TÌM HIỂU và để XUẤT GIAO THỨC mới CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG vô TUYẾN BẰNG kỹ THUẬT DF (có code)

1

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU VÀ ĐỂ XUẤT GIAO THỨC
MỚI CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP
TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
BẰNG KỸ THUẬT DF


2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tên tiếng anh

Tên tiếng Việt

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gauss trắng cộng

DF

Decode and Forward

Giải mã và chuyển tiếp

BRS

Best Relay Selection

Lựa chọn relay tốt nhất

RRS

Random Relay Selection

Lựa chọn relay ngẫu nhiên

TS

Time Switching

Chuyển mạch thời gian

PS

Power Splitting

Phân chia công suất

FTSAPS

Fixed Time Switching Adaptive Chuyển mạch thời gian cố
Power Splitting

định và phân chia công suất

3

đáp ứng

FTSFPS

Fixed

Time

Switching

Fixed

Power Splitting

Chuyển mạch thời gian cố
định và phân chia công suất
cố định

CDF

Cumulative Distribution Function

Hàm phân bố tích lũy

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

OP

Outage Probability

Xác suất dừng hệ thống

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Đa đầu vào đa đầu ra

EHN

Energy Harvesting Network

Mạng thu năng lượng

SWIPT

Simultaneous Wireless Information Truyền thông tin và năng
and Power Transfer

lượng vô tuyến đồng thời


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 1/57

CHƯƠNG 1.

MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài
Hiện nay truyền thông vô tuyến đang phát triển với tốc độ rất nhanh và góp phần
rất lớn trong việc thay đổi nâng cao cuộc sống của con người. Hệ thống thông tin vô
tuyến, hệ thống điện thoại di động ngày càng cần tốc độ truyền dữ liệu nhanh hơn, ít
tiêu tốn năng lượng hơn và độ tin cậy cao hơn trong khi vẫn giữ được chất lượng
dịch vụ. Nhu cầu của con người đối với truyền thông vô tuyến ngày càng tăng từ đó
dẫn đến sự phát triển không ngừng của lĩnh vực này.
Trong truyền thông vô tuyến (Wireless Communications), không gian tự do
chính là môi trường truyền dẫn, thông tin được truyền đi từ máy phát đến máy thu
bằng sóng điện từ. Truyền thông vô tuyến với tính năng linh hoạt và di động vì thế
hệ thống này nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu.
Để có thể đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng, các kỹ thuật phân tập được sử
dụng để nâng cao tốc độ dữ liệu và truyền thông hợp tác là một kỹ thuật mới với

thiết bị đầu cuối di động sử dụng một ăn-ten hoạt động trong môi trường nhiều thuê
bao có khả năng tạo ra máy thu phát đa ăn-ten ảo cho phép chúng hợp tác thực hiện
việc truyền phân tập rất hiệu quả.
Đối với truyền thông hợp tác thì máy chuyển tiếp được đặt vào giữa máy nguồn
và máy đích. Vì thế, các kênh truyền chuyển tiếp này được coi là các kênh hỗ trợ
cho kênh truyền trực tiếp. Kênh chuyển tiếp được coi như kênh MIMO giữa nguồn
và đích đến và fading của nó độc lập với các kênh trực tiếp nên những máy chuyển
tiếp này có thể được sử dụng để tạo ra đường đi độc lập giữa máy nguồn và máy
đích. Máy chuyển tiếp tín hiệu nhận được tín hiệu từ máy nguồn sau đó xử lý và
truyền lại các tín hiệu này đến máy đích.
Hiện tại có rất nhiều ứng dụng trên các thiết bị không dây vì vậy nó gây ra sự
tiêu hao năng lượng ngày càng lớn. Và hướng giải quyết để đáp ứng nhu cầu hiện
tại là việc tạo ra những loại pin có dung lượng lớn. Vì thế, việc nạp năng lượng
nhanh, tiện lợi và an toàn cũng là một trong những giải pháp mà nhiều cơ quan

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/57

nghiên cứu, hãng sản xuất trên thế giới đang theo đuổi và tìm hướng phát triển. Có
rất nhiều cách để nạp năng lượng nhưng nạp không dây vẫn là cách thuận tiện, dễ
dàng và an toàn.
Một số ví dụ của nạp năng lượng không dây là nạp bằng năng lượng nhiệt, năng
lượng mặt trời và năng lượng sóng vô tuyến. Hiện tại, công nghệ nạp năng lượng
bằng sóng vô tuyến vẫn đang trong quá trình phát triển và hoàn thiện nhưng có thể
nói nó là công nghệ mới nhất.

