Nâng cao hiệu năng toàn trình cho mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến bằng giải pháp định tuyến cộng tác

1

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.

TP.HCM, ngày 08 tháng 05 năm 2018
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Quang Khải


2

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS. Trần
Trung Duy, người đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện
luận văn. Thầy đã trang bị cho em những kiến thức vô cùng quý báu để em có thể
vững tin bước tiếp trên con đường của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính
Viễn Thông cơ sở tại TP.HCM đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức
quan trọng trong suốt thời gian học tập tại Học Viện.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quỹ phát triển khoa học và công
nghệ quốc gia (Nafosted, mã số đề tài 102.04 – 2017.317) đã tài trợ và tạo điều kiện
để em có thể hoàn thành tốt luận văn này.
Bên cạnh đó em xin cảm ơn các quý anh chị và các bạn khóa cao học 2016 2018 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học.

TP.HCM, ngày 08 tháng 05 năm 2018
Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Quang Khải


3

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN..............................................................................................................ii
MỤC LỤC................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT...............................................iv
DANH SÁCH HÌNH VẼ.............................................................................................v
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN................................................................1
1.1. Tổng quan về thu thập năng lượng.....................................................................1
1.2. Tổng quan về mạng truyền thông chuyển tiếp....................................................3
1.3. Lý do chọn đề tài và các nghiên cứu liên quan...................................................9
1.3.1. Lý do chọn đề tài......................................................................................9
1.3.2. Các nghiên cứu liên quan........................................................................10
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG.....................................................................11
2.1. Mô hình khảo sát..............................................................................................11
2.2. Hiệu năng hệ thống...........................................................................................19
CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG............................................21
3.1. Xác suất dừng và giải mã thành công cho mô hình truyền điểm - điểm............21
3.2. Xác suất dừng và giải mã thành công cho mô hình truyền điểm - đa điểm.......24
3.3. Xác suất dừng của mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (MHTT)........28
3.4. Xác suất dừng của mô hình chuyển tiếp đa chặng cộng tác (MHCT)...............29
3.5. Phân tích độ lợi phân tập..................................................................................30
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG....................................................................31
4.1. Kết quả lý thuyết và mô phỏng.........................................................................32
4.2. Kết luận............................................................................................................38
4.3. Hướng phát triển đề tài.....................................................................................38

TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................40


4

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
DC
MAC
RF
AF
DF
ACK
NACK
RF EH

Tiếng Anh
Direct Current
Media Access Control
Radio Frequency
Amplify-and-forward
Decode-and-Forward
Acknowledgment
Negative- acknowledgment
Radio Frequency Energy

Tiếng Việt
Dòng điện một chiều
Điều khiển truy nhập môi trường
Tần số vô tuyến

Khuyết đại và chuyển tiếp
Giải mã và chuyển tiếp
Xác nhận
Từ chối
Thu hoạch năng lượng sóng vô

Harvesting

tuyến

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Mô hình thu thập năng lượng sóng vô tuyến.............................................3
Hình 1.2: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng.........................................4
Hình 1.3: Mô hình mạng chuyển tiếp trong thông tin di động...................................5
Hình 1.4: Mô hình truyền thông công tác..................................................................5
Hình 1.5: Mô hình truyền thông cộng tác tăng cường: đích giải mã thành công dữ
liệu ở khe thời gian đầu tiên và phản hồi bằng thông điệp ACK................7
Hình 1.6: Mô hình truyền thông cộng tác tăng cường: đích không giải mã thành
công dữ liệu ở khe thời gian đầu tiên và phản hồi bằng thông điệp NACK
để yêu cầu sự giúp đỡ từ nút chuyển tiếp...................................................7
Hình 1.7: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp đa chặng..........................................8
Hình 1.8: Truyền thông cộng tác đa chặng................................................................9
Hình 2.1: Mô hình hệ thống.....................................................................................11
Hình 2.2: Nút đích nhận dữ liệu từ nguồn thành công nên không cần sự trợ giúp từ
các nút chuyển tiếp...................................................................................15
Hình 2.3: Nút đích nhận dữ liệu từ nguồn không thành công và cần sự trợ giúp từ
các nút chuyển tiếp với

U1   R1 , R2 , R4 

và

V1   R3 , R5 , R6 

..................16


5

Hình 2.4:

U1   R1 , R2 , R4 

và

V1   R3 , R5 , R6 

, do đó nút R4 sẽ là nút được chọn để

gửi lại dữ liệu đến đích.............................................................................17
Hình 2.5: Mô hình chuyển tiếp dữ liệu đa chặng truyền thống................................20
Hình 3.1: Mô hình truyền điểm - điểm....................................................................21
Hình 3.2: Mô hình truyền điểm - đa điểm...............................................................24
Hình 3.3: Mô hình MHTT với N  2 ......................................................................31
Hình 3.4: Mô hình MHCT với N  2 ......................................................................31
Hình 4.1: Xác suất dừng vẽ theo P / N 0 khi N  2 và   0.2 ..............................32
Hình 4.2: Xác suất dừng vẽ theo P / N 0 khi Cth  1 và   0.1 .............................33
Hình 4.3: Xác suất dừng vẽ theo P / N 0 khi Cth  1 và   0.1 .............................34
Hình 4.4: Xác suất dừng vẽ theo P / N 0 khi Cth  1 và   0.1 .............................35
Hình 4.5: Xác suất dừng vẽ theo N khi P / N 0  10 dB, Cth  1 .............................36

