NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH
GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC
KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
VÔ TUYẾN


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................VI
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................VII
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÀ
TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN.............................................................................1
1.1

GIỚI THIỆU CHUNG.....................................................................................................1

1.2

MẠNG KHÔNG DÂY.....................................................................................................4

1.2.1

Giới thiệu mạng không dây.................................................................................4

1.2.2

Ưu và nhược điểm của mạng không dây.............................................................4

1.2.3

Hướng phát triển của mạng không dây trong tương lai.....................................4

1.2.4

Giới thiệu kênh truyền........................................................................................5

1.2.4.1 Đặc điểm của kênh truyền không dây..............................................................5
1.2.4.2 Mô hình của kênh truyền.................................................................................5
1.2.4.3 Một số mô hình kênh truyền phổ biến.............................................................8
1.3

TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC.........................................................................................10

1.3.1

Quá trình phát triển của truyền thông hợp tác.................................................11

1.3.2

Các phương thức chuyển tiếp............................................................................11

1.3.2.1 Phương thức Giải mã – Chuyển tiếp (Decode and Forward – DF)................11
1.3.2.2 Phương thức Khuếch đại – Chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF).........12
1.3.2.3 Phương thức Nén – Chuyển tiếp (Compress and Forward – CF)..................13
1.3.2.4 Phương thức Ước lượng – Chuyển tiếp (Estimate and Forward – EF).........14
1.4

CÁC TIÊU CHÍ ĐÁNH GIÁ MẠNG KHÔNG DÂY...........................................................14

1.4.1

Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability – OP).........................................14

1.4.2

Xác suất lỗi trung bình (Average Error Probability)........................................15

CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN
NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN.............................................................................................16
2.1

GIỚI THIỆU CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN................................................................16

2.2

MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ KÊNH TRUYỀN....................................................................18

2.3

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG.............................................................................................25

2.3.1

Xác suất dừng hệ thống.....................................................................................25


2.3.2

Thông lượng hệ thống.......................................................................................26

2.3.3

Xác suất lỗi ký tự trung bình.............................................................................26

CHƯƠNG 3. THỰC NGHIỆM MÔ PHỎNG.................................................................27
3.1

GIỚI THIỆU CÔNG CỤ MÔ PHỎNG..............................................................................27

3.1.1

Phần mềm Mathematica...................................................................................27

3.1.2

Phần mềm MatLab............................................................................................27

3.1.3

Phương pháp mô phỏng....................................................................................28

3.1.3.1 Nền tảng của phương pháp Monte-Carlo.......................................................28
3.1.3.2 Các thành phần của phương pháp Monte-Carlo............................................28
3.1.4
3.2

Quá trình thử nghiệm........................................................................................29

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.........................................................................................29

3.2.1

Ảnh hưởng của tham số thời gian thu năng lượng ()........................................30

3.2.2

Ảnh hưởng của tham số vị trí nút chuyển tiếp (d1)...........................................33

3.2.3

Ảnh hưởng của Gamma ().................................................................................36

3.3

ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC........................................................................38

3.4

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...............................................................................................39

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................40
4.1

KẾT LUẬN.................................................................................................................40

4.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................40

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................41

PHỤ LỤC…. ……………………………………………………………………………42


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

HÌNH 1-1: KẾT NỐI KHÔNG DÂY..................................................................................1
HÌNH 1-2: MÔ HÌNH MẠNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY RF............3
HÌNH 1-3: MÔ HÌNH MẠNG HỢP TÁC..........................................................................4
HÌNH 1-4: MÔ HÌNH KÊNH CHUYỂN TIẾP...............................................................11
HÌNH 1-5: PHƯƠNG THỨC GIẢI MÃ – CHUYỂN TIẾP DF...................................12
HÌNH 1-6: PHƯƠNG THỨC KHUẾCH ĐẠI – CHUYỂN TIẾP AF..........................13
HÌNH 2-1: MÔ HÌNH KÊNH CHUYỂN TIẾP..............................................................16
HÌNH 2-2: HIỆU NĂNG CỦA MẠNG HỢP TÁC KHUẾCH ĐẠI VÀ CHUYỂN
TIẾP VỚI VIỆC LỰC CHỌN MÁY CHUYỂN TIẾP QUA KÊNH FADING
RAYLEIGH..17
HÌNH 2-3: MẠNG CHUYỂN TIẾP DF SỬ DỤNG NHIỀU NÚT RELAY................17
HÌNH 2-4: MÔ HÌNH HỆ THỐNG MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHẶNG TRUYỀN
NĂNG LƯỢNG....................................................................................................................18
HÌNH 2-5: MÔ HÌNH TRUYỀN DẪN VÔ TUYẾN SỬ DỤNG PHÂN TẬP HỢP
TÁC………….......................................................................................................................18
HÌNH 2-6: MÔ HÌNH CỦA HỆ THỐNG........................................................................19
HÌNH 3-1: GIAO DIỆN PHẦN MỀM MATHEMATICA............................................28
HÌNH 3-2: GIAO DIỆN MATLAB...................................................................................28
HÌNH 3-3: XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG (OP) THAY ĐỔI THEO THỜI GIAN
THU NĂNG LƯỢNG () VỚI = 10DB, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1, D0 = , K = 2, R = 3, 2, =
3, = 3