Một trạm năng lượng vô tuyến bao gồm một điểm truy cập có nguồn không đổi,
nó phát tín hiệu vô tuyến mang cả thông tin và năng lượng đến các thiết bị đầu cuối.
Và khi đó các thiết bị đầu cuối diễn ra một số hoạt động như sau, một số hoạt động
như máy thu thông tin giải mã tín hiệu nhận được và một số khác chỉ nhận năng
lượng bằng cách nạp năng lượng từ sóng điện từ. Vì phải truyền qua môi trường vô
tuyến nên suy hao khá lớn và để khắc phục điều này nên các thiết bị nạp năng lượng
phải được triển khai, lắp đặt gần điểm truy cập. Và điều này ảnh hưởng như thế nào
đến việc truyền thông tin mà điểm truy cập gửi cho các máy thu thông tin. Trong
mạng hợp tác (chuyển tiếp), các nút chuyển tiếp thu năng lượng rồi sau đó dùng
năng lượng này để xử lý và chuyển tiếp gói tin đến nguồn, hiệu năng của mạng này
như thế nào? Làm thế nào để nâng cao hiệu năng hệ thống mạng chuyển tiếp? Đó
cũng là lý do tôi chọn đề tài: TÌM HIỂU VÀ ĐỀ XUẤT GIAO THỨC MỚI
CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN BẰNG
KỸ THUẬT DF.
1.2 Tổng quan về vấn về nghiên cứu
Truyền năng lượng thông qua sóng vô tuyến (RF) là giải pháp mới nhằm kéo dài
thời gian hoạt động của thiết bị hoạt động trong mạng không dây (vô tuyến). Trong
đồ án tốt nghiệp: Tìm hiểu và đề xuất giao thức mới cho mạng chuyển tiếp truyền
năng lượng vô tuyến bằng kỹ thuật DF này, tôi thực hiện khảo sát hiệu năng của hệ
thống truyền thông hợp tác với một trạm nguồn vừa phát năng lượng RF vừa truyền
thông tin, N máy chuyển tiếp và một máy đích. Máy chuyển tiếp sử dụng cơ chế
giải mã-chuyển tiếp hợp tác với trạm nguồn chuyển thông tin đến đích nhằm nâng

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 3/57

cao hiệu năng của hệ thống. Từ đặc tính thống kê của tỉ số tín hiệu trên nhiễu
(SNR), đồ án tốt nghiệp này xây dựng công thức tính xác suất dừng hệ thống, thông
lượng dùng để khảo sát, đánh giá và so sánh hiệu năng của hệ thống. Cuối cùng, tôi
sử dụng mô phỏng Monte-Carlo để kiểm chứng kết quả phân tích này. Sự trùng
khớp giữa kết quả phân tích và kết quả mô phỏng đã kiểm chứng tính đúng đắn của
kết quả phân tích.
1.3 Mục tiêu
 Nắm rõ được phương thức chuyển tiếp DF trong mạng vô tuyến truyền năng
lượng
 Xây dựng mô hình hệ thống và giao thức nghiên cứu.
 Xây dựng công thức tính toán tường minh như xác suất dừng (OP) và thông
lượng để đánh giá hệ thống.
 Xây dựng chương trình mô phỏng.
 Hoàn thiện và viết báo cáo.
1.4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.1.1 Đối tượng nghiên cứu
 Kênh truyền vô tuyến: Nakagami-m.
 Phương thức chuyển tiếp: Giải mã và chuyển tiếp – DF (Decode and
Forward)
 Các tham số đánh giá hệ thống: Xác suất dừng hệ thống, thông lượng.
1.1.2 Phạm vi nghiên cứu
 Mạng chuyển tiếp truyền năng lượng vô tuyến.
 Hệ thống viễn thông và xác suất thống kê.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
 Phân tích và tổng hợp thông tin.
 Phân tích theo đặc tính của hệ thống.
 Phân tích đánh giá kết quả.

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng

Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 4/57

CHƯƠNG 2.

TỔNG QUAN VỀ MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP VÀ
TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

1.6 Giới thiệu
Hiện nay các thiết bị không dây (điện thoại, laptop, máy tính bảng,...) đang ngày
càng trở nên rất phổ biến và là một phần không thể thiếu cho cuộc sống vì nó mang
lại rất nhiều lợi ích cho người dùng, ví dụ như: điện thoại thông minh (gọi điện,
nhắn tin, chụp hình, quay phim,...), thương mại (mua, bán trực tuyến,...), tiếp thị

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/57

(tìm kiếm, quảng cáo,...) hoặc đơn giản là phục vụ giải trí (xem phim, chơi game,
nghe nhạc, ,...). Vì thế nên yêu cầu kết nối giữa các thiết bị không dây hay người
dùng với nhau là cần thiết. Để đáp ứng được những nhu cầu như thế này thì mạng
vô tuyến (không dây) đã ra đời. Ví dụ như : Wifi, bluetooth,...

