Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Vô Tuyến Ngẫu Nhiên Đa Ngƣời Dùng Trên Các Kênh Truyền Fading Tổng Quát (LV thạc sĩ)

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

VÕ VĂN THẮNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
MẠNG VÔ TUYẾN NGẪU NHIÊN ĐA NGƢỜI DÙNG
TRÊN CÁC KÊNH TRUYỀN FADING TỔNG QUÁT

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

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 2017


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

VÕ VĂN THẮNG
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG
MẠNG VÔ TUYẾN NGẪU NHIÊN ĐA NGƢỜI DÙNG
TRÊN CÁC KÊNH TRUYỀN FADING TỔNG QUÁT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 60.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN TRUNG DUY

THÀNH PHỐ 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 chƣa từng đƣợc ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TP.HCM, ngày……tháng……năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Võ Văn Thắng


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Trần
Trung Duy đã hƣớng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận
văn.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bƣu Chính
Viễn Thông cơ sở tại TP.HCM đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức
trong suốt thời gian học tập tại Học Viện.
Bên cạnh đó em xin cảm ơn các quý anh chị và các bạn khóa cao học 20152017 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học.
TP.HCM, ngày……tháng……năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Võ Văn Thắng


iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................ii
MỤC LỤC ........................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT .................................................... V
DANH MỤC BẢNG .......................................................................................................vi
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................vii
LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN .................................................................... 3
1.1 Mạng vô tuyến ...................................................................................................... 3
1.1.1 Truyền thông vô tuyến ................................................................................... 3
1.1.2 Lịch sử phát triển ........................................................................................... 3
1.1.3 Đặc điểm của truyền thông vô tuyến ............................................................. 5
1.2 Mạng vô tuyến ngẫu nhiên .................................................................................... 6
1.3 Các hiệu năng thông dụng của mạng vô tuyến ..................................................... 7
1.4 Mạng đa ngƣời dùng ............................................................................................. 8
1.5 Thu thập năng lƣợng sóng vô tuyến (Radio frequency Energy Harvesting) ........ 9
1.6 Các nghiên cứu liên quan .................................................................................... 10
1.7 Lý do chọn đề tài ................................................................................................. 11
1.8 Kết luận Chƣơng ................................................................................................. 12
CHƢƠNG II: MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU ..................................................................... 13
2.1 Mô hình hệ thống và các đối tƣợng .................................................................... 13
2.2 Truyền nhận thông tin và năng lƣợng đồng thời................................................. 14
2.3 Phân phối khoảng cách ....................................................................................... 15
2.4 Mô hình kênh truyền fading ................................................................................ 17
2.5 Kỹ thuật chọn lựa ngƣời dùng............................................................................. 23
2.6 Hiệu năng hệ thống ............................................................................................. 26

iv

2.7 Kết luận Chƣơng ................................................................................................. 27
CHƢƠNG III: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG .................................................................... 29
3.1 Chuẩn bị toán học ............................................................................................... 29
3.1.1 Hàm CDF và PDF của khoảng cách ngắn nhất trong công thức (2.33) .... 29
3.1.2 Hàm CDF của  c trong công thức (2.36) ................................................... 30
3.2 Các hiệu năng mô hình NNN .............................................................................. 30
3.2.1 Xác suất dừng (OP) ..................................................................................... 30
3.2.2 Năng lượng thu thập .................................................................................... 33
3.3 Các hiệu năng mô hình NGN .............................................................................. 34
3.3.1 Xác suất dừng (OP) ..................................................................................... 34
3.3.2 Năng lượng thu thập .................................................................................... 36
3.4 Các hiệu năng mô hình NTU .............................................................................. 37
3.4.1 Xác suất dừng (OP) ..................................................................................... 37
3.4.2 Năng lượng thu thập .................................................................................... 38
3.5 Kết luận Chƣơng ................................................................................................. 38
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ LÝ THUYẾT ......................................... 39
4.1 Môi trƣờng mô phỏng ......................................................................................... 39
4.2 Kết luận Chƣơng ................................................................................................. 47
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ....................................................... 48
Kết luận ..................................................................................................................... 48
Hƣớng phát triển ....................................................................................................... 48
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 49


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

BER

Bit Error Rate

Tỷ lệ lỗi bit

BS

Base Station

Trạm gốc

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân bố tích lũy

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh truyền

EH

Energy Harvesting

Thu hoạch năng lƣợng

ITU

InternasionalTelecommunications

Liên minh viễn thông quốc tế

Union
LOS

Line of sight

Đƣờng nhìn thẳng

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Hệ thống đa đầu vào đa đầu ra

