HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN HIỆP

MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU DẠNG NỀN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNG LƯỢNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

TP. HỒ CHÍ MINH - 2018


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

NGUYỄN VĂN HIỆP

MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU DẠNG NỀN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNG LƯỢNG
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO

TP. HỒ CHÍ MINH - 2018



Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Học viên thực hiện luận văn

Nguyễn Văn Hiệp

năm


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT .............................................. vi
DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU DẠNG NỀN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP NĂNG LƯỢNG .............................................3
1.1 Giới thiệu chung ................................................................................................3
1.2 Tổng quan về mạng thu thập năng lượng vô tuyến ...........................................4
1.2.1 Các loại kỹ thuật thu thập năng lượng.........................................................4
1.2.2 Các phương pháp thu thập năng lượng vô tuyến ........................................6
1.2.2.1 Thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TSR) ..........................6

2.4.1 Tối ưu tham số  của giới hạn nhiễu (ITAP)...........................................34
2.4.2 Tối ưu tham số  của kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công
suất (PSR) ...........................................................................................................36
2.5 Tổng dung lượng hệ thống...............................................................................38
2.5.1 Tối ưu tham số  của giới hạn nhiễu (ITAP)...........................................41
2.5.2 Tối ưu tham số  của kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công
suất (PSR) ...........................................................................................................41
Chương 3 – MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ................................................................43
3.1 Lưu đồ mô phỏng .............................................................................................43
3.2 Kết quả mô phỏng và thảo luận .......................................................................44
3.2.1 Mối quan hệ giữa hiệu năng hệ thống với việc tối ưu

 và  . ...............44

3.2.2 Thông lượng hệ thống ...............................................................................46
3.2.3 Dung lượng hệ thống .................................................................................48
3.2.4 Xác suất dừng hệ thống .............................................................................50
3.3 Đánh giá kết quả mô phỏng .............................................................................52
Chương 4 – KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................53
4.1 Kết luận ............................................................................................................53


v

4.2 Hướng phát triển ..............................................................................................53
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................54


vi


CR

Cognitive Radio

Mạng vô tuyến nhận thức

DF

Decode and Forward

Giải mã và chuyển tiếp

EH

Energy Harvesting

Thu thập năng lượng

ITAP

Interference Temperature

Tham số giới hạn nhiễu

Apportioning Parameter
PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

Mạng thứ cấp

TSR

Time Splitting Relaying

Thu thập năng lượng phân chia
theo thời gian

TW-EHR

SWIPT

WSN

Two-Way Energy Harvesting

Chuyển tiếp hai chiều thu thập

Relay

năng lượng

Simultaneous Wireless

Truyền tải đồng thời thông tin và

Information and Power Transfer

năng lượng không dây

Hình 3.5: Thông lượng hệ thống với I p /  2 cho trường hợp bất đối xứng tại

  0.9 và   0.9 .....................................................................................................48
Hình 3.6: Dung lượng hệ thống với I p /  2 cho trường hợp đối xứng tại   0.2 và

  0.1 .......................................................................................................................49
Hình 3.7: Dung lượng hệ thống với I p /  2 cho trường hợp đối xứng tại   0.9 và

  0.9 .......................................................................................................................50


viii

Hình 3.8: Xác suất dừng hệ thống với I p /  2 cho trường hợp đối xứng và bất đối
xứng ...........................................................................................................................51
Hình 3.9: Xác suất dừng hệ thống với  cho trường hợp đối xứng và bất đối xứng
...................................................................................................................................52


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến đang phát triển mạnh mẽ đặc biệt trong
công nghệ mạng di động tế bào và mạng cảm biến không dây với số lượng người
dùng ngày càng tăng. Các thiết bị phải đảm bảo chất lượng tín hiệu xuyên suốt, sử
dụng hiệu quả phổ tần đã được cấp phép, tiết kiệm năng lượng, đó là các thách thức
đang thu hút rất nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học và giới công nghiệp trên thế
giới.
Công nghệ mạng vô tuyến nhận thức đang thể hiện được những ưu điểm vượt
trội so với các công nghệ khác. Trong đó, mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền được

Chương 3 sử dụng mô phỏng Monte-Carlo và mô phỏng kết quả lý thuyết trên
phần mềm Matlab để kiểm chứng tính chính xác của mô hình hệ thống dựa trên lưu
đồ mô phỏng và công thức toán học đã đạt được.
Chương 4 – Kết luận và hướng phát triển
Chương này nêu các vấn đề luận văn đã làm được và đề xuất hướng phát triển
của luận văn.