Hình 4.6: Xác suất dừng vẽ theo N khi P / N 0  10 dB, Cth  1 .............................37
Hình 4.7: Xác suất dừng vẽ theo  khi P / N 0  5 dB, Cth  1 ...............................37


1

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Luận văn nghiên cứu vấn đề thu thập năng lượng và truyền dữ liệu hiệu quả
cho mạng chuyển tiếp đa chặng dưới sự giới hạn về công suất phát và sự tác động
của fading kênh truyền. Để giải quyết vấn đề năng lượng, các thiết bị trong mạng
cần thu thập năng lượng sóng vô tuyến để phục vụ cho việc truyền dữ liệu. Đối với
vấn đề truyền dữ liệu hiệu quả trong điều kiện giới hạn về mặt năng lượng, giải
pháp truyền thông cộng tác đa chặng sẽ được áp dụng. Tiếp theo, luận văn sẽ trình
bày một cách tổng quan các vấn đề liên quan đến đề tài.

1.1. Tổng quan về thu thập năng lượng
Ngày nay, do sự gia tăng nhanh chóng của các thiết bị vô tuyến, xuất phát từ
nhu cầu ngày càng tăng của người dùng, vấn đề năng lượng sẽ trở nên cấp thiết khi
xét đến các các thiết bị nhỏ như điện thoại di động, các thiết bị cảm biến, v.v. Bởi vì
sự hạn chế về nguồn năng lượng, cũng như việc hoạt động thường xuyên làm năng
lượng của các thiết bị này suy giảm một cách nhanh chóng, do đó rút ngắn thời gian
sống của các mạng hoạt động dựa trên các thiết bị này. Khi số lượng các thiết bị rất
lớn, và được triển khai ở những khu vực có diện tích rộng, việc nạp năng lượng cho
các thiết bị là một bài toán cần được giải quyết. Nếu sử dụng nguồn điện lưới đã
được chỉnh lưu và hạ áp thì nút cảm biến sẽ được cấp nguồn ổn định, nhưng lại mất
đi tính “không dây”. Hơn nữa, khi triển khai các thiết bị ở những khu vực hẻo lánh
hoặc có địa hình khắc nghiệt, việc lắp đặt một cơ sở hạ tầng để cấp nguồn cho các
thiết bị sẽ không khả thi. Một giải pháp khác được xem xét đó là các thiết bị có thể
được cấp năng lượng bằng pin, tuy nhiên việc thay pin định kỳ cho một số lượng
lớn các thiết bị cũng là một bài toán nan giải. Đã có rất nhiều nghiên cứu kể cả về

phần cứng lẫn phần mềm nhằm tăng hiệu quả sử dụng năng lượng của các nút
không dây nhưng dù có giảm công suất sử dụng đi bao nhiêu, tăng thời gian sử
dụng pin lên bao lâu đi nữa thì đến một lúc nào đó năng lượng dự trữ của pin vẫn
cạn kiệt và nút cảm biến sẽ ngừng hoạt động.


2

Để giải quyết bài toán năng lượng, ngoài các phương pháp hiệu quả năng
lượng như các thiết kế hiệu quả năng lượng ở lớp MAC [1], thiết kế các chế độ hoạt
động hợp lý (như active, sleep, stand by) [2], v.v., một giải pháp hiệu quả khác để
duy trì nguồn năng lượng cho các thiết bị đó là thu thập năng lượng từ bên ngoài
(Energy Harvesting). Việc thu thập năng lượng có thể đến từ năng lượng mặt trời,
năng lượng gió, v.v. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng, cần có sự kết hợp giữa các thiết
kế hiệu quả năng lượng và các kỹ thuật thu thập năng lượng. Nói cách khác, việc tối
ưu năng lượng phải được thực hiện ở cả cấp độ phần cứng và phần mềm, kết hợp
nhiều phương pháp và giải pháp khác nhau. Hệ thống thu thập năng lượng cho phép
các thiết bị thu thập năng lượng từ mặt trời, độ rung, gió, hiệu ứng nhiệt điện và môi
trường vô tuyến điện và chuyển chúng thành năng lượng điện. Các anten trong thiết
bị cũng có thể thu hoạch năng lượng từ năng lượng tần số vô tuyến, năng lượng này
sẽ chuyển thành năng lượng một chiều cung cấp cho thiết bị. Khác với các nguồn
năng lượng từ mặt trời, gió phụ thuộc rất nhiều vào môi trường, thu thập năng lượng
tần số vô tuyến (RF) có thể đạt được sự ổn định cao hơn (không phụ thuộc nhiều
vào môi trường xung quanh). Thật vậy, gần đây, phương pháp thu thập năng lượng
vô tuyến (Radio Frequency Energy Harvesting) đã được nghiên cứu và dành được
nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước [3], [6]. Thật vậy,
thu thập năng lượng sóng vô tuyến chỉ cần yêu cầu một hoặc nhiều nguồn phát sóng
vô tuyến ổn định. Hơn nữa, việc tích hợp giữa truyền thông tin và thu thập năng
lượng có thể được thực hiện đồng thời qua việc phát sóng vô tuyến. Đây chính là ưu
điểm của thu thập năng lượng sóng vô tuyến cho các thiết bị truyền thông vô tuyến.