NLOS

Non Line of sight

Không có đƣờng nhìn thẳng

OP

Outage Probability

Xác suất dừng

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SER

Symbol Error Rate

Tỷ lệ lỗi ký tự

SNR

Signal- to- noise ratio

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu

US

USer

Ngƣời dùng

WSN

Wireless Sensor Networks

Mạng cảm biến không dây


vi

DANH MỤC BẢNG

Bảng 4.1: Thông số của Hình 4.2. ............................................................................. 39
Bảng 4.2: Thông số của Hình 4.3. ............................................................................. 41
Bảng 4.3: Thông số của Hình 4.4. ............................................................................. 42
Bảng 4.4: Thông số của Hình 4.5. ............................................................................. 43
Bảng 4.5: Thông số của Hình 4.6. ............................................................................. 43
Bảng 4.6: Thông số của Hình 4.7. ............................................................................. 44
Bảng 4.7: Thông số của Hình 4.8. ............................................................................. 45


vii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Mô hình mạng ngẫu nhiên. ......................................................................... 6
Hình 1.2: Mạng đa ngƣời dùng. .................................................................................. 9
Hình 2.1: Mô hình hệ thống. ..................................................................................... 13
Hình 2.2: Phân phối của khoảng cách ....................................................................... 15
Hình 2.3: Kiểm chứng hàm CDF trong công thức (2.8). .......................................... 17
Hình 2.4: Kiểm chứng hàm CDF trong công thức (2.30). ........................................ 23
Hình 3.1: Kiểm chứng hàm CDF trong công thức (3.2). .......................................... 30
Hình 4.1: Môi trƣờng mô phỏng. .............................................................................. 39
Hình 4.2: Xác suất dừng của mô hình NNN trên kênh truyền fading Rayleigh. ...... 40
Hình 4.3: Xác suất dừng của mô hình NGN trên kênh truyền fading Rician. .......... 41
Hình 4.4: Xác suất dừng của mô hình NTU trên kênh truyền fading Rician. .......... 42
Hình 4.5: Xác suất dừng của mô hình NTU, NGN và NNN trên kênh truyền fading
Nakagami-m. ............................................................................................................. 43
Hình 4.6: Xác suất dừng của mô hình NTU, NGN và NNN trên kênh truyền
Weibull. ..................................................................................................................... 44
Hình 4.7: Tổng năng lƣợng thu thập (EH) của các giao thức NTU, NGN và NNN
trên kênh truyền fading Rayleigh. ............................................................................. 45
Hình 4.8: Năng lƣợng thu thập trung bình trên một ngƣời dùng của các giao thức
NTU, NGN và NNN trên kênh truyền fading Rayleigh. .......................................... 46


1

LỜI MỞ ĐẦU
Trong truyền thông vô tuyến (Wireless Communications), không gian tự do
đƣợc sử dụng làm môi trƣờng truyền dẫn, và thông tin đƣợc truyền đi từ máy phát
đến máy thu bằng sóng điện từ. Truyền thông vô tuyến với tính năng linh hoạt và di
động, giúp cho các kỹ thuật này nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên
cứu. Trong vài thập kỷ gần đây, tốc độ phát triển của truyền thông vô tuyến đã tăng

trƣởng nhanh chóng, đặc biệt là nhu cầu về truyền thông di động băng rộng. Để có
thể đáp ứng đƣợc nhu cầu ngày càng tăng, các kỹ thuật phân tập đƣợc sử dụng để
nâng cao tốc độ dữ liệu, thông qua việc trang bị nhiều ănten ở máy phát và máy thu.
Mô hình truyền thông giữa các cặp thu/phát đƣợc trang bị nhiều ănten đƣợc gọi là
mô hình đa đầu vào - đa đầu ra MIMO (Multiple Input Multiple Output). Tuy nhiên,
việc trang bị nhiều ănten phát ở các đầu thu có thể khó hiện thực trên các thiết bị
nhƣ điện thoại di động và các nút cảm biến. Bởi vì các thiết bị này có kích thƣớc
nhỏ, nên việc trang bị nhiều ănten là không khả thi.
Để đạt đƣợc độ lợi phân tập ở các thiết bị thu đơn ănten, các nhà nghiên cứu gần
đây đã đƣa ra kỹ thuật chọn lựa ngƣời dùng (User Selection). Trong kỹ thuật này,
tận dụng sự độc lập kênh truyền giữa máy phát và các thiết bị thu (ngƣời dùng),
thiết bị thu có kênh truyền tốt đến máy phát có thể đƣợc chọn để phục vụ. Nhƣ vậy,
hệ thống vẫn có thể đạt đƣợc hiệu quả phân tập mà không cần trang bị nhiều ănten ở
phía máy thu. Tuy nhiên, để chọn đƣợc ngƣời dùng có kênh truyền tốt, kỹ thuật này
yêu cầu sự hồi tiếp thông tin trạng thái kênh truyền (Channel State Information
(CSI)) từ phía máy thu về máy phát.
Trong mạng truyền thông vô tuyến, các ngƣời dùng (User) có thể xuất hiện một
cách ngẫu nhiên, ví dụ nhƣ sự xuất hiện ngẫu nhiên của các thuê bao di động xung
quanh trạm gốc. Bởi tính ngẫu nhiên này, khoảng cách giữa ngƣời dùng và giữa
thiết bị phát (trạm gốc) cũng sẽ là một giá trị ngẫu nhiên. Gần đây, việc nghiên cứu
hiệu năng của mạng ngẫu nhiên cũng là hƣớng nghiên cứu mới, đang nhận đƣợc sự
quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc.


