ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU THẬP NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG vô TUYẾN NHẬN THỨC (có code)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU THẬP
NĂNG LƯỢNG TRONG MẠNG VÔ
TUYẾN NHẬN THỨC


MỤC LỤC


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

CRN

Cognitive Radio Network

SWIPT

Simultaneous wireless information
and power transfer


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/54

CHƯƠNG 1.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề
Hiện nay, nhu cầu sử dụng mạng thông tin vô tuyến ngày càng tăng cao khiến cho
việc cải thiện chất lượng dịch vụ được chú trọng và quan tâm nhiều hơn. Nhưng
như chúng ta đã biết, phổ tần của các mạng vô tuyến chưa được sử dụng triệt để.
Câu hỏi được đặt ra ở đây là: Làm thế nào để sử dụng hiệu quả băng tần được cấp
phép? Và mạng vô tuyến nhận thức CRN (Cognitive Radio Network) chính là câu
trả lời cho câu hỏi trên. Giải pháp công nghệ này giúp ta sử dụng hiệu quả băng tần
hơn bằng cách cho phép các dịch vụ vô tuyến có thể sử dụng chung dải phổ. CRN
có ba phương thức truyền: dạng nền (underlay), dạng chồng chập (overlay), dạng
đan xen (interweave). Trong bài này, ta tập trung tìm hiểu CRN dạng nền.
Bên cạnh việc dành sự quan tâm đối với CRN, thì kỹ thuật truyền tải năng lượng và
thông tin vô tuyến đồng thời SWIPT (Simultaneous wireless information and power
transfer) cũng được các nhà nghiên cứu chú ý. Đây là một kỹ thuật hiệu quả để cung
cấp năng lượng bền vững bằng cách sử dụng tín hiệu tần số vô tuyến trong mạng vô
tuyến có năng lượng hạn chế. Trong đề tài này, em đi sâu tìm hiểu và giải quyết bài
toán khai thác tối ưu năng lượng và sử dụng hiệu quả băng tần của nguồn sơ cấp
trong CRN với relay có khả năng SWIPT.
1.2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
1.1.1 Mục tiêu
Trong đề tài nghiên cứu này em đưa ra hai mục tiêu chính như sau:
Xem xét CRN dạng nền, nơi mà relay thứ cấp thu hoạch năng lượng từ tín hiệu của
nguồn sơ cấp. Để hệ thống hoạt động bình thường và hoạt động của mạng thứ cấp
không ảnh hưởng đến chất lượng của mạng sơ cấp thì nhiễu gây ra bởi mạng thứ
cấp cho mạng sơ cấp phải dưới một ngưỡng cho phép. Việc đánh giá được xác suất
dừng (outage probability) của hệ thống rất quan trọng.

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/54

Để đảm bảo kết quả phân tích ở trên là đúng, ta phải kiểm tra được bằng cách mô
phỏng trên máy tính.
1.1.2 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào CRN, kỹ thuật truyền thông kết hợp và
CRN dạng nền.
1.3 Phương pháp thực hiện
Phương pháp thực hiện đồ án này thực hiện các bước như sau:
-

Đưa ra các giả thiết đối với hệ thống.
Giả lập hệ số kênh truyền như các biến ngẫu nhiên Gausian.
Xác định hệ số tín hiệu trên nhiễu của các quá trình truyền dẫn thông tin tại

-

các node thứ cấp.
Thiết lập điều kiện xác suất dừng: tỉ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống thứ

-

cấp phải nhỏ hơn một ngưỡng cho trước.
Thực hiện tính toán để xác định công thức xác suất dừng của hệ thống.
Tìm xác suất dừng tối ưu của hệ thống bằng cách tính đạo hàm của công thức

-

xác suất dừng vừa tìm được.

Thực hiện mô phỏng Monte Carlo để kiểm tra kết quả.

1.4 Đóng góp của đồ án
Đề tài “Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến nhận thức” đã
có những đóng góp sau:
-

Đề xuất và đánh giá hiệu năng của mô hình CRN với relay có khả năng

-

SWIPT.
Đưa ra phương pháp mới để nâng cao hiệu quả sử dụng hiệu quả băng tần
được cấp phép. Tránh lãng phí băng tần trong thời đại ma nhu cầu sử dụng
thông tin vô tuyến tăng cao như hiện nay.