Hình 1.1 mô tả mô hình thu thập năng lượng sóng vô tuyến khi một nguồn
phát năng lượng sóng vô tuyến P sẽ truyền năng lượng đến thiết bị thu R. Thật vậy,
tín hiệu nhận được tại R được mô hình như sau:

y  Qhx  u ,

(1.1)


3

với y là tín hiệu nhận được tại R, Q là công suất phát của nguồn năng lượng P, h
là hệ số kênh truyền fading giữa P và R, x là tín hiệu của P, và u là nhiễu cộng tại
R.

Hình 1.1: Mô hình thu thập năng lượng sóng vô tuyến

Năng lượng mà R có thể thu thập trong khoảng thời gian t được tính bằng
công thức sau:

E   Q | h |2 t ,

(1.2)

với  là hiệu suất chuyển đổi năng lượng,  có giá trị từ 0 đến 1.

1.2. Tổng quan về mạng truyền thông chuyển tiếp
Trong các mạng thông tin vô tuyến ngày nay, việc tăng cường mở rộng phạm
vi phủ sóng và giảm chi phí vận hành là mục tiêu của các nhà quản lý mạng viễn
thông. Một số kỹ thuật để nâng cao dung lượng và mở rộng phạm vi phủ sóng đã

được giới thiệu như giải pháp đa anten, truyền dẫn đa điểm phối hợp. Vì thế, các
nhà nghiên cứu đã tiến hành phát triển mạng chuyển tiếp (relay network) để mở
rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu thông qua sự
truyền/nhận thông tin ở những khoảng cách ngắn, giảm đi công suất phát khi so
sánh với việc truyền trực tiếp giữa nguồn và đích.


4

Chuyển tiếp có thể mang lại hiệu suất vượt trội cho mạng không dây như mở
rộng vùng phủ sóng, tăng độ lợi phân tập không gian và chất lượng dịch vụ đồng
nhất [7], [11]. Trong kỹ thuật chuyển tiếp hai chặng, hai khe thời gian trực giao
được sử dụng để chuyển tiếp dữ liệu. Trong khe thời gian thứ nhất, nguồn gửi dữ
liệu đến nút chuyển tiếp, và trong khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp gửi dữ liệu
đến đích. Trong Hình 1.2, mô hình chuyển tiếp hai chặng với 03 nút: nguồn S, nút
chuyển tiếp R và đích D được minh hoạ.
 Nút nguồn (S): là nút sẽ gửi dữ liệu đi tới nút đích.
 Nút chuyển tiếp (R): nút này có nhiệm vụ chuyền tiếp dữ liệu từ nút nguồn
gửi tới, xử lý dữ liệu nhận được và gửi dữ liệu sau xử lý đến đích. Nút
chuyển tiếp có thể dùng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-andforward (AF)) hoặc giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward (DF)).
 Nút đích: là nút sẽ nhận dữ liệu từ nút chuyển tiếp. Trong một số trường hợp,
nút đích có thể nhận được dữ liệu từ nguồn, và trong trường hợp này, nút
đích có thể kết hợp những dữ liệu nhận được bằng các bộ kết hợp. Mô hình
như vậy có tên gọi là truyền thông cộng tác (cooperative communication)
[8].

S

R

D

Hình 1.2: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp hai chặng

Trong kỹ thuật AF [12], [13], R sẽ luôn khuếch đại tín hiệu nhận được từ S
và gửi đến đích. Ưu điểm của kỹ thuật AF là đơn giản, tuy nhiên nhược điểm của kỹ
thuật này là tích luỹ nhiễu trong tín hiệu gửi đến đích. Trong kỹ thuật DF [14], [15],
R sẽ phải giải mã thành công dữ liệu nhận được từ S, sau đó tiến hành mã hoá lại dữ
liệu trước khi gửi đến D. Ưu điểm của kỹ thuật DF là loại bỏ được nhiễu nhận được
từ R, tuy nhiên, kỹ thuật này phức tạp hơn kỹ thuật AF vì R phải thực hiện các bước
xử lý tín hiệu phức tạp.


5

Trong các hệ thống vô tuyến mà các thiết bị hạn chế về công suất phát như
mạng cảm biến không dây (Wireless sensor networks) [9], mạng adhoc chuyển
động [10] (Mobile adhoc networks) hay mạng vô tuyến nhận thức (cognitive radio
networks) [11], chuyển tiếp là một kỹ thuật hiệu quả để gửi dữ liệu ở khoảng cách
xa. Kể cả trong mạng thông tin di động, các trạm chuyển tiếp cũng được sử dụng để
phục vụ những người dùng nằm ở rìa vùng phủ sóng của trạm gốc. Như thể hiện
trong Hình 1.3, trạm chuyển tiếp được lắp đặt để phục vụ những thuê bao nằm ở xa
trạm gốc.

S

D

Hình 1.3: Mô hình mạng chuyển tiếp trong thông tin di động

Tiếp theo, ta xét đến mô hình truyền thông cộng tác (cooperative
communication) như được vẽ trong Hình 1.4. Tương tự như mô hình chuyển tiếp
trong Hình 1.2, mô hình truyền thông cộng tác thông thường cũng có 03 nút: một
nút nguồn, một nút chuyển tiếp và một nút đích. Điểm khác biệt chính giữa mô hình
truyền thông cộng tác và mô hình chuyển tiếp thông thường ở chỗ: mô hình truyền
thông cộng tác khai thác đường liên kết trực tiếp giữa nguồn và đích.