3

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN TIẾP
HAI CHIỀU DẠNG NỀN SỬ DỤNG KỸ THUẬT THU THẬP
NĂNG LƯỢNG
1.1 Giới thiệu chung
Trong những năm gần đây, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio –
CR) là một khái niệm mới, được xem như là một giải pháp tiềm năng để cải thiện độ
chiếm dụng phổ tần, bị giới hạn bởi chính sách phân bố phổ tần cố định. Ý tưởng cơ
bản của vô tuyến nhận thức là cho phép các người dùng có thể tiến hành hoạt động
truyền phát mà không cần phải đăng ký sử dụng tần số (người dùng thứ cấp) tận dụng
các băng tần đã được cấp phép miễn là không gây ảnh hưởng đến việc truyền dữ liệu
của các người dùng đã đăng ký tần số (người dùng sơ cấp). Do đó, CR được xem là
chìa khóa để giải quyết vấn đề khan hiếm phổ tần [1].
Xét về khía cạnh hiệu suất sử dụng phổ, mô hình dạng nền cho kết quả tốt hơn
so với mô hình còn lại vì đặc tính cho phép hai hệ thống hoạt động đồng thời tại một
thời điểm. Tuy nhiên, do tính chất của mô hình dạng nền, công suất phát của các thiết
bị thuộc hệ thống thứ cấp bị giới hạn dưới một ngưỡng cho trước để không gây can
nhiễu cho hệ thống sơ cấp, dẫn đến phạm vi vùng phủ sóng của mạng thứ cấp bị giới
hạn.
Để giải quyết bài toán mở rộng vùng phủ sóng cho hệ thống người dùng thứ
cấp, hướng nghiên cứu phối hợp công nghệ truyền thông chuyển tiếp và thu thập năng

biết hệ thống thực tế, trong luận văn này, học viên tập trung nghiên cứu, đề xuất mô
hình mới kết hợp công nghệ vô tuyến nhận thức dạng nền sử dụng kỹ thuật thu thập
năng lượng với công nghệ chuyển tiếp hai chiều sử dụng hai khe thời gian chuyển
tiếp để tăng tốc độ truyền dữ liệu trong hệ thống thứ cấp, đồng thời luận văn sẽ đưa
ra các giải pháp lựa chọn tham số kỹ thuật, để cải thiện hiệu năng hệ thống.

1.2 Tổng quan về mạng thu thập năng lượng vô tuyến
1.2.1 Các loại kỹ thuật thu thập năng lượng
 Thu thập nhiệt năng
Khi những vật thể hoặc trong môi trường có sự chênh lệch nhiệt độ sẽ tạo ra
một nguồn năng lượng để thu thập thông qua truyền nhiệt. Nhiệt độ của vật càng cao
làm cho các phần tử cấu tạo nên vậy di chuyển càng nhanh làm cho nhiệt năng của


5

vật càng tăng cao. Điều này thường thấy trong các nhà máy nhiệt điện, các động cơ
điện chạy bằng nguồn năng lượng này.
 Thu thập động năng
So với thu thập nhiệt năng thì thu thập động năng có ưu điểm hơn là sạch, ổn
định và kích thước nhỏ hơn. Thu thập động năng có hai giải pháp là sử dụng máy
phát áp điện và máy phát điện tử. Máy phát áp điện chuyển đổi sức căng cơ khí của
các vật liệu hoạt tính tạo thành điện tích trong vật dẫn, máy phát điện tử sử dụng sự
chuyển động tương đối của một dây dẫn trong môi trường từ trường tạo ra điện tích
trong dây dẫn. Hai máy phát động năng này được nhắc đến ở [12].
 Thu thập năng lượng tần số vô tuyến
Ngày nay, với sự phát triển công nghệ mạnh mẽ, các thiết bị cung cấp sóng
RF như BTS, AP, trạm phát sóng truyền hình… ngày càng gia tăng nhanh chóng nên
nguồn năng lượng RF cũng rất phong phú.
Những hệ thống, thiết bị sử dụng nguồn năng lượng từ pin để hoạt động bắt


