Phân tích hiệu năng mạng chuyển tiếp song công đa truy nhập không trực giao sử dụng công nghệ thu thập năng lượng vô tuyến

Nghiên cứu khoa học công nghệ

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG CHUYỂN TIẾP SONG CÔNG
ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ
THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
Trần Mạnh Hoàng*, Nguyễn Trung Tấn, Phạm Xuân Nghĩa
Tóm tắt: Trong bài báo này, phân tích hiệu năng hệ thống chuyển tiếp song công
đa truy nhập không trực giao (NOMA: non-orthogonal multiple acess) sử dụng
công nghệ thu thập năng lượng vô tuyến. Kỹ thuật NOMA và truyền song công giúp
hệ thống cải thiện đáng kể hiệu suất phổ tần, bên cạnh đó công nghệ thu thập năng
lượng vô tuyến cho phép hệ thống giảm đáng kể sự phụ thuộc vào phương pháp cấp
nguồn như hiện nay. Ngoài ra, kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát được áp dụng nhằm
mục đích cải thiện hiệu suất của hệ thống. Dựa vào phương pháp phân tích giải
tích, biểu thức xác suất dừng và xấp xỉ cận trên dung lượng kênh trung bình của hệ
thống được xác định dưới dạng tường minh. Phương pháp mô phỏng Monte- Carlo
được sử dụng để kiểm chứng các kết quả phân tích và tính toán. Các kết quả so
sánh giữa mô phỏng và biểu thức giải tích đều trùng khớp điều đó khẳng định sự
chính xác và độ tin cậy của các biểu thức giải tích đã được trình bày.
Từ khóa: Truyền không trực giao, Thu thập năng lượng, Song công, Đa truy nhập.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Với sự bùng nổ của công nghệ vô tuyến trong thời đại ngày nay, nhu cầu lưu lượng dữ
liệu cao, trong điều kiện phổ tần hạn chế, đòi hỏi các nhà nghiên cứu tìm cách nâng cao
hiệu quả sử dụng phổ tần. Trong các kỹ thuật cải thiện hiệu suất sử dụng phổ tần, vô tuyến
nhận thức là một phương pháp làm gia tăng đáng kể hiệu suất phổ [1, 2]. Tiếp theo đó, các
kỹ thuật cải thiện hiệu suất phổ vẫn đang tiếp tục được nghiên cứu, như là truyền dẫn song
công (full-duplex1). Đặc biệt, một kỹ thuật mới được đề xuất gần đây đó là đa truy nhập
không trực giao (non-orthogonal multiple access -NOMA).
Phương thức đa truy nhập không trực giao hứa hẹn thay thế cho các kỹ thuật đa truy
nhập truyền thống như hiện tại [3]. Do bởi các phương thức đa truy nhập truyền thống dẫn
đến người dùng rất khó xác định khoảng phân bổ tài nguyên trực giao để tránh xung đột

lẫn nhau.
Bên cạnh đó, kỹ thuật truyền dẫn song công đã được nhiều nghiên cứu đề xuất [4-6].
Với sự phát triển của công nghệ chế tạo mạch điện tử, thiết kế ăng-ten, các thuật toán xử
lý, kỹ thuật triệt nhiễu đã được đề xuất; Với khả năng triệt nhiễu giao thoa từ ăng-ten phát
đến ăng-ten thu của thiết bị đạt được trên 100 dB [7, 8], do đó, truyền song công sẽ có tính
khả thi trong tương lai.
Trong tương lai không xa, khi mà các thiết bị thu, phát triển khai dày đặc hơn, mức
năng lượng bức xạ ra không gian là không nhỏ. Năng lượng này nếu được tái tạo sẽ bổ
sung một phần năng lượng cho các hệ thống viễn thông. Khi đó, các thiết bị có nguồn năng
lượng hữu hạn sẽ giảm hoặc không phụ thuộc vào phương pháp cấp nguồn như hiện nay.
Xuất phát từ những vấn đề trên đây, trong bài báo này, phân tích đồng thời các kỹ thuật
truyền dẫn song công, thu thập năng lượng và đa truy nhập không trực giao của mạng
chuyển tiếp đường xuống. Trên cơ sở tính toán giải tích, nhóm tác giả xác định được biểu
thức chính xác xác suất dừng hệ thống, biểu thức xấp xỉ cận trên của dung lượng trung
bình, từ đó có những nhận xét về phẩm chất hệ thống, góp phần vào cơ sở lý thuyết để
triển khai hệ thống 5G trong tương lai.
1