31

HÌNH 3-4: THÔNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO THỜI GIAN THU NĂNG LƯỢNG

() VỚI = 10DB, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1, D0 = , K = 2, R = 3, 2, = 3, = 3........................32
HÌNH 3-5: XÁC LỖI KÝ TỰ TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN THU NĂNG
LƯỢNG () VỚI = 10DB, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1, D0 = , K = 2, R = 3, 2, = 3, = 2.......33


HÌNH 3-6: XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG THEO KHOẢNG CÁCH MÁY NGUỒN
VÀ MÁY CHUYỂN TIẾP (D1) VỚI = 10DB, = 0.8, D2 = 0.5, D0 = , K = 2, R = 3, 2, =
3, = 2

34

HÌNH 3-7: THÔNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO KHOẢNG CÁCH MÁY NGUỒN
VÀ MÁY CHUYỂN TIẾP (D1) VỚI = 10DB, = 0.8, D2 = 1, D0 = , K = 3, R = 4, 2, = 3,
=3

35

HÌNH 3-8: XÁC SUẤT LỖI KÝ TỰ TRUNG BÌNH ASEP THEO KHOẢNG CÁCH
MÁY NGUỒN VÀ MÁY CHUYỂN TIẾP (D1) VỚI: = 10DB, = 0.8, D2 = 1, D0 = , K =
3, 2, = 3, = 2 36
HÌNH 3-9: OP THAY ĐỔI THEO VỚI = 0.5, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1, D0 = , K = 2, R =
3, 2, = 3, = 3 37
HÌNH 3-10: THÔNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO VỚI = 0.5, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1,
D0 = , K = 2, R = 3, 2, = 3, = 3.............................................................................................38
HÌNH 3-11: ASEP THAY ĐỔI THEO VỚI = 0.5, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1, D0 = , K = 3,
2, = 3, = 2

39

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AF

Amplify and Forward

ASEP

Average Symbol Error Probability

BPSK

Binary Phase Shift Keying

CDF

Cumulative Distribution Function

CF

Compress and Forward

DF

Decode and Forward

EF

Estimate and Forward


LOS

Line Of Sight

MIMO

Multi-Input Multi-Output

OP

Outage Probability

PDF

Probability Destiny Function

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RF

Radio Frequency

RV

Random Variable

SNR

Signal-to-Noise Ratio

TSR

Time Switching – based Relaying


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/51

CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP
TÁC VÀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
1.1 Giới thiệu chung
Trong cuộc sống hiện đại ngày nay, việc các thiết bị không dây ra đời (điện thoại
di động, laptop, máy tính bảng,…) đã khiến cho cuộc sống của con người ngày càng
nâng cao hơn và nó trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống của mỗi
con người vì nó đem lại các lợi ích to lớn cho người sử dụng ở mọi lúc mọi nơi với
các mục đích như: điện thoại (gọi điện, nhắn tin,quay phim, chụp ảnh, mạng xã hội,
…), thương mại (mua, bán trực tuyến), thanh toán online, tra cứu thông tin giao
thông, thời tiết, hoặc đơn giản hơn là phục vụ các nhu cầu giải trí (chơi game, nghe
nhạc, đọc báo,…). Do đó, nhu cầu kết nối của các thiết bị không dây giữa các thiết
bị hay người sử dụng với nhau đã trở nên cần thiết nên người ta đã cho ra đời mạng
không dây như wifi, hồng ngoại, bluetooh,…

Hình 1-1: Kết nối không dây

Với việc mạng không dây ngày càng trở nên phổ biến hơn trên thế giới kéo theo
việc sử dụng của người tiêu dùng ngày càng tăng đã kéo theo những thử thách
không hề nhỏ về tốc độ truy cập, phạm vi phủ sóng và đặc biệt hơn nữa là chất
lượng của đường truyền. Để giải quyết các vấn đề đó các nhà khoa học đã đưa ra