Hình 2.1: Kết nối không dây.
Với tốc độ phát triển không ngừng của mạng vô tuyến cũng như nhu cầu sử
dụng các dịch vụ vô tuyến hiện tại ngày càng tăng lên, vì thế nó dẫn đến những vấn
đề, những thách thức không nhỏ về phạm vi vùng phủ sóng, chất lượng đường
truyền và đặc biệt, quan trọng là tốc độ truy cập. Một trong các giải pháp tối ưu
nhằm khắc phục tất cả các tình trạng đã nêu như trên là sử dụng hệ thống mạng
chuyển tiếp.

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/57

Hình 2.2: Mô hình mạng trực tiếp và chuyển tiếp.
Đây là hệ thống mạng còn khá mới mẻ nhưng nó có tiềm năng phát triển rất lớn
trong tương lai. Cách thức hoạt động của mạng chuyển tiếp là dựa trên các nút trung
gian (nút chuyển tiếp) để chuyển tiếp dữ liệu từ máy nguồn đến máy đích, vì vậy nó
cho phép kéo dài cự ly liên lạc và từ đó mở rộng phạm vi vùng phủ sóng. Đặc biệt
nhờ sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp nên các nút trung gian có thể sử dụng công suất
phát thấp hơn nhưng vẫn đảm bảo được chất lượng dịch vụ và làm giảm đáng kể
hiện tượng can nhiễu đến hệ thống mạng.
Để cho các thiết bị không dây có thể kéo dài thời gian hoạt động hơn thì công
nghệ tăng dung lượng pin là một trong những giải pháp tốt nhất. Trong khi các thiết
bị này liên tục thay đổi về cấu hình, công nghệ, hiệu năng thì dung lượng pin hiện
nay vẫn chưa thể đáp ứng được nhu cầu của người dùng khi mà những thiết bị được
ứng dụng như smart phone, máy tính bảng... đang ngày càng ngốn nhiều dung

lượng pin hơn. Vì không thể đáp ứng đủ nhu cầu về thời lượng sử dụng nên người
dùng phải cắm sạc thường xuyên và gây mất nhiều thời gian, phiền toái. Vì vậy mà
nhiều người dùng đang trông chờ vào một loại pin mới hoặc những giải pháp khả
thi có thể cải thiện và giải quyết triệt để vấn đề này.

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 7/57

Có nhiều cách để nạp năng lượng, sạc pin (có dây và không dây), nhưng nạp
không dây thì vẫn thuận tiện và an toàn nhất. Ví dụ như nạp bằng năng lượng mặt
trời, năng lượng nhiệt và năng lượng sóng vô tuyến. Và công nghệ nạp năng lượng
bằng sóng vô tuyến là công nghệ mới nhất và có lẽ cũng là công nghệ được ứng
dụng rất được kì vọng đem lại sự hiệu quả tối ưu cho tương lai.
Một trong những phương pháp bổ sung trong việc cấp năng lượng cho hệ thống
mạng vô tuyến thế hệ tiếp theo đó chính là kỹ thuật truyền và thu năng lượng sóng
vô tuyến (Radio Frequency – RF). Kỹ thuật này cho phép cung cấp năng lượng cho
các thiết bị không dây thông qua sóng RF bởi trạm năng lượng vô tuyến chuyên
dụng cố định hoặc từ các thiết bị không dây khác. Đây chính là giải pháp đầy tiềm
năng cho những mạng vô tuyến mà vốn dĩ bị hạn chế về mặt năng lượng. Thông
thường các mạng không dây khá hạn chế năng lượng ví dụ như: mạng cảm biến
không dây, nó có thời gian hoạt động giới hạn dẫn đến hạn chế hiệu suất mạng.
Ngược lại, đối với mạng thu năng lượng RF (Radio Frequency Energy Harvesting
Network RF-EHN) [8], nó có một nguồn cung cấp năng lượng không hạn chế từ
môi trường vô tuyến có thể cho phép những thiết bị vô tuyến thu hoạch năng lượng
từ tín hiệu RF dùng cho việc xử lý và truyền thông tin của chúng.