2

Bên cạnh đó, năng lƣợng cũng sẽ là một vấn đề cấp thiết khi nghiên cứu các
mạng truyền thông vô tuyến. Các thiết bị nhƣ điện thoại di động và các thiết bị cảm
biến là những thiết bị có năng lƣợng giới hạn. Việc hoạt động thƣờng xuyên sẽ làm
năng lƣợng của các thiết bị này suy giảm nhanh chóng, do đó cũng rút ngắn thời

gian sống cho các mạng hoạt động dựa trên các thiết bị này. Gần đây, thu thập năng
lƣợng vô tuyến (Radio frequency energy harvesting) đã trở thành một kỹ thuật tiềm
năng nhằm giải quyết vấn đề giới hạn năng lƣợng cho các thiết bị truyền thông vô
tuyến. Bằng cách thu thập năng lƣợng vô tuyến từ các thiết bị phát vô tuyến khác,
các thiết bị vô tuyến có thể có thêm năng lƣợng để duy trì hoạt động.
Để góp phần giải quyết bài toán trên, em xin chọn đề tài “Đánh giá hiệu năng
mạng vô tuyến ngẫu nhiên đa người dùng trên các kênh truyền fading tổng quát
” mục đích là đề xuất các kỹ thuật chọn lựa ngƣời dùng để nâng cao hiệu năng của
mạng ngẫu nhiên, đƣa ra các biểu thức toán học đánh giá hiệu năng xác suất dừng
và năng lƣợng thu thập trung bình cho các mô hình đề xuất. Cấu trúc của luận văn
tập trung chủ yếu đến những nội dung cơ bản sau:
Luận văn đƣợc trình bày theo bốn chƣơng, cụ thể nhƣ sau:
Chương 1 – Lý thuyết tổng quan
Chương 2 – Mô hình nghiên cứu
Chương 3 – Đánh giá hiệu năng
Chương 4 – Kết quả mô phỏng và lý thuyết


3

CHƢƠNG 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1

Mạng vô tuyến

1.1.1 Truyền thông vô tuyến
Truyền thông vô tuyến là một phần của hệ thống truyền dẫn số. Là tập hợp các
phƣơng tiện (bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm) đƣợc sử dụng để truyền
tín hiệu số từ lối ra của thiết bị tạo khuôn ở phần phát tới đầu vào thiết bị tái tạo
khuôn thông tin ở phần thu hệ thống thông tin số.

Thông tin vô tuyến đƣợc truyền đi bằng cách bức xạ sóng điện từ trong môi
trƣờng không gian tự do từ bên phát, phía bên thu sẽ nhận sóng điện từ trong không
gian sau đó tách lấy tín hiệu gốc.
Trong những năm gần đây hệ thống thông tin vô tuyến đã phát triển một cách
nhanh chóng và ngày càng trở nên phổ biến trong đời sống con ngƣời. Do đó việc
nghiên cứu ứng dụng những công nghệ tiên tiến mới để đáp ứng nhu cầu này là hết
sức cấp thiết. Để có thể đáp ứng đƣợc nhu cầu ngày càng tăng, các kỹ thuật phân
tập đƣợc sử dụng để nâng cao tốc độ dữ liệu, thông qua việc trang bị nhiều ănten ở
máy phát và máy thu mà thời gian gần đây trên thế giới ngày càng quan tâm nhiều
đến hệ thống vô tuyến MIMO (Multiple Input Multiple Output) [1],[2]. Đó là mô
hình truyền thông giữa các cặp thu/phát đƣợc trang bị nhiều ănten. Tuy nhiên, việc
trang bị nhiều anten ở các thiết bị di động nhỏ gọn là không khả thi, do đó những
nhà nghiên cứu gần đây đã đƣa ra kỹ thuật chọn lựa ngƣời dùng (User Selection)
[3],[4]. Kỹ thuật này sẽ đƣợc nghiên cứu trong phần chƣơng sau của luận văn.

1.1.2 Lịch sử phát triển
Vào đầu thế kỷ 20, một nhà khoa học Ý là Guglielmo Marconi đã thành công
trong việc truyền thông tin vô tuyến trong không gian, ông đã gửi và nhận thành
công tín hiệu bằng việc liên lạc qua Đại Tây Dƣơng, sau đó Kenelly và Heaviside
đã phát hiện ra tầng điện ly phía trên tầng khí quyển củng làm vật phản xạ đƣợc
sóng điện từ.


4

Những phát hiện trên đã mở ra một bƣớc ngoặt mới cho ngành vô tuyến phát
triển bùng nổ cho những năm tiếp theo.
Gần 40 nǎm sau Marconi, thông tin vô tuyến cao tần là phƣơng thức thông tin vô
tuyến duy nhất sử dụng phản xạ của tầng đối lƣu, nhƣng nó hầu nhƣ không đáp ứng
nổi nhu cầu thông tin ngày càng gia tǎng. Chiến tranh thế giới lần thứ hai là một