6

Hình 1.4: Mô hình truyền thông công tác

Hoạt động của mô hình truyền thông cộng tác cũng bao gồm 02 pha. Trong
pha đầu tiên, nguồn gửi dữ liệu đến nút chuyển tiếp và đích D. Sau đó, nút chuyển
tiếp sẽ xử lý dữ liệu nhận được, và chuyển tiếp dữ liệu này đến đích trong pha thứ
hai theo phương pháp DF hoặc AF. Sau hai khe thời gian, nút đích có thể nhận được
hai phiên bản khác nhau của tín hiệu nguồn. Để nâng cao khả năng giải mã dữ liệu,
nút đích D có thể sử dụng các kỹ thuật kết hợp như kết hợp chọn lựa (Selection
Combining) [16], kết hợp tỷ lệ tối đa (Maximal Ratio Combining) [17] hay kết hợp
cân bằng độ lợi (Equal Gain Combining) [18].
Tuy nhiên, ta có thể thấy rằng truyền thông cộng tác thông thường không đạt
được hiệu quả phổ bởi hệ thống phải mất 02 khe thời gian để vận chuyển chỉ 01 gói
dữ liệu đến đích. Do đó, để nâng cao hiệu quả phổ cho các mô hình truyền thông
cộng tác, giao thức truyền thông cộng tác tăng cường (incremental relaying
protocol) đã được đề xuất [8], [19], [20]. Quá trình hoạt động của giao thức này
diễn ra như sau: đầu tiên, nguồn S quảng bá dữ liệu đến đích và nút chuyển tiếp.
Sau khi nhận được dữ liệu từ nguồn, cả đích và nút chuyển tiếp tiến hành giải mã dữ
liệu. Nếu đích có thể giải mã thành công dữ liệu, đích sẽ gửi một thông điệp ACK
để thông báo, và trong trường hợp này, nút chuyển tiếp sẽ không cần gửi dữ liệu đến
đích nữa (xem Hình 1.5).

7

Hình 1.5: Mô hình truyền thông cộng tác tăng cường: đích giải mã thành công dữ liệu ở
khe thời gian đầu tiên và phản hồi bằng thông điệp ACK

Trong trường hợp nút đích không thể giải mã thành công dữ liệu nguồn, nút
đích sẽ gửi một thông điệp NACK để thông báo tình trạng, và trong trường hợp này,
nút chuyển tiếp R sẽ được sử dụng để gửi dữ liệu đến đích D (xem Hình 1.6).

Hình 1.6: Mô hình truyền thông cộng tác tăng cường: đích không giải mã thành công dữ
liệu ở khe thời gian đầu tiên và phản hồi bằng thông điệp NACK để yêu cầu sự giúp đỡ từ
nút chuyển tiếp

Tóm lại, trong truyền thông cộng tác tăng cường, nếu kênh truyền giữa
nguồn và đích đủ tốt thì hệ thống sẽ hoạt động như mô hình truyền trực tiếp và


8

không cần sự tham gia của nút chuyển tiếp nữa. Ngược lại, khi kênh liên kết trực
tiếp không tốt, nút chuyển tiếp sẽ được sử dụng để gửi dữ liệu nguồn đến đích. Về
mặt hiệu quả phổ, rõ ràng rằng mô hình truyền thông cộng tác tăng cường nâng cao
hiệu quả sử dụng phổ tần khi so sánh với truyền thông cộng tác thông thường.
Khi khoảng cách giữa nguồn và đích là xa, việc truyền dữ liệu giữa nguồn và
đích phải thông qua nhiều nút chuyển tiếp. Trong những trường hợp này, các thuật
toán định tuyến cần được sử dụng để tìm đường thích hợp giữa nguồn và đích [21],
[22]. Hình 1.7 miêu tả mạng chuyển tiếp đa chặng trong đó nguồn S phải gửi dữ
liệu đến đích D thông qua nhiều nút chuyển tiếp trung gian. Tương tự như mạng

chuyển tiếp hai chặng, mạng chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying networks)
cũng được phân loại theo kỹ thuật (AF hoặc DF) được sử dụng tại các nút chuyển
tiếp. Thật vậy, khi các nút chuyển tiếp sử dụng DF, các nút này sẽ phải giải mã, mã
hoá lại rồi gửi dữ liệu đến nút tiếp theo, trong khi các nút chuyển tiếp trong kỹ thuật
AF chỉ đơn giản khuếch đại tín hiệu nhận được từ nút phía trước rồi gửi đến nút tiếp
theo.

S

Nk,1

Nk,2

Nk,3

N k , Lk

D

Hình 1.7: Mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp đa chặng

Để nâng cao hiệu năng cho mạng chuyển tiếp đa chặng, mô hình truyền
thông cộng tác đa chặng đã được nghiên cứu trong các tài liệu [23], [25]. Như thể
hiện trong Hình 1.8, trong mô hình truyền thông cộng tác đa chặng, khi một nút
truyền tín hiệu, tất cả các nút trong chặng đều nhận được tín hiệu, sau đó các nút sẽ
lưu trữ các tín hiệu nhận được và sử dụng các bộ kết hợp để giải mã dữ liệu. Các nút
chuyển tiếp sẽ tham gia vào quá trình truyền dữ liệu nếu chúng có thể giải mã thành
công dữ liệu nguồn. Phương pháp này nâng cao đáng kể hiệu năng cho mạng
chuyển tiếp đa chặng.

9

Hình 1.8: Truyền thông cộng tác đa chặng

Luận văn này sẽ nghiên cứu mô hình mạng chuyển tiếp đa chặng cộng tác sử
dụng kỹ thuật DF và kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến từ một nguồn bên
ngoài.