Hệ thống mạng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời có ưu điểm là
giá thành thấp và không cần thay đổi nhiều phần cứng của máy phát. Nhưng với
những nghiên cứu gần đây đã cho thấy việc tối ưu giữa truyền thông tin và năng
lượng vô tuyến phải trả giá cho việc thiết kế hệ thống vô tuyến. Nguyên nhân là do
tín hiệu vô tuyến quyết định đến chất lượng thông tin và hai thứ này không thể đạt
cực đại đồng thời. Vì vậy ta phải thiết kế lại hệ thống mạng không dây hiện có.
Truyền thông vô tuyến phát triển mạnh mẽ và được ứng dụng rộng rãi cũng do
những nhu cầu thực tiễn hiện tại. Vì thế mà hiện tại có rất nhiều nhà khoa học quan
tâm đến việc nghiên cứu và cải tiến các giao thức mạng nhằm nâng cao tốc độ
truyền dẫn và chất lượng của hệ thống, một trong số đó có hệ thống mạng hợp tác
truyền năng lượng vô tuyến. Mạng này có thể được mô tả đơn giản gồm một trạm
nguồn vừa truyền thông tin vừa truyền năng lượng, một hoặc nhiều máy chuyển tiếp

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/57

có năng lượng giới hạn bởi khả năng thu được năng lượng vô tuyến từ trạm nguồn
và một máy đích.

Hình 2.3: Mô hình mạng hợp tác.
Tuy nhiên, hệ thống mạng chuyển tiếp truyền năng lượng cũng phải đối mặt với
rất nhiều thách thức như: khó khăn trong việc giám sát, quản lý tài nguyên và năng
lượng, sự tiêu hao năng lượng, sự suy hao của các tín hiệu, giới hạn về khoảng cách
của các thiết bị tham gia vào hệ thống truyền thông. Để truyền thông hợp tác và
truyền năng lượng vô tuyến được ứng dụng rộng rãi trong cuộc sống thì chúng ta

phải cải thiện, phát triển hệ thống để vượt qua được tất cả các thách thức nêu trên.
1.7 Mạng vô tuyến, truyền thông vô tuyến.
1.1.3 Truyền thông vô tuyến
Truyền thông vô tuyến là một phần của hệ thống truyền dẫn số. Là tập hợp các
phương tiện (bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm) được sử dụng để truyền
tín hiệu số từ lối ra của thiết bị tạo khuôn ở phần phát tới đầu vào thiết bị tái tạo
khuôn thông tin ở phần thu hệ thống thông tin số. Thông tin vô tuyến được truyền đi
bằng cách bức xạ sóng điện từ trong môi trường không gian tự do từ bên phát và
phía bên thu sẽ nhận sóng điện từ trong không gian sau đó sẽ tách lấy tín hiệu gốc.
1.1.4 Mạng vô tuyến

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 9/57

1.1.1.1 Khái niệm
Mạng vô tuyến (mạng không dây) là một hệ thống các thiết bị được nhóm lại với
nhau và chúng có khả năng giao tiếp thông qua sóng vô tuyến thay vì các đường
truyền dẫn bằng dây (cáp). Ta có thể nói mạng không dây là mạng sử dụng công
nghệ mà cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau bằng cách sử dụng một
giao thức chuẩn nhưng tiện dụng hơn vì không cần kết nối vật lý hay chính xác hơn
là không cần sử dụng dây mạng (cáp).
1.1.1.2 Ưu điểm và khuyết điểm
 Ưu điểm
Thuận lợi: Dễ dàng kết nối vào mạng không dây một cách nhanh chóng đối với
người sử dụng vì không cần dây cáp để kết nối mạng như mạng hữu tuyến. Có thể

truy xuất đến mọi nơi trong vùng mà mạng được phủ sóng như trong những cao ốc,
tòa nhà,…Rất thuận lợi khi ngày nay các thiết bị có hỗ trợ thu phát vô tuyến như
máy tính xách tay, máy tính bảng, điện thoại thông minh…
Linh động: Ta có thể sử dụng thông tin vô tuyến mọi lúc mọi nơi mà không phụ
thuộc vào các trạm thông tin sử dụng cố định bởi sự kết nối bằng dây cáp của mạng
hữu tuyến.
Dễ thiết kế và triển khai mở rộng: Khi thiết kế chỉ cần tuân theo quy chuẩn nhất
định về một điểm truy cập thì có thể hoạt động và việc mở rộng khi có thêm các nút
mới gia nhập mạng rất dễ dàng vì chỉ cần điều chỉnh bộ thu phát không dây trên
thiết bị đó trong hệ thống mạng vô tuyến.
Bền vững: Nếu có sự cố xảy ra thì mạng hữu tuyến bị phá hủy và việc sửa chữa,
thiết lập để hoạt động trở lại bình thường là rất khó vì nó được kết nối bằng dây cáp
ta phải mất rất nhiều thời gian để tìm ra nguyên nhân, trong khi đó đối với mạng vô
tuyến thì việc sửa chữa diễn ra dễ hơn rất nhiều.
 Nhược điểm