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/51

một biện pháp tối ưu hóa nhằm khác phục các tình trạng này đó là dùng đến hệ
thống mạng chuyển tiếp.
Đây là hệ thống tuy còn khá mới mẻ nhưng hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiềm năng to
lớn cho người dùng trong tương lai. Hướng sử dụng của mạng chuyển tiếp là sử
dụng các nút trung gian (nút chuyển tiếp) để chuyển tiếp dữ liệu từ trạm nguồn đến
trạm đích, qua đó nó giúp kéo dài khoảng cách chuyển tiếp giúp phạm vi phủ sóng
được tăng lên đáng kể đồng thời làm giảm các hiện tượng nhiễu đến hệ thống.
Khi các thiết bị sử dụng mạng kết nối không dây đòi hỏi phải đảm bảo được dung
lượng pin được ổn định. Ngày nay, các thiết bị ngày càng phát triển về cấu hình,
hình dáng, tính năng nhưng vẫn chưa có một công nghệ nào về pin đáp ứng được
nhu cầu người tiêu dùng khi điện thoại, laptop,… ngày càng tiêu hao nhiều năng
lượng hơn khiến người dùng phải cắm sạc thường xuyên gây ra nhiều phiền phức.
Do đó, các nhà khoa học đã nỗ lực rất nhiều để tìm ra một công nghệ pin có thể đáp
ứng được các thiết bị hiện nay.
Có nhiều cách để nạp năng lượng cho các thiết bị nhưng nạp không dây vẫn là tiện
lợi và an toàn nhất. Các dạng năng lượng không dây phổ biến như năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển và đặc biệt là nạp năng lượng thông qua
sóng vô tuyến là công nghệ mới nhất hiện nay.
Xung quanh chúng ta có rất nhiều loại sóng vô tuyến mà chúng ta không nhìn thấy
như sóng điện thoại, wifi,… có thể hoàn toàn được tận dụng để sạc năng lượng cho
các thiết bị không dây giúp chúng kéo dài thời gian hoạt động lâu hơn. Đây là một
ướng đi hoàn toàn mới đang được nghiên cứu và được hy vọng sẽ hoàn thiện trong
tương lai gần.

Ngày nay người ta dùng một kỹ thuật để cung cấp năng lượng cho mạng vô tuyến là
kỹ thuật truyền và thu năng lượng sóng vô tuyến RF (Radio Frequency) cho phép
cung cấp năng lượng thông qua trạm năng lượng vô tuyến chuyên dụng cố định
hoặc từ các thiết bị không dây khác.

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/51

Hình 1-2: Mô hình mạng truyền năng lượng không dây RF

Ngày nay, việc sử dụng năng lượng vô tuyến cho các mục đích như truyền thông tin
cũng như truyền năng lượng đang được sử dụng phổ biến. Hệ thống này có ưu điểm
là ít tốn chi phí và không cần chỉnh sửa nhiều phần cứng của máy phát. Tuy nhiên,
cũng phát sinh một số vấn đề là chất lượng thông tin được quyết định bởi tín hiệu
vô tuyến. Do đó, phải thiết kế lại hệ thống mạng không dây hiện có.
Việc tìm kiếm một giải pháp mới giúp tăng tốc độ và nâng cao chất lương hệ thống
đã cho ra đời phương pháp mạng hợp tác truyền năng lượng vô tuyến. Mạng này
gồm một trạm nguồn, một máy chuyển tiếp thu năng lượng từ trạm nguồn và một
máy đích.

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/51

Relay

Source

Destination
Hình 1-3: Mô hình mạng hợp tác

1.2 Mạng không dây
1.1.1 Giới thiệu mạng không dây
Mạng không dây là một hệ thống cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau
bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn và giao tiếp thông qua sóng vô tuyến mà
không cần kết nối vật lý với nhau.
1.1.2 Ưu và nhược điểm của mạng không dây
 Ưu điểm:
 Tiện lợi và linh động, có thể kết nối với internet ở bất cứ nơi nào nằm trong
vùng phủ sóng
 Loại bỏ được sự phức tạp từ việc sử dụng dây cáp
 Có thể sử dụng được với bất cứ thiết bị nào hiện nay, tiết kiệm được chi phí
 Dễ sửa chữa, đáp ứng được một số lượng lớn người truy cập cùng một lúc
 Nhược điểm:
 Phạm vi hoạt động nhỏ hẹp chỉ nằm trong vùng phủ sóng
 Dễ bị nhiễu do thời tiết hoặc bị chắc bởi các công trình