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/54

CHƯƠNG 2.

LÝ THUYẾT CƠ BẢN

1.5 Tìm hiểu chung về mạng vô tuyến
1.1.3 Nguyên nhân ra đời
Khi đời sống ngày càng được cải thiện, nhu cầu ăn uống, vui chơi, giải trí, … của

con người cũng tăng theo mức sống. Và nhu cầu thông tin là một trong những nhu
cầu quan trọng. Chúng ta đã trao đổi thông tin qua thư tay đến hiện đại hơn bằng
điện thoại cố định, nhưng các phương thức trao đổi thông tin này còn rất nhiều hạn
chế và không còn đáp ứng kịp thời với sự phát triển của xã hội. Từ đó, mạng vô
tuyến ra đời. Sự ra đời của mạng vô tuyến là một bước đột phá giúp con người kết
nối với nhau nhanh hơn, bất cứ đâu và bất cứ thời gian nào.

Hình 2-1: Mạng vô tuyến

1.1.4 Mạng vô tuyến là gì?
Mạng vô tuyến là hệ thống truyền dẫn số, truyền tải thông tin trong không gian mà
không phải sử dụng dây dẫn. Thông tin trong mạng vô tuyến được truyền đi bằng
Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/54

cách bức xạ sóng điện từ từ bên phát, bên phát nhận được sóng này tách lấy thông
tin bằng cách sử dụng một số phương pháp.
1.1.5 Ưu điểm và hạn chế
 Ưu điểm:
-

Ưu điểm dễ thấy nhất của mạng vô tuyến so với mạng hữu tuyến là tính linh
hoạt. Chúng ta có thể sử dụng ở bất cứ đâu, không bị ràng buộc về không
gian cũng như thời gian.

-

Tín hiệu được truyền đi xa hơn, và trong không gian rộng hơn.

-

Tốc độ nhanh chóng.

-

Tiết kiệm chi phí, thời gian lắp đặt hơn mạng hữu tuyến.

-

Dễ thiết kế và triển khai mở rộng.

 Nhược điểm:
-

Mạng vô tuyến dễ bị ảnh hưởng bởi các tác động bên ngoài như môi trường
truyền, vật chắn, thời tiết, …

-

Khả năng bảo mật không cao bằng mạng hữu tuyến.

-

Phụ thuộc nhiều vào băng thông.

-

Dễ xảy ra giao thoa giữa các tín hiệu, làm giảm chất lượng thông tin được
truyền.
1.6 Mạng vô tuyến nhận thức

1.1.6 Nguyên nhân ra đời của mạng vô tuyến nhận thức
Hiện nay, nhu cầu sử dụng mạng thông tin vô tuyến ngày càng tăng cao khiến cho
việc cải thiện chất lượng về lưu lượng, dịch vụ được chú trọng nhiều hơn. Câu hỏi
được đặt ra là: Làm thế nào để sử dụng hiệu quả băng tần được cấp phép? Như
chúng ta đã biết, phổ tần của các mạng vô tuyến chưa thật sự được khai thác triệt
để, vấn đề này tạo ra những khoảng tần số không được sử dụng hay còn gọi là hố
Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/54

phổ. Các hố phổ này không cố định mà thay đổi liên tục theo sự thay đổi hiệu suất
sử dụng của hệ thống sơ cấp. Công nghệ vô tuyến nhận thức ra đời để sử dụng triệt
để những hố phổ này. [1]

Hình 2-2: Hố phổ

CRN được thiết kế để sử dụng và chia sẻ linh hoạt phổ mà không làm ảnh hưởng
đến hệ thống sơ cấp được cấp phép.
1.1.7 Khái niệm mạng vô tuyến nhận thức
CRN được định nghĩa như sau: Vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông vô
tuyến thông minh, nó có thể nhận thức được môi trường xung quanh, từ đó tự huấn
luyện để thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng việc thay đổi các thông số

như: công suất phát, tần số sóng mang, phương pháp điều chế,…[2].
CRN là giải pháp công nghệ đầy hứa hẹn giúp sử dụng hiệu quả băng tần. Đối với
các hệ thống thứ cấp có mức ưu tiên thấp, CRN rất phù hợp.
Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/54

