Mạng chuyển tiếp hai chiều dạng nền sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)

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

NGUYỄN VĂN HIỆP

MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU DẠNG NỀN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNG LƯỢNG

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

TP. HỒ CHÍ MINH - 2018


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

NGUYỄN VĂN HIỆP

MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU DẠNG NỀN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNG LƯỢNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 8520208

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 - 2018

i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên cho phép tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành của mình đến thầy
PGS. TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo – Trưởng Khoa Viễn Thông 2, Học Viện Công
nghệ Bưu chính Viễn Thông cơ sở TP. HCM, nhờ sự hướng dẫn tận tình của thầy mà
tôi đã hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp của mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến Ban lãnh đạo, các thầy cô trường Học Viện
Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông và phòng đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện
thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn công ty SDTV và các anh chị đồng nghiệp, nơi tôi
làm việc đã hỗ trợ, tạo điều kiện và thời gian cho tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã thường xuyên động
viên, giúp đỡ tôi trong suốt thời gian hoàn thiện luận văn.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Văn Hiệp

năm


ii

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.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Văn Hiệp

năm


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU DẠNG NỀN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNG LƯỢNG .............................................3
1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................3
1.2 Tổng quan về mạng thu thập năng lượng vô tuyến ...........................................4
1.2.1 Các loại kỹ thuật thu thập năng lượng.........................................................4
1.2.2 Các phương pháp thu thập năng lượng vô tuyến ........................................6
1.2.2.1 Thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TSR) ..........................6

1.2.2.2 Thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PSR)..........................8
1.3 Các kỹ thuật của mạng chuyển tiếp hai chiều ...................................................9
1.3.1 Khái niệm về mạng chuyển tiếp hai chiều ..................................................9
1.3.1.1 Mạng chuyển tiếp hai chiều ba pha DNC ...........................................10
1.3.1.2 Mạng chuyển tiếp hai chiều hai pha ANC ..........................................11
1.3.2 Các kỹ thuật chuyển tiếp tín hiệu trong mạng chuyển tiếp hai chiều .......11
1.3.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF-Amplify and Forward) .......12
1.3.2.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF-Decode and Forward) ..............13
1.4 Công nghệ vô tuyến nhận thức ........................................................................14
1.4.1 Nguyên nhân ra đời mạng vô tuyến nhận thức .........................................14
1.4.2 Khái niệm mạng vô tuyến nhận thức.........................................................15
1.4.3 Các kiểu mạng vô tuyến nhận thức ...........................................................16
1.4.3.1 Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền ....................................................16
1.4.3.2 Mạng vô tuyến nhận thức dạng đan xen .............................................18


iv

1.4.3.3 Mạng vô tuyến nhận thức dạng lai ghép .............................................19
1.4.4 Kênh truyền và tham số đánh giá hiệu năng hệ thống ..............................20
1.4.4.1 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) ..........................................................21
1.4.4.2 Xác suất dừng hệ thống (OP) ..............................................................21
1.4.4.3 Dung lượng kênh Shannon trung bình hệ thống (Capacity) ...............21
1.4.4.4 Thông lượng hệ thống (Thoughput)....................................................22
Chương 2 - MÔ HÌNH MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU DẠNG NỀN SỬ
DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNG LƯỢNG .................................................23
2.1 Mô hình hệ thống .............................................................................................23
2.2 Tỷ số tín hiệu trên nhiễu ..................................................................................24
2.3 Xác suất dừng của hệ thống tại các nút nguồn Sa và Sb ..................................30
2.4 Thông lượng hệ thống......................................................................................33

2.4.1 Tối ưu tham số  của giới hạn nhiễu (ITAP)...........................................34
2.4.2 Tối ưu tham số  của kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công
suất (PSR) ...........................................................................................................36
2.5 Tổng dung lượng hệ thống...............................................................................38
2.5.1 Tối ưu tham số  của giới hạn nhiễu (ITAP)...........................................41
2.5.2 Tối ưu tham số  của kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công
suất (PSR) ...........................................................................................................41
Chương 3 – MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ................................................................43
3.1 Lưu đồ mô phỏng .............................................................................................43
3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận .......................................................................44
3.2.1 Mối quan hệ giữa hiệu năng hệ thống với việc tối ưu

 và  . ...............44

3.2.2 Thông lượng hệ thống ...............................................................................46
3.2.3 Dung lượng hệ thống .................................................................................48
3.2.4 Xác suất dừng hệ thống .............................................................................50
3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng .............................................................................52
Chương 4 – KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................53
4.1 Kết luận ............................................................................................................53


v

4.2 Hướng phát triển ..............................................................................................53
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................54