bƣớc ngoặt trong thông tin vô tuyến. Thông tin tầm nhìn thẳng - lĩnh vực thông tin
sử dụng bǎng tần số cực cao (VHF) và đã đƣợc nghiên cứu liên tục sau chiến tranh
thế giới - đã trở thành hiện thực nhờ sự phát triển các linh kiện điện tử dùng cho HF
và UHF, chủ yếu là để phát triển ngành rađa. Với sự gia tǎng không ngừng của lƣu
lƣợng truyền thông, tần số của thông tin vô tuyến đã vƣơn tới các bǎng tần siêu cao
(SHF) và cực kỳ cao (EHF).
Vào những nǎm 1960, phƣơng pháp chuyển tiếp qua vệ tinh đã đƣợc thực hiện
và phƣơng pháp chuyển tiếp bằng tán xạ qua tầng đối lƣu của khí quyển đã xuất
hiện. Do những đặc tính ƣu việt của mình, chẳng hạn nhƣ dung lƣợng lớn, phạm vi
thu rộng, hiệu quả kinh tế cao, thông tin vô tuyến đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong
phát thanh truyền hình quảng bá, vô tuyến đạo hàng, hàng không, quân sự, quan sát
khí tƣợng, liên lạc sóng ngắn nghiệp dƣ, thông tin vệ tinh - vũ trụ...v.v. Tuy nhiên,
can nhiễu với lĩnh vực thông tin khác là điều không tránh khỏi, bởi vì thông tin vô
tuyến sử dụng chung phần không gian làm môi trƣờng truyền dẫn. Để đối phó với
vấn đề này, một loạt các cuộc Hội nghị vô tuyến Quốc tế đã đƣợc tổ chức từ nǎm
1906. Tần số vô tuyến hiện nay đã đƣợc ấn định theo "Qui chế thông tin vô tuyến
(RR)" tại Hội nghị ITU (InternasionalTelecommunications Union) ở Geneva nǎm
1959. Sau đó lần lƣợt là Hội nghị về phân bố lại dải tần số sóng ngắn để sử dụng
vào nǎm 1967, Hội nghị về bổ sung qui chế tần số vô tuyến cho thông tin vũ trụ vào
nǎm 1971, và Hội nghị về phân bố lại tần số vô tuyến của thông tin di động hàng
hải cho mục đích kinh doanh 10 vào nǎm 1974. Tại Hội nghị của ITU nǎm 1979,
dải tần số vô tuyến phân bố đã đƣợc mở rộng từ 9 kHz ÷ 400 GHz và đã xem xét lại
và bổ sung cho Qui chế thông tin vô tuyến điện (RR). Để giảm bớt can nhiều của
thông tin vô tuyến, ITU tiếp tục nghiên cứu những vấn đề sau đây để bổ sung vào


5

sự sắp xếp chính xác khoảng cách giữa các sóng mang trong Qui chế thông tin vô
tuyến: dùng cách che chắn thích hợp trong khi lựa chọn trạm; cải thiện hƣớng tính

của anten; nhận dạng bằng sóng phân cực chéo; tǎng cƣờng độ ghép kênh; chấp
nhận sử dụng phƣơng pháp điều chế chống lại can nhiễu...

1.1.3 Đặc điểm của truyền thông vô tuyến
o Ưu điểm của truyền thông vô tuyến::
So với những hệ thống truyền dẫn khác, vì hệ thống truyền dẫn vô tuyến có môi
trƣờng tryền dẫn là không gian tự do nên có những ƣu điểm tuyệt vời mà những hệ
thống truyền dẫn khác không có đƣợc, đó là:
Thuận lợi: Không cần sử dụng dây cáp để thiết lập kết nối mạng, dể dàng kết nối
vào mạng không dây một cách nhanh chóng đối với ngƣời dùng. Có thể truy xuất
đến mọi nơi trong vùng mạng phủ sóng nhƣ trong cao ốc văn phòng công ty, tòa
nhà lớn…Và đặc biệt càng thuận lợi khi ngày nay các thiết bị có hỗ trợ thu phát vô
tuyến càng đƣợc sử dụng rộng rãi nhƣ laptop, smart phone…
Linh động: Có thể kết nối tới bất cứ nơi đâu mà không ràng buộc bởi dây cáp cố
định. Và chỉ có thông tin vô tuyến mới đáp ứng nhu cầu thông tin của ngƣời dùng
khi di chuyển mọi lúc mọi nơi trong khi nhu cầu đi lại của con ngƣời ngày càng
tăng.
Dễ thiết kế và triển khai mở rộng: Khác với mạng hữu tuyến việc thiết kế cần
tính toán phức tạp, với mạng vô tuyến, khi thiết kế chỉ cần tuân theo quy chuẩn nhất
định về một điểm truy cập thì có thể hoạt động, việc mở rộng đối với mạng vô
tuyến khi có thêm các nút mới gia nhập mạng (thêm ngƣời dùng) rất dễ dàng vì chỉ
cần bật bộ thu phát không dây trên thiết bị đó và kết nối.
Bền vững: Nếu có một sự cố bất ngờ xảy ra thì mạng hữu tuyến bị phá hủy và
việc thiết lập hoạt động trở lại bình thƣờng là rất khó, trong khi đó đối với mạng vô
tuyến thì việc hoạt động trở lại rất nhanh chóng.
o Nhược điểm của mạng truyền thông vô tuyến:


