BÁO CÁO KẾT QUẢ THỰC HIỆN
ÐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2014-2015 Tên đề tài:
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG TRONG MẠNG
CHUYỂN TIẾP KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG Đơn vị chủ trì: KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ
Chủ nhiệm đề tài: TS. Hà Đắc Bình ii

MỤC LỤC
MỤC LỤC ii
DANH MỤC HÌNH 1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3
1.1. Tính cấp thiết của đề tài 3
1.2. Mục tiêu của đề tài 6
1.3. Phương pháp nghiên cứu 6
1.4. Các bước tiến hành nghiên cứu 6
1.5. Tình hình nghiên cứu 6
1.5.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài 6
1.5.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước 7
1.6. Hiệu quả kinh tế - xã hội và giáo dục 7
CHƯƠNG 2. NỘI DUNG KHOA HỌC ĐỀ TÀI 8
2.1. Mô hình hệ thống 8
2.2. Phân tích hiệu năng 12
2.2.1. Xác suất dừng hệ thống 12
2.2.2. Thông lượng hệ thống 13
2.2.3. Xác suất lỗi ký tự trung bình 13
2.3. Kết quả số và thảo luận 15
2.3.1. Đánh giá kết quả phân tích 15
2.3.2. Ảnh hưởng của tham số thời gian thu năng lượng (

) 16
2.3.3. Ảnh hưởng của tham số hiệu suất thu năng lượng (



Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
1

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các thiết bị không dây 3
Hình 1.2. Mức độ sử dụng năng lượng của các thiết bị không dây 4
Hình 1.3. Nguồn năng lượng không dây 5
Hình 1.4. Cấu trúc của mạng truyền năng lượng không dây RF 5
Hình 2.1. Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng 8
Hình 2.2. OP và ASEP vs. công suất truyền P
S
với

= 0.4,

= 1, d
1

0
= 0.01. 16
Hình 2.4. OP and ASEP vs. hiệu suất thu năng lượng

với P
S
= 1 W,

= 0.4, d
1
= d
2

= 1, K = 3, R = 2,
1

= 2,
2

= 3, N
0
= 0.01. 17
Hình 2.5. OP và ASEP vs. khoảng cách từ nguồn tới nút chuyển tiếp d
1
với P
S
= 1 W,

= 0.4,


= 2,
2

= 3, N
0
= 0.01. 18
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
2

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Tên tiếng anh Tên tiếng Việt
AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp
ASEP Average Symbol Error Probability Xác suất lỗi ký tự trung bình
BPSK Binary Phase Shift Keying
Điều chế khóa dịch pha nhị
phân
CDF Cumulative Density Function Hàm mật độ tích lũy
LOS Light of Sight Tia trực tiếp
OP Outage Probability Xác suất dừng hệ thống
PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất
QPSK Quadrature Phase Shift Keying
Điều chế khóa dịch pha cầu
phương
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
4

A
v
e
r
a
g
e

P
o
w
e
r

C
o
n
s
u
m
p
t
i
o
n
Battery Run Time


Ánh sáng

Sự

chuyển

động

Tần số vô tuyến
NhiệtHình 1.3. Nguồn năng lượng không dây

Hình 1.4. Cấu trúc của mạng truyền năng lượng không dây RF
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
61.2. Mục tiêu của đề tài
- Phân tích và đưa ra các biểu thức đánh giá hiệu năng lớp vật lý của hệ thống
như xác suất dừng hệ thống, thông lượng và xác suất lỗi ký tự trung bình đối
với mạng chuyển tiếp truyền năng lượng hai chặng.
- Mô phỏng và đánh giá hiệu năng của hệ thống trên theo các tham số công suất
phát, thời gian truyền năng lượng và khoảng cách truyền.
1.3. Phương pháp nghiên cứu

có rất nhiều kỹ thuật định hướng ăn-ten mới được triển khai để cải thiện hiệu quả của
việc truyền năng lượng không dây cho các ứng dụng di động [2-4]. Cho đến ngày hôm
nay, việc sử dụng tín hiệu RF cho hai mục đích truyền năng lượng cũng như truyền
thông tin đã được chấp nhận rộng rãi [5-6]. Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô
tuyến đồng thời (Simultaneous wireless information and power transfer – SWIPT) [7]
được đề xuất để truyền năng lượng RF, thường trong vùng năng lượng thấp, ví dụ như
mạng cảm biến không dây. SWIPT cung cấp một ưu điểm về việc khống chế để đảm
bảo yêu cầu về truyền năng lượng và thông tin đồng thời với giá thành thấp mà không
cần thay đổi nhiều phần cứng của máy phát. Tuy nhiên, những kết quả nghiên cứu mới
nhất 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 [5, 8]. Nguyên nhân được cho là tín hiệu RF quyết định
chất lượng thông tin, trong khi đó giá trị bình phương trung bình của tín hiệu RF chính
là năng lượng truyền. Kết quả là, lượng thông tin truyền và năng lượng truyền không
thể đạt cực đại đồng thời. Điều này dẫn đến yêu cầu phải thiết kế lại hệ thống mạng
không dây hiện có.
1.5.2. Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Tại Việt Nam, theo tìm hiểu của chúng tôi, chưa có nhóm nghiên cứu nào đeo
đuổi hướng nghiên cứu về đánh giá hiệu năng trong mạng truyền năng lượng vô tuyến
hai chặng.
1.6. Hiệu quả kinh tế - xã hội và giáo dục
- Về hiệu quả kinh tế - xã hội: Thúc đẩy sự phát triển của mạng không dây
chuyển tiếp có yếu tố truyền năng lượng vô tuyến, đóng góp cho sự phát triển
chung của thông tin vô tuyến trên thế giới.
- Về hiệu quả giáo dục: Phục vụ cho công tác dạy và học của các ngành điện tử
viễn thông của trường, nâng cáo năng lực và trình độ nghiên cứu của giảng
viên.

Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
TSR) [12] và giúp trạm nguồn truyền thông tin đến máy đích theo phương thức
khuếch đại chuyển tiếp AF.
 Trạm nguồn truyền năng lượng và thông tin đến máy chuyển tiếp trên kênh
truyền pha-đinh Rician (có tia trực tiếp). Trong khi đó, máy chuyển tiếp khuếch
đại tín hiệu nhận được và truyền thông tin đến máy đích qua kênh truyền pha-
đinh Rayleigh. Giả thuyết này là hợp lý vì các máy chuyển tiếp có năng lượng
hạn chế thường đến gần trạm truyền năng lượng để tiếp năng lượng. Trong thực
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
9

tế, các kênh giữa nguồn và máy chuyển tiếp có tia trực tiếp (LOS), trong khi
các kênh giữa các máy chuyển tiếp và máy đích có thể không nhất thiết phải
giống nhau. Lưu ý rằng, pha-đinh Rician xảy ra khi một trong những đường đi
của tín hiệu là một tín hiệu LOS, nó mạnh hơn nhiều so với những thành phần
khác. Chúng tôi cũng cho rằng trong mỗi lần thời gian khối T, hệ số các kênh
này là hằng số, độc lập và có phân phối đồng nhất (iid).
 Tất cả các máy phát và máy thu được trang bị với một ăng-ten duy nhất.
 So với năng lượng được sử dụng để truyền tín hiệu từ máy chuyển tiếp đến
đích, năng lượng dùng cho việc xử lý yêu cầu của truyền / nhận tiêu hao trên
mạch tại máy chuyển tiếp là không đáng kể. Vì vậy, nó có thể được bỏ qua.
Đầu tiên, máy chuyển tiếp thu năng lượng từ trạm phát năng lượng (tức trạm
nguồn) trong khoảng thời gian

T
. Từ đó, công suất truyền từ máy chuyển tiếp là [14]:
P
r

1
| |
s sr
h
P h T
E
d

 
=
là năng lượng thu được tại máy chuyển tiếp,
0 1

 
là
hiệu suất chuyển năng lượng, nó phụ thuộc quá trình chỉnh lưu và mạch thu năng
lượng;
S
P
là công suất truyền của trạm nguồn; T là thời gian khối mà trong đó thông tin
của khối được truyền từ trạm nguồn đến máy đích;

là hệ số biểu thị tỉ lệ của thời
gian khối dùng để truyền năng lượng cho máy chuyển tiếp,
0 1

 
. Đối với kênh
truyền từ trạm nguồn đến máy chuyển tiếp,
2

.
Trong khoảng thời gian


1 / 2
T

-
, trạm nguồn truyền tín hiệu x(t) đến máy
chuyển tiếp. Khi đó, tín hiệu nhận được ở máy chuyển tiếp là:

1
1
( ) ( )
s sr
r
P h
y t x t n
d

= 
, (2)
trong đó,
r
n
là nhiễu trắng Gaussian phức,
1
~ (0, )
r
n N

r
d
hP
z t y t n
y t
d

= 
E
, (3)
trong đó,
2
d
và
2

lần lượt là khoảng cách và hệ số suy hao đường truyền từ máy
chuyển tiếp đến máy đích.
d
n
là nhiễu trắng Gaussian phức,
2
~ (0, )
d
n N

. Để đơn
giản, chúng tôi giả sử
1 2 0
N N N

P P h h
z t x t
P h
d d
N
d
h
P
n n
P h
d
N
d
 



=

 

(4)
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tức thời SNR ở máy đích được tính bởi
2 2
1 2 1 2
2
2 2
2 1 0 20 0
1 1 0
.

| |
rd
h
d

g
=
.
Đối với vùng giá trị SNR cao, ta được:

1 2
2
2 0
~ .
( 1)
e e
S
aP
a N
g g
g
g

(6)
Hàm mật độ phân bố xác suất (probability density function - PDF) của biến ngẫu
nhiên (RV)
1
g
là [6]
( 1)



1
2
1
1
| |
sr
h d


= E
, K là tham số Rician được tính bởi tỉ số công suất giữa
thành phần LOS với các thành phần tán xạ khác và


0
I

là hàm Bessel hiệu chỉnh bậc
0 loại 1.
Ta viết lại (7) như sau:

1
2
0
( )
( )
( !
,

2 ( !)
l
l
l
x
I x
l

=
= 
[15].
Hàm mật độ tích luỹ (cumulative density function - CDF) của biến ngẫu nhiên
1
g

được tính như sau [9]:

1 1
0 0
0
( ) ( ) 1 .
! !
l
l m
m q
l m
p K q
F f x dx e
q l m
g

2
( ) 1
,
x
F x e

g
-
= -
(11)
trong đó,


2
2
2
2
/ | |
rd
d h


= E
.

Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường
12

g
g g
g g
g
 
= = 
 

 
(12)
trong đó,


2
0
e e
F
g
g
là CDF của SNR tức thời,
0
2 1
R
g
= -
, R là tốc độ truyền xác định
trước ở trạm nguồn.
Chúng tôi tính được xác suất dừng hệ thống như sau:

 

/
/

|
1
! !
2

1

e e
S
S
out
S
S
l m q
m n
l m
P
n
l m n
S
q
t
t aP
n
l
N
N

g



-
-
= = =

- -
-
=
 

= = 
 
 
 

=



 
 
 
= -
 
 
 
 

l n
n
m n
S
q
P
n
S
N
q
K
P
l n m n a
q
e
N
NaP
g
g

 g

- -


= =
-
-
 
 

t
t
m
x y x y
n
t
t e dt





g



-
=

- -
-
 
 =
 
 
=
 
=
 
 

quan sát trạm nguồn truyền thông tin ở tốc độ R bit/s/Hz và thời gian truyền hiệu dụng
từ trạm nguồn đến máy đích trong khoảng thời gian khối T là
(1 ) / 2
T

-
. Khi đó,
thông lượng

ở máy đích được tính như sau:

(1 )(1 )
(1 ) / 2
(1 ) .
2
out
out
P R
T
P R
T



- -
-
= - =
(14)
2.2.3. Xác suất lỗi ký tự trung bình
Xác suất lỗi ký tự trung bình (ASEP) là một tham số rất quan trọng khác mà các


là hàm Q Gaussian,

và

là các hằng số phụ thuộc
vào loại điều chế.
Theo [6], chúng ta có thể biểu diễn (13) như sau:
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 14

2
2
2
2
/2
0
/2 1/2
0
( )
2π
.
2 2π
e e
e e
t
s
t

( 1)/2
( 1)/2
2
( 1)/2
0 0 0
0
/2 1/2
2
0
1
/
0
( )
2 2π
( )
2
1
2 2π
! !( )!
2
/
/

e e
S
t
s
l m
m n
l n

- -


- -


= = =
-
- -
-
 
=
 
 

 

= -
 

-
 



 


 
 

0
2 2π
( )
2π
! !( )!
2
( )
2
2 2π
! !( )!
/

/
S
t
l m
m n
l n
n
l m n
S
q
t
P
m n
n
S
l m
l n
n


= = =
 
- 
 
-
 
= =

-

=
 
-
 
-
 
 
 
 

 
= -
-





/2

exp
a q P a q P


 
 
-
-  -
-  - -
 
 
 
 
   
   -   
 
   
   
 
   

   
 
   
 (17)
Ở đây, các công thức sau đã được sử dụng:
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

 

    

 
 

-

-
-
-
-
=
   
=  -    
   
   
   

   
   
   





với


e e
g
) như ở (6). Thêm vào đó, hình 2 cũng
chỉ ra rằng OP và ASEP giảm khi P
S
tăng do
2
e e
g
càng lớn và giá trị của ASEP –
BPSK là nhỏ hơn so với ASEP – QPSK.
10 15 20 25 30 35 40
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
P
S
(dBm)
ASEP & OPAnalysis
Simulation

)
Hình 3 và hình 6 mô tả tác động của

lên OP, ASEP (hình 3) và thông lượng

(hình 6). Kết quả ở hình 3 cho thấy rằng, khi

tăng thì OP và ASEP giảm. Điều này
là do khi

tăng, sẽ có nhiều thời gian hơn cho việc truyền năng lượng, dẫn đến giá trị
2
e e
g
thu được càng lớn nên OP và ASEP có giá trị nhỏ hơn tại nút đích. Đối với thông
lượng

ở hình 6, ta thấy rằng có một giá trị cụ thể của

(chúng tôi gọi là
*

, nó có
giá trị khoảng 0.21 trong hệ thống được chúng tôi khảo sát) giúp cho

đạt giá trị đỉnh.
Thông lượng

tỉ lệ thuận với


-2
10
-1
10
0

ASEP & OPAnalysis
Simulation
OP
ASEP - QPSKASEP - BPSK

Hình 2.3. OP và ASEP vs. thời gian thu năng lượng

với P
S
= 1 W,

= 1, d
1
= d
2
= 1, K = 3, R = 2,
1

= 2,
2


10
-3
10
-2
10
-1
10
0

ASEP & OPAnalysis
Simulation
ASEP - BPSK
ASEP - QPSK
OP

Hình 2.4. OP and ASEP vs. hiệu suất thu năng lượng

với P
S
= 1 W,

= 0.4, d
1
= d
2
= 1, K = 3, R = 2,
1

của cường độ tín hiệu nhận được tại đích.
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
10
-6
10
-5
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
d
1
ASEP & OPAnalysis
Simulation
ASEP - BPSK
ASEP - QPSK
OP

Hình 2.5. OP và ASEP vs. khoảng cách từ nguồn tới nút chuyển tiếp d
1
với P
S
= 1 W,

0.8
0.9
1

,

or d
1
ThroughputAnalysis
Simulation

d
1


Hình 2.6. Thông lượng

vs.

,

or d
1
with P
S
= 1 W, d
2

dựa trên các thông số hệ thống: công suất phát, thời gian, hiệu suất truyền
năng lượng, và khoảng cách truyền.
3.2. Kết luận
Trong đề tài này, chúng tôi đã thực hiện khảo sát mô hình hệ thống mạng chuyển
tiếp hai chặng truyền năng lượng bao gồm một trạm nguồn (S) vừa truyền thông tin
vừa truyền năng lượng, một máy chuyển tiếp (R) có năng lượng giới hạn bởi khả năng
thu được năng lượng vô tuyến từ trạm nguồn và một máy đích (D) hoạt động trong các
môi trường pha-đinh không đồng nhất (kênh truyền giữa S – R và R – D được giả sử
lần lượt là Rician và Rayleigh). Để đánh giá hiệu năng của mạng này, chúng tôi đã
phân tích và tính toán các biểu thức về xác suất dừng hệ thống (OP) và xác suất lỗi ký
tự trung bình (ASEP). Thông qua OP, thông lượng của hệ thống với phương thức
truyền giới hạn thời gian trễ cũng đã được xem xét. Đồng thời, chúng tôi cũng đã thực
hiện mô phỏng các đại lượng này trên máy tính để xác minh tính đúng đắn của các kết
quả phân tích. Từ đó, ảnh hưởng các tham số hệ thống đã đề cập đến hiệu năng của
mạng đã được đánh giá một cách rõ ràng.
3.3. Hướng nghiên cứu tiếp theo
Hiện nay, truyền năng lượng vô tuyến đang thu hút được sự chú ý của cộng đồng
nghiên cứu trên thế giới. Ở bài báo này, chúng tôi chỉ mới đánh giá hiệu năng của
mạng chuyển tiếp truyền năng lượng với mô hình hệ thống đơn giản. Để mở rộng đề
tài này, các hướng nghiên cứu tiếp theo là:
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường 20
- Đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền năng lượng mang tính tổng quát hơn
như: mạng chuyển tiếp đa chặng, hệ thống đa đầu vào đa đầu ra (MIMO), sử
dụng mô hình kênh truyền Nakagami-m.
- Đánh giá khả năng bảo mật thông tin ở lớp vật lý của mạng chuyển tiếp truyền
năng lượng.
Báo cáo đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

output = size(ge2e(ge2e<g0),2)/N;
end
trong đó, h1 và h2: lần lượt là biến ngẫu nhiên Rician với tham số K và Rayleigh;
gauss(mean, var, 1, N): tạo ma trận 1xN các biến ngẫu nhiên phân bố Gaussian với kỳ
vọng là mean, phương sai là var.
2. Hàm mô phỏng xác suất lỗi ký tự trung bình