1.3. Lý do chọn đề tài và các nghiên cứu liên quan
1.3.1. Lý do chọn đề tài
Trong luận văn này, Học viên nghiên cứu kỹ thuật thu thập năng lượng sóng
vô tuyến (áp dụng cho mạng chuyển tiếp cộng tác đa chặng. Các lý do mà Học viên
chọn hướng nghiên cứu này có thể được liệt kê như sau:
Chuyển tiếp là mô hình thường được áp dụng để nâng cao chất lượng dịch vụ
cho các hệ thống truyền thông vô tuyến. Trong những mạng tự quản như mạng cảm
biến vô tuyến, mạng adhoc, v.v. chuyển tiếp vô tuyến thường được sử dụng bởi sự
giới hạn công suất phát và năng lượng hạn chế của các thiết bị. Chuyển tiếp đa
chặng [26], [29] sẽ là một kỹ thuật đầy tiềm năng được sử dụng trong các hệ thống
truyền thông vô tuyến trong tương lai.
Năng lượng cũng sẽ là một vấn đề cấp thiết cho các thiết bị vô tuyến giá rẻ.
Việc liên tục nạp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến, với số lượng lớn, có thể là
một thách thức không nhỏ trong tương lai. Cho đến nay, các kỹ thuật thu thập năng
lượng bên ngoài (thay thế cho việc nạp pin theo chu kỳ) phổ biến đó là thu thập
năng lượng gió, thu thập năng lượng mặt trời, rung động, v.v…Tuy nhiên, các kỹ
thuật này có thể đối mặt với một số khó khăn như sự quá phụ thuộc vào môi trường


10

xung quanh. Gần đây, kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến [30] đã được đề
xuất nhằm giải quyết bài toán này. Cùng với các kỹ thuật thu thập năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, v.v., thu hoạch năng lượng từ sóng vô tuyến có thể duy trì hoạt
động cho các thiết bị giới hạn năng lượng. Ưu điểm của kỹ thuật này có tính ổn định
cao, cho nên RF EH sẽ là một kỹ thuật đầy tiềm năng, và có thể kết hợp với các
phương pháp thu thập năng lượng khác để bổ sung nguồn năng lượng cho các thiết
bị vô tuyến.

1.3.2. Các nghiên cứu liên quan
Theo sự hiểu biết tốt nhất của Học viên, cho đến nay, chỉ có một vài công bố
nghiên cứu về mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng
sóng vô tuyến. Trong tài liệu tham khảo số [31], các tác giả nghiên cứu mô hình
chuyển tiếp đa chặng với năng lượng thu thập được từ các nguồn giao thoa ở ngoài.
Trong công trình [32], mô hình chuyển tiếp đa chặng trong mạng vô tuyến nhận
thức dạng nền đã được đề xuất. Trong mô hình này, nút nguồn và tất cả các nút
chuyển tiếp giữa nguồn và đích thu thập năng lượng từ một trạm báo hiệu (Beacon)
được lắp đặt trong mạng.
Trong đề tài này, Học viên phát triển mô hình mạng chuyển tiếp đa chặng thu
thập năng lượng từ Beacon đã được đề xuất trong [32]. Mô hình đề xuất trong [32]
chỉ xét mô hình chuyển tiếp đa chặng thông thường, cụ thể dữ liệu sẽ được chuyển
tiếp theo từng chặng một để đến đích. Mặc dù mô hình này đơn giản và dễ thực
hiện, tuy nhiên hiệu năng của mô hình này không cao vì không đạt được độ lợi phân
tập. Xuất phát từ điểm này, Học viên sẽ nghiên cứu mô hình chuyển tiếp đa chặng
cộng tác, trong đó các nút trên tuyến sẽ cộng tác với nhau để đạt được sự tin cậy
trong việc chuyển tiếp dữ liệu. Mô hình đề xuất sẽ được giới thiệu trong các phần
tiếp theo.

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH HỆ THỐNG

11

2.1. Mô hình khảo sát

Hình 2.1: Mô hình hệ thống

Hình 2.1 miêu tả mô hình hệ thống khảo sát. Trong hình vẽ này, nút nguồn S
muốn truyền dữ liệu đến nút đích D. Giả sử rằng nút nguồn S và nút đích D cách xa
nhau và vì thế nút nguồn không thể gửi dữ liệu trực tiếp đến nút D mà nhờ vào các
nút chuyển tiếp R1 , R2 ,..., RN . Các nút chuyển tiếp được đánh số theo khoảng cách
giữa chúng và nút nguồn. Ví dụ: nút chuyển tiếp R1 gần nguồn nhất và nút nghe lén

RN là xa nguồn nhất. Ta cũng giả sử rằng tất cả các nút biết vị trí của mình và vị trí
của các nút khác.
Giả sử rằng tất cả các nút bao gồm nguồn S, đích D và tất cả các nút chuyển
tiếp đều có nguồn năng lượng hạn chế, và do đó chúng phải thu thập năng lượng từ
một nguồn năng lượng bên ngoài. Ta ký hiệu nguồn này là B, với B là một trạm
được triển khai trong mạng nhằm cung cấp năng lượng cho các thiết bị.
Giả sử tất cả các nút đều chỉ có 01 ănten và hoạt động theo cơ chế bán song
công (half-duplex). Gọi T là tổng thời gian dành cho việc truyền dữ liệu trong một
khe thời gian. Trước khi truyền dữ liệu, tất cả các nút gồm nguồn S và các nút
chuyển tiếp Rn , n  1, 2,..., N , sẽ dành một khoảng thời gian là  T để thu thập


12

năng lượng, với

  0    1

là phần thời gian dành cho việc thu thập năng lượng.