6

Trƣớc tiên chúng ta quan tâm đến vấn đề an toàn và bảo mật dữ liệu trong mạng
vô tuyến vì truyền thông trong một môi trƣờng truyền lan phủ sóng nên việc truy
cập tài nguyên trái phép là khó tránh khỏi, nên so với mạng hữu tuyến thi vấn đề
bảo mật dự liệu kém hơn, và đây cũng là một vấn đề hết sức quan trọng cần đƣợc
quan tâm.
Bên cạnh đó, vì các thiết bị truyền bằng sóng vô tuyến nên hay thƣờng xảy ra
các vấn đề nhƣ nhiễu, fading, tín hiệu bị suy giảm do tác động ảnh hƣởng của các
thiết bị khác, của môi trƣờng…làm ảnh hƣởng đáng kể đến hoạt động của mạng.
Ngoài ra, chất lƣợng dịch vụ của mạng vô tuyến cũng thấp hơn mạng hữu tuyến
vì tốc độ truyền chậm hơn, độ trễ cao hơn và tỉ lệ lỗi cũng nhiều hơn.
Vấn đề chi phí cao cũng là một yếu tố gây trở ngại cho sự phát triển vì giá thành
các thiết bị của mạng vô tuyến thƣờng cao hơn so với hữu tuyến.
Phạm vi phủ sóng của mạng: các thiết bị chỉ hoạt động trong phạm vi phủ sóng
nhất định, ra ngoài phạm vi phủ sóng của mạng thiết bi sẽ không hoạt động đƣợc.

1.2

Mạng vô tuyến ngẫu nhiên

Hình 1.1: Mô hình mạng ngẫu nhiên

Trong mạng truyền thông vô tuyến, các ngƣời dùng có thể xuất hiện một cách
ngẫu nhiên, ví dụ nhƣ sự xuất hiện ngẫu nhiên của các thuê bao di động xung quanh


7

trạm gốc. Bởi tính ngẫu nhiên này, khoảng cách giữa ngƣời dùng và giữa thiết bị
phát (trạm gốc) cũng sẽ là một giá trị ngẫu nhiên [5],[6]. Đây cũng là mô hình
thƣờng gặp trong thực tế, trong những mạng nhƣ vậy việc xem xét hiệu năng của

mạng cũng đƣợc khảo sát bằng cách lấy theo giá trị trung bình của tất cả những yếu
tố mang tính ngẫu nhiên. Gần đây, việc nghiên cứu hiệu năng của mạng ngẫu nhiên
cũng là hƣớng nghiên cứu mới, đang nhận đƣợc sự quan tâm của các nhà khoa học
trong và ngoài nƣớc.
Việc xác định khoảng cách giữa ngƣời dùng (US) đến các trạm gốc (BS) trong
mạng rất quan trọng. Vì khoảng cách tác động mạnh tới tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu
(SNR) và nhiễu. Nếu biết trƣớc về khoảng cách các ngƣời dùng sẽ cần thiết cho
việc phân tích hiệu suất và thiết kế các giao thức hiệu quả hơn. Các ngƣời dùng có
thể đƣợc giả định là rải rác ngẫu nhiên trên một diện tích hoặc một thể tích, sự phân
bố khoảng cách theo một quá trình ngẫu nhiên theo không gian chi phối vị trí của
các ngƣời dùng.
Ví dụ trong hình 1.1, ta thấy mô hình hệ thống có một trạm gốc cố định với bán
kính hoạt động là R và đƣợc trang bị N anten phát. Một ngƣời dùng sẽ di chuyển
ngẫu nhiên trong phạm vi hoạt động của mạng, ngƣời dùng sẽ di chuyển quanh trạm
gốc với bán kính R, và khoảng cách này cũng thay đổi hay nói cách khác khoảng
cách này cũng là một biến ngẫu nhiên. Đây là một ví dụ về mạng ngẫu nhiên
(Random Wireless Networks).

1.3

Các hiệu năng thông dụng của mạng vô tuyến
o Xác suất dừng (OP) là xác suất mà tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu từ đầu
cuối đến đầu cuối nhỏ hơn một giá trị ngƣỡng cho trƣớc. Về mặt toán học,
xác suất dừng đƣợc viết ra nhƣ sau:

OP  Pr    th   F  th  .

(1.1)

8

với  là tỷ số tín hiệu trên nhiễu (Signal – to – Noise Ratio (SNR)) nhận đƣợc tại
một máy thu nào đó,  th là ngƣỡng dừng và F  th  là hàm phân phối tích luỹ
(CDF: Cumulative Distribution Function).
o Tỷ lệ lỗi bit ( BER)
Tỷ lệ lỗi bit (BER) là một thông số hiệu năng quan trọng của các mạng truyền
thông vô tuyến. Để đảm bảo chất lƣợng dịch vụ cho các mạng truyền thông vô
tuyến, giá trị của BER phải nhỏ 103 . Ví dụ tỷ lệ lỗi bit của phƣơng pháp điều chế
BPSK trên kênh truyền fading có thể đƣợc tính theo công thức sau:


BER=  Q
0





2 x f  x dx.

(1.2)

với Q . là hàm Q (Q-function) [7] và f  x  là hàm mật độ xác suất (PDF :
Probability Density Function) của tỷ số SNR  .
o Dung lƣợng kênh Shannon
Dung lƣợng kênh Shannon trên một đơn vị băng thông có thể đƣợc đƣa ra nhƣ:

C  log 2 1    .