Cụm từ Full-dulex, trong các tài liệu gọi là chế độ truyền song công

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017

79


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Xem xét mô hình truyền thông chuyển tiếp hai chặng đường xuống từ trạm gốc (BS:
Base Station) đến các người dùng, được minh họa như hình 1. Trong đó, BS được trang bị

N t ăng-ten và sử dụng kỹ thuật lựa chọn antenna phát (TAS: Transmit Antenna
Selection). Giả sử rằng, không gian tại BS đủ lớn để bố trí các antenna (không xảy ra hiện
tượng tương quan). Nút chuyển tiếp được trang bị hai ăng-ten 2 [7] và hoạt động ở chế độ
song công, để trợ giúp chuyển tiếp tín hiệu từ BS đến M người dùng Dm , trong đó,

m  1,..., M  .
Ib
h1

g1

T

gj

Thu thập năng
lượng

gm

α

Hình 1. Mô hình hệ thống.

Xử lý thông tin

1-α

Hình 2. Phân chia thời gian khung tín hiệu.

Theo nguyên lý hoạt động của hệ thống đa truy nhập không trực giao (NOMA: nonorthogonal multiple access)[9], thiết bị phát thực hiện điều chế và xếp chồng các tín hiệu
của tất cả người dùng được phục vụ, điều khiển phân bổ công suất dựa vào thông tin về độ
lợi kênh truyền. Chúng ta giả sử rằng, độ lợi các kênh truyền chặng thứ hai được
là | g1 |2 , , | g j |2 , ,  | g M |2 , khi đó công suất được phân bổ cho người dùng theo
hệ số a1  a2 , ,  a j  aM , với



M
i 1

ai  1 . Các thiết bị thu, thực hiện kỹ thuật SIC

(SIC: successive interference cancellation) để giải điều chế tín hiệu [10]. Để tối ưu hoạt
động SIC các tín hiệu có mức công suất lớn trước giải mã và loại bỏ ra khỏi tập tín hiệu
thu trước (đối với đường xuống).
Kí hiệu kênh truyền từ ăng-ten thứ n của BS đến nút chuyển tiếp là
hn với n  1,..., N t  ; Các kênh truyền từ nút chuyển tiếp đến người dùng ký hiệu là

g m với m  1,..., M  . Đường truyền trực tiếp từ BS đến người dùng không tồn tại. Các
kênh truyền của cả hai chặng có phân bố Rayleigh, do đó, bình phương hệ số kênh truyền
| hn |2 và | g m |2 tương ứng là phân bố mũ [11]. Tại nút chuyển tiếp, đường nhiễu (SI3: self
loop interfrence/ self interfrence) từ ăng-ten phát đến ăng-ten thu được loại bỏ bằng
phương pháp khử nhiễu như đề xuất trong [12] hoặc ăng-ten định hướng như ở [13].
Thông tin trạng thái kênh tại các máy phát nhận được là hoàn hảo.
Khi kỹ thuật lựa chọn ăng-ten được áp dụng, nút nguồn liên tục giám sát chất lượng
kênh truyền từ nút chuyển tiếp đến các ăng-ten bằng đường truyền hồi tiếp, trên cơ sở
thông tin hồi tiếp nhận được, BS thực hiện quyết định chỉ số ăng-ten phát. Chuyển mạch
2

Chú ý rằng, hoạt động FD cũng có thể được thực hiện khi chỉ trang bị một ăng-ten vừa thu/phát tín
hiệu đồng thời, [7] E. M. Dinesh Bharadia, Sachin Katti, "Full Duplex Radios," Sigcomm, Hong
Kong, China, 2013.
3
SI: - Nếu sử dụng kỹ thuật AF, SI ký hiệu cho self loop interfrence.
- Nếu sử dụng kỹ thuật DF, SI ký hiệu cho self interfrence.