1.1.8 Cấu trúc vật lí của mạng vô tuyến nhận thức
Bộ phận chính của hệ thống bao gồm hai phần là phần cao tần (RF font end) và
phần xử lý băng gốc (baseband processing unit). Hai bộ phận đều có thể được tái
cấu hình thông qua bus điều khiển (control) nhằm thích nghi với các điều kiện thay
đổi liên tục của môi trường. Phần xử lí băng gốc tương tự như các hệ thống thu phát
bình thường. Ưu điểm nổi trội của phần đầu cao tần trong hệ thống vô tuyến nhận
thức là khả năng nhận biết rộng, có thể điều chỉnh đến bất cứ phần nào trong dải
phổ rộng lớn. Hơn nữa phần cao tần có thể đo lường các thông tin phổ từ môi
trường để phục vụ cho chức năng nhận biết phổ.

Hình 2-3: Sơ đồ khổi phần vô tuyến của hệ thống vô tuyến nhận thức

-

Bộ lọc tần số (RF Filter): Chọn lọc khoảng băng thông mong muốn bằng

-

cách cho tín hiệu qua bộ lọc thông dải.
Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA-Low noise amplifier): Có tác dụng khuếch

-

đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm tín hiệu nhiễu.
Bộ trộn tần (MIXER): Tín hiệu thu được từ máy thu sẽ được trộn với tần số

-

gốc được phát ra và chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tâm.
Bộ VCO (Voltage controlled oscillator): Điều chỉnh tần số bằng điện áp, có

-

tác dụng như bộ khóa pha giúp tần số ra ổn định.
Bộ lọc lựa chọn tần số (Channel selection filter): Dùng để chọn kênh mong

-

muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận.
Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC - Automatic gain control): Là hệ thống
hồi tiếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời mở
rộng dải động, cho phép ta tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu yếu
hay mạnh bằng cách thay đổi điện áp phân cực.

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/54

-

Bộ vòng khóa pha (PLL - Phase locked loop): Là hệ thống hồi tiếp vòng kín.
Tín hiệu hồi tiếp được dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số
và pha của tín hiệu vào.

1.1.9 Đặc điểm của mạng vô tuyến nhận thức
CRN có 2 đặc điểm cơ bản sau:
-

Khả năng nhận thức: là khả năng cảm biến thông tin từ môi trường vô tuyến,
CRN có khả năng này để tránh trường hợp gây nhiễu, ảnh hưởng đến người

-

dùng chính.
Khả năng tự cấu hình: có khả năng lập trình tự động theo sự thay đổi của môi
trường vô tuyến.

1.1.10 Chức năng của mạng vô tuyến nhận thức
Bốn chức năng chính của CRN được đề cập dưới đây:
-

Nhận biết phổ: phát hiện ra những khoảng phổ trống, sử dụng những khoảng
phổ trống này để truyền tín hiệu mà không gây ảnh hưởng đến hệ thống thứ

-

cấp.

Quản lí phổ: quản lí để chọn ra khoảng phổ phù hợp và tốt nhất, đáp ứng
được yêu cầu chất lượng dịch vụ. Trong chức năng này được chia ra làm 2

-

bước là phân tích phổ và quyết định phổ.
Sử dụng phổ linh hoạt: có thể thay đổi tần số đang sử dụng linh hoạt để đảm

-

bảo chất lượng dịch vụ.
Chia sẻ phổ: chia sẻ phổ giữa các CRN để cùng sử dụng băng tần hợp lí.

1.7 Mạng vô tuyến nhận thức dạng nền
Hiện nay có 3 mô hình CRN:
Trong

Dạng nền (underlay)
Dạng chồng chập (overlay)
Dạng đan xen (interweave)
phần này ta sẽ đi sâu tìm hiểu về CRN dạng nền. Đây là mô hình được sử

dụng nhiều trong CRN. Trong mô hình này mạng thứ cấp và mạng sơ cấp hoạt động
trên cùng một tần số. Trong đó máy phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất phát để
đảm bảo nhiễu gây ra tác động lên hệ thống sơ cấp phải nhỏ hơn một ngưỡng cho