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 10/57

Điều đầu tiên mà chúng ta phải quan tâm đến là vấn đề an toàn thông tin và bảo
mật dữ liệu trong mạng vô tuyến vì truyền thông trong một môi trường truyền lan
phủ sóng nên việc truy cập tài nguyên trái phép là việc rất khó tránh khỏi. Nếu so
sánh với mạng hữu tuyến vì mạng vô tuyến có sự bảo mật thông tin kém hơn rất
nhiều.
Thứ hai là vì các thiết bị truyền bằng sóng vô tuyến nên rất thường xảy ra các

vấn đề như fading, nhiễu và tín hiệu bị suy giảm do tác động ảnh hưởng của các
thiết bị khác, do môi trường… Tất cả những vấn đề trêm đều làm ảnh hưởng đáng
kể đến chất lượng của mạng.
Cuối cùng chất lượng dịch vụ của mạng vô tuyến cũng thấp hơn mạng hữu tuyến
vì phải truyền trong môi trường vô tuyến nên mạng vô tuyến sẽ có tốc độ truyền
thấp hơn, tỉ lệ lỗi cũng nhiều hơn. Phạm vi hoạt động của mạng vô tuyến cũng bị
hạn chế do mạng vô tuyến chỉ hoạt động được trong vùng được phủ sóng. Các thiết
bị sử dụng trong mạng vô tuyến cũng có giá thành cao hơn so với mạng hữu tuyến.
1.8 Thu thập năng lượng vô tuyến (Radio Frequency Energy Harvesting- RF EH)
1.1.5 Giới thiệu
Qua vài thập kỷ với sự phát triển của mạch thu năng lượng RF thì việc truyền
năng lượng thấp cho các thiết bị di động trong hệ thống không dây đã thu hút được
rất nhiều sự chú ý của giới khoa học nói riêng cũng như trên toàn thế giới nói chung
[1,2]. Một giao thức thu năng lượng và truyền (harvert-then-transmit) [2] được đề
xuất cho mạng không dây kết hợp với truyền năng lượng. Để cải thiện hiệu quả của
việc truyền năng lượng không dây cho các thiết bị di động thì cũng có rất nhiều kỹ
thuật định hướng ăn-ten mới được triển khai [2,3]. Đến hiện tại thì việc sử dụng tín
hiệu RF cho hai mục đích truyền năng lượng và truyền thông tin đã được chấp nhận
và áp dụng rộng rãi [4,5]. Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng
thời (Simultaneous wireless information and power transfer – SWIPT) [6] được đề
xuất để truyền năng lượng RF ở trong vùng năng lượng thấp như mạng cảm biến
không dây. SWIPT có ưu điểm trong việc khống chế để đảm bảo yêu cầu về truyền

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/57

năng lượng và thông tin đồng thời với giá thành thấp mà không cần phải thay thế
nhiều về phần cứng. Nhưng theo những nghiên cứu mới nhất cho thấy việc tối ưu
hóa giữa truyền thông tin và năng lượng vô tuyến phải trả giá cho việc thiết kế hệ
thống vô tuyến [4,7]. Kết luận rằng, lượng thông tin truyền và năng lượng truyền
không thể đạt được cực đại đồng thời vì thế phải thiết kế lại hệ thống mạng không
dây.
Khác với các phương pháp thu hoạch năng lượng khác như năng lượng mặt trời,
năng lượng gió,..., phương pháp thu hoạch sóng vô tuyến có thể vượt qua được một
số điều kiện khách quan bên ngoài như ngày và đêm, điều kiện thời tiết. Vì thế thu
hoạch 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 hoạch năng
lượng có thể được thực hiện đồng thời qua việc phát sóng vô tuyến. Đây chính là ưu
điểm của thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến cho các thiết bị truyền thông vô
tuyến.

1.1.6 Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng

Hình 2.4: Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng.

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 12/57

Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng điển hình của một mạng thu thập năng
lượng RF (Radio Frequency Energy Harvesting Network - RF-EHN) [8] có ba