80 T. M. Hoàng, N. T. Tấn, P. X. Nghĩa, “Phân tích hiệu năng mạng… năng lượng vô tuyến.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

đầu ra của bộ khuếch đại công suất được nối đến bộ phối hợp trở kháng ăng-ten đã được
chọn. Biên độ kênh truyền của chặng thứ nhất được mô hình hóa là | hn |2 :
2

2

hn  agr max hi .

(1)

i1,.., Nt

Hoạt động của hệ thống có thể được mô tả như sau: BS phát tập tín hiệu đã điều chế và
xếp chồng xS 



M

m 1

am PS xm đến người dùng, thông qua nút chuyển tiếp R, trong đó

am là hệ số phân bổ công suất cho người dùng thứ m , PS là công suất phát của BS, xm là
tín hiệu của người dùng thứ m . Tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp là:
M

yR   am PS hn xm  PR I b xS  w R ,

(2)

m 1

trong đó, PR là công suất phát của nút chuyển tiếp, I b là nhiễu xuyên RSI (residual self-





interference) từ ăng-ten phát đến ăng-ten thu của nút chuyển tiếp, w R  CN 0,  2 là
nhiễu trắng cộng tính (AWGN) gây ra bởi các thiết bị của nút chuyển tiếp.
Cấu trúc khung thu thập năng lượng [14] theo chuyển mạch thời gian: i) Một phần tái
tạo thành nguồn một chiều, cung cấp bổ sung nguồn cho hệ thống; ii) Phần còn lại là dữ
liệu mong muốn truyền từ nguồn đến đích, như mô hình hóa ở hình 24.
Với khung thời gian truyền tín hiệu từ nguồn đến đích được chuẩn hóa bằng T , khoảng
thời gian đầu  chuyển mạch được kết nối từ ăng-ten đến mạch thu thập năng lượng, với
0    1 ; khoảng thời gian còn lại, 1   chuyển mạch kết nối đến mạch xử lý thông tin
[15]. Khi đó năng lượng đạt được tại nút chuyển tiếp là [16, 17].
2

Eh 

 PS hn  T
N0

,

(3)

trong đó,  là hệ số hiệu suất mạch điện tái tạo năng lượng (tính theo %) [18], N 0 là
phương sai của AWGN. Khi nút chuyển tiếp sử dụng năng lượng như trong (3) để nhận và
chuyển tiếp dữ liệu đồng thời, công suất phát tại nút chuyển tiếp được viết như sau:
2

P h 
Eh
.
PR 
 S n
1    T
1   

(4)

Để đảm bảo công suất đầu ra tại nút chuyển tiếp là hằng số E{||GyR ||2 }  PR , với

E{}
 là kỳ vọng, G là hệ số khuếch đại. Từ (4) và (2), G được xác định.

G

PR

PS | hn |  PR | I b |2  R2
2


.
1     | I b |2

(5)

Với hệ số khuếch đại như (5), tín hiệu nhận được tại các người dùng thứ m là:

M

yDm  Gg m   am PS hn xm  PR I b xS  w R   w Dm ,
 m 1


(6)

4

Theo các công trình công bố hiện nay, có hai phương thức thu thập năng lượng: đó là phương thức
thu thập năng lượng phân chia theo thời gian, và phương thức phân chia năng lượng theo ngưỡng
công suất.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017

81


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử





trong đó, w Dm là AWGN ở nút đích, w Dm  CN 0,  D2 m . Từ (6), biểu thức tỉ số tín hiệu
trên nhiễu tức thời SINR (SINR: signal-interference-noise-ratio) để người dùng thứ m
tách được tín hiệu người dùng j , với j  m , được biểu diễn như sau:

D

j m



G 2 | g m |2 a j PS | hn |2
G 2 | g m |2 | hn |2



M

a P  G 2 | hn |2 | g m |2 | I b |2 
i  j 1 i S

,

(7)

trong đó,    PS / 1    và   G 2 R2   D2 m . Nếu giải mã thành công x j , tức là

D

j m

  thj , với  thj  2

R j / 1 

 1 , là ngưỡng để máy thu có thể giải mã, R j là tốc độ dữ

liệu tối đa đạt được của người dùng thứ j . Do đó, SINR để người dùng thứ m tách sóng
chính tín hiệu của nó được xác định là:
2

D 
m

G 2 am PS g m hn
2

G 2 g m hn

2

2

M

2

 i m1 ai PS  G 2 gm hn

2

2

.