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/54

phép và không ảnh hưởng đến hoạt động của mạng sơ cấp. Do đó, vùng phủ sóng
của CRN dạng nền thường nhỏ.
1.8 Kỹ thuật SWIPT
1.1.11 Tổng quan về SWIPT
SWIPT là kỹ thuật truyền tải năng lượng và thông tin vô tuyến đồng thời. Đây là
một kỹ thuật hiệu quả để cung cấp năng lượng bền vững bằng cách sử dụng tín hiệu
tần số vô tuyến trong mạng vô tuyến có năng lượng hạn chế.
Khái niệm về SWIPT được đề xuất lần đầu tiên trong bài nghiên cứu “Transporting
information and energy simultaneously” [4] của L. R. Varshney. Giả sử rằng người
nhận có thể giải mã thông tin và thu hoạch năng lượng từ cùng một tín hiệu không
thể thực hiện được. Đề án thực tế của SWIPT là đề xuất thu hoạch năng lượng bằng
cách sử dụng thông tin nhận được từ ăng ten.
Giao tiếp hợp tác với relay hỗ trợ SWIPT đã được nhắc đến trong [2]. Các giao thức
được đề xuất cho phép thu thập năng lượng và xử lý thông tin trong một hệ thống
relay chuyển tiếp và khuếch đại. Việc thu hoạch năng lượng hỗ trợ giao thoa được
đề xuất cho hệ thống chuyển tiếp nơi mà các relay bị hạn chế về năng lượng thu
hoạch năng lượng từ tín hiệu thông tin và các tín hiệu nhiễu đồng kênh [9]. Trong
[10] đã chỉ ra 3 đề xuất khác nhau để tận dụng các relay có sẵn qua việc nghiên
cứu hình học ngẫu nhiên, mô tả chức năng mật độ cho kênh vô tuyến của relay
SWIPT được triển khai ngẫu nhiên.
1.1.12 Công nghệ của SWIPT
Trên thực tế để đạt được SWIPT, tín hiệu nhận được phải được chia thành hai bộ
phận riêng biệt. Một phần để thu năng lượng, một phần để giải mã thông tin. Các kỹ
thuật dưới đây được đề xuất để đạt được việc tách tín hiệu này trong các miền khác
nhau.

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong

mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/54

Hình 2-4: Công nghệ truyền SWPIT trong các miền khác nhau: a) thời gian, b) năng lượng,
c) ăng-ten, d) không gian [3]
1.1.1.1 Chuyển đổi thời gian TS (Time Switching)
Nếu kỹ thuật này được sử dụng, máy thu sẽ chuyển đổi theo thời gian giữa giải mã

thông tin và thu hoạch năng lượng. Trong trường hợp này, việc tách tín hiệu được
thực hiện trong miền thời gian. Do đó, toàn bộ tín hiệu nhận được trong một khe
thời gian được sử dụng để giải mã thông tin hoặc truyền năng lượng. Kỹ thuật
chuyển đổi thời gian cho phép thực hiện phần cứng đơn giản tại người nhận nhưng
yêu cầu đồng bộ hóa thời gian và kế hoạch thông tin, năng lượng chính xác.
Phân chia năng lượng PS (Power Splitting)
Kỹ thuật này thực hiện tách tín hiệu nhận được trong hai luồng ở các mức công suất
1.1.1.2

khác nhau. Một luồng để thu năng lượng, một luồng để giải mã thông tin. Kỹ thuật
này đòi hỏi độ phức tạp của máy thu cao hơn so với kỹ thuật chuyển đổi thời gian
và yêu cầu tối ưu hóa hệ số α. Tuy nhiên, ưu điểm của kỹ thuật này là nó đạt được
SWIPT tức thời. Vì tín hiệu nhận được trong một khe thời gian được sử dụng cho cả
giải mã thông tin và truyền tải điện. Do đó, kỹ thuật này phù hợp với các ứng dụng
có thông tin, năng lượng quan trọng.
1.1.1.3

Chuyển mạch ăng-ten AS (Antenna Switching)