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/51

1.1.3 Hướng phát triển của mạng không dây trong tương lai
Trong những năm trở lại đây, mạng vô tuyến đã có những tiến bộ đáng kể và
được dự đoán sẽ phát triển mạnh mẽ hơn trong tương lai gần. Các mạng 4G, 4G
LTE đã được áp dụng rộng rãi ở một số nước trên thế giới và hiện nay các nhà khoa
học đang nghiên cứu thử nghiệm mạng di động 5G dự kiến sẽ được áp dụng vào
thực tế vào năm 2020.
1.1.4 Giới thiệu kênh truyền
Kênh truyền là môi trường truyền giữa máy phát và máy thu (hữu tuyến hoặc vô
tuyến). Kênh truyền vô tuyến có thể thay đổi từ đơn giản đến phức tạp và có ảnh
hưởng lớn đến hiệu quả trong việc truyền tín hiệu.
1.1.1.1 Đặc điểm của kênh truyền không dây
Có hai loại môi trường truyền là: vô tuyến (không dây) và hữu tuyến (có dây).
Môi trường truyền dẫn quyết định chất lượng của kênh truyền đặc biệt là kênh
truyền vô tuyến, có nhiều môi trường truyền dẫn vô tuyến khác nhau như đồi núi,
thành thị gây ra những ảnh hưởng nhất định cho sự lan truyền giữa máy thu và máy
phát bởi các vật che chắn như núi, tòa nhà,…
Trong một kênh truyền lý tưởng tín hiệu thu được là tín hiệu đi thẳng từ máy phát
đến máy thu nhưng trong thực tế tín hiệu thu được không được như mong muốn mà
nó sẽ bao gồm các thành phần suy hao, khúc xạ, phản xạ và của các tín hiệu khác.
Trong thông tin vô tuyến, đặc tính kênh truyền vô tuyến rất quan trọng vì chúng ảnh
hưởng trực tiếp đến chất lượng truyền dẫn và dung lượng.
Sóng lan truyền trong môi trường có thể theo hướng trực tiếp nhưng cũng có thể bị
nhiễu xạ khi gặp các vật có góc cạnh chắn, hoặc tán xạ khi gặp phải các tòa nhà. Do
đó, sóng lan truyền được mô tả bằng các hiện tượng như suy hao, đa đường.
1.1.1.2 Mô hình của kênh truyền
Đặc trưng của kênh truyền không dây là ngẫu nhiên. Do đó, có rất nhiều mô hình
kênh truyền khác nhau, phụ thuộc vào các điều kiện như: thời tiết, vật cản (đồi núi,
tòa nhà cao tầng,…) và đặc biệt là khoảng cách truyền dẫn của sóng vô tuyến.
Biến ngẫu nhiên

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/51

Biến ngẫu nhiên (Random Variable – RV) được kí hiệu là X, là đại lượng biến đổi
mà giá trị của nó phụ thuộc vào các kết quả của phép thử ngẫu nhiên. Có hai loại
biến ngẫu nhiên: biến ngẫu nhiên rời rạc và biến ngẫu nhiên liên tục.
 Biến ngẫu nhiên rời rạc:
Đại lượng X được gọi là một biến ngẫu nhiên rời rạc nếu ta có thể liệt kê được tất cả
các giá trị của biến ngẫu nhiên đó.
Ví dụ: số học sinh trong một lớp, số hoa quả bị hỏng trong một hộp 5 quả,…
Phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên rời rạc là tập hợp các giá trị có thể có của các
xác suất tương ứng và biến X. Đôi lúc nó còn được biết đến với tên gọi hàm tập
trung xác suất hoặc hàm phân bố xác suất.
Giả sử biến ngẫu nhiên X nhận được n các giá trị khác nhau, X = x i được định nghĩa
P(X = xi) = pi(i = 1…n). Các xác suất pi phải thỏa mãn các điều kiện sau:
 0 ≤ pi ≤ 1 với mỗi i.
 p1+…+pn = = 1.
 Biến ngẫu nhiên liên tục:
Đại lượng X được gọi là biến ngẫu nhiên liên tục khi tập hợp các giá trị của X là
một khoảng trên trục số.
Ví dụ: cân nặng, chiều cao của một người,…
Biến ngẫu nhiên liên tục không được xác định trong một giá trị cụ thể mà nó được
xác định trong một khoảng giá trị được thể hiện bằng diện tích đường cong (tích
phân).
Đường cong đại diện cho hàm p(x) phải thỏa mãn các điều kiện:

 Đường cong không có giá trị âm ( p(x) ≥ 0, x).