Do đó, sử dụng công thức (1.2), năng lượng thu thập được tại nguồn và nút chuyển
tiếp Rn sẽ được tính như sau:

ES   P | hBS |2  T= PBS T,

(2.1)

ERn   P | hBR n |2  T= PBRn  T.

(2.2)

Trong các công thức (2.1) và (2.2), các ký hiệu được định nghĩa như sau:


  0 � �1

là hiệu suất chuyển đổi năng lượng (từ sóng vô tuyến nhận

được chuyển đổi thành dòng một chiều)
 P là công suất phát của trạm phát năng lượng sóng vô tuyến B
 hBS là hệ số kênh truyền fading Rayleigh giữa B và S. Trong luận văn, giả sử
tất cả các kênh truyền đều là kênh fading Rayleigh.
hBR n

là hệ số kênh truyền fading Rayleigh giữa B và Rn , với n  1, 2,..., N .
BS | hBS |2 , BRn | hBR n |2

là các độ lợi kênh truyền giữa B và S, và giữa B và

Rn , với n  1, 2,..., N .
Sau pha thu thập năng lượng với thời gian  T , khoảng thời gian còn lại dành
cho việc truyền dữ liệu sẽ là

 1    T . Ở đây, ta thấy rằng giữa nguồn S và đích D

có tất cả N  1 chặng, nên nếu tất cả các nút chuyển tiếp đều được sử dụng để gửi
dữ liệu đến đích, hệ thống phải sử dụng tất cả N  1 khe thời gian trực giao. Giả sử
mỗi khe thời gian đều có thời gian bằng nhau, thời gian dành cho mỗi khe thời gian
sẽ là:



1  T .
N 1

(2.3)


13

Hơn nữa, từ các công thức (2.1) và (2.2), ta đưa ra biểu thức tính công suất
phát trung bình của nguồn S và nút chuyển tiếp Rn trong mỗi khe thời gian như sau:

QS 

QR n 

ERn



ES  PBS T
 P

  N  1
 ,

1  T
 1    BS
N 1

(2.4)

 PBR n T
 P
  N  1
 ,
1  T
 1    BR n
N 1

(2.5)



Tiếp theo, nguyên lý hoạt động của giao thức đề xuất sẽ được mô tả. Đầu
tiên, nguồn S sử dụng khe thời gian thứ nhất để quảng bá dữ liệu đến đích và tất cả
các nút chuyển tiếp. Bởi vì công suất phát của nguồn là QS , tỷ số SNR nhận được

tại đích sẽ được tính như sau:

 SD

QS | hSD |2

N0
  N  1

 P
  .
 1    N 0 BS SD

(2.6)

Trong công thức (2.6), ta định nghĩa:



hSD là hệ số kênh truyền fading Rayleigh giữa S và D
SD | hSD |2 là độ lợi kênh truyền fading Rayleigh giữa S và D



N 0 là phương sai của nhiễu cộng. Giả sử rằng phương sai của nhiễu cộng tại



tất cả các đầu thu đều bằng nhau và bằng N 0 .
Để đơn giản cho việc trình bày, ta sử dụng ký hiệu sau:

   N  1

 P
.
 1    N0

Do đó, ta viết lại công thức (2.6) đơn giản hơn như sau:

(2.7)


14

 SD  BSSD .

(2.8)

Rồi thì, dung lượng kênh đạt được giữa nguồn và đích sẽ là:

CSD   log 2  1   SD 


 1    T log
N 1

Trong công thức (2.9), hệ số



2

 1  BSSD  .

(2.9)

1  T
N 1

là khoảng thời gian sử dụng để

gửi dữ liệu trong mỗi khe thời gian.
Tương tự, tỷ số SNR đạt được tại nút Rn khi nhận dữ liệu từ nguồn là

 SR n 

QS | hSR n |2
N0

 BSSR n .

(2.10)

Trong đó,


hSR n



SR n

là hệ số kênh truyền fading Rayleigh giữa S và Rn
| hSR n |2
là độ lợi kênh truyền giữa S và D

Tương tự (2.9), dung lượng kênh giữa nguồn S và nút chuyển tiếp Rn sẽ
được tính như sau:



CSR n   log 2 1   SR n


 1    T log
N 1

2



 1  

SR n  .

BS

(2.11)

Sau đó, đích và các nút chuyển tiếp sẽ giải mã dữ liệu. Ta giả sử rằng, đích

và nút chuyển tiếp Rn sẽ giải mã dữ liệu thành công khi dung lượng kênh đạt được

C
là CSD và SR n lớn hơn một giá trị cho trước. Ta ký hiệu giá trị này là Cth , và xác


15

suất mà đích và nút chuyển tiếp Rn có thể giải mã thành công dữ liệu của nguồn sẽ
lần lượt là:

Pr  CSD �Cth 

và



Pr CSR n �Cth

.

C  Cth
Ngược lại, nếu CSD  Cth và SR n
, ta sẽ giả sử rằng nguồn và nút
chuyển tiếp Rn không thể giải mã thành công dữ liệu nhận được từ nguồn.

Hình 2.2: Nút đích nhận dữ liệu từ nguồn thành công nên không cần sự trợ giúp từ
các nút chuyển tiếp

Ta xét trường hợp đầu tiên: Đích có thể giải mã thành công dữ liệu của

nguồn ( CSD �Cth ), trong trường hợp này, đích sẽ gửi một thông điệp ACK để thông
báo đến tất cả các nút. Bởi vì sự truyền dữ liệu đã thành công, tất cả các nút chuyển
tiếp không được sử dụng nữa (xem Hình 2.2), và nút nguồn S có thể bắt đầu truyền
dữ liệu mới đến đích D.
Ta xét trường hợp thứ hai: Đích không thể giải mã dữ liệu nguồn thành công
( CSD  Cth ), trong trường hợp này, đích sẽ gửi một thông điệp NACK để yêu cầu sự
giúp đỡ từ các nút chuyển tiếp.
Bây giờ, ta xét đến các nút chuyển tiếp, ta chia các nút chuyển tiếp ra thành
hai tập. Tập thứ nhất là tập các nút chuyển tiếp giải mã thành công dữ liệu nguồn và
tập thứ hai là tập các nút chuyển tiếp không giải mã thành công dữ liệu của nguồn.


16

Ta giả sử rằng tập giải mã thành công dữ liệu của nguồn là
với

i1,1 , i1,2 ,..., i1,t1 � 1, 2,..., N  , i1,1  i1,2  ...  i1,t1



U1  Ri1,1 , Ri1,2 ,..., Ri1,t

1

,

và t1 là số lượng các nút giải mã

thành công dữ liệu của nguồn. Do đó, các nút chuyển tiếp không giải mã được dữ



V1  Ri1,t 1 , Ri1,t  2 ,..., Ri1, N

liệu của nguồn sẽ thuộc vào tập V1 với

1

1

i1,t1 1 , i1,t1 2 ,..., i1, N � 1, 2,..., N  , i1,t1 1  i1,t1 2  ...  i1, N



với

.

Ta cũng lưu ý rằng giá trị của t1 sẽ thay đổi từ 0 cho đến N , 0 �t1 �N . Nếu

t1  0 thì tập U1 là tập rỗng, tức là không có nút chuyển tiếp nào có thể giải mã
được dữ liệu của nguồn, nói cách khác

V1   R1 , R2 ,..., RN 

. Nếu t1  N , tức là tất cả

các nút chuyển tiếp đều giải mã thành công và tập V1 sẽ trở thành tập rỗng hay nói
cách khác

U1   R1 , R2 ,..., RN 

. Nếu 0  t1  N , cả hai tập U1 và V1 đều không rỗng.

Ta sẽ minh hoạ một trường hợp 0  t1  N bằng Hình 2.3. Hình 2.3 minh hoạ
trường hợp N  6 và t1  3 , tập các nút giải mã thành công dữ liệu nguồn là

U1   R1 , R2 , R4 

tức là

i1,1  1, i1,2  2

và

giải mã thành không dữ liệu nguồn là

i1,6  6.

i1,3  4

, và tập các nút chuyển tiếp không

V1   R3 , R5 , R6 

, tức là

i1,4  3, i1,5  5

và


17

Hình 2.3: Nút đích nhận dữ liệu từ nguồn không thành công và cần sự trợ giúp từ các
nút chuyển tiếp với

U1   R1 , R2 , R4 

và

V1   R3 , R5 , R6 

Tiếp theo, ta xét đến việc chọn nút chuyển tiếp để gửi dữ liệu nguồn đến
đích. Nếu tập U1 không rỗng thì nút chuyển tiếp gần đích nhất sẽ được chọn để gửi
lại dữ liệu đến đích. Thật vậy, nếu



U1  Ri1,1 , Ri1,2 ,..., Ri1,t

1



nút chuyển tiếp được chọn để gửi lại dữ liệu đến đích là nút

và

i1,1  i1,2  ...  i1,t1

Ri1,t

1

thì

vì nút chuyển tiếp

này gần đích hơn những nút chuyển tiếp còn lại. Xem lại ví dụ trong Hình 2.3, nút
chuyển tiếp được chọn để gửi lại dữ liệu đến đích trong ví dụ này sẽ là R4 (xem
Hình 2.4).


18

Hình 2.4:

U1   R1 , R2 , R4 

và

V1   R3 , R5 , R6 

, do đó nút R4 sẽ là nút được chọn để

gửi lại dữ liệu đến đích

Rồi thì, nút chuyển tiếp

Ri1,t

1

sẽ được xem là một nguồn mới và sẽ lặp lại tiến

trình mà nút nguồn trước đó đã làm. Có nghĩa là nút chuyển tiếp này sẽ gửi dữ liệu
đến đích và các nút chuyển tiếp nằm giữa nó và nút đích. Nếu nút đích giải mã
thành công thì sự truyền dữ liệu kết thúc. Ngược lại, nút chuyển tiếp gần đích nhất
và giải mã thành công dữ liệu nhận được sẽ được chọn để gửi lại dữ liệu đến đích.
Ta xét ví dụ như trong Hình 2.4, sau khe thời gian truyền thứ nhất, nút