(8)

Ib  

Hơn nữa, người dùng thứ M cần giải mã và loại bỏ toàn bộ tín hiệu của các người
dùng khác, SINR còn lại để giải mã tín hiệu người dùng M được biểu diễn như sau:

D 
M

G 2 aM PS g M
G 2 g M

2

hn

2

2

hn

2

2

.

(9)

Ib  

Để đánh giá chất lượng hệ thống, trong phần tiếp theo của bài báo sẽ phân tích xác suất
dừng hệ thống (xác suất gián đoạn liên lạc).
3. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG
3.1. Xác suất dừng hệ thống
Sự kiện dừng tại người dùng thứ m xảy ra khi tại đó không giải mã thành công tín hiệu
của nó và tín hiệu người dùng thứ j , 1  j  m . Xác suất dừng hệ thống có thể được biểu
diễn như sau [19]:
m
Pout
 Pr   m ,1   m ,2     m ,m  ,

(10)

trong đó:



XYG 2 am PS
(11)
 m, j  


thm  ,
M
2
2
 YXG  i  m 1 ai PS  YX  G   

với X  | hn |2 , Y  | g m |2 và giả sử rằng, mức nhiễu xuyên RSI tại R là | I b |2   . Kết
hợp (10) và (11) biểu thức xác suất dừng hệ thống được viết lại như là:



 thm 
m
Pout
 Pr  XY  2


j .
M
G (am PS   thm  i  m 1 ai PS   thm )




(12)

Từ tính chất của xác suất có điều kiện, biểu thức (12) được viết lại như sau:

* 
m
Pout
  FX   fY  y  dy ,
 y
0

(13)

trong đó,  *  min 1 ,  2 ,...,  m  .

82 T. M. Hoàng, N. T. Tấn, P. X. Nghĩa, “Phân tích hiệu năng mạng… năng lượng vô tuyến.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

Khi ăng-ten thứ n có chất lượng kết nối tốt nhất đến nút chuyển tiếp được lựa chọn,
dựa vào tính chất thống kê tuần tự (order statistic), sau một số bước biến đổi chúng ta tìm
ra được hàm phân bố của SINR trên hai chặng như sau:
N

FX  x   1    1
n 1

fY  y  

n 1

 nx 
N
,
  exp  
n
 x 

m 1
M m
M!
fY  y   FY  y   1  FY  y  
,
 M  m ! m  1!

(14)
(15)

với  x  PSx / N 0 , trong đó, x  d   , với d là khoảng cách và  là hệ số suy hao
đường truyền [20]. Hàm fY  y  và FY  y  là PDF (PDF: probability density function) và
CDF (CDF: cumulative distribution function) của phân bố SINR trên mỗi đường truyền từ
nút chuyển tiếp đến các nút đích tương ứng.

 y 
1
,
exp  

  
y
y 

 y 
.
FY  y   1  exp  
  
y 


fY  y  

(16)

(17)

Kết hợp (15), (16) và (17) hàm PDF của SINR ở kênh truyền từ nút chuyển tiếp đến
người dùng thứ m là:
M m

fY  y  


k 0

 1

k j

 y  j  1 
M !  M  m  k  m 1  k  m  1 1
exp  
 . (18)

  

 M  m ! m  1!  k  j 0  j   y   y 

Trong mô hình này, giả sử rằng tất cả các kênh có phân bố Rayleigh, từ (14),(15) và
định nghĩa về hàm PDF của phân bố mũ, khi đó biểu thức xác suất dừng có dạng như(19):
m
out

P

 N M  m k  m 1  1n  k  j M !  N  M  m   k  m  1
 1    
 


j

 n 1 k 0 j 0  M  m  ! m  1 !  n  k  

 n * y  j  1  
1

exp  


dy  .
  y
y

x
y
0

 

(19)

Sử dụng công thức [21, CT. (3.324.1)], sau một số bước tính toán sẽ nhận được biểu
thức xác suất dừng hệ thống như ở (20).
m
out

P

 N M  m k  m 1  1n  k  j M !  N  k  m  1
 1    
 

j

 n 1 k 0 j 0  M  m  ! m  1 !  n 
 4n *  j  1  
 M  m
4n
 .


