Kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC thu thập năng lượng (Luận văn thạc sĩ)

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

TỐNG HỒ PHÚ THUẬN

KỸ THUẬT TRUYỀN SONG CÔNG
TRONG MẠNG DSSC THU THẬP NĂNG LƯỢNG

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

TP. HCM - 2018


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

TỐNG HỒ PHÚ THUẬN

KỸ THUẬT TRUYỀN SONG CÔNG
TRONG MẠNG DSSC 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. NGUYỄN TUẤN ĐỨC

TP. HCM - 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Tống Hồ Phú Thuận


ii

LỜI CẢM ƠN
Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu thực hiện và hoàn thành luận văn, tôi
đã nhận được sự hướng dẫn, giúp đỡ quý báu của thầy cô, các anh chị và các bạn. Với
lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin được bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới tất
cả mọi cá nhân và tập thể đã tận tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến, khích lệ tinh thần để
tôi hoàn thành luận văn của mình.
Trước tiên, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn khoa học của
tôi là PGS. TS. Nguyễn Tuấn Đức - người thầy đã tận tình chỉ dạy, hướng dẫn tôi
trong suốt quá trình làm và hoàn thiện luận văn. Nhân đây tôi cũng xin gởi lời cảm
ơn chân thành đến PGS. TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo - người thầy đã chỉ bảo, giúp đỡ
và tạo điều kiện để tôi được học tập, nghiên cứu trong phòng Lab Vô tuyến, trong
quá trình học tập, nghiên cứu tại đây tôi đã được học hỏi và nhận được sự giúp đỡ rất

nhiều từ quý thầy, các anh chị nghiên cứu sinh và các bạn học viên góp phần giúp tôi
hoàn thiện luận văn của mình.
Tôi cũng muốn bày tỏ sự biết ơn đến quý thầy cô trong Ban giám đốc, phòng
Đào Tạo và Nghiên cứu Khoa học của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông đã
tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khóa học. Đồng thời xin cảm ơn quý
thầy cô đã tận tâm truyền đạt những kiến thức bổ ích trong suốt thời gian tôi học tập
tại học viện. Cuối cùng, tôi muốn gởi lời cảm ơn đến gia đình, lãnh đạo và đồng
nghiệp nơi tôi đang công tác (phòng Quản lý Khoa học & Sau đại học - Trường Đại
Học Công Nghệ Sài Gòn), đã luôn quan tâm, động viên và giúp đỡ tôi trong quá trình
học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn.
Xin trân trọng cảm ơn./.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 01 năm 2018
HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Tống Hồ Phú Thuận


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................... ii
DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................v
DANH SÁCH CÁC BẢNG ..................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH..................................................................................... vii
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN....................................................................................1
1.1

Giới thiệu ......................................................................................................1

1.1.1

Lý do chọn đề tài ...........................................................................................1

1.1.2

Mục đích nghiên cứu ....................................................................................3

1.1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................3

1.1.4

Phương pháp nghiên cứu .............................................................................4

1.2

Tổng quan về kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC với hệ

thống WIPT ...............................................................................................................4
1.2.1

Tổng quan về kỹ thuật truyền song công .....................................................4

a.

Kỹ thuật truyền đơn công ...............................................................................5

b.

Kỹ thuật truyền bán song công ......................................................................5

c.

Kỹ thuật truyền song công .............................................................................6

1.2.2

Tìm hiểu hai kỹ thuật chuyển tiếp AF và DF khi nút chuyển tiếp có sử

dụng kỹ thuật thu hoạch năng lượng. .......................................................................7
a.

Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp - AF ......................................................7

b.

Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp - DF ..........................................................10

1.2.3

Tìm hiểu về kỹ thuật DSSC.........................................................................11

CHƯƠNG 2 - XÁC SUẤT DỪNG CỦA HỆ THỐNG (OP) ...............................13


iv

2.1

Mô tả hệ thống ............................................................................................13

2.2

Mô hình tín hiệu .........................................................................................15

2.2.1

Trong pha thứ nhất .....................................................................................15

2.2.2

Trong pha thứ hai .......................................................................................16

2.3

Phương thức hoạt động .............................................................................19

2.4

Phân tích hiệu suất .....................................................................................20

2.4.1

Hai nút chuyển tiếp sử dụng giao thức DF ...............................................20

2.4.2

Hai nút chuyển tiếp sử dụng giao thức AF ...............................................24

CHƯƠNG 3 – KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN................................29
3.1

Mô hình hóa hệ thống ................................................................................29

3.2

Mô phỏng kiểm chứng ...............................................................................29

3.2.1

Hai nút chuyển tiếp R1, R2 sử dụng giao thức AF ....................................30

3.2.2

Hai nút chuyển tiếp R1, R2 sử dụng giao thức DF ....................................34