thành phần chính là cồng thông tin, nguồn năng lượng RF và mạng nút mạng/thiết
bị.
 Các cổng thông tin thường được gọi là các trạm gốc, các bộ định tuyến
không dây chuyển tiếp.
 Các nguồn năng lượng RF có thể là máy phát năng lượng RF chuyên dụng
hoặc nguồn RF xung quanh chúng ta như tháp truyền hình.
 Các nút mạng là các thiết bị sử dụng giao tiếp với các cổng thông tin.
Thông thường thì các cổng thông tin và nguồn năng lượng RF có nguồn cung
cấp điện liên tục và ổn định, khi đó các nút mạng thu hoạch năng lượng năng lượng
từ các nguồn năng lượng RF xung quanh. Trong một vài trường hợp đặc biệt thì
nguồn năng lượng RF và cổng thông tin có thế giống nhau. Mặc dù hệ thống mạng
thu năng lượng RF còn gặp nhiều vấn đề phải giải quyết nhưng đây có lẽ là giải
pháp đầy tiềm năng của việc giải quyết năng lượng cho mạng vô tuyến.
1.9 Fading
Fading là một hiện tượng rất phổ biến trong truyền thông vô tuyến gây ra do
hiện tượng đa đường dẫn đến sự thăng giáng cường độ và xoay pha tín hiệu không
giống nhau tại các thời điểm hoặc tần số không giống nhau. Tín hiệu RF khi truyền
trong kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian và va chạm vào các vật cản
trên đường truyền như nhà cửa, cây cối, đồi núi,…từ đó gây ra các hiện tượng như
tán xạ, phản xạ, nhiễu xạ. Khi sóng RF va chạm vào các vật cản như trên sẽ tạo ra
vô số các bản sao của tín hiệu và một số bản sao này sẽ được truyền tới máy thu. Do
các bản sao này này được tạo bởi do tán xạ, phản xạ, nhiễu xạ trên các đường đi
khác nhau và bởi các vật cản khác nhau nên thời điểm các bản sao này được truyền
tới máy thu cũng khác nhau, có nghĩa là độ trễ pha của các thành phần này khác
nhau. Tín hiệu tại máy thu chính là tổng hợp của tất cả những bản sao này và tùy

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/57

theo đường bao của tín hiệu sau khi qua kênh truyền có phân bố xác suất theo hàm
phân bố khác nhau.
1.10 Kênh truyền Nakagami-m
Có thể nói kênh truyền Nakagami-m là một trong những kênh truyền tổng quát nhất
vì mô hình kênh truyền Nakagami-m có thể biểu diễn cả 2 mô hình Rician và
Rayleigh
Hàm mật độ của đường bao được biểu diễn như sau:

Pz ( z ) 

�
2mm z 2 m 1
 mz 2 �
exp
, m �0.5,
�P �
(m) Prm
� r �

(2.1)

Với (.) là hàm Gamma.
Đối với phân bố Nakagami-m thì m>=0.5. Với giá trị 0.5, phân bố Kakagami có
dạng 1 nửa phân bố Gauss.
Khi m=1, phân bố Nakagami trở thành phân bố Rayleigh.
Khi m>1, phân bố Nakagami trở thành phân bố Rician.

Với

 K  1
m

2

2 K  1 thì phân bố xấp xỉ là Rician fading với tham số K, khi m -> thì

không có fading.
Hàm phân bố công suất cho Nakagami fading như sau:
m

�m � x m1
�mx �
Pz 2 ( x)  � �
exp �
,
�
�Pr � (m)
� Pr �

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF

(2.2)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 14/57

Hình 2.5: Phân bố Nakagami-m.
1.11

Kỹ thuật chuyển tiếp DF ( Decode and Forward)

Hình 2.6: Kỹ thuật chuyển tiếp DF.
Kỹ thuật chuyển tiếp này là cách tiếp cận đầu tiên của truyền thông hợp tác
truyền thống và kỹ thuật này được đề xuất bởi Sendonaris và các đồng sự [9,10].
Nút chuyển tiếp sử dụng phương pháp tái sinh, giải mã thông tin của nút nguồn và
tái mã hóa trước khi chuyển tiếp thông tin đến nút đích. Do lỗi đường truyền, thông
tin có khả năng giải mã sai ở nút chuyển tiếp làm suy giảm đáng kể hiệu năng hệ
thống. Vì thế, phương thức này được giả định là các nút chuyển tiếp chỉ hỗ trợ cho
truyền thông trực tiếp nếu các tín hiệu từ nguồn được giải mã một cách chính xác.
Tuy nhiên, trong thực tế nút chuyển tiếp không phải luôn luôn nhận được hay giải
mã chính xác tín hiệu nguồn. Bằng cách nới lỏng giả định trên thì một phiên bản
của DF chuyển tiếp là DF cố định [11,12] đã được nghiên cứu. Trong kỹ thuật DF

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 15/57

cố định, nút chuyển tiếp luôn luôn chuyển tiếp thông tin giải mã được đến đích mà
không quan tâm đến chất lượng của tín hiệu nhận được.

CHƯƠNG 3.

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT

1.12 Các nghiên cứu liên quan
Vào năm 1979 thì Cover và El Gamal đưa ra mô hình kênh chuyển tiếp như hình
3.1. Mô hình bao gồm một máy nguồn A, một nút chuyển tiếp B và một máy đích C
[13]. Công trình này cho thấy hiệu quả của kênh chuyển tiếp AWGN không nhớ tốt
hơn so với kênh nguồn – đích.

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 16/57

Hình 3.1: Mô hình kênh chuyển tiếp AWGN.
Ở trong nước thì cũng có nhiều nhóm nghiên cứu và các tác giả trong [14] đã
đưa ra mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng như hình
3.2.