Hình 1.1, mô hình mạng thu thập năng lượng gồm 3 nút: nút nguồn S, nút
chuyển tiếp R và nút đích D, trong đó nút S truyền dữ liệu tới D thì nút R sẽ có nhiệm
vụ chuyển tiếp tín hiệu. Trong các mạng cảm biến không dây truyền thống thì nút R
sẽ được cung cấp năng lượng hoặc nút R tự thu thập năng lượng từ môi trường xung
quanh [15] hay S và R cùng thu thập nhiều nguồn năng lượng khác nhau [16], [17].
Nhưng trong mạng thu thập năng lượng vô tuyến thì nút R sẽ dùng tín hiệu nhận được
từ nút nguồn để thu thập năng lượng. Tại nút R có hai phương pháp thu thập năng
lượng là: thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TSR) và thu thập năng lượng
phân chia theo công suất (PSR) [9].

1.2.2.1 Thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (TSR)
T

Thu thập năng lượng EH
T

Truyền tín hiệu

Chuyền tiếp tín hiệu

từ S đến R

từ R đến D

1    T / 2

1    T / 2

Hình 1.2: Thu thập năng lượng phân chia theo thời gian

với  là hệ số thu thập năng lượng. Ta có:

 Ps T h1

2 Ps h1
PR 


.
T
T
1


1   
1   
2
2
Eh

2

2

(1.3)

trong đó PR là công suất phát của nút R. Tín hiệu sau khi chuyển đổi tín hiệu RF
thành tín hiệu băng gốc tại nút R trước khi truyền tới nút D là:
yR' 


T /2

Hình 1.3: Thu thập năng lượng phân chia theo công suất

Hình 1.3 mô tả kỹ thuật thu thập năng lượng phân chia theo công suất [9].
Trong kỹ thuật PSR, nút R cũng thực hiên thu thập năng lượng và truyền thông tin
tới nút D. Khung thời gian truyền thông tin từ S đến D là T . Nửa thời gian đầu T / 2
dùng để truyền thông tin từ S đến R và nửa thời gian còn lại được dùng để truyền
thông tin từ R đến D. Trong nửa thời gian đầu, một phần công suất nhận được tại R,

 P được dùng để thu thập năng lượng và phần còn lại 1    P dùng để xử lí thông
tin nhận được từ S, trong đó 0    1 . Tất cả nguồn năng lượng thu thập được, được
sử dụng cho nút R chuyển tiếp tín hiệu tới nút D.
Giả sử yR là tín hiệu thu được tại R. Khi đó, ta có:
yR  Ps h1 x  n1 ,

(1.6)

trong đó Ps là công suất phát của nút S, h1 là hệ số kênh truyền của chặng thứ nhất
(từ S đến R), x là tín hiệu cần truyền từ nút S đến nút D, n1 là nhiễu Gauss băng hẹp
của chặng thứ nhất.
Tín hiệu nhận được tại nút R để thu thập năng lượng là:

 yR   Ps h1 x   n1 ,
Năng lượng thu thập được tại R theo [9] là:

(1.7)


9

1   n1  nR .

(1.10)

Tín hiệu tại nút D là:
yD  PR h2 x  n2 ,

(1.11)

trong đó h2 là hệ số kênh truyền của chặng thứ hai (từ R đến D), x là tín hiệu cần
truyền từ nút S đến nút D và n2 là nhiễu Gauss băng hẹp của chặng thứ hai, nR là
nhiễu xảy ra tại pha xử lí thông tin của nút chuyển tiếp R.

1.3 Các kỹ thuật của mạng chuyển tiếp hai chiều
1.3.1 Khái niệm về mạng chuyển tiếp hai chiều

S

xs

D

Hình 1.4: Mạng chuyển tiếp một chiều

Xét một mạng khi mà điểm thu, phát (S và D) không thể trao đổi hay kết nối
trực tiếp với nhau do khoảng cách giữa chúng xa nhau hoặc do các fading của kênh
truyền. Lúc chúng có thể trao đổi tín hiệu với nhau qua trung gian bởi một hoặc nhiều
điểm chuyển tiếp R và do đó sẽ tạo ra một mạng chuyển tiếp. Các kỹ thuật chuyển




xs  xd

Hình 1.6: Mạng chuyển tiếp hai chiều ba pha DNC

Phương thức chuyển tiếp hai chiều ba pha sử dụng ba khe thời gian như Hình
1.6. Cả hai nút mạng đều truyền thông tin cho nút chuyển tiếp tại khe thời gian thứ
nhất và khe thời gian thứ hai. Trong khe thời gian thứ ba nút chuyển tiếp sử dụng