CHƯƠNG 4 – KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................38
4.1

Kết luận .......................................................................................................38

4.2

Hướng phát triển đề tài .............................................................................38

TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................39

v

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AF

Amplify-and-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân bố tích lũy

CR

Cognitive Radio

Vô tuyến nhận thức

DF

Decode-and-forward

Giải mã và chuyển tiếp

DSSC

Distributed Switch-and-Stay Combining

Kết hợp chuyển tiếp và giữ phân tán

EH

Energy Harvesting

Thu hoạch năng lượng

FD

Full-Duplex

Truyền song công

HD

Half-Duplex

Truyền bán song công

OP

Outage Probability

Xác suất dừng

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SNR

Signal-to-noise ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

SSC

Switch and-Stay Combining

Kết hợp chuyển tiếp và giữ

WIPT

Wireless Information and Power Transfer

Truyền thông tin và năng lượng
không dây


vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 3.1: Các giá trị đặc biệt của κ và OP trong trường hợp nút chuyển tiếp sử dụng
giao thức AF ..............................................................................................................31
Bảng 3.2: Các giá trị đặc biệt của κ và OP trong trường hợp nút chuyển tiếp sử dụng
giao thức DF ..............................................................................................................34


vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Mô hình hệ thống ........................................................................................3
Hình 1.2: Hệ thống truyền đơn công ...........................................................................5
Hình 1.3: Hệ thống truyền bán song công ..................................................................5
Hình 1.4: Hệ thống truyền song công .........................................................................6
Hình 1.5: Mô hình truyền song công phân chia theo tần số........................................6
Hình 1.6: Mô hình truyền song công phân chia theo thời gian ...................................7
Hình 1.7: Hệ thống chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF ................................................8
Hình 1.8: Hệ thống chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật DF ..............................................11
Hình 1.9: Mô hình hệ thống DSSC ...........................................................................11
Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống ..........................................................................................13
Hình 2.2: Khối thời gian T .......................................................................................14
Hình 3.1: Mô hình hóa hệ thống ...............................................................................29
Hình 3.2: Ảnh hưởng ngưỡng κ đến OP trong trường hợp nút chuyển tiếp sử dụng

giao thức AF ..............................................................................................................30
Hình 3.3: Ảnh hưởng của SNR đến OP với κ = 3, 7, 13 trong trường hợp nút
chuyển tiếp sử dụng giao thức AF ............................................................................32
Hình 3.4: Ảnh hưởng của  đến OP với κ = 3, 7, 9,13 trong trường hợp nút chuyển
tiếp sử dụng giao thức AF .........................................................................................33
Hình 3.5: Ảnh hưởng ngưỡng κ đến OP trong trường hợp nút chuyển tiếp sử dụng
giao thức DF ..............................................................................................................34
Hình 3.6: Ảnh hưởng ngưỡng κ đến OP trong trường hợp nút chuyển tiếp sử dụng
giao thức DF và AF ...................................................................................................35


viii

Hình 3.7: Ảnh hưởng của SNR đến OP với κ = 3, 7, 13 trong trường hợp nút
chuyển tiếp sử dụng giao thức DF ............................................................................36
Hình 3.8: Ảnh hưởng của  đến OP với κ = 3, 7, 9,13 trong trường hợp nút chuyển
tiếp sử dụng giao thức DF .........................................................................................37


1

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu
1.1.1 Lý do chọn đề tài
Truyền năng lượng không dây thông qua tín hiệu vô tuyến (RF) gần đây đã
nổi lên như một giải pháp đầy hứa hẹn và hiệu quả để cung cấp năng lượng và kéo
dài thời gian hoạt động của mạng không dây có nguồn cung cấp năng lượng hạn chế.
Khi cho phép tín hiệu RF có thể mang cả thông tin và năng lượng, công nghệ thu thập
năng lượng qua tín hiệu vô tuyến đã thu hút rất nhiều nghiên cứu, đặc biệt là về khảo
sát truyền không dây một cách đồng thời cả thông tin và năng lượng.