Hình 3.2: Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng.
Qua bài báo này các tác giả đã khảo sát mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai
chặng truyền năng lượng gồm một máy nguồn S, một máy chuyển tiếp R và một
máy đích D hoạt động trong những môi trường fading không đồng nhất (S-R là
kênh truyền Rician, R-D là kênh truyền Rayleigh). Từ đó bài báo đã phân tích, tính
toán các biểu thức như xác suất dừng hệ thống OP và xác suất lỗi ký tự trung bình

ASEP. Các tác giả đã thực hiện mô phỏng các đại lượng này để xác minh tính đúng

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/57

đắn của kết quả tính toán và thông qua đó cũng thấy được ảnh hưởng của các tham
số mà hệ thống đã đề cập đến hiệu năng hoạt động của mạng.
Trong [16], các tác giả đã đề xuất xây dựng một mạng Ad-hoc (mạng không dây
phân tán) và trong đó trạm nguồn có thể hợp tác với các trạm trung gian để phục vụ
cho mục đích chuyển tiếp và phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp như hình 3.3.

Hình 3.3: Mô hình truyền dẫn vô tuyến sử dụng phân tập hợp tác.
Qua bài báo các tác giả đã phân tích và đánh giá mô phỏng sơ đồ truyền dẫn
phân tập hợp tác và so sánh với trường hợp không sử dụng phân tập hợp tác. Thông
qua mô phỏng bằng MATLAB, bài báo đã chứng minh được hiệu năng vượt trội của
truyền dẫn hợp tác.
Trong [17], các tác giả đã đánh giá chất lượng mạng hợp tác MIMO trong môi
trường vô tuyến nhận thức với kênh truyền đường can nhiễu không lý tưởng như
hình 3.4. Thông qua bài báo các tác giả đã chứng minh được công thức tính toán
xác suất dừng hệ thống OP hoàn toàn chính xác theo lý thuyết.

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 18/57

Hình 3.4: Hệ thống chuyển tiếp MIMO hai chặng trong môi trường vô tuyến nhận
thức.
Trong [15], các tác giả đã xây dựng một hệ thống mạng chuyển tiếp với một
máy nguồn S, N máy chuyển tiếp và một máy đích D sử dụng giao thức TS (time
switching) và PS (power splitting) kết hợp thông qua kênh truyền Nakagami-m như
hình 3.5. Qua bài báo các tác giả đã xây dựng được các biểu thức xác suất dừng OP
theo các trường hợp dựa trên tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR. Từ các biểu thức này,
các tác giả đã phân tích, đánh giá hệ thống thông qua việc mô phỏng bằng
MATLAB và thông qua đó cũng xác minh được tính đúng đắn của những biểu thức
đã được xây dựng, tính toán. Đồ án tốt nghiệp lần này của tôi được thực hiện,
nghiên cứu, phát triển hệ thống mạng chuyển tiếp truyền năng lượng dựa trên bài
báo này.

1.13

Mô hình hệ thống

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 19/57

Hình 3.5: Mô hình hệ thống.

Hình 3.6: Giao thức TS-PS kết hợp.
Hệ thống ở trên bao gồm một trạm nguồn S, một máy đích D và có N Relay ở
đây được biểu diễn bằng R i với (1N). Giả sử tất cả các Relay đều được trang bị ănten đơn và kênh truyền là bán song công.
Nguồn S được cung cấp một nguồn năng lượng tương ứng với công suất P 0. Do
điều kiện truyền kém, liên kết trực tiếp giữa nguồn S và đích D không có sẵn và
việc truyền thông tin từ S đến D được thực hiện bởi sự trợ giúp của relay R.
Các kênh truyền S-Ri và Ri-D được giả sử có hệ số kênh truyền tương ứng là các
biến ngẫu nhiên là gi và hi đều được giả định theo phân phối Nakagami.
Trong mỗi lần thời gian khối T, hệ số các kênh truyền này là hằng số, độc lập và
có phân phối đồng nhất.

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 20/57

Hơn nữa, chúng ta giả sử rằng các nhiễu cộng Gauss trắng (AWGN) ở tất cả các
nút là các biến ngẫu nhiên Gaussian phức tạp đối xứng, mỗi số có giá trị trung bình
0 và phương sai N0.
Toàn bộ quá trình được chia thành hai giai đoạn như sau:
Trong giai đoạn đầu với thời gian αT (0 < α ≤ 1), nguồn phát tín hiệu thông tin
và năng lượng cho relay EH và relay EH bắt đầu phân chia tín hiệu thành hai phần
với tỉ lệ phân chia εi và (1 – εi) để giải mã thông tin và thu năng lượng tương ứng. Tỉ
số PS εi có thể được điều chỉnh bằng chính relay để đảm bảo phát hiện thành công
tín hiệu tại relay bởi tốc độ dữ liệu R cho trước.
Trong giai đoạn thứ hai với khoảng thời gian còn lại (1 − α)T, nút relay tốt nhất