chuyển tiếp R4 sẽ được chọn để gửi lại dữ liệu đến đích. Sự truyền dữ liệu ở
khe thời gian thứ hai sẽ tương tự như khe thời gian thứ nhất. Thật vậy, R4 sẽ gửi dữ
liệu đến đích D, và các nút chuyển tiếp R5 và R6 cũng sẽ nhận dữ liệu từ R4 để một
lần nữa giải mã dữ liệu nguồn và sẵn sàng giúp đích D nếu được yêu cầu. Nếu nút
đích giải mã thành công dữ liệu từ R4 , đích sẽ gửi ACK và sự truyền dữ liệu kết
thúc (hai nút chuyển tiếp R5 và R6 sẽ không được sử dụng dù chúng có giải mã
thành công dữ liệu từ R4 hay không). Ngược lại, nếu nút đích giải mã không thành
công dữ liệu từ R4 , đích cũng sẽ gửi thông điệp NACK để yêu cầu hai nút chuyển
tiếp R5 và R6 gửi lại dữ liệu về đích. Nếu R5 và R6 đều không giải mã thành công,
trong trường hợp này sẽ không có nút nào gửi dữ liệu về đích. Nếu cả hai nút R5 và
R6 đều giải mã thành công, thì theo phương thức chọn lựa nút chuyển tiếp ở trên,
R6 sẽ được chọn để gửi dữ liệu đến đích. Trong trường hợp chỉ R5 hoặc R6 giải mã
thành công, thì nút giải mã thành công sẽ được sử dụng để gửi lại dữ liệu về đích
trong khe thời gian tiếp theo, và tiến trình sẽ được tiếp tục.


19

Một cách tổng quát, ta xét sự truyền dữ liệu ở khe thời gian thứ

v  1 �v �N  1 ,

nguồn phát tại khe thời gian này được ký hiệu là Sv1 . Về mặt ký

hiệu, ta có các lưu ý sau:


v là chỉ số thứ tự khe thời gian được sử dụng để gửi dữ liệu. Trong khe
thời gian thứ nhất, nút nguồn là nút sẽ gửi dữ liệu và do đó Sv1 �S .
Tương tự, trong khe thời gian thứ hai

 v  2 ,

nút chuyển tiếp được chọn

S1 �Ri1,t

để gửi dữ liệu sẽ là

(xem lại các ký hiệu ở trên).
 Xét khe thời gian thứ v, nguồn phát Sv1 gửi dữ liệu đến đích D và những
1



U v  Riv ,1 , Riv ,2 ,..., Riv ,t
v

nút chuyển tiếp nằm giữa Sv1 và D. Ta ký hiệu



là

tập các nút chuyển tiếp giải mã thành công dữ liệu được gửi đi bởi nút Sv1
, và



Vv  Riv ,t 1 , Ri1,t  2 ,..., Riv ,t  m
v

v

v

v

 , với t

v

biểu thị số lượng nút chuyển tiếp

giải mã thành công ở khe thời gian v, và mv là số lượng nút chuyển tiếp
giải mã không thành công. Ở đây, ta có:

iv ,tv 1  iv ,tv  2  ...  iv ,tv  mv

iv ,1  iv,2  ...  iv ,tv

, và

. Do đó, nếu đích không thể giải mã thành công dữ

liệu ở khe thời gian này, thì nút chuyển tiếp được chọn để gửi dữ liệu
trong khe thời gian tiếp theo là

Riv ,t �Sv 1
v

.

Tiến trình sẽ được lặp lại và chỉ kết thúc khi:
i)

Nút đích nhận được dữ liệu thành công ở bất kỳ một khe thời gian nào.
Như đã được đề cập ở trên, số khe thời gian được tối đa là N  1 . Nếu
đích có thể nhận thành công dữ liệu trong ngay khe thời gian đầu tiên


20

(nhận trực tiếp từ nguồn thành công), hệ thống sẽ tiết kiệm được N khe
ii)

thời gian còn lại.
Quá trình lặp cũng sẽ kết thúc nếu nút đích nhận không thành công từ nút

chuyển tiếp RN bởi vì giữa RN và đích D không có nút chuyển tiếp nào
khác.

iii)

Nút đích D giải mã dữ liệu không thành công từ một nguồn phát Sv1 ở
khe thời gian thứ v , tuy nhiên không có nút chuyển tiếp nào giữa nút đang
phát Sv1 và đích D nhận được dữ liệu thành công thì quá trình cũng không
lặp lại.

2.2. Hiệu năng hệ thống
Trong Chương tiếp theo, hiệu năng xác suất dừng (Outage Probability) của hệ
thống sẽ được phân tích. Xác suất dừng hệ thống được định nghĩa là xác suất mà
đích không thể nhận dữ liệu nguồn thành công khi quá trình truyền dữ liệu kết thúc.
Có nghĩa là khi tiến trình truyền dữ liệu kết thúc nhưng đích vẫn không thể nhận
được dữ liệu nguồn thành công.
Hơn nữa, để thấy được hiệu quả của việc sử dụng mô hình truyền thông cộng tác
đa chặng, luận văn sẽ so sánh hiệu năng của mô hình này với mô hình truyền đa
chặng truyền thống. Trong mô hình này (xem Hình 2.5), nguồn sẽ truyền dữ liệu
đến nút chuyển tiếp gần nhất là R1 (đích và các nút chuyển tiếp còn lại không nhận
dữ liệu từ nguồn). Sau đó, R1 sẽ gửi dữ liệu đến R2 , và tiến trình tiếp diễn cho đến
khi nút chuyển tiếp RN gửi dữ liệu đến đích. Các nút nguồn và nút chuyển tiếp sẽ
phải thu thập năng lượng từ B, tương tự như đã trình bày ở trên.
Việc thực hiện mô hình chuyển tiếp này trong thực tế đơn giản hơn mô hình đề
xuất trong luận văn, vì mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống không cần sự
đồng bộ giữa các nút chuyển tiếp. Hơn thế nữa, khi khoảng cách giữa nguồn và đích
là xa thì việc những nút chuyển tiếp có thể nhận được dữ liệu của nguồn gần như là