Trong [1], năng lượng bị hạn chế ở nút chuyển tiếp khi sử dụng giao thức
khuếch đại và chuyển tiếp (AF) dựa trên thời gian chuyển tiếp và phân chia năng
lượng nhận được. Cụ thể, các tác giả nghiên cứu cả giới hạn truyền có độ trễ và không
có độ trễ, và đề xuất phương pháp tính toán các biểu thức xác suất dừng và dung
lượng ergodic tương ứng. Sau đó, các tác giả cùng mở rộng các phân tích cho thông
lượng và dung lượng ergodic của giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF) trong [2].
Dựa trên cấu trúc thời gian chuyển đổi, các tác giả trong [3] đã đề xuất giao thức thời
gian chuyển tiếp thích nghi cho việc thu thập năng lượng và truyền tải thông tin qua
tần số vô tuyến cho cả hai giao thức AF, DF và phân tích biểu thức giải tích của thông
lượng cho cả hai giao thức chuyển tiếp. Trong các nghiên cứu nêu trên có một điểm
chung là chỉ xem xét cơ chế truyền bán song công, nơi các nút chuyển tiếp không thể
nhận và truyền dữ liệu đồng thời trong cùng băng tần.
Với sự tiến bộ của công nghệ ăng-ten và xử lý tín hiệu, truyền song công (fullduplex - FD) là công nghệ mà các nút chuyển tiếp có thể nhận và truyền thông tin
đồng thời trong cùng băng tần. Truyền song công cho phép cải thiện gấp đôi hiệu suất
phổ tần so với truyền đơn công. Trong [4], các tác giả đã nghiên cứu hệ thống chuyển
tiếp thu thập năng lượng sử dụng (harvest-use - HU) với chế độ hoạt động bán song
công (half-duplex – HD) và song công (FD). Kết luận chính trong [4] là: FD là một


2

công nghệ hấp dẫn và đầy hứa hẹn cho mạng truyền thông cộng tác HU-based. Trong
[5], các tác giả xem xét thời gian chuyển tiếp ở chế độ song công trong hệ thống
truyền năng lượng không dây, mà ở đó các nút chuyển tiếp hoạt động ở chế độ FD
với việc nhận và truyền thông tin một cách đồng thời. Cụ thể, bài báo đã cung cấp
một đặc tính phân tích của thông lượng trong ba chế độ truyền khác nhau, cụ thể là:
truyền tức thời, truyền có độ trễ cưỡng bức (delayconstrained) và truyền có độ trễ
trong giới hạn bằng cách tối ưu tỷ lệ phân chia thời gian. Hơn nữa, một chế độ truyền
song công của hệ thống truyền năng lượng không dây với việc nhận thông tin và
truyền năng lượng đồng thời được nghiên cứu trong [6]. Trong [7], các tác giả đề xuất

một giao thức mới hai pha cho giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF) để kích hoạt
truyền song công. Đặc biệt, họ coi năng lượng từ các kênh nhiễu lặp như năng lượng
hữu ích và tích hợp năng lượng này vào quá trình truyền năng lượng không dây và
tối ưu phân bổ năng lượng và thiết kế beamforming tại nút chuyển tiếp được lập ra.
Tuy nhiên, hiệu suất và sự phân tập của chuyển tiếp song công với các mạng WIPT
có thể được cải thiện hơn nữa.
Thuật ngữ "switch and - stay combining (SSC)" là kỹ thuật chuyển mạch tín
hiệu từ các nhánh dựa trên SNR tức thời. SSC đã nhận được sự chú ý đáng kể và đã
có rất nhiều công trình nghiên cứu nhằm thực hiện kỹ thuật này. Trong [8] và [9], các
tác giả đề xuất kỹ thuật DSSC áp dụng cho một và hai chặng chuyển tiếp với kỹ thuật
giải mã và chuyển tiếp (DF). Hiệu năng của hệ thống được suy ra từ xác suất dừng
và xác suất lỗi trên kênh Rayleigh fading. Sự kết hợp phân bố SSC và lựa chọn chuyển
tiếp đã được đề xuất và nghiên cứu về tỷ lệ lỗi bit trong [10]. Trong [11], hiệu suất
của phân bố SSC và lựa chọn chuyển tiếp trong điều kiện xác suất dừng đã được xem
xét. Kết quả phân tích trong bài báo đã chỉ ra rằng DSSC có khả năng cải thiện hiệu
năng hệ thống và nút đích không cần phải sử dụng kỹ thuật kết hợp, điều đó làm giảm
mức độ phức tạp phần cứng tại nút đích.
Trong luận văn này, chúng tôi sử dụng kỹ thuật truyền song công kết hợp
chuyển tiếp và giữ phân tán (DSSC) tại điểm đích để cải thiện hiệu suất phổ tần của
mạng WIPT và giảm sự phức tạp phần cứng tại nút đích.


3

1.1.2 Mục đích nghiên cứu
Trong luận văn này, chúng tôi áp dụng kỹ thuật truyền song công tại nút
chuyển tiếp, nút chuyển tiếp có sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng, nút đích sử
dụng kỹ thuật DSSC để cải thiện hiệu năng và giảm độ phức tạp của phần cứng tại
nút đích của hệ thống truyền tín hiệu và năng lượng không dây - WIPT (wireless
information and power transfer), với các nội dung sau:

 Đề xuất và khảo sát kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC với 2 nút
chuyển tiếp. Hệ thống bao gồm: một nút nguồn S, một nút đích D và hai nút
chuyển tiếp R1 và R2. Nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật DF hoặc AF, nguồn
hoạt động của nút chuyển tiếp chủ yếu dựa vào việc thu hoạch năng lượng từ
nút nguồn S. Nút đích D sử dụng kỹ thuật DSSC.
 Xây dựng mô hình toán cho mô hình nghiên cứu. Đánh giá hiệu năng của
hệ thống ở kênh truyền Rayleigh fading.
Đánh giá hiệu suất của hệ thống thông qua xác suất dừng (OP) trên kênh
Rayleigh fading cho cả hai giao thức chuyển tiếp là khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
và giải mã và chuyển tiếp (DF).
Thông qua mô phỏng để so sánh xác suất dừng của hệ thống chuyển tiếp song
công DSSC với hệ thống chuyển tiếp song công quy ước, để đưa ra kết luận mô hình
hệ thống do chúng tôi đề xuất có hiệu suất tốt hơn so với quy ước.

1.1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hình 1.1: Mô hình hệ thống


4

Xét một mô hình truyền song công bao gồm một nút nguồn S, một nút đích D
và hai nút chuyển tiếp R1 và R2. Giả định rằng các liên kết truyền tải trực tiếp giữa
nguồn và đích đến là không có sẵn và thông tin từ nguồn đến đích là chỉ thực hiện
thông qua hai nút chuyển tiếp. Các nguồn và đích được trang bị ăng-ten duy nhất và
mỗi nút chuyển tiếp được trang bị với hai ăng-ten, một cho truyền và một cho nhận
thông tin. Các nguồn và đích có năng lượng riêng, trong khi hai nút chuyển tiếp chỉ
được cung cấp năng lượng hạn chế và năng lượng hoạt động chủ yếu được thu thập
từ nguồn.

1.1.4 Phương pháp nghiên cứu
Tìm hiểu bài toán truyền song công tại nút chuyển tiếp khi sử dụng giao thức
DF và AF, nút chuyển tiếp có sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng.
Tính toán xác suất dừng của hệ thống (OP) trên kênh Rayleigh fading cho cả
hai giao thức chuyển tiếp là DF và AF.
Thông qua mô phỏng để so sánh xác suất dừng của hệ thống chuyển tiếp song
công trong mạng DSSC với hệ thống chuyển tiếp song công quy ước, từ đó đưa ra
kết luận mô hình hệ thống do chúng tôi đề xuất có hiệu suất tốt hơn so với quy ước.

1.2 Tổng quan về kỹ thuật truyền song công trong mạng DSSC với hệ
thống WIPT
1.2.1 Tổng quan về kỹ thuật truyền song công
Trong [12] những yếu tố quan trọng của bất cứ một hệ thống thông tin hiện
nay là làm thế nào để vừa có thể cung cấp cho người sử dụng những dịch vụ chất
lượng tốt vừa có thể sử dụng băng thông một cách tối ưu. Chính vì vậy mà nhiều kỹ
thuật truyền đã được đưa ra như truyền đơn công, truyền bán song công và truyền
song công. Mỗi kỹ thuật có mỗi đặc tính khác nhau nên được ứng dụng cho mỗi mục
đích khác nhau tùy theo nhà cung cấp dịch vụ.


5

a. Kỹ thuật truyền đơn công

Hình 1.2: Hệ thống truyền đơn công

Truyền đơn công là kỹ thuật mà tín hiệu chỉ được truyền 1 chiều từ nguồn tới
đích, hay kỹ thuật truyền đơn công không thể thực hiện việc thu và phát tín hiệu một
cách đồng thời. Trong hệ thống truyền đơn công có một máy phát chỉ làm nhiệm vụ
phát tín hiệu và một máy thu chỉ làm nhiệm vụ thu tín hiệu. Ví dụ như hệ thống thu

và phát truyền hình, radio… hệ thống truyền đơn công có hiệu suất phổ tần thấp.

b. Kỹ thuật truyền bán song công

Hình 1.3: Hệ thống truyền bán song công

Truyền bán song công có hiệu suất phổ tần cao hơn truyền đơn công do tín
hiệu có thể truyền 2 chiều từ nguồn tới đích và ngược lại. Trong hệ thống truyền bán
song công, máy phát vừa có thể thực hiện việc phát tín hiệu vừa thực hiện việc thu
tín hiệu và ở phía máy thu cũng vậy, nhưng việc thu - phát tín hiệu diễn ra không
đồng thời. Ví dụ như hệ thống liên lạc bằng máy bộ đàm…


6

c. Kỹ thuật truyền song công

Hình 1.4: Hệ thống truyền song công

Truyền song công là kiểu truyền mà ở đó tín hiệu có thể truyền theo hai hướng
tại một thời điểm, ví dụ như hệ thống điện thoại, internet…. Vì vậy, truyền song công
có hiệu suất phổ tần gấp 2 lần so với truyền đơn công. Tuy nhiên, để làm được điều
này thì hệ thống cũng cần phải hoạt động theo một cách đặc biệt nào đó để có thể
nhận và phát tín hiệu cùng lúc. Có hai kỹ thuật thường được sử dụng là phân chia
theo tần số (Frequency Division Duplex) và phân chia theo thời gian (Time Division
Duplex).
 Kỹ thuật phân chia theo tần số
Theo [12] kỹ thuật phân chia theo tần số được hiểu là tín hiệu được truyền và
nhận bằng cách sử dụng hai khoảng tần số khác nhau. Một tần số dùng cho việc phát
và một tần số dùng cho việc thu tín hiệu. Nhưng giữa hai tần số này cần phải có một

khoảng tần số bảo vệ để tránh trường hợp hai kênh tần số này gây nhiễu cho nhau.

Hình 1.5: Mô hình truyền song công phân chia theo tần số


7

 Kỹ thuật phân chia theo thời gian
Theo [12] hệ thống chỉ sử dụng một tần số duy nhất nhưng tần số này được chia
ra làm nhiều khe thời gian khác nhau, mỗi khe thời gian này đảm nhận việc thu và
phát. Giữa hai khe thời gian này cần một khoảng thời gian bảo vệ mặc dù điều này
tạo ra độ trễ của hệ thống.

Hình 1.6: Mô hình truyền song công phân chia theo thời gian

1.2.2 Tìm hiểu hai kỹ thuật chuyển tiếp AF và DF khi nút chuyển tiếp có sử
dụng kỹ thuật thu hoạch năng lượng.
a. Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp - AF
Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp [13] (Amplify-and-Forward – AF) còn được
gọi là kỹ thuật chuyển tiếp tương tự hay kỹ thuật chuyển tiếp không tái tạo. Kỹ thuật
này có ưu điểm là đơn giản, hoạt động như một bộ lặp tương tự. Nguyên tắc hoạt
động của kỹ thuật này là khuếch đại tín hiệu nhận được sau đó chuyển tín hiệu đã
khuếch đại đi. Tín hiệu nhận được sau quá trình chuyển tiếp là tín hiệu khuếch đại
của tín hiệu nguồn cộng với nhiễu. Kỹ thuật AF có hạn chế là yêu cầu cấu trúc phần
cứng phức tạp, dẫn đến chi phí cao. Hơn nữa, kỹ thuật AF cần các nút chuyển tiếp
phải có bộ đệm lớn để lưu trữ tín hiệu đến. Tuy nhiên, do đặc tính đơn giản và đạt
được độ phân tập đầy đủ, nên kỹ thuật AF hứa hẹn là một giải pháp tối ưu cho công
nghệ truyền thông vô tuyến trong tương lai.

8

Xét hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hai chặng, trong đó nút nguồn S chuyển dữ
liệu x1 đến nút đích D với sự hỗ trợ của nút chuyển tiếp R.

Hình 1.7: Hệ thống chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF

Nút nguồn S phát tín hiệu x1 với công suất là PS , hệ số kênh truyền từ S đến R
là h1 , v1 là nhiễu trên đường truyền từ S đến R. Nút chuyển tiếp R nhận tín hiệu y1 từ
S sẽ khuếch đại với độ lợi G , phát đi tín hiệu x2 với công suất PR , hệ số kênh truyền
từ R đến D là h2 , v2 là nhiễu trên đường truyền từ R đến D.
Tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp R và nút đích D có dạng:
y1  Ps h1 x1  v1 ,

(1.1)

y2  PR h2 x2  v2 ,

(1.2)

x2  Gy1 ,

(1.3)

G

1
2

Ps h1  N 0

(1.4)

.

Từ công thức (1.4) ta nhận thấy rằng để tính được hệ số G cần phải biết hệ số
kênh truyền h1 . Trong một số mạng vô tuyến đơn giản, như mạng cảm biến, việc
yêu cầu thông tin kênh truyền sẽ làm tăng độ phức tạp của phần cứng cũng như công
suất tiêu thụ do máy thu cần phải ước lượng được hệ số kênh truyền h1 . Vì vậy, để
đơn giản hóa việc tính toán G , Hasna đã đề xuất khái niệm G cố định [14], cụ thể G
sẽ được tính toán dự vào giá trị trung bình của h1 thay gì tính trực tiếp h1 như sau
G

1
2

Ps E{ h1 }  N 0

,

(1.5)


9

trong đó E 
. là toán tử trung bình thống kê.
Để đánh giá hiệu năng của một hệ thống vô tuyến, ta phải xác định các thông số
xác suất dừng và dung lượng dừng. Để làm được việc đó trước tiên ta phải tính được
tỉ số tín hiệu trên nhiễu (Signal-to-noise ratio – SNR) của hệ thống để tính hàm mật

độ xác suất (Probability Density Function - PDF) và hàm phân bố tích lũy
(Cumulative Distribution Function – CDF), chi tiết như sau:
Tín hiệu nhận được tại nút đích D:
y2  PR h2 x2  v2  PR h2G





PS h1 x1  v1  v2 ,

(1.6)

Giả sử nút chuyển tiếp biết được h1 ta thế công thức (1.4) vào công thức (1.6)
ta được
y2 


1

PR PS h1h2 x1
PR PS h1h2 x1
2

PS h1  N 0

2

Ps h1  N 0

 PR h2v1

PR h2



1
2

PS h1  N 0

 v2 ,

(1.7)

v1  v2 .

2

PS h1  N 0

Gọi  1 và  2 lần lượt là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của kênh truyền từ S đến R và

   1, E  x   1 từ (1.7) ta có

từ R đến D, giả sử tín hiệu có E x1

1 

2

2

2

PS h1
N0

2

, 2 

PR h2
N0

2

.

(1.8)

Gọi 𝛾 là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của toàn hệ thống (từ S đến D), dựa vào biểu
thức tín hiệu nhận được tại nút đích theo công thức (1.7), ta có


10

2

2

PS PR h1 h2
2



PS h1  N 0
PR h2

2

2

PS h1  N 0
2





N0  N0

PS h1 PR h2
N0
N0
2

2

PS PR h1 h2

2

2

2

( PS h1  PR h2  N 0 ) N 0

,

(1.9)

2

2

PS h1
P h
 R 2 1
N0
N0



 1 2
.
1   2 1

Dựa vào công thức  đã tính ở công thức (1.9), ta có thể tính được các thông số
đánh giá hiệu năng hệ thống thông qua hàm CDF và PDF của  .

b. Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp - DF
Một kỹ thuật khác được sử dụng ở nút chuyển tiếp là giải mã và chuyển tiếp
(Decode-and-forward – DF) [15] hay còn gọi là kỹ thuật chuyển tiếp số, nghĩa là sau
khi nhận tín hiệu từ nguồn, nút chuyển tiếp sẽ tiến hành giải điều chế trước khi chuyển
tiếp tín hiệu cho nút đích. Mặc dù kỹ thuật DF có ưu điểm hơn kỹ thuật AF là không
khuếch đại tín hiệu nhiễu rồi truyền cho nút đích, nhưng nó có tiềm năng giải sai mã
tín hiệu dẫn đến giảm hiệu năng của hệ thống. Nguyên nhân là do khi nút chuyển tiếp
giải mã tín hiệu có hai trường hợp xảy ra là giải mã đúng hoặc giải mã sai. Nếu nút
chuyển tiếp vẫn chuyển tín hiệu đã giải mã tới nút đích không cần biết là giải mã đúng
hay sai thì được gọi là kỹ thuật chuyển tiếp cố định. Còn nút chuyển tiếp chỉ chuyển
tiếp tín hiệu đã giải mã đúng thì được gọi là chuyển tiếp lựa chọn.
Trong kỹ thuật DF, tín hiệu phát tại nút chuyển tiếp được kỳ vọng là giống với
tín hiệu phát tại nguồn. Tín hiệu phát tại nút chuyển tiếp giống với tín hiệu tại nguồn
thì nút chuyển tiếp phải giải mã đúng tín hiệu thu được. Do đó tỉ số tín hiệu trên nhiễu
của hệ thống là giá trị nhỏ nhất giữa hai giá trị giữa chặng S → R và R → D.
Ta xét mô hình hệ thống chuyển tiếp DF như sau:


11

Hình 1.8: Hệ thống chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật DF

Giả sử ta biết được thông số h1 và h2 , gọi  e 2e là tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp
nhất của hệ thống chuyển tiếp DF, ta có:
 e 2e

 Ps h1 2 PR h2 2 
  min  1 ,  2  .
 min 

,
 N0
N0 


(1.10)

Hàm phân bố xác suất CDF của  e 2e được tính như sau:
F e 2 e     Pr min   1 ,  2    
 Pr   1   2  Pr( 1   )  Pr   2   1  Pr  2   
 Pr   1   2  Pr( 1   )  [1  Pr   1   2 ]Pr   2   

(1.11)

 Pr   1   2  F 1     [1  Pr   1   2 ]F 2   

 

 F1    F1   2  f 2   2  d  2  1  F1   2  f 2  2  d  2  F 2   .
0
 0


f e 2 e    

dF e 2 e   
d

.

1.2.3 Tìm hiểu về kỹ thuật DSSC

Hình 1.9: Mô hình hệ thống DSSC

(1.12)


12

Kỹ thuật DSSC (Distributed Switch and Stay Combining - Kết hợp chuyển tiếp
và giữ phân tán) là một kỹ thuật lựa chọn tín hiệu thu dựa trên thông số SNR của các
tín hiệu.
Gọi hSR , hR D , hSR , hR D , f R và f R là hệ số kênh truyền từ nguồn đến nút chuyển
1

1

2

2

1

2

tiếp R1, từ nút chuyển tiếp R1 đến đích, nguồn đến nút chuyển tiếp R2, từ nút chuyển
tiếp R2 đến đích, kênh nhiễu lặp (nhiễu do ảnh hưởng qua lại giữa ăng-ten phát và
ăng-ten thu của chính nút chuyển tiếp) của nút chuyển tiếp R1 và R2 là như nhau.
2

2

Công suất của kênh truyền Rayleigh fading, ký hiệu là hSR , hR D , hSR
1

f R1

2

và f R

2

2

1

2

2

2

hR2 D ,

là độc lập với nhau và các biến ngẫu nhiên có phân phối mũ như nhau

là SR , R D , SR , R D ,  fR và  fR . Hơn nữa, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) của hai
1

1

2

2

1

2

nhánh S → R1 → D và S → R2 → D được đại diện bởi  R và  R . Chúng tôi giả định
1

2

rằng tất cả các kênh (S → R1, R1 → D, S → R2, R2 → D) độc lập và cùng phân bố
Rayleigh fading, và các hệ số kênh là không đổi trong một khối thời gian T , nhưng
thay đổi giữa 2 khối khác nhau.
Kỹ thuật DSSC được mô tả như sau: Trong mỗi khối truyền T , chỉ có một liên
kết (S → R1 → D hoặc S → R2 → D) đang hoạt động. Để xác định các liên kết hoạt
động tiếp theo, phụ thuộc vào liên kết đang hoạt động trong khối thời gian T hiện tại,
nút đích so sánh SNR nhận được (  R hoặc  R ) với ngưỡng  cho trước. Việc chuyển
1

2

đổi xảy ra (liên kết thay thế sẽ được sử dụng trong khối thời gian T tiếp theo) khi
SNR tức thời của liên kết đang được chọn xuống dưới ngưỡng  không phụ thuộc
vào SNR tức thời hiện tại của liên kết thay thế. Quá trình chuyển đổi sẽ được thực
hiện bằng tín hiệu hồi báo được gởi từ điểm đích đến nguồn thông qua các kênh hồi

tiếp, để báo cho biết một chuyển mạch trên đường truyền. Cụ thể hơn, tín hiệu từ
nguồn truyền đến đích thông qua hoặc liên kết S → R1 → D hoặc liên kết S → R2 →
D và trong mỗi khối truyền T , chỉ có một liên kết đang hoạt động.


13

CHƯƠNG 2 - XÁC SUẤT DỪNG CỦA HỆ THỐNG (OP)
2.1 Mô tả hệ thống

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống

Chúng ta xem xét một hệ thống truyền song công có hai nút chuyển tiếp, bao
gồm một nút nguồn S, một nút đích D và hai nút chuyển tiếp R1 và R2. Giả định rằng
liên kết truyền trực tiếp giữa nguồn và đích là không có sẵn và thông tin được truyền
từ nguồn đến đích chỉ thực hiện thông qua sự trợ giúp của hai nút chuyển tiếp. Nút
nguồn và đích được trang bị ăng-ten duy nhất và mỗi nút chuyển tiếp được trang bị
hai ăng-ten, một cho truyền và một cho nhận. Các nguồn và đích có năng lượng riêng,
trong khi hai nút chuyển tiếp chỉ được cung cấp năng lượng một cách hạn chế và dựa
vào năng lượng thu thập từ nguồn.
Gọi hSR , hR D , hSR , hR D , f R và f R lần lượt là hệ số kênh truyền từ nút nguồn đến
1

1

2

2

1

2

nút chuyển tiếp R1, từ nút chuyển tiếp R1 đến nút đích, từ nút nguồn đến nút chuyển
tiếp R2, từ nút chuyển tiếp R2 đến nút đích, kênh nhiễu lặp (nhiễu do ảnh hưởng qua
lại giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu của chính nút chuyển tiếp) của nút chuyển tiếp
R1 và R2 là như nhau. Công suất của kênh truyền Rayleigh fading, ký hiệu là
2

2

2

hSR1 , hR1D , hSR2 ,

2

hR2 D , f R1

2

2

và f R

2

là độc lập với nhau và là các biến ngẫu

nhiên có phân phối mũ giống nhau là SR , R D , SR , R D ,  fR và  fR . Tỷ lệ tín hiệu

1

1

2

2

1

2


14

trên nhiễu (SNR) end-to-end của hai nhánh S → R1 → D và S → R2 → D được đại
diện bởi  R và  R . Chúng tôi giả định rằng tất cả các kênh (S → R1, R1 → D, S →
1

2

R2, R2 → D) độc lập và cùng phân bố Rayleigh fading và các hệ số kênh truyền là
không đổi trong một khối thời gian T , nhưng sẽ thay đổi ở các khối khác nhau.
Trong luận văn này, tín hiệu chỉ được truyền từ nguồn đến đích, thông qua nút
chuyển tiếp R1 (S → R1 → D) hoặc nút chuyển tiếp R2 (S → R2 → D). Do đó, một
số kỹ thuật cần phải được áp dụng tại điểm đích để kết hợp hai tín hiệu từ hai nhánh
hoặc chọn một trong hai nhánh đó. Để tăng sự phân tập của hệ thống và giảm sự phức
tạp ở điểm đích, chúng tôi sử dụng kỹ thuật DSSC (Distributed Switch and Stay
Combining). Kỹ thuật này trong mô hình của chúng tôi được mô tả như sau: Trong
mỗi khối truyền T , chỉ có một liên kết (S → R1 → D hoặc S → R2 → D) hoạt động.

Để xác định liên kết hoạt động tiếp theo, phụ thuộc vào liên kết đang hoạt động trong
khối thời gian T hiện tại, nút đích sẽ so sánh SNR nhận được (bằng  R hoặc  R )
1

2

với ngưỡng  cho trước. Việc chuyển đổi xảy ra (liên kết thay thế sẽ được sử dụng
trong khối thời gian T tiếp theo) khi SNR tức thời của liên kết đang được chọn xuống
dưới ngưỡng  mà không phụ thuộc vào SNR tức thời của liên kết thay thế. Quá trình
chuyển đổi sẽ được thực hiện bằng tín hiệu phản hồi được gởi từ điểm đích đến nguồn
thông qua kênh hồi tiếp, để báo rằng có chuyển mạch trên đường truyền. Các tín hiệu
được truyền từ nguồn đến đích thông qua hoặc liên kết S → R1 → D hoặc liên kết S
→ R2 → D và trong mỗi khối truyền T , chỉ có một liên kết đang hoạt động.

Hình 2.2: Khối thời gian T

Để kích hoạt truyền song công tại hai nút chuyển tiếp, chúng tôi sử dụng các
giao thức hai pha trong [7], được mô tả trong Hình 2.2. Trong pha thứ nhất của khoảng
thời gian T 2 , nút nguồn truyền thông tin đến các nút chuyển tiếp. Trong pha thứ hai


15

của khoảng thời gian T 2 còn lại, nút chuyển tiếp xử lý thông tin và sau đó chuyển
thông tin này đến đích và đồng thời nút chuyển tiếp cũng nhận được tín hiệu mang
năng lượng để thực hiện việc thu thập năng lượng. Do đó, truyền song công được tiến
hành trong pha thứ hai, khi đó nút chuyển tiếp thực hiện đồng thời việc thu thập năng
lượng và truyền thông tin đến đích. Bên cạnh đó, các tín hiệu lặp được tạo ra từ ăngten phát tại nút chuyển tiếp được coi như sự nhiễu lặp, do đó đòi hỏi phải có thêm
năng lượng để loại bỏ sự can nhiễu này. Cũng giống như trong [7], chúng tôi cũng
xem xét kênh nhiễu lặp như liên kết có lợi bởi vì năng lượng lặp có thể được thu thập

bởi nút chuyển tiếp cũng như thu thập năng lượng từ các nguồn tín hiệu.
Trong luận văn này, chúng tôi giả định rằng không có tín hiệu nhiễu từ ăng-ten
phát của nút chuyển tiếp R1 đến ăng-ten thu của nút chuyển tiếp R2 và ngược lại, cũng
không có tín hiệu nhiễu từ ăng-ten phát của nút chuyển tiếp R2 đến ăng-ten thu của
nút chuyển tiếp R1.

2.2 Mô hình tín hiệu
Trong phần này, chúng tôi phân tích mô hình hóa tín hiệu trong hai pha. Trong
mỗi pha, chúng ta xem xét hai trường hợp: R1 được sử dụng để truyền thông tin (liên
kết S → R1 → D hoạt động) và R2 được sử dụng để truyền thông tin (liên kết S → R2
→ D hoạt động).

2.2.1 Trong pha thứ nhất
 Trong trường hợp sử dụng R1, tín hiệu thu được tại R1 có thể được biểu diễn
như sau:
ySR1 

hSR1
m
d SR
1

xs  nR1 ,

(2.1)

với d SR là khoảng cách giữa nút nguồn S và nút chuyển tiếp R1, m là hệ số suy hao
1

 

của kênh truyền, xS là tín hiệu truyền từ nguồn với E xS

2

S

,

S

là công suất

truyền của nguồn S, và nR là nhiễu trắng Gaussian (AWGN) với phương sai 𝑁0 .
1