vi

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
ANC

Tiếng Anh
Analog Network Coding

Tiếng Việt
Mạng chuyển tiếp hai chiều hai
pha

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng

CDF

Cumulative Distribution

Hàm phân phối tích lũy

Function

CR

Cognitive Radio

Mạng vô tuyến nhận thức

DF

Decode and Forward

Giải mã và chuyển tiếp

EH

Energy Harvesting

Thu thập năng lượng

ITAP

Interference Temperature

Tham số giới hạn nhiễu

Apportioning Parameter
PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

PN

Primary Network

Mạng sơ cấp

PR

Primary Receiver

Máy thu sơ cấp

PSR

Power Splitting Relaying

Thu thập năng lượng phân chia
theo công suất

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SN

Secondary Network

Mạng thứ cấp

TSR

Time Splitting Relaying

Thu thập năng lượng phân chia
theo thời gian

TW-EHR

SWIPT

WSN

Two-Way Energy Harvesting

Chuyển tiếp hai chiều thu thập

Relay

năng lượng

Simultaneous Wireless

Truyền tải đồng thời thông tin và

Information and Power Transfer

năng lượng không dây

Wireless Sensor Network

Mạng cảm biến không dây


vii

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình mạng chuyển tiếp thu thập năng lượng ........................................6
Hình 1.2: Thu thập năng lượng phân chia theo thời gian ...........................................6
Hình 1.3: Thu thập năng lượng phân chia theo công suất ..........................................8
Hình 1.4: Mạng chuyển tiếp một chiều .......................................................................9
Hình 1.5: Mạng chuyển tiếp hai chiều ......................................................................10
Hình 1.6: Mạng chuyển tiếp hai chiều ba pha DNC .................................................10
Hình 1.7: Mạng chuyển tiếp hai chiều hai pha ANC ................................................11
Hình 1.8: Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp ...............................................................12
Hình 1.9: Kỹ thuật giải mã chuyển tiếp ....................................................................14
Hình 1.10: Mạng vô tuyến nhận thức........................................................................16
Hình 1.11: Các hiện tượng truyền sóng vô tuyến .....................................................20
Hình 2.1: Mô hình chuyển tiếp hai chiều dạng nền sử dụng kỹ thuật thu thập năng
lượng .........................................................................................................................23
Hình 2.2: Mạng chuyển tiếp hai chiều hai pha (ANC) trong mạng thứ cấp .............25
Hình 2.3: Thu thập năng lượng phân chia theo công suất trong mạng thứ cấp ........25
Hình 3.1: Sơ đồ giải thuật mô phỏng hệ thống .........................................................43
Hình 3.2: Thông lượng với sự thay đổi giá trị tham số  và  ..............................45
Hình 3.3: Dung lượng với sự thay đổi giá trị tham số  và  ................................46
Hình 3.4: Thông lượng hệ thống với I p /  2 cho trường hợp bất đối xứng tại

  0.2 và   0.1 .....................................................................................................47

Hình 3.5: Thông lượng hệ thống với I p /  2 cho trường hợp bất đối xứng tại

  0.9 và   0.9 .....................................................................................................48
Hình 3.6: Dung lượng hệ thống với I p /  2 cho trường hợp đối xứng tại   0.2 và

  0.1 .......................................................................................................................49
Hình 3.7: Dung lượng hệ thống với I p /  2 cho trường hợp đối xứng tại   0.9 và

  0.9 .......................................................................................................................50


viii

Hình 3.8: Xác suất dừng hệ thống với I p /  2 cho trường hợp đối xứng và bất đối
xứng ...........................................................................................................................51
Hình 3.9: Xác suất dừng hệ thống với  cho trường hợp đối xứng và bất đối xứng
...................................................................................................................................52


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến đang phát triển mạnh mẽ đặc biệt trong
công nghệ mạng di động tế bào và mạng cảm biến không dây với số lượng người
dùng ngày càng tăng. Các thiết bị phải đảm bảo chất lượng tín hiệu xuyên suốt, sử
dụng hiệu quả phổ tần đã được cấp phép, tiết kiệm năng lượng, đó là các thách thức
đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học và giới công nghiệp trên thế
giới.
Công nghệ mạng vô tuyến nhận thức đang thể hiện được những ưu điểm vượt
trội so với các công nghệ khác. Trong đó, mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền được