11

thuật toán mã mạng (ví dụ XOR) để kết hợp hai tín hiệu của hai khe thời gian đầu mà
nút chuyển tiếp nhận được và truyền quảng bá cho cả hai nút mạng. Tại mỗi nút mạng
sử dụng thuật toán giải mã tín hiệu (ví dụ XOR) để tách tín hiệu của nút mạng kia
truyền đến. Nói cách khác thì trong trường hợp này nút chuyển tiếp thực hiện công
việc giải điều chế và giải mã lại hai tín hiệu truyền của hai nút mạng và sau đó mã
hóa và điều chế lại tín hiệu trước khi truyền lại cho hai nút mạng ở khe thời gian thứ
ba [6].

1.3.1.2 Mạng chuyển tiếp hai chiều hai pha ANC

S

xs

xd

D


của tín hiệu chuyển tiếp. Khung thời gian để truyền tín hiệu từ nút S đến nút D được
chia thành hai khe thời gian. Trong khe thời gian thứ nhất, nút R sẽ nhận tín hiệu từ
nút S truyền qua, trong khe thời gian còn lại, nút R sẽ tiến hành khuếch đại tín hiệu
theo một hệ số độ lợi mà hệ số đó chủ yếu phụ thuộc vào hệ số kênh truyền của chặng
từ S – R, sau đó tín hiệu được chuyển tiếp tới nút D [20]. Do đó kỹ thuật AF ít phức
tạp hơn so với kỹ thuật DF và ít tiêu thụ năng lượng hơn tại nút R. Nhược điểm lớn
nhất của kỹ thuật AF là trong quá trình khuếch đại tín hiệu, nút R cũng đồng thời
khuếch đại tín hiệu nhiễu [21].

h2

h1
R

s

D

Hình 1.8: Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp

Tùy thuộc vào thông tin trạng thái kênh truyền CSI tức thời tại nút chuyển tiếp
mà chuyển tiếp AF được phân thành hai phương pháp. Đó là chuyển AF có độ lợi cố


13

định và độ lợi thay đổi theo trạng thái kênh truyền. Đối với chuyển tiếp có độ lợi thay
đổi, quá trình khuếch đại tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp sẽ phụ thuộc vào
thông tin trạng thái kênh truyền CSI tức thời tại thời điểm đó. Ngược lại, với chuyển
tiếp có độ lợi cố định thì độ lợi được sử dụng khuếch đại tại nút chuyển tiếp là giá trị


,

Đối với kênh truyền sử dụng chuyển tiếp AF, tỷ số SNR của toàn hệ thống
được tính theo [21] như sau:

 e 2e 

P h
trong đó  1  s 1
N0

2

 1 2
.
1   2  1

P h
là SNR của chặng thứ nhất từ S đến R,  2  R 2
N0

(1.14)
2

là SNR của

chặng thứ 2 từ R đến D và N0 là mật độ phổ của nhiễu trắng có trung bình bằng 0 và
phương sai là 1.


 Ps h1 2 PR h2 2 
 min  1 ,  2   min 
,
.
 N0

N
0



(1.15)

trong đó  1 và  2 lần lượt là tỷ số SNR của chặng 1 và chặng 2.

1.4 Công nghệ vô tuyến nhận thức
1.4.1 Nguyên nhân ra đời mạng vô tuyến nhận thức
Sự gia tăng nhu cầu của thông tin không dây kéo theo nhu cầu cải thiện chất
lượng về lưu lượng, tính tin cậy, dịch vụ… Vì vậy mà số lượng thiết bị dựa vào các
chuẩn không dây và công nghệ sẽ ngày càng gia tăng trong tương lai. Nhưng một vấn
đề quan trọng khác lại nảy sinh là phổ tần số của thông tin không dây. Trong khi tài
nguyên phổ là có hạn thì sự phát triển ở trên sẽ dẫn đến tình trạng khan hiếm phổ tần.
Phần lớn phổ vô tuyến được cấp cho các hệ thống thông tin và dịch vụ truyền thông.
Tuy nhiên, tài nguyên phổ lại bị lãng phí bởi nhiều lý do


15

Thứ nhất, sự thất bại về kinh tế của các dịch vụ và hệ thống vô tuyến cấp phép
có thể dẫn đến phổ không sử dụng, như công nghệ WiMax xuất hiện nhưng không