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/51

 Tổng diện tích dưới đường cong bằng 1.
 Các hàm của biến ngẫu nhiên
Hàm mật độ phân bố xác suất (Probability density function –PDF): chỉ có biến
ngẫu nhiên liên tục mới có hàm này. PDF của X , f x(x) được định nghĩa là đạo hàm
của FX(x):
fx(x) = với -∞ < x < +∞

(1.1)

Và:
FX(x) =

(1.2)

Vì FX(∞) = 1, nên
= 1.
Hàm phân bố tích lũy (Cumulative distribution function - CDF): Tất cả các
biến ngẫu nhiên (rời rạc và liên tục) đều có hàm phân bố tích lũy. CDF của một biến
ngẫu nhiên (RV) X, FX(x), được định nghĩa là xác suất mà X nhỏ hơn hoặc bằng
một giá trị x cho trước:
Fx(x) = P(X ≤ x) với -∞ ≤ x ≤ +∞

(1.3)

Fx(x) có 4 tính chất như sau:
o Fx(x) ≥ 0,
o Fx(∞) = 1,
o Fx(-∞) = 0,
o Fx(x) là hàm tăng, Fx(x1) ≤ Fx(x2), x1 ≤ x2
1.1.1.3 Một số mô hình kênh truyền phổ biến
Kênh truyền Rayleigh

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/51

Khi môi trường có nhiều thành phần phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ do các vật chắn ta
sử dụng kênh truyền Rayleigh. Với hai biến Gauss ngẫu nhiên có trung bình bằng 0
và phương sai là thì Z = có phân bố Rayleigh Z2 có phân bố hàm mũ.
Hàm mật độ phân bố Rayleigh:
Pz(z) = exp, z ≥ 0,

(1.4)

Trong đó, Pr = 2là công suất trung bình của tín hiệu nhận được.
Z2 có phân bố hàm mũ như sau:
Pz (x) = e = e.

(1.5)

Kênh truyền Rician
Kênh truyền Rician là kết quả của sự kết hợp của hiện tượng đa đường và đường
truyền trực tiếp LOS (Line of Sight).
Hàm phân bố Rician:
Pz(z) = expIo, z ≥ 0,

(1.6)

Trong đó:
* 2 là công suất trung bình của thành phần không chứa đường trực tiếp LOS
* v2 là công suất của thành phần đường trực tiếp
* Io(.) là hàm Bessel bậc 0
Công suất trung bình trong kênh fading Rician là:
Pr = = z2 + 2.

(1.7)

Hàm phân bố xác suất Rician phụ thuộc vào tỉ số của năng lượng thành phần trực
tiếp và năng lượng thành phần tán xạ K. Với K =

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/51

Thay v2 = K và 2 = , ta được:

pz(z) = expIo, z ≥ 0

(1.8)

Khi K = 0, không có đường truyền trực tiếp phân bố Rician trở thành phân bố
Rayleigh. Với giá trị K = ∞, phân bố Rician trở thành phân bố Gauss.
Kênh truyền Nakagami
Trong một số trường hợp, có một mô hình bao gồm cả hai mô hình trên đó là mô
hình Nakagami-m.
Hàm mật độ đường bao được biểu diễn:
Pz(z) = exp, m ≥ 0.5,

(1.9)

Với là hàm Gamma.
Khi m ≥ 0.5 phân bố Nakagami có dạng một nửa phân bố Gauss.
Khi m = 1, phân bố Nakagami trở thành phân bố Rayleigh.
Khi m > 1, phân bố Nakagami trở thành phân bố Rician.
Do vậy, phân bố Nakagami là tổng quát cho phân bố Rayleigh và Rician.
Hàm phân bố công suất Nakagami fading như sau:
PZ2 (x) = exp.

(1.10)

Với m = thì phân bố xấp xỉ là Rician fading với tham số K, khi
m ∞ thì không có fading.
1.3 Truyền thông hợp tác
Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật hoàn toàn mới với thiết bị di động đầu cuối
sử dụng một anten hoạt động trong môi trường có nhiều thuê bao có thể tạo ra máy
thu phát đa anten ảo cho phép hợp tác thực hiện truyền phân tập hiệu quả hơn. Tức