đánh giá rất cao trong việc cải thiện hiệu quả hoạt động hệ thống, đảm bảo sử dụng
linh hoạt và khắc phục những hạn chế về chính sách phân chia phổ tần hiện tại.
Cho đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu trên mô hình mạng vô tuyến
nhận thức dạng nền để tối ưu hóa hiệu năng hệ thống. Tuy nhiên, trong thực tế hiệu
năng hệ thống bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố như năng lượng tiêu thụ, tốc độ
truyền dẫn, hiệu quả băng thông, chính sách sử dụng phổ tần số…. Vì vậy đòi hỏi
phải có sự kết hợp nhiều công nghệ, giải pháp với nhau đảm bảo hiệu năng hệ thống
hoạt động là tốt nhất.
Chính vì những yêu cầu cấp thiết nêu trên, trong luận văn này sẽ giới thiệu đề
tài nghiên cứu “Mạng chuyển tiếp hai chiều dạng nền sử dụng kỹ thuật thu thập
năng lượng” nhằm kết hợp ưu điểm của các công nghệ trên mô hình mạng vô tuyến
nhận thức dạng nền để giải quyết những hạn chế trong sự phát triển của mạng thông
tin vô tuyến hiện nay.
Dự kiến luận văn sẽ được cấu trúc với các chương như sau.
Chương 1 - Tổng quan về mạng chuyển tiếp hai chiều dạng nền sử dụng
kỹ thuật thu thập năng lượng
Trong chương 1, luận văn sẽ đưa ra cái nhìn tổng quan về công nghệ thu thập
năng lượng vô tuyến, công nghệ chuyển tiếp hai chiều và công nghệ mạng vô tuyến


2

nhận thức, giới thiệu hệ thống kênh truyền và các tham số được áp dụng để đánh giá
hiệu năng hệ thống.
Chương 2 - Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều dạng nền sử dụng kỹ
thuật thu thập năng lượng
Nội dung chương 2, sẽ đưa ra mô hình mạng cụ thể về “Mạng chuyển tiếp hai
chiều dạng nền sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng”, từ đó sẽ tiến hành phân tích
đánh giá hệ thống theo kênh truyền và các tham số cụ thể.
Chương 3 - Mô phỏng và kết quả

Chương 3 sử dụng mô phỏng Monte-Carlo và mô phỏng kết quả lý thuyết trên
phần mềm Matlab để kiểm chứng tính chính xác của mô hình hệ thống dựa trên lưu
đồ mô phỏng và công thức toán học đã đạt được.
Chương 4 – Kết luận và hướng phát triển
Chương này nêu các vấn đề luận văn đã làm được và đề xuất hướng phát triển
của luận văn.


3

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN TIẾP
HAI CHIỀU DẠNG NỀN SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP
NĂNG LƯỢNG
1.1 Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio –
CR) là một khái niệm mới, được xem như là một giải pháp tiềm năng để cải thiện độ
chiếm dụng phổ tần, bị giới hạn bởi chính sách phân bố phổ tần cố định. Ý tưởng cơ
bản của vô tuyến nhận thức là cho phép các người dùng có thể tiến hành hoạt động
truyền phát mà không cần phải đăng ký sử dụng tần số (người dùng thứ cấp) tận dụng
các băng tần đã được cấp phép miễn là không gây ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu
của các người dùng đã đăng ký tần số (người dùng sơ cấp). Do đó, CR được xem là
chìa khóa để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần [1].
Xét về khía cạnh hiệu suất sử dụng phổ, mô hình dạng nền cho kết quả tốt hơn
so với mô hình còn lại vì đặc tính cho phép hai hệ thống hoạt động đồng thời tại một
thời điểm. Tuy nhiên, do tính chất của mô hình dạng nền, công suất phát của các thiết
bị thuộc hệ thống thứ cấp bị giới hạn dưới một ngưỡng cho trước để không gây can
nhiễu cho hệ thống sơ cấp, dẫn đến phạm vi vùng phủ sóng của mạng thứ cấp bị giới
hạn.
Để giải quyết bài toán mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống người dùng thứ
cấp, hướng nghiên cứu phối hợp công nghệ truyền thông chuyển tiếp và thu thập năng

lượng [2], [3], [4] vào trong mạng CR đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các
nhà nghiên cứu trong những năm gần đây. Điểm chuyển tiếp sử dụng hoặc kỹ thuật
khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF) để chuyển dữ liệu.
Nhược điểm chính của công nghệ truyền thông chuyển tiếp một chiều là dữ liệu được
truyền trong ít nhất là bốn khe thời gian. Kết quả là hiệu năng trong hệ thống mạng
thứ cấp bị giảm.
Cho đến nay, các bài toán liên quan đến chuyển tiếp hai chiều, thu thập năng
lượng và mạng vô tuyến nhận thức đã thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa


4

học trên thế giới tiêu biểu thông qua các nghiên cứu sau. Trong nghiên cứu [4], đề
cập đến vấn đề cải thiện hiệu năng của một mạng hai chiều hai pha (Analog network
coding) dựa trên mạng chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng với mô hình mạng
có nhiều anten tại thiết bị nguồn và một anten tại thiết bị chuyển tiếp, vì thế cải thiện
năng lượng thu thập tại thiết bị chuyển tiếp để đảm bảo hiệu suất của mạng. Trong
bài báo [1], Y. Liu và các cộng sự đã đưa ra một giao thức thu thập năng lượng mới
cho mạng nhận thức vô tuyến dạng nền từ đó cải thiện được hiệu quả phổ tần của
mạng và mở rộng quy mô mạng. Bài báo [5] đã đề xuất mô hình mạng chuyển tiếp
hai chiều lựa chọn và phân bổ công suất dựa vào phương pháp Bisetion, đồng thời
kết hợp với kỹ thuật truyền tải thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT)
cho mạng vô tuyến nhận thức chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng, giúp cho
việc chuyển tiếp dữ liệu của mạng thứ cấp với xác suất lỗi thấp nhất để nhiễu nhận
được tại máy thu sơ cấp nằm trong giới hạn cho phép. Bài báo [6], [7], [8] nêu lên
hiệu quả mô hình chuyển tiếp hai chiều lựa chọn với các đánh giá thông qua xác suất
dừng và thông lượng của hệ thống, bài báo [9] giới thiệu đánh giá hiệu năng của hai
phương pháp chuyển tiếp thu thập năng lượng PSR và TSR. Các bài báo [10], [11]
đề cập đến hiệu quả của mạng chuyển tiếp hai chiều trong mạng di động.
Sau quá trình tìm hiểu các bài báo, nghiên cứu liên quan cùng với những hiểu

biết hệ thống thực tế, trong luận văn này, học viên tập trung nghiên cứu, đề xuất mô
hình mới kết hợp công nghệ vô tuyến nhận thức dạng nền sử dụng kỹ thuật thu thập
năng lượng với công nghệ chuyển tiếp hai chiều sử dụng hai khe thời gian chuyển
tiếp để tăng tốc độ truyền dữ liệu trong hệ thống thứ cấp, đồng thời luận văn sẽ đưa
ra các giải pháp lựa chọn tham số kỹ thuật, để cải thiện hiệu năng hệ thống.

1.2 Tổng quan về mạng thu thập năng lượng vô tuyến
1.2.1 Các loại kỹ thuật thu thập năng lượng
 Thu thập nhiệt năng
Khi những vật thể hoặc trong môi trường có sự chênh lệch nhiệt độ sẽ tạo ra
một nguồn năng lượng để thu thập thông qua truyền nhiệt. Nhiệt độ của vật càng cao
làm cho các phần tử cấu tạo nên vậy di chuyển càng nhanh làm cho nhiệt năng của


5

vật càng tăng cao. Điều này thường thấy trong các nhà máy nhiệt điện, các động cơ
điện chạy bằng nguồn năng lượng này.
 Thu thập động năng
So với thu thập nhiệt năng thì thu thập động năng có ưu điểm hơn là sạch, ổn
định và kích thước nhỏ hơn. Thu thập động năng có hai giải pháp là sử dụng máy
phát áp điện và máy phát điện tử. Máy phát áp điện chuyển đổi sức căng cơ khí của
các vật liệu hoạt tính tạo thành điện tích trong vật dẫn, máy phát điện tử sử dụng sự
chuyển động tương đối của một dây dẫn trong môi trường từ trường tạo ra điện tích
trong dây dẫn. Hai máy phát động năng này được nhắc đến ở [12].
 Thu thập năng lượng tần số vô tuyến
Ngày nay, với sự phát triển công nghệ mạnh mẽ, các thiết bị cung cấp sóng
RF như BTS, AP, trạm phát sóng truyền hình… ngày càng gia tăng nhanh chóng nên
nguồn năng lượng RF cũng rất phong phú.
Những hệ thống, thiết bị sử dụng nguồn năng lượng từ pin để hoạt động bắt

buộc phải được thay thế, bảo trì, bảo dưỡng, điều này làm gia tăng thêm chi phí, thời
gian và gia tăng khả năng hệ thống bị gián đoạn. Ngoài ra, các hệ thống, thiết bị được
thiết kế không phụ thuộc vào nguồn pin sẽ dễ dàng thích nghi với các nhu cầu hoạt
động khác nhau. Do đó tận dụng nguồn năng lượng vô tuyến từ sóng RF trong môi
trường để thu thập năng lượng là một giải pháp tối ưu vừa tận dụng nguồn tài nguyên
dồi dào, vừa cho các thiết bị hoạt động lâu hơn, ít tốn chi phí hơn cũng như đảm bảo
tính liên tục của hệ thống [13].
Theo bài báo [14], từ quan điểm cấu trúc mà hệ thống EH được chia làm 2 loại
chính như sau:
 Loại thu thập - sử dụng
Loại này năng lượng thu thập không được lưu trữ mà sử dụng ngay lập tức để
tiến hành chuyển tiếp tín hiệu.
 Loại thu thập – lưu trữ - sử dụng


6

Năng lượng thu thập, được lưu trữ để sử dụng về sau. Hầu hết các nghiên cứu
gần đây đề cập đến kỹ thuật này, vì mang tới nhiều lợi ích trong ứng dụng, nguồn
năng lượng được sử dụng hiệu quả và ổn định hơn tại nút EH chuyển tiếp tín hiệu.