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/54

Kỹ thuật chuyển mạch ăng-ten tự động chuyển đỏi từng phần tử ăng-ten giữa giải
mã và chỉnh lưu để đạt được SWIPT trong miền ăng-ten.
Chuyển đổi không gian
Kỹ thuật này có thể áp dụng đối với các cấu hình MIMO (Multi-input Multi-output)
1.1.1.4

và đạt được SWIPT trong miền không gian bằng cách khai thác nhiều mức độ tự do
của kênh giao thoa. Dựa vào việc phân tích các giá trị số ít của kênh MIMO, liên
kết chuyển tiếp được biến đổi thành các kênh riêng song song mà có thể truyền đạt
thông tin hoặc năng lượng. Ở đầu ra của mỗi kênh này có một công tắc. Công tắc
này điều khiển đầu ra kênh đến mạch giải mã thông thường hoặc mạch chỉnh lưu.
1.9 Sự kết hợp của CRN và relay cho phép SWIPT
CRN kết hợp kỹ thuật truyền tải năng lượng và thông tin vô tuyến đồng thời đã
được nghiên cứu để tăng hiệu suất năng lượng và hiệu suất phổ [7]. Việc hợp tác tối
ưu giữa người dùng sơ cấp và người dùng thứ cấp được nghiên cứu để cải thiện
thông lượng đạt được khi nguồn thứ cấp được hỗ trợ bởi các tín hiệu RF xung
quanh hoạt động như chuyển tiếp hợp tác cho người dùng sơ cấp [7]. Kỹ thuật thu
hoạch năng lượng vô tuyến và truyền thông tin được đề xuất. Người dùng thứ cấp
thu hoạch năng lượng của tín hiệu nhận được từ nguồn sơ cấp [11]. Xác suất dừng
của hệ thống thứ cấp được phân tích trong CRN dạng nền. Tại đây, relay SWIPT
thứ cấp thu hoạch năng lượng từ tín hiệu của người dùng sơ cấp. Tuy nhiên, nếu
máy phát của hệ thống sơ cấp nằm cách xa relay thứ cấp [8], lượng năng lượng thu
hoạch được tại relay có thể không đủ để chuyển tiếp tín hiệu đến người dùng thứ

cấp.
Để khắc phục vấn đề này, chúng ta xét CRN dạng nền với một relay SWIPT thứ cấp
để có thể thu hoạch năng lượng từ tín hiệu của nguồn sơ cấp. Chúng ta nhận được
xác suất dừng của hệ thống thứ cấp và thu được khoảng thời gian thu hoạch năng
lượng mà tại đó xác suất dừng được giảm thiểu.

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/54

Hình 2-5: Mô hình hệ thống

1.10 Giao thức giải mã và chuyển tiếp DF (Decode and Forward)

Hình 2-6: Giao thức giải mã và chuyển tiếp

Đây là giao thức giải mã và chuyển tiếp. Đầu tiên, tín hiệu từ nguồn được truyền
đến relay. Relay nhận thông tin, giải mã tín hiệu sau đó mã hóa và truyền đến đích.
Giao thức này relay không thực hiện nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu vì vậy nhiễu
cũng không được khuếch đại nên được xem là phương thức truyền tối ưu nhất.
Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/54

1.11 Định luật Shannon
Vào năm 1948, nhà toán học Shannon đã trình bày công thức về thông lương kênh,
được gọi là định luật Shannon.
Định luật Shannon được dùng để tính thông lượng kênh, chính là tốc độ bit lớn nhất
mà ta có thể thông tin qua kênh mà không làm méo tín hiệu
C = W log2 (1 + S/N)
Trong đó:
C: thông lượng kênh [bps]
W: băng thông kênh truyền [Hz]
S: công suất của tín hiệu được truyền đi [W]
N: công suất của nhiễu [W]
S/N: tỉ số tín hiệu trên nhiễu
1.12 Hàm mật độ xác suất PDF (Probability Density Function )
Hàm mật độ xác dùng để biểu diễn một phân bố xác suất theo tích phân của một
biến ngẫu nhiên liên tục. Hàm này luôn có giá trị không âm và tích phân
của nó từ −∞ tới +∞ có giá trị bằng 1.
(2.1)

CHƯƠNG 3.