(1.3)

Do đó, dung lƣợng kênh trung bình đƣợc tính bởi công thức sau:


C   log 2 1  x  f  x  .
0

1.4

Mạng đa ngƣời dùng

Hình 1.2: Mạng đa ngƣời dùng

(1.4)


9

Trong một hệ thống đa ngƣời dùng nhƣ hình 1.2, giả sử số lƣợng ngƣời dùng
trong một cell nào đó là K l và hệ thống có thể hỗ trợ K ngƣời dùng trong mỗi cell
mà K  Kl , l  1,..., L. Kỹ thuật lựa chọn ngƣời dùng đƣợc đƣa ra nhằm tối đa hóa
công suất đƣờng xuống cũng nhƣ nâng cao chất lƣợng dịch vụ cho các ngƣời dùng
theo một tiêu chí xác định trƣớc (nhƣ xác suất dừng, tỷ lệ lỗi bit, lỗi ký tự, v.v.). Tỷ
lệ tổng của hệ thống sẽ đƣợc cải thiện nếu chúng ta sử dụng phân tập ngƣời dùng
bằng cách chọn tập hợp con ngƣời sử dụng tối ƣu từ tất cả các tập con ngƣời sử
l
l 
dụng có thể có. Gọi T  1,..., Kl  là tập hợp các ngƣời dùng trong cell lth , S   là

l
l
tập hợp con của ngƣời sử dụng đƣợc chọn trong cell lth và S    K , với S   là
l
phần tử của S   . Tỷ lệ tổng của hệ thống khi áp dụng cho các tập con ngƣời sử dụng

 1

1

l
đƣợc chọn S   , l  1,..., L là V ,V  .
 1 2



1

R S ,..., S

 L

  R ,
L

l 1 kS l 

l
k

(1.5)

l
với hệ số ngƣời dùng k = 1, ... , K đƣợc thay thế bởi các phần tử của S   , l . Do đó

tỷ lệ tổng tối đa có thể đạt đƣợc là:

Ropt 

max

S [ l ] T [ l ] , S [ l ]  K ,l



R S   ,..., S 
1

L

,

(1.6)

và cũng là tập con ngƣời sử dụng tối ƣu.

1.5

Thu thập năng lƣợng sóng vô tuyến (Radio frequency Energy

Harvesting)
Đối với các thiết bị vô tuyến nhỏ nhƣ các nút cảm biến, vấn đề năng lƣợng sẽ trở
thành một vấn đề cấp thiết. Việc hoạt động thƣờng xuyên sẽ làm năng lƣợng của
các thiết bị này suy giảm nhanh chóng, vì thế sẽ rút ngắn thời gian sống của các
mạng hoạt động dựa trên các thiết bị này. Để duy trì hoạt động cho các nút mạng,


10

gần đây phƣơng pháp thu thập năng lƣợng vô tuyến (Radio frequency (RF) energy
harvesting (EH)) [8],[10] đã thu hút đƣợc sự chú ý của các nhà nghiên cứu trong và
ngoài nƣớc.
Khác với các phƣơng pháp thu hoạch năng lƣợng khác nhƣ năng lƣợng mặt trời,
năng lƣợng gió, v.v., phƣơng pháp thu hoạch sóng vô tuyến có thể vƣợt qua đƣợc
một số điều kiện khách quan bên ngoài nhƣ ngày và đêm, điều kiện thời tiết. Thật
vậy, thu hoạch năng lƣợng sóng vô tuyến chỉ cần yêu cầu một hoặc nhiều nguồn
phát sóng vô tuyến ổn định. Hơn nữa, việc tích hợp giữa truyền thông tin và thu
hoạch năng lƣợng có thể đƣợc thực hiện đồng thời qua việc phát sóng vô tuyến. Đây
chính là ƣu điểm của thu hoạch năng lƣợng sóng vô tuyến cho các thiết bị truyền
thông vô tuyến.

1.6

Các nghiên cứu liên quan
o Tình hình trong nước
Theo sự hiểu biết của Học viên, các nghiên cứu [11], [12] liên quan nhất đến nội

dung đề tài. Các tác giả trong tài liệu tham khảo [11] đã khảo sát mạng ngẫu nhiên
trong môi trƣờng vô tuyến nhận thức dạng nền. Các tác giả đã đề xuất các phƣơng
pháp chọn lựa ănten phát hiệu quả nhằm nâng cao độ lợi phân tập (diversity gain)

và độ lợi mã hoá (coding gain) cho các phƣơng pháp đề xuất. Tƣơng tự nhƣ công
trình số [11], tác giả của luận văn [12] chỉ nghiên cứu mạng ngẫu nhiên kết hợp với
kỹ thuật phân tập chọn lựa ănten phát.
Khác với các công trình trên, đề tài nghiên cứu các kỹ thuật chọn lựa ngƣời
dùng trên các kênh truyền fading tổng quát. Hơn thế nữa, đề tài còn quan tâm đến
kỹ thuật thu thập năng lƣợng nhằm duy trì năng lƣợng hoạt động cho các thiết bị.
o Tình hình ngoài nước
Cho đến nay, đã có nhiều công trình liên quan đến mạng ngẫu nhiên nhƣ [11],
[12], chọn lựa ngƣời dùng [3], [4], 13], [14], thu thập năng lƣợng [15], [16]. Tuy
nhiên, theo sự hiểu biết tốt nhất của Học viên, mô hình chọn lựa ngƣời dùng trong


11

mạng ngẫu nhiên kết hợp với thu thập năng lƣợng vô tuyến trên các kênh truyền
fading khác nhau vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu.