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/51

là các thiết bị di động có một anten nhưng có thể chia sẻ với các thiết bị khác để tạo
thành một hệ thống phân tập không gian. Do đó, tín hiệu tại phía thu có độ tin cậy
cao hơn nếu so với kỹ thuật phân tập MIMO truyền thống thì không cần phải chú ý
quá nhiều vào việc tích hợp nhiều anten vào thiết bị, giúp giảm thiểu chi phí, kích
thước thiết bị và sự phức tạp về phần cứng, công nghệ.
Trong truyển thông hợp tác, máy chuyển tiếp được đặt ở giữa trạm nguồn và máy
đích. Máy chuyển tiếp đặt cách trạm nguồn bằng nhiều lần bước sóng có chức năng
xử lý, chuyển tiếp tín hiệu từ trạm nguồn đến máy đích.
1.1.5 Quá trình phát triển của truyền thông hợp tác
Truyền thông hợp tác dựa trên mô hình của kênh truyền chuyển tiếp nhưng nó
có nhiều cải tiến đáng kể ở nhiều mặt. Đầu tiên, nó được áp dụng trong các kênh
fading có tác dụng làm giảm fading đa đường. Tiếp theo mỗi thiết bị đầu cuối hoạt
động như một nút chuyển tiếp vừa giúp các nút nguồn truyền tin vừa truyền thông
tin của riêng nó. Các nhà khoa học đã kết hợp các lợi thế của kỹ thật phân tập và kỹ
thuật truyền chuyển tiếp giúp khắc phục những hạn chế về khoảng cách truyền giúp
cho nó có thể ngang với các thiết bị dùng nhiều anten mà không cần dùng thêm
anten. Trong đó, các máy đích nhận được tín hiệu truyền từ trạm nguồn lẫn nút
chuyển tiếp giúp nó đạt được độ lợi phân tập và cải thiện đáng kể tốc độ truyền dữ
liệu.
B
Kênh 2

Kênh 3

A

C
Kênh 1
Hình 1-4: Mô hình kênh chuyển tiếp

1.1.6 Các phương thức chuyển tiếp
1.1.1.4 Phương thức Giải mã – Chuyển tiếp (Decode and Forward – DF)

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/51

Đây là cách tiếp cận đầu tiên của truyền thông hợp tác truyền thống được đề
xuất bởi Sendonaris và cộng sự. Nút chuyển tiếp sử dụng phương pháp tái sinh, giải
mã thông tin của nút nguồn và tái mã hóa trước khi chuyển tiếp thông tin đến nút
đích. Nhưng do lỗi đường truyền, thông tin có khả năng bị giải mã sai ở nút chuyển
tiếp làm suy giảm hiệu năng của hệ thống nên phương pháp này được giả định là
các nút chuyển tiếp chỉ hỗ trợ truyền thông trực tiếp nếu tín hiệu từ nút nguồn được
giải mã một cách chính xác. Điều này được thực hiện bằng cách dùng mã kiểm tra
CRC (Cyclic Redundancy Check).
Tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào các nút chuyển tiếp cũng nhận được tín
hiệu chính xác từ nút nguồn nên các nhà khoa học đã nghĩ ra phương pháp DF cố
định giúp nút chuyển tiếp luôn luôn chuyển tiếp thông tin đến nút đích mà không
cần quan tâm đến chất lượng của tín hiệu nhận được.

Hơn nữa, phương pháp DF thông thường có nhược điểm bị giới hạn bởi thời gian
truyền do bị cố định ở mức ưu tiên khiến cho nó bị trễ đến một nửa thời gian trước
khi nút chuyển tiếp có thể truyền làm lãng phí tài nguyên.

Hình 1-5: Phương thức Giải mã – Chuyển tiếp DF

1.1.1.5 Phương thức Khuếch đại – Chuyển tiếp (Amplify and Forward – AF)
Phương thức này được đề xuất bởi Laneman gồm ba giai đoạn:

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/51

 Giai đoạn 1: Nút nguồn phát sóng truyền tín hiệu và hai nút còn lại nhận tín
hiệu.
 Giai đoạn 2: Nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ nút nguồn sau đó khuếch đại
công suất và chuyển tiếp các tín hiệu đến nút đích.
 Giai đoạn 3: Nút đích kết hợp và giải mã tín hiệu nhận được từ nút nguồn ở
giai đoạn 1 và nút chuyển tiếp ở giai đoạn 2 để khôi phục thông tin ban đầu.
Phương thức AF được đánh giá là đơn giản nhất so với các phương thức khác. Bên
đó, nút đích vừa nhận tín hiệu từ nút nguồn vừa từ nút chuyển tiếp giúp đạt được độ
lợi phân tập và hiệu suất tốt nhất nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi nhiễu do nút chuyển
tiếp khuếch đại cả nhiễu ở kênh nguồn – chuyển tiếp.