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ THU THẬP NĂNG LƯỢNG
TRONG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/54

1.13 Mô hình hệ thống
Ta bắt đầu bằng việc xét một hệ thống CRN dạng nền bao gồm:
-

Người dùng sơ cấp (pu)

-

Nguồn thứ cấp (ss)

-

Relay giải mã, chuyển tiếp SWIPT thứ cấp (sr)

-

Đích đến thứ cấp (sd)

Sơ đồ hệ thống như hình 2-5 ở trên.
Giả sử mỗi nút có một anten và hoạt động trong chế độ bán song công. Giả sử
không có đường truyền trực tiếp giữa ss và sd. Ta lại tiếp tục đưa ra giả sử: giao
thoa từ nguồn sơ cấp không xảy ra vì nguồn sơ cấp nằm cách xa relay và đích thứ
cấp.[8]
Giả sử kênh có một nhiễu Gausian trắng cộng với kỳ vọng bằng 0 và phương sai N 0.
Hệ số kênh giữa nút i và nút j, hi,j, i, j ∈ {pu, ss, sr, sd}, được mô hình hóa như một
biến ngẫu nhiên Gaussian đối xứng tròn với kỳ vọng bằng 0 độc lập có phương sai .
Giả sử hi,j là hằng số trong một khung có chiều dài T và biến đổi từ một khung khác.
Trong một khung có 2 giai đoạn: giai đoạn thu hoạch năng lượng có độ dài αT và
giai đoạn truyền dẫn thông tin có độ dài (1 – α)T với α ∈ [0,1].
Trong giai đoạn thu hoạch năng lượng, ss truyền tín hiệu tới sr với công suất là P ss.

Để đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ, không gây nhiễu cho người dùng sơ cấp thì
công suất giao thoa tại pu phải dưới một mức cho phép.

Ta có:

(3.1)

Năng lượng thu hoạch được:
(3.2)
Với là hệ số thu hoạch năng lượng
Công suất phát của sr được giới hạn bởi
Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/54

(3.3)
Sr truyền một tín hiệu có công suất là Psr , công suất này bị hạn chế bởi cũng như
bởi Q tại pu
(3.4)
Còn ở quá trình truyền dẫn thông tin, ss truyền tín hiệu thông tin đến sd qua sr. Quá
trình này được chia làm 2 giai đoạn nhỏ có chiều dài là
Tại giai đoạn đầu tiên của quá trình truyền dẫn thông tin, ss truyền một tín hiệu
thông tin có công suất đến sr. sr cố gắng để giải mã và mã hóa lại Tín hiệu nhận
được tại sr được cho bởi công thức
(3.5)
Trong đó: là nhiễu
Tại giai đoạn thứ hai của quá trình truyền dẫn thông tin, sr truyền dẫn tín hiệu đã

được mã hóa lại có công suất là đến sd. Tín hiệu nhận được tại sd được cho bởi
công thức sau:
(3.6)
Trong đó là nhiễu
Hệ số tín hiệu trên nhiễu tại sr trong giai đoạn thứ nhất và sd trong giai đoạn thứ hai
của quá trình truyền dẫn thông tin được cho bởi công thức sau:
(3.7)
(3.8)
1.14 Phân tích xác suất dừng và xác suất dừng tối thiểu
1.1.13 Phân tích xác suất dừng
 Điều kiện xảy ra xác suất dừng:
Xác suất dừng xảy ra tại sd nếu lượng tin tương hỗ truyền giữa ss và sd xuống dưới
một tỉ lệ cho trước. Lượng tin tương hỗ này được cho bởi công thức:
(3.9)
Xác suất dừng tại sd:

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/54

+

(3.10)

Đặt có trị trung bình phân bố theo hàm mũ là
Ta có:




Ta có:
=
=
Đặt:

; ;
(3.11)

(3.12)
Trong đó: là hàm mật độ xác suất (PDF) của U và khớp với hàm mật độ xác suất
của U, ,. Hàm mật độ xác suất của U được cho bởi công thức: [5]
(3.13)
Khi U,Xsr,sd và Xsr,pu độc lập với nhau, hàm PDF được viết:
(3.14)

Vậy

(3.15)

Trong đó:
Được khai triển thành:

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/54

(3.16)
Với

(17)
1.1.14 Tối ưu xác suất dừng
Xác suất dừng của hệ thống sẽ được giảm thiểu bằng cách tối ưu giá trị của α, giá trị
của α nằm trong khoảng [0,1]. Khi đó, Pout liên tục và thay đổi theo giá trị α.