K1 

 x y 
 k   x  y  j  1 


(20)

*

trong đó, K1  x  được định nghĩa là hàm Bessel bậc 1 loại hai.
Ngoài xác suất dừng, dung lượng kênh trung bình cũng là một trong những tham số để
đánh giá phẩm chất của một hệ thống được trình bày trong phần tiếp theo.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017

83


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

3.2. Dung lượng trung bình
Dung lượng trung bình của hệ thống là dung lượng đạt được của quá trình truyền
thông, đại lượng này được tính toán dựa vào dung lượng tức thời của hệ thống. Đối với hệ
thống NOMA dung lượng trung bình của hệ thống là tổng dung lượng trung bình đạt được
của tất cả người dùng, được mô hình hóa bằng biểu thức (21).
sum
1
2

Cave
 Cave
 Cave
,

(21)

trong đó:



M 1 
G 2 am PS | g m |2 | hn |2

1
  , (22)
Cave
  E 1    log 2 1  2
M
 G | g m |2 | hn |2 
a P  G 2 | hn |2 | g m |2   
m 1

i  j 1 i S


2
2
2



G a P g
h  
2
Cave
 E 1    log 2 1  2 M S2 M 2 n   .
(23)
 G g

h




M
n


Do bởi CDF của SINR nhận được rất phức tạp nên rất khó để tính chính xác biểu thức
dung lượng kênh trung bình.
Vì vậy, bằng cách sử dụng bất đẳng thức Jensel cho (22) và (23). Đối với biểu thức
(22) được viết lại như biểu thức (24)
M 1

1
Cave
  1    log 2  E{|hn |2 |g m |2 }B1  E{|hn |2 |g m |2 }B2 +E{|hn |2 |g m |2 }B3    
m 1

(24)

M 1

  1    log 2  E{|hn | |g m | }B1  E{|hn | |g m | }B2    ,
2

2

2

2

m 1

trong đó, B1 =G 2



M
i  j 1

ai PS , B2 =G 2 và B3 =G 2 am PS . Khi các kênh truyền độc lập

và từ tính chất kỳ vọng của hai biến ngẫu nhiên E{|hn |2 |g m |2 }  E{|hn |2 }E{|g m |2 } .
Từ hàm CDF như biểu thức (14), dẫn đến trung bình thống kê của kênh truyền các
kênh truyền là:


    1  F

E hn

2

X

0



N

 x dx  

0

m 1

M 1

 1

m 1

m

Y

n 1

n

n 1

    1  F  y dy  

E gm

2

 1

N
  x .
n

(25)

 M  1

 y .
 m 

(26)

1
Thay thế (25) vào (24) dễ dàng nhận được giới hạn trên của Cave
.
m 1
M 1 

M 1 1
   M  1  x  y B  B  B   
n 1  N 
 N
1
Cave
  1    log 2   1   
 1 2 3 


m 1 
 n  m 1 m  m  n
 n 1
  (27)

m 1
M 1 
M 1 1
 N

 M  1  x  y


n 1  N 
  1    log 2   1   
 B1  B2    .


m 1 
 n  m 1 m  m  n

 n 1
 


2
Thực hiện các bước tương tự sẽ nhận được biểu thức dung lượng kênh trung bình Cave
.

84 T. M. Hoàng, N. T. Tấn, P. X. Nghĩa, “Phân tích hiệu năng mạng… năng lượng vô tuyến.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ


N

nN 
2
Cave
 1    log 2   1   x M  G 2  G 2 aM PS    
n n
 n 1



(28)


N


nN 
 1    log 2   1   x M G 2    .

n n
 n 1

Để kiểm chứng các kết quả phân tích ở phần trên, trong phần tiếp theo của bài báo sẽ
trình bày kết quả mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm Matlab.
4. MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Trong phần này, bài báo trình bày kết quả phỏng Monte-Carlo, để kiểm chứng các kết
quả phân tích ở phần 3.
Các tham số mô phỏng được chọn như sau: số lượng người dùng được phục vụ là 3; Hệ
số phân chia công suất cho các người dùng lần lượt là a1  0.8 , a2  0.1 và a3  0.1 ;
Thời gian thu thập năng lượng   0.3 , hiệu suất mạch tái tạo năng lượng   0.9 .

Hình 3. Xác suất dừng theo công suất phát
của nguồn với cấu hình số lượng antenna
khác nhau.