Lý do chọn đề tài

1.7

Đầu tiên, truyền thông vô tuyến với tính năng linh hoạt và di động, giúp cho các
kỹ thuật này nhận đƣợc sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu. Trong vài thập
kỷ gần đây, tốc độ phát triển của truyền thông vô tuyến đã tăng trƣởng nhanh
chóng, đặc biệt là nhu cầu về truyền thông di động băng rộng.
Thứ hai, để đạt đƣợc độ lợi phân tập ở các thiết bị thu đơn ănten, kỹ thuật chọn
lựa ngƣời dùng đã đƣợc đề xuất. Trong kỹ thuật này, tận dụng sự độc lập kênh
truyền giữa máy phát và các thiết bị thu (ngƣời dùng), thiết bị thu có kênh truyền tốt
đến máy phát có thể đƣợc chọn để phục vụ. Nhƣ vậy, hệ thống vẫn có thể đạt đƣợc
hiệu quả phân tập mà không cần trang bị nhiều ănten ở phía máy thu.

Thứ ba, trong mạng truyền thông vô tuyến, các ngƣời dùng có thể xuất hiện một
cách ngẫu nhiên. Bởi tính ngẫu nhiên này, khoảng cách giữa ngƣời dùng và giữa
thiết bị phát (trạm gốc) cũng sẽ là một biến ngẫu nhiên. Gần đây, việc nghiên cứu
hiệu năng của mạng ngẫu nhiên cũng là hƣớng nghiên cứu mới, đang nhận đƣợc sự
quan tâm của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc.
Thứ tƣ, năng lƣợng cũng sẽ là một vấn đề cấp thiết khi nghiên cứu các mạng
truyền thông vô tuyến. Các thiết bị nhƣ điện thoại di động và các thiết bị cảm biến
là những thiết bị có năng lƣợng giới hạn. Do đó, thu thập năng lƣợng vô tuyến
(Radio frequency energy harvesting) đã trở thành một kỹ thuật tiềm năng nhằm giải
quyết vấn đề giới hạn năng lƣợng cho các thiết bị truyền thông vô tuyến. Bằng cách
thu thập năng lƣợng vô tuyến từ các thiết bị phát vô tuyến khác, các thiết bị vô
tuyến có thể có thêm năng lƣợng để duy trì hoạt động. Đây cũng là một hƣớng
nghiên cứu mới, thu hút nhiều các chuyên gia hàng đầu trong nƣớc và quốc tế tham
gia.


12

Kết luận Chƣơng

1.8

Học viên chọn đề tài nghiên cứu mạng truyền thông vô tuyến ngẫu nhiên sử
dụng kỹ thuật chọn lựa ngƣời dùng bởi các nguyên nhân sau :
-

Kỹ thuật lựa chọn ngƣời dùng là một kỹ thuật đơn giản nhƣng đem lại hiệu
quả cao cho các mạng truyền thông vô tuyến, trong ngữ cảnh nâng cao độ lợi
phân tập, giảm xác suất dừng (Outage Probability) và tỷ lệ lỗi (BER, SER)
đông thời nâng cao dung lƣợng kênh cho hệ thống.

-

Trong các mạng truyền thông vô tuyến thực tế nhƣ mạng thông tin di động,
mạng mobile adhoc, các mạng cảm biến, v.v. các thiết bị có vị trí xuất hiện
không xác định. Do đó, việc đánh giá hiệu năng của mạng theo khoảng cách
ngẫu nhiên sẽ đạt đƣợc những kết quả phù hợp với hiệu năng thực tế của các
mô hình này hơn.

-

Luận văn quan tâm đến khả năng thu thập năng lƣợng vô tuyến của các thiết
bị thu (ngƣời dùng) trong mạng. Việc trang bị các thiết bị thu thập năng
lƣợng sẽ kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị, cũng nhƣ kéo dài thời gian
sống của mạng.

-

Luận văn khảo sát các kênh truyền fading tổng quát nhƣ kênh truyền
Nakagami-m, kênh Rician, kênh Weibull, v.v. nhằm đánh giá hiệu năng
mạng một cách tổng quát. Hơn nữa, các kết quả trong luận văn này có thể áp
dụng cho nhiều mô hình kênh truyền fading khác nhau.


13

CHƢƠNG 2 - MÔ HÌNH NGHIÊN CỨU
2.1

Mô hình hệ thống và các đối tƣợng

R

US1
R0

USN

BS

 n dn
USn
Hình 2.1: Mô hình hệ thống

Mô hình nghiên cứu của luận văn đƣợc phát thảo nhƣ trong hình vẽ 2.1. Trong
hình vẽ này, một trạm gốc (Base Station (BS)) phục vụ N ngƣời dùng (US: User)
trên một dải tần xác định. Ta có thể đặt tên N ngƣời dùng này là US1 , US2 , …, và
USN . Giả sử số lƣợng ngƣời dùng là lớn  N  2  và mật độ ngƣời dùng là hằng số

trong một khoảng thời gian quan sát. Hơn thế nữa, giả sử, BS chỉ đang sử dụng 01
ănten phát để phục vụ các ngƣời dùng US, trong khi những ngƣời dùng US chỉ đƣợc
trang bị với 01 ănten đơn. Do đó, ở mỗi khe thời gian, BS chỉ có thể phục vụ đƣợc
01 ngƣời dùng.
Cũng trong hình vẽ 2.1, độ lợi kênh truyền giữa trạm gốc BS và ngƣời dùng thứ
n, USn  n  1, 2,.., N  , đƣợc ký hiệu là  n . Hơn nữa, khoảng cách giữa trạm gốc BS
và ngƣời dùng USn đƣợc ký hiệu là d n . Bởi vì vị trí của các ngƣời dùng là ngẫu
nhiên nên khoảng cách d n cũng là một biến ngẫu nhiên. Thật vậy, trạm gốc BS
đƣợc đặt cố định tại gốc toạ độ, trong khi các ngƣời dùng USn xuất hiện ngẫu nhiên

14

trong một vành khuyên có bán kính lớn là R và bán kính nhỏ là R 0  0  R 0  R  .
Nếu R 0  0 có nghĩa là các ngƣời dùng USn sẽ xuất hiện ngẫu nhiên trong đƣờng
tròn bán kính R.