Giá

trị tối ưu của α thu được bằng cách giải quyết công thức sau:
(18)

CHƯƠNG 4.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

1.15 Mục đích mô phỏng
Việc mô phỏng này nhằm kiểm tra độ chính xác của các công thức đã chứng minh
trên. Ta mô phỏng trên Matlab sử dụng Monte Carlo Simulation để mô phỏng, đây
là một kỹ thuật phân tích dựa trên các biến số ngẫu nhiên.
1.16 Kết quả mô phỏng
1.1.15 Xác suất dừng hệ thống theo Q/N0, α = 0.5
Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/54

Giả sử rằng :
•

Độ dài khung T = 1

•

Hiệu quả thu hoạch năng lượng η = 1,

•

Phương sai

•

Phương sai N0 = 1

•

α = 0.5

Hình 4-1 bên dưới thể hiện xác suất dừng hệ thống theo Q/No với α = 0.5. Giá trị
của R thay đổi lần lượt 0.25, 0.5, 1 bps/Hz. Dựa vào đồ thị và sự hoàn toàn trùng
khớp của các đường theo mô phỏng và theo tính toán, ta chỉ ra rằng các công thức ta
phân tích là đúng.
Khi Q/No tăng dần từ -10 đến 20, thì xác suất dừng của hệ thống giảm. Xác suất
dừng của hệ thống bắt đầu giảm mạnh khi Q/No bằng 5 trở đi.

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong

mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/54

Hình 4-7: Xác suất dừng hệ thống theo Q/No, α = 0.5

1.1.16 Xác suất dừng hệ thống theo α, R = 0.5 bps/Hz

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/54

Hình 4-8: Xác suất dừng hệ thống theo α, R= 0.5 bps/Hz

Hình 4-2 biểu diễn xác suất dừng của hệ thống theo α, R= 0.5 bps/Hz. Q/No thay
đổi các giá trị khác nhau lần lượt là 0,5,10,15,20 dB. Kết quả mô phỏng xác suất
dừng giảm khi Q/No tăng cho tất cả các phạm vi của α. Nó chỉ ra giá trị tối ưu của
α, điều này giảm thiểu xác suất dừng tăng khi Q/No tăng. Trong khoảng giá trị α từ
0.9 đến 1, xác suất dừng ở tất cả trường hợp đều như nhau.
1.1.17 Xác suất dừng hệ thống theo R, QdB = 10

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 23/54

Hình 4-9: Xác suất dừng hệ thống theo R. QdB = 10

Hình 4-3 biểu diễn xác suất dừng hệ thống theo R, QdB = 10. Giá trị của R thay đổi
lần lượt là 0.2, 0.5, 0.8. Trong mọi trường hợp, xác suất dừng tăng khi R tăng trong
khoảng từ 0 đến 1.5. Khi R càng tiến về 1.5 thì xác suất dừng trong các trường hợp
càng giống nhau.

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 24/54

1.1.18 Giá trị tối ưu của α theo Q/No

Hình 4-10: Giá trị tối ưu của α theo Q/No

Tại giá trị Q/No = 6, giá trị tối ưu của α tại R = 0.5 và R = 1 bằng nhau bằng khoảng
0.25.
Giá trị tối ưu của α có khuynh hướng tăng trong khoảng -7 đến 5 dB và giảm nhanh
trong khoảng từ 15 đến 20.
1.1.19 Xác suất dừng hệ thống theo Q/No, R = 0.5 bps/Hz

Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 25/54

Hình 4-11: Xác suất dừng hệ thống theo Q/No, R = 0.5 bps/Hz so sánh với xác suất dừng tối
ưu

Hình 4-4 thể hiện xác suất dừng hệ thống theo Q/No, R = 0.5 bps/Hz. Nó thể hiện
xác suất dừng cho các giá trị tối ưu của α thấp hơn giá trị của α tại 0.1, 0.5, 0.7.
Trong khoảng Q/No từ -10 đến -4 dB, xác suất dừng cho giá trị tối ưu của α cao hơn
của giá trị của α tại 0.1.
Đánh giá hiệu quả thu thập năng lượng trong
mạng vô tuyến nhận thức