Hình 1-6: Phương thức Khuếch đại – Chuyển tiếp AF

1.1.1.6 Phương thức Nén – Chuyển tiếp (Compress and Forward – CF)

Phương thức Nén – Chuyển tiếp – CF khác với phương thức AF và DF ở chổ
trong quá trình truyền tin giữa nút nguồn và nút đích, nút chuyển tiếp truyền một
bản sao của bản tin nhận được. Ban đầu nút nguồn lượng tử hóa và nén bản tin
truyền đến nút chuyển tiếp, sau đó nút đích sẽ khôi phục thông tin nhận trực tiếp từ
nút nguồn và phần tin đã được lượng tử hóa và nén từ nút chuyển tiếp.

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/51

Quá trình lượng tử hóa và nén tại nút chuyển tiếp là quá trình mã hóa nguồn, nghĩa
là biểu diễn lại mỗi thông tin nhận được như là một chuỗi kí tự. Tại nút đích sẽ giải
mã các chuỗi kí tự nhận được từ bản tin lượng tử hóa và nén từ nút chuyển tiếp.
1.1.1.7 Phương thức Ước lượng – Chuyển tiếp (Estimate and Forward – EF)
Đối với phương thức này, sau khi nhận tín hiệu từ nút nguồn, nút chuyển tiếp sẽ ước
lượng tín hiệu sau đó chuyển tiếp tín hiệu tới nút đích.
1.4 Các tiêu chí đánh giá mạng không dây
Việc đánh giá hiệu năng (SNR – Signal Noise Ratio) dựa trên ba tiêu chí:
o Xác suất dừng hệ thống.
o Xác suất lỗi trung bình .
o Xác suất lỗi trung bình kết hợp với dừng hệ thống.
1.1.7 Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability – OP)
Xác suất dừng hệ thống là một tiêu chí hiệu năng quan trọng dùng để miêu tả hệ
thống thông tin không dây và được định nghĩa là xác suất mà tỉ số công suất tín hiệu
trên nhiễu tức thời đầu cuối – đầu cuối SNR thấp hơn giá trị ngưỡng cho trước
được tính bởi công thức:
Pout = p( < ) = = F()

(1.11)

Trong đó:
*

là giá trị SNR nhỏ nhất được yêu cầu để hiệu năng hệ thống chấp nhận.

* () là PDF của .
* F() là CDF của .
1.1.8 Xác suất lỗi trung bình (Average Error Probability)
Xác suất lỗi ký tự trung bình (Average Symbol Error Probability – ASEP) là một
tham số quan trọng dùng để đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến và được tính theo
công thức:
=

(1.12)

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/51

Trong đó:
 () là PDF của .
 P() là xác suất lỗi ký tự với tỉ số công suất tín hiệu/nhiễu SNR là .
PS() Q()

(1.13)

Với , βM là hằng số phụ thuộc loại điều chế.
Ví dụ, đối với điều chế QPSK ( = 2, βM = 1), điều chế BPSK ( = 1, βM = 2).
Q(x) là hàm Q Gaussian:
Q(x) =

(1.14)

CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG
DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
1.5 Giới thiệu các nghiên cứu liên quan
Vào năm 1979, El Gamal và Cover cho ra đời mô hình kênh chuyển tiếp gồm có
một nút nguồn A, nút chuyển tiếp B và nút đích C cho thấy năng lực của kênh
chuyển tiếp tốt hơn so với kênh nguồn – đích.
B
Kênh 2

Kênh 3

A

C
Kênh 1
Hình 2-1: Mô hình kênh chuyển tiếp

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/51

Hiệu năng mạng hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp với cơ chế lựa chọn nút chuyển
tiếp qua kênh truyền fading Rayleigh gồm một trạm nguồn, nhiều nút chuyển tiếp
và một máy đích.

R1

R2
:
RN
S

D

Hình 2-2: Hiệu năng của mạng hợp tác khuếch đại và chuyển tiếp với việc lực chọn máy
chuyển tiếp qua kênh fading Rayleigh

Mô hình mạng giải mã và chuyển tiếp (DF) gồm một trạm nguồn, nhiều nút chuyển
tiếp và một máy đích. Mô hình này sử dụng phương thức giải mã và chuyển tiếp với
m bất kỳ (1 ≤ m ≤ N) với N là số nút.

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/51

Hình 2-3: Mạng chuyển tiếp DF sử dụng nhiều nút Relay

Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng cũng được các
nhóm nghiên cứu trong nước đưa ra.