2.2

Truyền nhận thông tin và năng lƣợng đồng thời
Khác với các mô hình thu thập năng lƣợng khác, trong thu hoạch năng lƣợng

sóng vô tuyến, hai đại lƣợng thông tin và năng lƣợng có thể đƣợc gửi cùng lúc đến
các thiết bị thu. Các thiết bị thu có thể lấy năng lƣợng từ tín hiệu nhận đƣợc và đồng
thời cũng lấy đƣợc thông tin từ đó (các thiết bị thu có thể chỉ cần lấy thông tin hoặc
năng lƣợng, tuỳ vào mục đích cụ thể). Trong luận văn này, các ngƣời dùng sẽ đƣợc
phân thành 02 loại : 01 ngƣời dùng đƣợc chọn bởi trạm gốc BS để gửi thông tin và
các ngƣời dùng còn lại nhận tín hiệu từ trạm gốc nhƣng chỉ lấy năng lƣợng.
Xét sự truyền thông giữa trạm gốc BS và ngƣời dùng USn , tín hiệu nhận đƣợc
tại USn bởi sự truyền dữ liệu của BS đƣợc mô tả nhƣ sau:

yn  Phn xBS  vn ,

(2.1)

với P là công suất phát của BS, xBS là dữ liệu đƣợc gửi bởi BS, hn là hệ số kênh
truyền giữa BS và USn , và vn là nhiễu cộng tại USn . Nhiễu vn là một biến ngẫu
nhiên có phân phối Gauss giá trị trung bình bằng 0 và phƣơng sai bằng  2 .
Nếu xBS là dữ liệu mà USn mong muốn nhận, USn sẽ cố gắng giải mã tín hiệu
nhận đƣợc. Và tỷ số SNR nhận đƣợc để giải mã xBS là:

 n  P | hn |2 / 2  SNR T n ,

(2.2)

với SNR T  P /  2 là tỷ số SNR phát giữa công suất phát và công suất nhiễu, và

 n | hn |2 là độ lợi kênh truyền giữa BS và USn .


15

Nếu xBS không phải là dữ liệu mà USn mong muốn, USn sẽ thu thập năng
lƣợng từ tín hiệu nhận đƣợc này. Năng lƣợng mà USn có thể thu thập đƣợc từ yn
trên một đơn vị thời gian đƣợc đƣa ra theo công thức sau:
Qn   P | hn |2   P n ,

(2.3)

với   0    1 là hiệu suất chuyển đổi từ sóng vô tuyến thành năng lƣợng.

2.3

Phân phối khoảng cách
Do đó, khoảng cách d n giữa BS và USn sẽ là một biến ngẫu nhiên có hàm phân

phối tích luỹ (CDF) nhƣ sau:
Fdn  x  

x 2  R 02
,  R 0  x  R .

R 2  R 02

(2.4)

Công thức (2.4) có thể đƣợc chứng minh nhƣ sau: đầu tiên, ta có thể viết hàm
CDF của d n nhƣ sau:
Fdn  x   Pr  d n  x  .

S0

(2.5)

x

S

Hình 2.2: Phân phối của khoảng cách d n


16

Nhìn vào hình 2.2, ta dễ thấy rằng, khác suất mà d n  x bằng diện tích S0 chia
cho diện tích S , với S là diện tích vành khuyên có bán kính lớn là R và bán kính nhỏ
là R 0 , trong khi S0 là diện tích vành khuyên có bán kính lớn là x và bán kính nhỏ là
2
2
2
2
R 0 . Bởi vì S0   x   R 0 và S   R   R 0 , nên ta có:

Fdn  x  

S0  x 2   R 02
x 2  R 02


.
S  R 2   R 02 R 2  R 02

(2.6)

Từ công thức (2.6), ta có thể đạt đƣợc hàm mật độ xác suất (PDF) của d n có thể
đƣợc viết ra nhƣ sau:
f dn  x  

Fdn  x 
x



2x
,  R0  x  R  .
R  R 02
2

(2.7)

Khi R 0  0 , hàm CDF và PDF trong các công thức (2.6) và (2.7) có thể đƣợc viết
lại nhƣ bên dƣới:
Fdn  x  

x2
2x
, f dn  x   2 .
2
R
R

(2.8)

Ở đây, ta cũng lƣu ý rằng các hàm CDF và PDF của khoảng cách giữa BS và tất
cả các ngƣời dùng là giống nhau. Để kiểm chứng hàm CDF trong (2.6) - (2.8),
phƣơng pháp mô phỏng Monte Carlo có thể sử dụng.