3.3: 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, 2.

Trong Hình 3.4, ta thấy tác động của hệ số chuyển đổi năng lượng α đến
hiệu năng hệ thống thu thập năng lượng. Chúng ta có thể thấy rằng α tăng thì
OP tăng, nhưng khi α tăng đến một giới hạn nào đó thì OP không tăng nữa.
Điều này cho ta thấy, năng lượng thu thập bị bão hòa khi α tiếp tục tăng.


20

Hình 3.4: 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.

Kế tiếp chúng ta khảo sát xác suất dừng OP theo hệ số phân chia theo
thời gian với α có giá trị từ 0.1 đến 0.8. Hình 3.5 cho thấy xác suất dừng hệ
thống như một chức năng của sự truyền tải điện năng trung bình của nguồn đối
với SNR thấp, tức là, PS  30dB , tăng công suất phát trung bình của nguồn sẽ
làm tăng xác suất dừng hệ thống. Tuy vậy, nó được bão hòa ở một mức độ nhất
định của PS , được xác định bởi Pth .


21

Hình 3.5: 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.

Quan sát Hình 3.5 ta thấy, khi hệ số α tăng trong khoảng 0.1 đến 0.4 thì
OP giảm và khi giảm công suất phát từ 40dB đến 30dB thìOP giảm. Điều này
đồng nghĩa với năng lượng thu thập tăng và đạt cực đại khi α = 0.4, nhưng khi
α tăng trong khoảng 0.5 đến 0.8 thìOP sẽ hội tụ về một điểm nào đó, điều này
cho thấy thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp chuyển sang trạng thái bão
hòa.
Quan sát Hình 3.6 ta thấy, hệ số α tác động đến OP khi tốc độ bit thay
đổi, cụ thể khi α = 0.1 đến 0.4 và R = 1 thìOP giảm không đáng kể nhưng khi
tốc độ bit tăng lên R = 1.5 thì OP tăng theo một lượng tương ứng, điều đó cho
rằng việc truyền tín hiệu sẽ khó khăn hơn.


22

Hình 3.6: 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.

Thêm nữa, chúng ta kiểm chứng xác suất dừng hệ thống cho các giá trị
khác nhau của các ngưỡng bão hòa, tức là, Pth = 5, 10, 20dB. Theo dự kiến,
tăng Pth sẽ cải thiện đáng kể hiệu năng hệ thống tại vùng tối ưu của α, ký hiệu
là  opt . Về mặt toán học,  opt có thể thu được bằng cách giải quyết các vấn đề
tối ưu như sau

 opt  arg min OP   , tùy thuộc vào 0    1.

(2.26)

Với biểu thức OP trên, nó là rất khó khăn để phân tích biểu thức dạng
tường minh cho αopt.


23

Hình 3.7: 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.

Như Hình 3.7, ta thấy trong khoảng α = 0.1 đến 0.4 khi Pth  10dB thì
OP giảm nhanh nhưng khi α = 0.5 đến 0.8 thì OP hội tụ đến α = 0.8 điều này
cho thấy lúc đầu mạch thu thập năng lượng sau đó thì tiến nhanh đến giá trị
bão hòa. Kết quả phân tích phù hợp với mô phỏng của phương pháp phân tích
đã đề xuất.
Đồ thị Hình 3.8 chỉ ra rằng, số lượng ăng-ten tại nút D ảnh hưởng đến
thu thập năng lượng là không đáng kể. Cụ thể, khi tăng số lượng ăng-ten thì
OP tăng theo tỷ lệ α tăng trong khoảng 0.1 - 0.4. OP của hệ thống lúc đầu tăng
khi α = 0.1 nhưng OP chỉ đạt giá trị lớn nhất khi α = 0.4 sau đó năng lượng
thu thập tiến đến trạng thái bão hòa.


24

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, N = 4, xR  0.5 , PL = 1, Pth = 20dB, khi số ăng-ten tại
nút D thay đổi M = 2, 3, 4.

Chúng ta có thể nhận thấy rằng, thông lượng là tốt hơn khi α tăng. Như
minh họa Hình 3.9, khi α = 0.1 thì thông lượng của hệ thống tăng nhanh, ngoài

ra thông lượng của hệ thống nhỏ nhất khi α = 0.5 và đạt giá trị tối ưu khi thông
lượng được tối đa. các kết quả phân tích là phù hợp với các mô phỏng MonteCarlo.