Hình 4. Xác suất dừng theo mức can nhiễu
RSI với antenna tại BS (N=3).

Trước hết, các hình minh họa xác suất dừng có kết quả lý thuyết trùng khít nhau, điều
đó thể hiện các phân tích lý thuyết hoàn toàn chính xác.
Hình 3 biểu diễn sự ảnh hưởng của số tượng ăng-ten phát tại BS đến hiệu suất của hệ
thống, trong đó, đường cong thể hiện kết quả phân tích ở biểu thức (20), các ký tự biểu thị
kết quả mô phỏng. Quan sát trên hình chúng ta thấy rằng khi tăng từ 1 lên 2 ăng-ten ở trạm
gốc xác suất dừng hệ thống được cải thiện đáng kể so với tăng từ 2 lên 3 ăng-ten. Nhưng
độ lợi phân tập của hệ thống là như nhau. Do đó, chúng ta thấy rằng hệ thống chỉ đạt được
độ lợi mã hóa theo số lượng ăng-ten mà không cải thiện được độ lợi phân tập.

Hình 4 thể hiện sự ảnh hưởng của nhiễu xuyên RSI đến hiệu suất dừng của hệ thống,
với số ăng-ten phát của BS được chọn để khảo sát là 3. Để khảo sát sự ảnh hưởng của RSI
đến chất lượng hệ thống, giả lập để mô phỏng cho RSI nằm trong khoảng [1  2]dB . Điều
rất dễ thấy rằng, khi tăng RSI, dẫn đến hiệu suất của hệ thống giảm đáng kể; chẳng hạn
như khi công suất phát của nguồn 5dB và RSI là 2dB, hệ thống gần như gián đoạn liên lạc
hoàn toàn (xác suất dừng bằng 1), với hệ thống này đòi hỏi bộ triệt nhiễu dư phải đạt hiệu
suất tốt để đảm bảo chất lượng hệ thống. Từ hình 4 thấy rằng, khi RSI ở vùng thấp dẫn đến

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017

85


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

hiện tượng sai số giữa kết quả mô phỏng và lý thuyết; Lý do của sai số do bởi sử dụng xấp
xỉ từ biểu thức (5) khi giá trị PS tương đối lớn thì có thể bỏ qua thành phần  R2 .

Hình 5. Ảnh hưởng của công suất phát đến
giá trị  tối ưu hiệu suất tái tạo năng lượng
 1.

Hình 6. Ảnh hưởng của số lượng antenna
lên giá trị  tối ưu, hiệu suất tái tạo năng
lượng   1 .

Trong hình 5 và hình 6 khảo sát ảnh hưởng của số lượng ăng-ten và công suất phát tại
BS lên hiệu suất của hệ thống. Từ hai hình này thấy rằng, khi thực hiện truyền song công,
giá trị tối ưu khoảng thời gian thu thập năng lượng tương đối ổn định, điều này hoàn toàn
ngược lại với hệ thống truyền half-duplex. Với kỹ thuật half-duplex, khi tăng công suất

phát giá trị tối ưu  có xu hướng tăng lên, hoặc tăng số lượng anten thì giá trị  có xu
hướng giảm. Ngoài ra, từ đồ thị cũng chỉ ra thời gian thu thập năng lượng của thống fullduplex có hiệu suất tốt hơn hệ thống half duplex nhưng vẫn đạt được cùng hiệu suất.

Hình 7. So sánh dung lượng trung bình của
biểu thức đại số với kết quả mô phỏng với
số lượng antenna (N=2), hệ số thu thập
năng lượng   0.3 .

Hình 8. Ảnh hưởng của số lượng antenna
lên dung lượng hệ thống hệ số thu thập
năng lượng   0.3 . Hiệu suất mạch tái tạo
năng lượng hoàn hảo.

Trong hình 7 so sánh kết quả phân tích lý thuyết với kết quả mô phỏng, với giả sử rằng
nhiễu RSI tại nút chuyển tiếp sau khi đã SIC còn lại -10dB. Từ hình 7 nhận thấy rằng, ở
vùng tỉ số tín hiệu trên nhiễu thấp nếu tiến hành phân tích biểu thức dung lượng hệ thống
bằng cách áp dụng bất đẳng thưc Jensen dẫn đến sai số lớn. Nhưng vùng SINR từ 15 dB
trở lên thì kết quả lý thuyết và mô phỏng có giá trị gần bằng nhau.
Trong hình 8 biễu diễn sự ảnh hưởng của số lượng ăng-ten tại BS lên dung lượng của
hệ thống, để cho rõ các kết quả hình vẽ chỉ trình bày đường lý thuyết để kiểm chứng sự

86 T. M. Hoàng, N. T. Tấn, P. X. Nghĩa, “Phân tích hiệu năng mạng… năng lượng vô tuyến.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

tăng lên của dung lượng theo số ăng-ten. Biểu thức dung lượng như là hàm của tỉ số tín
hiệu trên nhiễu thể hiện qua các biểu thức (21), (27) và (28), khi tăng số ăng-ten dẫn đến
dung lượng tăng theo, nhưng sự gia tăng này là không tuyến tính. Dung lượng hệ thống
phụ thuộc vào tốc độ giải mã chính xác của tín hiệu nhận được. Theo lý thuyết dung lượng

Shannol tốc độ tức thời của hệ thống có thể viết lại thành C j m  (1   ) log 2 (1   RD jm ) .
Nếu symbol

xj

được giải mã thành công thì điều kiện cần thiết phải

  (1   ) log (1   ) . Do vậy, dung lượng tức thời của hệ thống phụ thuộc
là C j m  R
j
2
thj
vào  RD jm   thj , trong đó  thj là SINR được xác định trước tại người dùng thứ j .
5. KẾT LUẬN
Trong bài báo này đã phân tích hiệu suất của mạng chuyển tiếp đường xuống hai
chặng, sử dụng kết hợp các công nghệ tiên tiến đó là: thu thập năng lượng vô tuyến để tại
tạo thành nguồn một chiều cung cấp năng lượng cho hệ thống hoạt động; Áp dụng phương
pháp đa truy nhập không trực giao với mục đích phục vụ đồng thời nhiều người dùng; Sử
dụng phương thức chuyển tiếp full duplex để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần. Nhóm
tác giả đã đưa ra biểu thức chính xác của xác suất dừng, biểu thức giới hạn trên của dung
lượng hệ thống. Kết quả phân tích giải tích đã kiểm chứng là hoàn toàn chính xác bằng mô
phỏng Monte-Carlo. Hệ thống được khảo sát trong bài bào này là mô hình có ý nghĩa khoa
học cao, có thể đáp ứng được các yêu cầu đòi hỏi của mạng vô tuyến trong tương lai
(chẳng hạn 5G).
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. C. Xu, M. Zheng, W. Liang, H. Yu, and Y.-C. Liang, "End-to-end Throughput
Maximization for Underlay Multi-hop Cognitive Radio Networks with RF Energy
Harvesting," IEEE Transactions on Wireless Communications, 2017.
[2]. A. Bhowmick, K. Yadav, S. D. Roy, and S. Kundu, "Throughput of an Energy
Harvesting Cognitive Radio Network based on Prediction of Primary User," IEEE

Transactions on Vehicular Technology, vol. PP, pp. 1-1, 2017.
[3]. Y. Wang, B. Ren, S. Sun, S. Kang, and X. Yue, "Analysis of non-orthogonal multiple
access for 5G," China Communications, vol. 13, pp. 52-66, 2016.
[4]. Y. L. a. Z. H. Lingyang Song, "Resource allocation in Full-Duplex Communications
for future Wireless Networks," IEEE Wireless Communications, 2015.
[5]. K. B. Yun Liao, Lingyang Song and Zhu Han Fellow, "Full-duplex MAC Protocol
Design and Analysis," IEEE Communications Letters, 2015.
[6]. R. Li, Y. Chen, G. Y. Li, and G. Liu, "Full-Duplex Cellular Networks."
[7]. E. M. Dinesh Bharadia, Sachin Katti, "Full Duplex Radios," Sigcomm, Hong Kong,
China, 2013.
[8]. Z. Zhang, X. Chai, K. Long, A. V. Vasilakos, and L. Hanzo, "Full duplex techniques
for 5G networks: self-interference cancellation, protocol design, and relay
selection," IEEE Communications Magazine, vol. 53, pp. 128-137, 2015.
[9]. Y. Wang, B. Ren, S. Sun, S. Kang, and X. Yue, "Analysis of non-orthogonal multiple
access for 5G," China Communications, vol. 13, pp. 52-66.
[10]. M. S. Lim, "The capacity analysis of SSB/BPSK-DS/CDMA with a successive
interference canceller," in Vehicular Technology Conference, 2000. IEEE-VTS Fall
VTC 2000. 52nd, 2000, pp. 2428-2432.
[11]. A. Papoulis and S. U. Pillai, "Probability, random variables, and stochastic
processes": Tata McGraw-Hill Education, 2002.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 52, 12 - 2017