Relay
Destination
Kênh chuyển tiếp

Source

Kênh truyền thông tin và
chuyền đổi năng lượng

Hình 2-4: Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng

Mô hình này bao gồm một trạm nguồn (S) vừa truyền thông tin vừa truyền năng
lượng, một máy đích (D) và một máy chuyển tiếp (R) hoạt động trong môi trường
fading không đồng nhất (kênh truyền giữa S – R và R – D được giả sử lần lượt là
Rician và Rayleigh).

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/51

Ngoài ra, các nhà khoa học còn đề xuất một ý tưởng xây dựng một mạng Ad-hoc,
trong đó trạm nguồn có thể hợp tác với các trạm trung gian cho mục đích chuyển

tiếp.

Relay

hsr

hrd

Destination

hsd

Source
Hình 2-5: Mô hình truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân tập hợp tác

1.6 Mô hình hệ thống và kênh truyền
Mô hình hệ thống mạng hợp tác không dây truyền năng lượng vô tuyến được mô
tả như hình

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/51

R
hSR

hRD

hSD

S

D

Kênh truyền năng lượng

S: Trạm nguồn

Kênh truyền thông tin chuyển tiếp

D: Máy đích

Kênh truyền thông tin trực tiếp

R: Máy chuyển tiếp

Hình 2-6: Mô hình của hệ thống

Mô hình này gồm một trạm nguồn (S) vừa truyền thông tin vừa truyền năng lượng,
một máy chuyển tiếp (R) có năng lượng giới hạn bởi khả năng thu được năng lượng
vô tuyến từ trạm nguồn và một máy đích (D). Có một số trường hợp được liệt kê
như sau:
 Ví dụ giữa trạm nguồn S và máy đích D có đường truyền trực tiếp nhưng tín
hiệu của đường truyền này đôi lúc bị yếu nên cần thêm sự hỗ trợ của máy chuyển
tiếp R giúp cho máy thu D có thể thu được tín hiệu từ cả S và R.
 Quá trình truyền tín hiệu của hệ thống gồm hai chặng. Ở chặng đầu tiên, trạm
nguồn S truyền năng lượng đến máy chuyển tiếp R đồng thời truyền thông tin đến
cả máy chuyển tiếp R lẫn máy đích D. Ở chặng cuối cùng, máy chuyển tiếp R

khuếch đại tín hiệu và truyền kết quả đến máy đích D. Các kênh truyền S-D, S-R,
R-D có hệ số kênh truyền là hds, hsr, hrd tuân theo các phân bố Rayleigh, Rician,
Rayleigh.
 Tất cả các máy phát và máy thu được trang bị một anten duy nhất.
 Máy chuyển tiếp R thu năng lượng từ trạm nguồn S bằng cách sử dụng các
giao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian TSR (Time Switching – based

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/51

Relaying) và giúp trạm nguồn S truyền thông tin đến máy đích D theo phương thức
khuếch đại chuyển tiếp AF (Amplify and Forward).
 So với năng lượng được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy chuyển tiếp R đến
máy đích D, các năng lượng dùng cho các việc truyền/nhận tín hiệu không đáng kể
nên được bỏ qua.
 Trạm nguồn S truyền năng lượng và thông tin đến máy chuyển tiếp R trên
kênh truyền fading Rician sau đó máy chuyển tiếp R khuếch đại tín hiệu nhận được
và truyền thông tin đến máy đích D thông qua kênh truyền fading Rayleigh.
Trong giao thức chuyển tiếp phân chia theo thời gian TSR, trong một chu kì T quá
trình hoạt động của hệ thống được chia làm ba giai đoạn:
 Giai đoạn một, trạm nguồn truyền năng lượng đến máy chuyển tiếp với
khoảng thời gian .
 Giai đoạn hai, trạm nguồn truyền tín hiệu x(t) đồng thời đến máy chuyển tiếp
và máy đích, khoảng thời gian .
 Giai đoạn ba, máy chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu y(t) nhận được và truyền
tín hiệu đến máy đích trong khoảng thời gian .

Trong khoảng thời gian , máy chuyển tiếp thu năng lượng từ trạm nguồn. Công suất
truyền từ máy chuyển tiếp là:
Pr = = = aPS,

(2.1)

Trong đó:
Eh = là năng lượng thu được tại máy chuyển tiếp R
o 0 < ≤ 1 là hiệu suất chuyển năng lượng.
o PS là công suất truyền của trạm nguồn.
o

là độ lợi công suất kênh truyền từ trạm nguồn đến máy chuyển tiếp.

o là hệ số thể hiện tỉ lệ của thời gian khối (0 < < 1).
o T là thời gian khối trong đó thông tin khối được truyền từ trạm nguồn đến
máy đích.
Đặt a = ; = .

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến