ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH
GIÁ HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC
KHÔNG DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
VÔ TUYẾN


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................VI
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT..................................................................................VII
CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG HỢP TÁC VÀ
TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN.............................................................................1
1.1

GIỚI THIỆU CHUNG.....................................................................................................1

1.2

MẠNG KHÔNG DÂY.....................................................................................................4

1.2.1

Giới thiệu mạng không dây.................................................................................4

1.2.2

Ưu và nhược điểm của mạng không dây.............................................................4

1.2.3



Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability – OP).........................................14

1.4.2

Xác suất lỗi trung bình (Average Error Probability)........................................15

CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG DÂY TRUYỀN
NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN.............................................................................................16
2.1

GIỚI THIỆU CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN................................................................16

2.2

MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ KÊNH TRUYỀN....................................................................18

2.3

PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG.............................................................................................25

2.3.1

Xác suất dừng hệ thống.....................................................................................25


2.3.2

Thông lượng hệ thống.......................................................................................26


3.2.1

Ảnh hưởng của tham số thời gian thu năng lượng ()........................................30

3.2.2

Ảnh hưởng của tham số vị trí nút chuyển tiếp (d1)...........................................33

3.2.3

Ảnh hưởng của Gamma ().................................................................................36

3.3

ĐÁNH GIÁ CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC........................................................................38

3.4

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3...............................................................................................39

CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN................................................40
4.1

KẾT LUẬN.................................................................................................................40

4.2

HƯỚNG PHÁT TRIỂN.................................................................................................40

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................................41

() VỚI = 10DB, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1, D0 = , K = 2, R = 3, 2, = 3, = 3........................32
HÌNH 3-5: XÁC LỖI KÝ TỰ TRUNG BÌNH THEO THỜI GIAN THU NĂNG
LƯỢNG () VỚI = 10DB, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1, D0 = , K = 2, R = 3, 2, = 3, = 2.......33


HÌNH 3-6: XÁC SUẤT DỪNG HỆ THỐNG THEO KHOẢNG CÁCH MÁY NGUỒN
VÀ MÁY CHUYỂN TIẾP (D1) VỚI = 10DB, = 0.8, D2 = 0.5, D0 = , K = 2, R = 3, 2, =
3, = 2

34

HÌNH 3-7: THÔNG LƯỢNG HỆ THỐNG THEO KHOẢNG CÁCH MÁY NGUỒN
VÀ MÁY CHUYỂN TIẾP (D1) VỚI = 10DB, = 0.8, D2 = 1, D0 = , K = 3, R = 4, 2, = 3,
=3

35

HÌNH 3-8: XÁC SUẤT LỖI KÝ TỰ TRUNG BÌNH ASEP THEO KHOẢNG CÁCH
MÁY NGUỒN VÀ MÁY CHUYỂN TIẾP (D1) VỚI: = 10DB, = 0.8, D2 = 1, D0 = , K =
3, 2, = 3, = 2 36
HÌNH 3-9: OP THAY ĐỔI THEO VỚI = 0.5, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1, D0 = , K = 2, R =
3, 2, = 3, = 3 37
HÌNH 3-10: THÔNG LƯỢNG THAY ĐỔI THEO VỚI = 0.5, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1,
D0 = , K = 2, R = 3, 2, = 3, = 3.............................................................................................38
HÌNH 3-11: ASEP THAY ĐỔI THEO VỚI = 0.5, = 0.8, D1 = 0.5, D2 = 1, D0 = , K = 3,
2, = 3, = 2

39

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT


Line Of Sight

MIMO

Multi-Input Multi-Output

OP

Outage Probability

PDF

Probability Destiny Function

QPSK

Quadrature Phase Shift Keying

RF

Radio Frequency

RV

Random Variable

SNR

Signal-to-Noise Ratio

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 2/51

một biện pháp tối ưu hóa nhằm khác phục các tình trạng này đó là dùng đến hệ
thống mạng chuyển tiếp.
Đây là hệ thống tuy còn khá mới mẻ nhưng hứa hẹn sẽ mang lại nhiều tiềm năng to
lớn cho người dùng trong tương lai. Hướng sử dụng của mạng chuyển tiếp là sử
dụng các nút trung gian (nút chuyển tiếp) để chuyển tiếp dữ liệu từ trạm nguồn đến
trạm đích, qua đó nó giúp kéo dài khoảng cách chuyển tiếp giúp phạm vi phủ sóng
được tăng lên đáng kể đồng thời làm giảm các hiện tượng nhiễu đến hệ thống.
Khi các thiết bị sử dụng mạng kết nối không dây đòi hỏi phải đảm bảo được dung
lượng pin được ổn định. Ngày nay, các thiết bị ngày càng phát triển về cấu hình,
hình dáng, tính năng nhưng vẫn chưa có một công nghệ nào về pin đáp ứng được
nhu cầu người tiêu dùng khi điện thoại, laptop,… ngày càng tiêu hao nhiều năng
lượng hơn khiến người dùng phải cắm sạc thường xuyên gây ra nhiều phiền phức.
Do đó, các nhà khoa học đã nỗ lực rất nhiều để tìm ra một công nghệ pin có thể đáp
ứng được các thiết bị hiện nay.
Có nhiều cách để nạp năng lượng cho các thiết bị nhưng nạp không dây vẫn là tiện
lợi và an toàn nhất. Các dạng năng lượng không dây phổ biến như năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, năng lượng sóng biển và đặc biệt là nạp năng lượng thông qua
sóng vô tuyến là công nghệ mới nhất hiện nay.
Xung quanh chúng ta có rất nhiều loại sóng vô tuyến mà chúng ta không nhìn thấy
như sóng điện thoại, wifi,… có thể hoàn toàn được tận dụng để sạc năng lượng cho
các thiết bị không dây giúp chúng kéo dài thời gian hoạt động lâu hơn. Đây là một
ướng đi hoàn toàn mới đang được nghiên cứu và được hy vọng sẽ hoàn thiện trong
tương lai gần.


Relay

Source

Destination
Hình 1-3: Mô hình mạng hợp tác

1.2 Mạng không dây
1.1.1 Giới thiệu mạng không dây
Mạng không dây là một hệ thống cho phép hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau
bằng cách sử dụng một giao thức chuẩn và giao tiếp thông qua sóng vô tuyến mà
không cần kết nối vật lý với nhau.
1.1.2 Ưu và nhược điểm của mạng không dây
 Ưu điểm:
 Tiện lợi và linh động, có thể kết nối với internet ở bất cứ nơi nào nằm trong
vùng phủ sóng
 Loại bỏ được sự phức tạp từ việc sử dụng dây cáp
 Có thể sử dụng được với bất cứ thiết bị nào hiện nay, tiết kiệm được chi phí
 Dễ sửa chữa, đáp ứng được một số lượng lớn người truy cập cùng một lúc
 Nhược điểm:
 Phạm vi hoạt động nhỏ hẹp chỉ nằm trong vùng phủ sóng
 Dễ bị nhiễu do thời tiết hoặc bị chắc bởi các công trình

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 5/51


Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 6/51

Biến ngẫu nhiên (Random Variable – RV) được kí hiệu là X, là đại lượng biến đổi
mà giá trị của nó phụ thuộc vào các kết quả của phép thử ngẫu nhiên. Có hai loại
biến ngẫu nhiên: biến ngẫu nhiên rời rạc và biến ngẫu nhiên liên tục.
 Biến ngẫu nhiên rời rạc:
Đại lượng X được gọi là một biến ngẫu nhiên rời rạc nếu ta có thể liệt kê được tất cả
các giá trị của biến ngẫu nhiên đó.
Ví dụ: số học sinh trong một lớp, số hoa quả bị hỏng trong một hộp 5 quả,…
Phân bố xác suất của biến ngẫu nhiên rời rạc là tập hợp các giá trị có thể có của các
xác suất tương ứng và biến X. Đôi lúc nó còn được biết đến với tên gọi hàm tập
trung xác suất hoặc hàm phân bố xác suất.
Giả sử biến ngẫu nhiên X nhận được n các giá trị khác nhau, X = x i được định nghĩa
P(X = xi) = pi(i = 1…n). Các xác suất pi phải thỏa mãn các điều kiện sau:
 0 ≤ pi ≤ 1 với mỗi i.
 p1+…+pn = = 1.
 Biến ngẫu nhiên liên tục:
Đại lượng X được gọi là biến ngẫu nhiên liên tục khi tập hợp các giá trị của X là
một khoảng trên trục số.
Ví dụ: cân nặng, chiều cao của một người,…
Biến ngẫu nhiên liên tục không được xác định trong một giá trị cụ thể mà nó được
xác định trong một khoảng giá trị được thể hiện bằng diện tích đường cong (tích
phân).
Đường cong đại diện cho hàm p(x) phải thỏa mãn các điều kiện:


(1.3)

Fx(x) có 4 tính chất như sau:
o Fx(x) ≥ 0,
o Fx(∞) = 1,
o Fx(-∞) = 0,
o Fx(x) là hàm tăng, Fx(x1) ≤ Fx(x2), x1 ≤ x2
1.1.1.3 Một số mô hình kênh truyền phổ biến
Kênh truyền Rayleigh

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 8/51

Khi môi trường có nhiều thành phần phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ do các vật chắn ta
sử dụng kênh truyền Rayleigh. Với hai biến Gauss ngẫu nhiên có trung bình bằng 0
và phương sai là thì Z = có phân bố Rayleigh Z2 có phân bố hàm mũ.
Hàm mật độ phân bố Rayleigh:
Pz(z) = exp, z ≥ 0,

(1.4)

Trong đó, Pr = 2là công suất trung bình của tín hiệu nhận được.
Z2 có phân bố hàm mũ như sau:
Pz (x) = e = e.


pz(z) = expIo, z ≥ 0

(1.8)

Khi K = 0, không có đường truyền trực tiếp phân bố Rician trở thành phân bố
Rayleigh. Với giá trị K = ∞, phân bố Rician trở thành phân bố Gauss.
Kênh truyền Nakagami
Trong một số trường hợp, có một mô hình bao gồm cả hai mô hình trên đó là mô
hình Nakagami-m.
Hàm mật độ đường bao được biểu diễn:
Pz(z) = exp, m ≥ 0.5,

(1.9)

Với là hàm Gamma.
Khi m ≥ 0.5 phân bố Nakagami có dạng một 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.
Do vậy, phân bố Nakagami là tổng quát cho phân bố Rayleigh và Rician.
Hàm phân bố công suất Nakagami fading như sau:
PZ2 (x) = exp.

(1.10)

Với m = thì phân bố xấp xỉ là Rician fading với tham số K, khi
m ∞ thì không có fading.
1.3 Truyền thông hợp tác
Truyền thông hợp tác là một kỹ thuật hoàn toàn mới với thiết bị di động đầu cuối
sử dụng một anten hoạt động trong môi trường có nhiều thuê bao có thể tạo ra máy
thu phát đa anten ảo cho phép hợp tác thực hiện truyền phân tập hiệu quả hơn. Tức

Kênh 3

A

C
Kênh 1
Hình 1-4: Mô hình kênh chuyển tiếp

1.1.6 Các phương thức chuyển tiếp
1.1.1.4 Phương thức Giải mã – Chuyển tiếp (Decode and Forward – DF)

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 11/51

Đây là cách tiếp cận đầu tiên của truyền thông hợp tác truyền thống được đề
xuất bởi Sendonaris và cộng sự. 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. Nhưng do lỗi đường truyền, thông tin có khả năng bị giải mã sai ở nút chuyển
tiếp làm suy giảm hiệu năng của hệ thống nên phương pháp này được giả định là
các nút chuyển tiếp chỉ hỗ trợ truyền thông trực tiếp nếu tín hiệu từ nút nguồn được
giải mã một cách chính xác. Điều này được thực hiện bằng cách dùng mã kiểm tra
CRC (Cyclic Redundancy Check).
Tuy nhiên trong thực tế không phải lúc nào các nút chuyển tiếp cũng nhận được tín
hiệu chính xác từ nút nguồn nên các nhà khoa học đã nghĩ ra phương pháp DF cố
định giúp nút chuyển tiếp luôn luôn chuyển tiếp thông tin đến nút đích mà không
cần quan tâm đến chất lượng của tín hiệu nhận được.

Phương thức Nén – Chuyển tiếp – CF khác với phương thức AF và DF ở chổ
trong quá trình truyền tin giữa nút nguồn và nút đích, nút chuyển tiếp truyền một
bản sao của bản tin nhận được. Ban đầu nút nguồn lượng tử hóa và nén bản tin
truyền đến nút chuyển tiếp, sau đó nút đích sẽ khôi phục thông tin nhận trực tiếp từ
nút nguồn và phần tin đã được lượng tử hóa và nén từ nút chuyển tiếp.

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 13/51

Quá trình lượng tử hóa và nén tại nút chuyển tiếp là quá trình mã hóa nguồn, nghĩa
là biểu diễn lại mỗi thông tin nhận được như là một chuỗi kí tự. Tại nút đích sẽ giải
mã các chuỗi kí tự nhận được từ bản tin lượng tử hóa và nén từ nút chuyển tiếp.
1.1.1.7 Phương thức Ước lượng – Chuyển tiếp (Estimate and Forward – EF)
Đối với phương thức này, sau khi nhận tín hiệu từ nút nguồn, nút chuyển tiếp sẽ ước
lượng tín hiệu sau đó chuyển tiếp tín hiệu tới nút đích.
1.4 Các tiêu chí đánh giá mạng không dây
Việc đánh giá hiệu năng (SNR – Signal Noise Ratio) dựa trên ba tiêu chí:
o Xác suất dừng hệ thống.
o Xác suất lỗi trung bình .
o Xác suất lỗi trung bình kết hợp với dừng hệ thống.
1.1.7 Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability – OP)
Xác suất dừng hệ thống là một tiêu chí hiệu năng quan trọng dùng để miêu tả hệ
thống thông tin không dây và được định nghĩa là xác suất mà tỉ số công suất tín hiệu
trên nhiễu tức thời đầu cuối – đầu cuối SNR thấp hơn giá trị ngưỡng cho trước
được tính bởi công thức:
Pout = p( < ) = = F()

(1.13)

Với , βM là hằng số phụ thuộc loại điều chế.
Ví dụ, đối với điều chế QPSK ( = 2, βM = 1), điều chế BPSK ( = 1, βM = 2).
Q(x) là hàm Q Gaussian:
Q(x) =

(1.14)

CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC KHÔNG
DÂY TRUYỀN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
1.5 Giới thiệu các nghiên cứu liên quan
Vào năm 1979, El Gamal và Cover cho ra đời mô hình kênh chuyển tiếp gồm có
một nút nguồn A, nút chuyển tiếp B và nút đích C cho thấy năng lực của kênh
chuyển tiếp tốt hơn so với kênh nguồn – đích.
B
Kênh 2

Kênh 3

A

C
Kênh 1
Hình 2-1: Mô hình kênh chuyển tiếp

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến



Hình 2-3: Mạng chuyển tiếp DF sử dụng nhiều nút Relay

Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng cũng được các
nhóm nghiên cứu trong nước đưa ra.

Relay
Destination
Kênh chuyển tiếp

Source

Kênh truyền thông tin và
chuyền đổi năng lượng

Hình 2-4: Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp hai chặng truyền năng lượng

Mô hình này bao gồm một trạm nguồn (S) vừa truyền thông tin vừa truyền năng
lượng, một máy đích (D) và một máy chuyển tiếp (R) hoạt động trong môi trường
fading không đồng nhất (kênh truyền giữa S – R và R – D được giả sử lần lượt là
Rician và Rayleigh).

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến


ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Trang 17/51

Ngoài ra, các nhà khoa học còn đề xuất một ý tưởng xây dựng một mạng Ad-hoc,
trong đó trạm nguồn có thể hợp tác với các trạm trung gian cho mục đích chuyển

hSD

S

D

Kênh truyền năng lượng

S: Trạm nguồn

Kênh truyền thông tin chuyển tiếp

D: Máy đích

Kênh truyền thông tin trực tiếp

R: Máy chuyển tiếp

Hình 2-6: Mô hình của hệ thống

Mô hình này 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). Có một số trường hợp được liệt kê
như sau:
 Ví dụ giữa trạm nguồn S và máy đích D có đường truyền trực tiếp nhưng tín
hiệu của đường truyền này đôi lúc bị yếu nên cần thêm sự hỗ trợ của máy chuyển
tiếp R giúp cho máy thu D có thể thu được tín hiệu từ cả S và R.
 Quá trình truyền tín hiệu của hệ thống gồm hai chặng. Ở chặng đầu tiên, trạm
nguồn S truyền năng lượng đến máy chuyển tiếp R đồng thời truyền thông tin đến
cả máy chuyển tiếp R lẫn máy đích D. Ở chặng cuối cùng, máy chuyển tiếp R

Trong khoảng thời gian , máy chuyển tiếp thu năng lượng từ trạm nguồn. Công suất
truyền từ máy chuyển tiếp là:
Pr = = = aPS,

(2.1)

Trong đó:
Eh = là năng lượng thu được tại máy chuyển tiếp R
o 0 < ≤ 1 là hiệu suất chuyển năng lượng.
o PS là công suất truyền của trạm nguồn.
o

là độ lợi công suất kênh truyền từ trạm nguồn đến máy chuyển tiếp.

o là hệ số thể hiện tỉ lệ của thời gian khối (0 < < 1).
o T là thời gian khối trong đó thông tin khối được truyền từ trạm nguồn đến
máy đích.
Đặt a = ; = .

Nghiên Cứu, Phân Tích Và Đánh Giá Hiệu Năng Mạng Hợp Tác Không Dây Truyền
Năng Lượng Vô Tuyến