1.2.2 Các phương pháp thu thập năng lượng vô tuyến

S

D

R

Hình 1.1: Mô hình mạng chuyển tiếp thu thập năng lượng

Hình 1.1, mô hình mạng thu thập năng lượng gồm 3 nút: nút nguồn S, nút
chuyển tiếp R và nút đích D, trong đó nút S truyền dữ liệu tới D thì nút R sẽ có nhiệm
vụ chuyển tiếp tín hiệu. Trong các mạng cảm biến không dây truyền thống thì nút R
sẽ được cung cấp năng lượng hoặc nút R tự thu thập năng lượng từ môi trường xung
quanh [15] hay S và R cùng thu thập nhiều nguồn năng lượng khác nhau [16], [17].
Nhưng trong mạng thu thập năng lượng vô tuyến thì nút R sẽ dùng tín hiệu nhận được
từ nút nguồn để thu thập năng lượng. Tại nút R có hai phương pháp thu thập năng
lượng là: thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TSR) và thu thập năng lượng
phân chia theo công suất (PSR) [9].

1.2.2.1 Thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TSR)
T

Thu thập năng lượng EH
T

Truyền tín hiệu

Chuyền tiếp tín hiệu

từ S đến R

từ R đến D

1    T / 2

1    T / 2

Hình 1.2: Thu thập năng lượng phân chia theo thời gian

Hình 1.2 mô tả phương pháp thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp R phân
chia theo thời gian được nghiên cứu qua bài báo [9], trong đó T là khoảng thời gian
truyền trực tiếp một kí tự từ nút S đến nút D mà không qua nút R. Khoảng thời gian
T được chia ra làm hai khe thời gian, khe đầu T nút R dùng để thu thập năng lượng


7

từ tín hiệu vô tuyến mà nút S truyền tới, trong đó 0    1 là một phần của khoảng
thời gian T. Khe thời gian còn lại được dùng để truyền thông tin, được chia ra làm 2
khe thời gian phụ, trong đó khe đầu tiên 1    T / 2 nút R nhận thông tin từ S gửi
đến và khe phụ còn lại nút R chuyển tiếp thông tin nhận được từ nút S đến nút D.
Toàn bộ năng lượng mà nút R thu thập được sử dụng để chuyển tiếp tín hiệu từ S đến
D.
Giả sử yR là tín hiệu nhận được tại nút R, khi đó:
yR  Ps h1 x  n1.

(1.1)

trong đó Ps là công suất phát của nút S, h1 là hệ số kênh truyền của chặng thứ nhất
(từ S đến R), x là tín hiệu cần truyền từ nút S đến D và n1 là nhiễu Gauss băng hẹp
của chặng thứ nhất.
Khi đó năng lượng thu thập được Eh tại nút R là:

Eh   PsT h1 .
2

(1.2)

với  là hệ số thu thập năng lượng. Ta có:

 Ps T h1

2 Ps h1
PR 


.
T
T
1


1   
1   
2
2
Eh

2

2

(1.3)

trong đó PR là công suất phát của nút R. Tín hiệu sau khi chuyển đổi tín hiệu RF
thành tín hiệu băng gốc tại nút R trước khi truyền tới nút D là:
yR' 

Ps h1 x  n1  nR ,

(1.4)

Giả sử là tín hiệu nhận được tại nút D, khi đó

yD  PR h2 x  n2 .

(1.5)

trong đó h2 là hệ số kênh truyền của chặng thứ hai (từ R đến D), x là tín hiệu cần
truyền từ nút S đến nút D và n2 là nhiễu Gauss băng hẹp của chặng thứ hai, nR là
nhiễu tại nút chuyển tiếp trong quá trình chuyển đổi tín hiệu RF thành tín hiệu băng
gốc.


8

1.2.2.2 Thu thập năng lượng phân chia theo công suất (PSR)
T

Thu thập năng lượng (EH) tại R

P
Chuyển tiếp tín hiệu từ R đến D
Xử lí thông tin tại R

1    P
T /2

T /2

Hình 1.3: Thu thập năng lượng phân chia theo công suất

Hình 1.3 mô tả kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất [9].
Trong kỹ thuật PSR, nút R cũng thực hiên thu thập năng lượng và truyền thông tin
tới nút D. Khung thời gian truyền thông tin từ S đến D là T . Nửa thời gian đầu T / 2
dùng để truyền thông tin từ S đến R và nửa thời gian còn lại được dùng để truyền
thông tin từ R đến D. Trong nửa thời gian đầu, một phần công suất nhận được tại R,

 P được dùng để thu thập năng lượng và phần còn lại 1    P dùng để xử lí thông
tin nhận được từ S, trong đó 0    1 . Tất cả nguồn năng lượng thu thập được, được
sử dụng cho nút R chuyển tiếp tín hiệu tới nút D.
Giả sử yR là tín hiệu thu được tại R. Khi đó, ta có:
yR  Ps h1 x  n1 ,

(1.6)

trong đó Ps là công suất phát của nút S, h1 là hệ số kênh truyền của chặng thứ nhất
(từ S đến R), x là tín hiệu cần truyền từ nút S đến nút D, n1 là nhiễu Gauss băng hẹp
của chặng thứ nhất.
Tín hiệu nhận được tại nút R để thu thập năng lượng là:

 yR   Ps h1 x   n1 ,
Năng lượng thu thập được tại R theo [9] là:

(1.7)


9

Eh   Ps h1

2

T
2

(0    1).

(1.8)

Công suất phát tại nút R là:
PR 

Eh
2
  Ps h1 .
T /2

(1.9)

Tín hiệu sau khi chuyển đổi tín hiệu RF thành tín hiệu gốc tại nút R trước khi
truyền tới nút D là:
yR 

1    yR  1   

Ps h1 x 

1   n1  nR .

(1.10)

Tín hiệu tại nút D là:
yD  PR h2 x  n2 ,

(1.11)

trong đó h2 là hệ số kênh truyền của chặng thứ hai (từ R đến D), x là tín hiệu cần
truyền từ nút S đến nút D và n2 là nhiễu Gauss băng hẹp của chặng thứ hai, nR là
nhiễu xảy ra tại pha xử lí thông tin của nút chuyển tiếp R.

1.3 Các kỹ thuật của mạng chuyển tiếp hai chiều
1.3.1 Khái niệm về mạng chuyển tiếp hai chiều

S

xs

D

Hình 1.4: Mạng chuyển tiếp một chiều

Xét một mạng khi mà điểm thu, phát (S và D) không thể trao đổi hay kết nối
trực tiếp với nhau do khoảng cách giữa chúng xa nhau hoặc do các fading của kênh
truyền. Lúc chúng có thể trao đổi tín hiệu với nhau qua trung gian bởi một hoặc nhiều
điểm chuyển tiếp R và do đó sẽ tạo ra một mạng chuyển tiếp. Các kỹ thuật chuyển

10

tiếp một chiều truyền thống sử dụng bốn khe thời gian để hoàn tất quá trình trao đổi
thông tin cho hai điểm mạng như Hình 1.4. Mỗi nút mạng truyền dữ liệu cho nút
chuyển tiếp sử dụng một khe thời gian. Nút chuyển tiếp sau đó gửi thông tin xử lý
cho hai nút mạng cũng sử dụng hai khe thời gian. Do đó quá trình trao đổi thông tin
cần đến bốn khe thời gian và không tiết kiệm băng thông.

S

D

R
Hình 1.5: Mạng chuyển tiếp hai chiều

Truyền thông hai chiều được giới thiệu đầu tiên cho trường hợp điểm – điểm.
Việc sử dụng các nút chuyển tiếp hai chiều, mà trong đó hai nút hay hai điểm trao đổi
thông tin qua một hoặc nhiều điểm chuyển tiếp. Chuyển tiếp hai chiều sẽ đạt hiệu
suất băng thông tốt hơn khi so sánh với chuyển tiếp một chiều với hai phương thức
truyền sử dụng hai khe thời gian (chuyển tiếp hai chiều hai pha – ANC) [4], [18] và
phương thức sử dụng ba khe thời gian (chuyển tiếp hai chiều ba pha – DNC) [18].

1.3.1.1 Mạng chuyển tiếp hai chiều ba pha DNC

S

D

xs
xd

xs  xd

Hình 1.6: Mạng chuyển tiếp hai chiều ba pha DNC

Phương thức chuyển tiếp hai chiều ba pha sử dụng ba khe thời gian như Hình
1.6. Cả hai nút mạng đều truyền thông tin cho nút chuyển tiếp tại khe thời gian thứ
nhất và khe thời gian thứ hai. Trong khe thời gian thứ ba nút chuyển tiếp sử dụng


11

thuật toán mã mạng (ví dụ XOR) để kết hợp hai tín hiệu của hai khe thời gian đầu mà
nút chuyển tiếp nhận được và truyền quảng bá cho cả hai nút mạng. Tại mỗi nút mạng
sử dụng thuật toán giải mã tín hiệu (ví dụ XOR) để tách tín hiệu của nút mạng kia
truyền đến. Nói cách khác thì trong trường hợp này nút chuyển tiếp thực hiện công
việc giải điều chế và giải mã lại hai tín hiệu truyền của hai nút mạng và sau đó mã
hóa và điều chế lại tín hiệu trước khi truyền lại cho hai nút mạng ở khe thời gian thứ
ba [6].

1.3.1.2 Mạng chuyển tiếp hai chiều hai pha ANC

S

xs

xd

D

f ( xs , xd )

Hình 1.7: Mạng chuyển tiếp hai chiều hai pha ANC

Phương thức truyền sử dụng hai khe thời gian như Hình 1.7, ở khe thời gian
đầu tiên cả hai nút mạng đều cùng truyền tín hiệu đến nút chuyển tiếp, tại khe thời
gian thứ hai nút chuyển tiếp xử lý tín hiệu và truyền lại cho hai nút mạng [6]. Việc sử
dụng hai khe thời gian trong trao đổi dữ liệu làm tăng hiệu suất sử dụng băng thông
của hệ thống.

1.3.2 Các kỹ thuật chuyển tiếp tín hiệu trong mạng chuyển tiếp hai chiều
Mạng chuyển tiếp sử dụng một số kỹ thuật chuyển tiếp nào đó đối với các tín
hiệu (mà nút chuyển tiếp nhận được) trước khi truyền lại tín hiệu đó. Một trong những
kỹ thuật đó là giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward). Với cơ chế này thì nút
chuyển tiếp sẽ giải mã các tín hiệu nhận được trước khi truyền lại cho các điểm khác.
Phía thu phải biết đặc điểm của kênh chuyển tiếp để có thể thu tốt. Phương pháp này


12

điều chỉnh các điều kiện kênh truyền và nếu các tín hiệu truyền không giải mã đúng
thì việc kết hợp tín hiệu cần thu tại các điểm thu sẽ trở nên khó khăn.
Phương pháp thứ hai được sử dụng trong mạng chuyển tiếp là cơ chế AF, ở đó
mỗi nút chuyển tiếp khuếch đại tín hiệu nhận được trước khi chuyển tiếp đến điểm
thu. Bởi vì cách hoạt động đơn giản nên phương pháp này được sử dụng phổ biến
trong các hệ thống thông tin kết hợp.

1.3.2.1 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF-Amplify and Forward)
Kỹ thuật chuyển tiếp AF [19] còn được gọi là kỹ thuật chuyển tiếp tương tự
hay kỹ thuật chuyển tiếp không tái tạo. Phương pháp này chủ yếu là tăng công suất

của tín hiệu chuyển tiếp. Khung thời gian để truyền tín hiệu từ nút S đến nút D được
chia thành hai khe thời gian. Trong khe thời gian thứ nhất, nút R sẽ nhận tín hiệu từ
nút S truyền qua, trong khe thời gian còn lại, nút R sẽ tiến hành khuếch đại tín hiệu
theo một hệ số độ lợi mà hệ số đó chủ yếu phụ thuộc vào hệ số kênh truyền của chặng
từ S – R, sau đó tín hiệu được chuyển tiếp tới nút D [20]. Do đó kỹ thuật AF ít phức
tạp hơn so với kỹ thuật DF và ít tiêu thụ năng lượng hơn tại nút R. Nhược điểm lớn
nhất của kỹ thuật AF là trong quá trình khuếch đại tín hiệu, nút R cũng đồng thời
khuếch đại tín hiệu nhiễu [21].

h2

h1
R

s

D

Hình 1.8: Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp

Tùy thuộc vào thông tin trạng thái kênh truyền CSI tức thời tại nút chuyển tiếp
mà chuyển tiếp AF được phân thành hai phương pháp. Đó là chuyển AF có độ lợi cố


13

định và độ lợi thay đổi theo trạng thái kênh truyền. Đối với chuyển tiếp có độ lợi thay
đổi, quá trình khuếch đại tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp sẽ phụ thuộc vào
thông tin trạng thái kênh truyền CSI tức thời tại thời điểm đó. Ngược lại, với chuyển
tiếp có độ lợi cố định thì độ lợi được sử dụng khuếch đại tại nút chuyển tiếp là giá trị

trung bình của kênh truyền. Giả sử G là hệ số khuếch đại tín hiệu của nút R và y1 là
tín hiệu nhận được từ nút S tại R, khi đó ta có:
Chuyển tiếp có độ lợi cố định: hệ số khuếch đại G được tính theo giá trị trung
bình của trạng thái kênh truyền theo công thức sau:

1

G

 

E y1

2

,

(1.12)

trong đó E(.) là toán tử lấy giá trị trung bình của biến ngẫu nhiên.
Chuyển tiếp có độ lợi thay đổi: có hệ số khuếch đại được tính theo giá trị tức
thời của kênh truyền như công thức sau:
G

1
y1

2

(1.13)

,

Đối với kênh truyền sử dụng chuyển tiếp AF, tỷ số SNR của toàn hệ thống
được tính theo [21] như sau:

 e 2e 

P h
trong đó  1  s 1
N0

2

 1 2
.
1   2  1

P h
là SNR của chặng thứ nhất từ S đến R,  2  R 2
N0

(1.14)
2

là SNR của

chặng thứ 2 từ R đến D và N0 là mật độ phổ của nhiễu trắng có trung bình bằng 0 và
phương sai là 1.

1.3.2.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF-Decode and Forward)
Khi nút R nhận được thông tin ở pha truyền thứ nhất, tại nút R sẽ tiến hành
giải mã tín hiệu, có thể dựa vào cơ chế sửa lỗi hoặc mã sửa lỗi để giải mã, quá trình
này có thể loại bỏ được các thông tin lỗi và các thành phần nhiễu của kênh truyền.
Sau khi giải mã xong, nút R tiếp tục mã hóa lại tín hiệu theo một cơ chế hoặc mã sửa


14

lỗi để truyền tín hiệu mã hóa được đến nút D ở pha truyền thứ hai. Kỹ thuật này được
áp dụng qua các nghiên cứu [22], [23], [24]. Mô hình của kỹ thuật DF có thể được
hiểu như Hình 1.9.

h1

h2
R

s

D

Hình 1.9: Kỹ thuật giải mã chuyển tiếp

Do tín hiệu đi qua hai chặng độc lập từ S đến D, nên chất lượng hệ thống bị
hạn chế bởi chặng yếu nhất. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu trên toàn hệ thống từ S đến D
được biểu diễn như sau [22].

 e 2e

 Ps h1 2 PR h2 2 
 min  1 ,  2   min 
,
.
 N0

N
0



(1.15)

trong đó  1 và  2 lần lượt là tỷ số SNR của chặng 1 và chặng 2.

1.4 Công nghệ vô tuyến nhận thức
1.4.1 Nguyên nhân ra đời mạng vô tuyến nhận thức
Sự gia tăng nhu cầu của thông tin không dây kéo theo nhu cầu cải thiện chất
lượng về lưu lượng, tính tin cậy, dịch vụ… Vì vậy mà số lượng thiết bị dựa vào các
chuẩn không dây và công nghệ sẽ ngày càng gia tăng trong tương lai. Nhưng một vấn
đề quan trọng khác lại nảy sinh là phổ tần số của thông tin không dây. Trong khi tài
nguyên phổ là có hạn thì sự phát triển ở trên sẽ dẫn đến tình trạng khan hiếm phổ tần.
Phần lớn phổ vô tuyến được cấp cho các hệ thống thông tin và dịch vụ truyền thông.
Tuy nhiên, tài nguyên phổ lại bị lãng phí bởi nhiều lý do


15

Thứ nhất, sự thất bại về kinh tế của các dịch vụ và hệ thống vô tuyến cấp phép
có thể dẫn đến phổ không sử dụng, như công nghệ WiMax xuất hiện nhưng không

thành công về thương mại. Phổ WiMax đã được xác định và phổ WiMax vì thế đã
làm lãng phí tài nguyên phổ.
Thứ hai, hệ thống vô tuyến của quân đội cũng như của công an yêu cầu phổ
cho hệ thống mà chủ yếu hoạt động khi có biến cố. Do vậy thêm phần lãng phí tài
nguyên phổ.
Thứ ba, sự phát triển công nghệ dẫn đến sự cải thiện hiệu suất phổ trong hệ
thống thông tin cấp phép hiện tại, ví dụ như phát sóng ti vi số. Do đó sẽ yêu cầu ít
phổ hơn để cung cấp cùng một dịch vụ.
Nói tóm lại, một phần lớn phổ đang được sử dụng không hiệu quả, cần tìm ra
một công nghệ giúp việc truy cập phổ một cách linh hoạt. Như vậy mới có thể giải
quyết vấn đề khan hiếm và lãng phí phổ hiện nay. Dẫn đến sự ra đời của mạng vô
tuyến nhận thức.

1.4.2 Khái niệm mạng vô tuyến nhận thức
Hệ thống vô tuyến nhận thức [25] là hệ thống mà các phần tử mạng có khả
năng thay đổi các tham số (công suất, tần số) trên cơ sở tương tác với môi trường hoạt
động. Mục đích của vô tuyến nhận thức là cho phép các thiết bị vô tuyến khác hoạt
động trên các dải tần còn trống tạm thời mà không gây can nhiễu đến các hệ thống
vô tuyến có quyền ưu tiên cao hơn hoạt động trên dải tần đó [26], [27]. Để cho phép
tận dụng tối đa tài nguyên phổ tần như trên, vô tuyến nhận thức phải có những đặc
tính cơ bản sau:
 Điều chỉnh tần số hoạt động của hệ thống một cách tức thì từ một băng tần
này đến một băng tần khác (còn trống) trên dải tần cho phép.
 Thiết lập mạng thông tin và hoạt động trên một phần hoặc toàn bộ băng
tần được cấp phát.
 Chia sẻ kênh tần số và điều khiển công suất thích ứng theo điều kiện cụ
thể của môi trường vô tuyến, mà ở đó tồn tại nhiều loại hình dịch vụ vô
tuyến cùng chiếm dụng.