được chọn từ N node relay hỗ trợ nguồn bằng cách sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp DF
để chuyển tiếp thông tin nguồn tới đích.
 Với α là hệ số biểu thị tỉ lệ thời gian khối để truyền năng lượng.
 Và εi là tỉ số phân chia công suất của PS.
1.1.7 Giao thức lựa chọn Relay ngẫu nhiên (RRS)
Đầu tiên ta giả định rằng relay thứ i được chọn ngẫu nhiên để chuyển tiếp. Giai
đoạn đầu tiên này ta có thể biểu diễn công thức tín hiệu được nhận tại relay như sau:
yi (t ) 

 i P0 gi
d1i1i

x(t )  nRi ,

(3.1)

Trong đó d1i là khoảng cách từ S đến Ri, 1i là hệ số suy hao đường truyền, nRi là nhiễu
AWGN có phương sai là N0 . Biểu thức SNR được đặt tên

1i

tại Ri được biểu diễn

theo công thức như sau:
2

P g
 1i  i 0 1ii   i 0 X 1i ,
N 0 d1i
2

(3.2)

g
P
X 1i  i1i
0  0
d1i . Tốc độ dữ liệu truyền từ S đến R được biểu
N 0 là SNR, và
Với
i
diễn như sau:

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 21/57

C1i   T log 2 (1   1i ),
Tỉ số

i

(3.3)

cần thiết để đảm bảo tại relay phát hiện tín hiệu với tốc độ dữ liệu R được

biểu diễn theo công thức như sau:

� RT �
� 2  1�
 i  min �
1,
�,

X
� 0 1i �
�

(3.4)

Năng lượng thu được tại relay Ri trong khoảng thời gian  T được viết như sau:
2

 (1   i ) P0 gi  T
Ehi 
   1   i   TP0 X 1i ,
d1i1i

(3.5)

Với 0 � �1 là hệ số chuyển năng lượng. Ta giả sử rằng tại relay R i nó dùng năng
lượng thu được để giải mã thông tin, mã hóa lại và chuyển tiếp nên công suất phát
của relay thứ i được biểu diễn như sau:

PRi 

Ehi  E0  (1   i ) P0 X 1i
E0


,
1  T
1 
1  T

(3.6)

Trong đó E0 là nguồn năng lượng tối thiểu đủ để relay Ri hoạt động.
Tín hiệu nhận được ở máy đích D được biểu diễn như sau:

zi (t ) 
Trong đó

d2i

và

2i

PRi

d 2i2 i

hi x (t )  nDi ,

(3.7)

lần lượt là khoảng cách và hệ số suy hao,

nDi

là nhiễu AWGN

có phương sai là N0.
Tương tự như

 1i

thì

 2i

là SNR tại máy đích D được viết như sau:

 2i  (ai 0 X 1i   ) X 2i ,

(3.8)

2
 (1   i )
h
E
i
0
ai 
X 2i  


1 

d 2i . Tốc độ truyền dữ liệu
(1


)
TN
0
Trong đó
,
,
2i

từ Ri đến D được biểu diễn như sau:

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 22/57

C2i  (1   )T log 2 (1   2i ),

(3.9)

1.1.8 Giao thức lựa chọn Relay tốt nhất (BRS)

Ở giao thức này một relay tốt nhất được chọn trong số N relay dựa trên tiêu chí
về dung lượng tốt nhất cho hệ thống ở một khoảng thời gian nhỏ nhất cho phép.
Việc thực hiện tính toán dựa trên thuật toán ước tính kênh bởi RTS (request to
send)/CTS (clear to send) từ nguồn và máy đích cho phép các relay tính độ lợi tức
thời của kênh. Ngay sau khi relay nhận được gói RTS từ nguồn thì nó mới bắt đầu
đếm thời gian.

Ti 


,
min  C1i , C2i 

(3.10)

Trong đó  là hằng số và trong khoảng thời gian relay truyền tín hiệu nó sẽ phát
cờ để các relay xung quanh giữ in lặng. Ở trong giao thức này ta giả định rằng tất cả
các relay đều có thể nghe thấy nhau. Relay được lựa chọn tốt nhất ở đây dựa trên
tiêu chí thời gian chờ ít nhất có thể và nó được biểu diễn như sau:

Tbest  min  Ti  ,1 �i �N ,

Tìm Hiểu Và Đề Xuất Giao Thức Mới Cho Mạng
Chuyển Tiếp Truyền Năng Lượng Vô Tuyến
Bằng Kỹ Thuật DF

(3.11)