87


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

[12]. J. B. Steven Hong, Jung Il Choi, Mayank Jain, Jeff Mehlman, "Applications of SelfInterference Cancellation in 5G and Beyond," IEEE Communications Magazine, 2014.
[13]. D. Korpi, M. Heino, C. Icheln, K. Haneda, and M. Valkama, "Compact Inband FullDuplex Relays With Beyond 100 dB Self-Interference Suppression: Enabling

Techniques and Field Measurements," IEEE Transactions on Antennas and
Propagation, vol. 65, pp. 960, 2017.
[14]. A. Nasir, X. Zhou, S. Durrani, and R. Kennedy, "Relaying protocols for wireless
energy harvesting and information processing," Wireless Communications, IEEE
Transactions on, vol. 12, pp. 3622-3636, 2013.
[15]. P. Nintanavongsa, U. Muncuk, D. R. Lewis, and K. R. Chowdhury, "Design
optimization and implementation for RF energy harvesting circuits," Emerging and
Selected Topics in Circuits and Systems, IEEE Journal on, vol. 2, pp. 24-33, 2012.
[16]. P. Liu, S. Gazor, I.-M. Kim, and D. I. Kim, "Energy Harvesting Noncoherent
Cooperative Communications," arXiv preprint arXiv:1505.07188, 2015.
[17]. C. Zhong, H. A. Suraweera, G. Zheng, I. Krikidis, and Z. Zhang, "Wireless
information and power transfer with full duplex relaying," Communications, IEEE
Transactions on, vol. 62, pp. 3447-3461, 2014.
[18]. T.-i. Yun, J. H. Lee, J. J. Baek, and Y. T. Kim, "AC-DC converter for wireless power
transmission of energy harvesting system," in Consumer Electronics (ISCE 2014),
The 18th IEEE International Symposium on, 2014, pp. 1-2.
[19]. W. Han, J. Ge, and J. Men, "Performance analysis for NOMA energy harvesting
relaying networks with transmit antenna selection and maximal-ratio combining
over Nakagami-m fading," IET Communications, vol. 10, pp. 2687-2693, 2016.
[20]. A. Goldsmith, "Wireless communications": Cambridge university press, 2005.
[21]. D. Zwillinger, "Table of integrals, series, and products": Elsevier, 2014.
ABSTRACT
PERFORMANCE ANALYSIS OF DOWNLINK RELAY
FULL DUPLEX COMMUNICATION WITH ENERGY HARVESTING
AND NON-ORTHOGONAL MULTIPLE ACCESS
In this paper, a downlink full duplex dual-hop communication system, where the
relay node operates full duplex schemes to improved efficiency spectrum
performance is proposed. In adition, the relay node performs energy harvesting
from the radio frequency to obtain two objectives: firstly, a part of energy harvested
to convert into the direct current to support the operation of the relay node;

Secondly, it is desired signal transmission to the users at the destination. Specially,
in this model, we have analyzed the non-orthogonal multiple access technique and
transmit selection antenna. Based on mathematic schemes, we derived the outage
probability and upper bound of the average capacity. We examine our analysis
results by using Monte Carlo simulation.
Keywords: Full duplex, Energy harvesting, Non-orthogonal multiple access, Outage probability, Average
capacity.

Nhận bài ngày 10 tháng 8 năm 2017
Hoàn thiện ngày 12 tháng 9 năm 2017
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 12 năm 2017
Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân sự-BQP.
*
Email:

88 T. M. Hoàng, N. T. Tấn, P. X. Nghĩa, “Phân tích hiệu năng mạng… năng lượng vô tuyến.”