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

NGUYỄN THỤY BẢO LINH

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG DSSC
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG THU THẬP VÔ TUYẾN

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

TP.HCM - 2018


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

NGUYỄN THỤY BẢO LINH
ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG DSSC
SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG THU THẬP VÔ TUYẾN
CHUYÊN NGÀNH :
MÃ SỐ :

KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
8520208

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

TP.HCM - 2018

i

LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn đến PGS.TS. Võ Nguyễn Quốc
Bảo, Thầy đã hướng dẫn tôi phương pháp làm việc khoa học, hiệu quả, cách tiếp
cận và giải quyết vấn đề chặt chẽ, đó là những kinh nghiệm rất bổ ích cho quá trình
hoàn thành luận văn, cũng như trong học tập và công tác của tôi sau này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến Quý Thầy Cô của Học viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông, đặc biệt là những Thầy Cô Khoa Viễn thông 2 đã tận tình hỗ trợ
tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Học Viện.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban giám đốc Học viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi trong suốt quá trình học
tập tại trường.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, đồng nghiệp và bạn bè là
những người đã thường xuyên giúp đỡ, động viên, hỗ trợ cho tôi trong học tập và
tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận văn này.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng
Học viên thực hiện

Nguyễn Thụy Bảo Linh

năm


ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

Học viên thực hiện

Nguyễn Thụy Bảo Linh


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN....................................................................................................ii
MỤC LỤC .............................................................................................................iii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH .................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ................................................................ 3
1.1 Các nghiên cứu liên quan ............................................................................... 3
1.2 Tổng quan về kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố DSSC......................... 4
1.2.1 Giới thiệu các kỹ thuật phân tập ............................................................... 4
1.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu kết hợp ............................................................ 5
1.2.3 Kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố DSSC ........................................ 6
1.2.4 Mô hình cơ bản của kỹ thuật DSSC.......................................................... 7
1.2.4.1 Điều kiện chuyển liên kết thu .......................................................... 8
1.2.4.2 Xác suất được sử dụng của mỗi liên kết .......................................... 8
1.2.4.3 Hiệu năng hệ thống sử dụng DSSC ................................................. 9
1.3.Tổng quan về kỹ thuật thu thập năng lượng .................................................. 11
1.3.1 Giới thiệu ............................................................................................... 11

1.3.2 Nguồn năng lượng RF ............................................................................ 11
1.3.3 Kiến trúc mạng thu thập năng lượng RF ................................................. 12
1.3.4 Mô hình thiết bị thu thập năng lượng RF ................................................ 13
1.3.5 Phương pháp thu thập năng lượng RF .................................................... 15
1.3.5.1 Chuyển mạch thời gian TS ............................................................ 16
1.3.5.2 Chia công suất PS ......................................................................... 17
1.4 Bảo mật thông tin lớp vật lý ......................................................................... 18
1.4.1 Giới thiệu ............................................................................................... 18
1.4.2 Hiệu năng bảo mật hệ thống. .................................................................. 19
1.4.2.1 Dung lượng bảo mật hệ thống ....................................................... 20


iv

1.4.2.2 Xác suất bảo mật khác không ........................................................ 20
1.4.2.3 Xác suất dừng bảo mật .................................................................. 21
1.4.3 Một số kỹ thuật bảo mật thông tin lớp vật lý tại nút chuyển tiếp. ............ 21
1.4.3.1 Giải mã và chuyển tiếp (DF) ......................................................... 22
1.4.3.2 Ngẫu nhiên và chuyển tiếp (RF) .................................................... 22
Chương 2 - ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG BẢO MẬT CỦA HỆ THỐNG DSSC SỬ
DỤNG NĂNG LƯỢNG THU THẬP VÔ TUYẾN ............................................... 24
2.1 Mô hình hệ thống ......................................................................................... 24
2.2 Phân tích mô hình ......................................................................................... 25
2.2.1 Chặng 1 .................................................................................................. 26
2.2.2 Chặng 2 .................................................................................................. 27
2.3 Bảo mật trong kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố (DSSC) ................... 28
2.4 Xác suất dừng bảo mật-SOP ......................................................................... 31
Chương 3 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN ....................................... 35
3.1 Mô hình hóa ................................................................................................. 35
3.2 Kết quả mô phỏng ........................................................................................ 36

Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................... 43
4.1 Kết luận ........................................................................................................ 43
4.2 Hướng phát triển .......................................................................................... 43
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................... 45


v

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt
AF
CSI
DF

Tiếng Anh
Amplify and Forward
Channel State Information
Decode and forward

DSSC

Distributed switch-and-stay combining

EH
RF
RF
PS
TS

Energy Harvesting

Radio Frequency
Randomize and Forward
Power Splitting
Time Splitting
Simultaneous wireless information and
power transfer

SWIPT

Tiếng Việt
Khuếch đại và chuyển tiếp
Thông tin trạng thái kênh
Giải mã và chuyển tiếp
Kết hợp chuyển tiếp và giữ
phân bố
Thu thập năng lượng
Tần số vô tuyến
Ngẫu nhiên chuyển tiếp
Phân chia theo công suất
Phân chia theo thời gian
Truyền đồng thời năng lượng
và thông tin vô tuyến


vi

DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Dữ liệu thí nghiệm thu thập năng lượng [5] ........................................... 12



vii

DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1.1: Mô hình cơ bản của kỹ thuật DSSC ......................................................... 8
Hình 1.2: Mô hình Markov ...................................................................................... 9
Hình 1.3: Kiến trúc chung 1 mạng thu thập năng lượng RF [5] .............................. 13
Hình 1.4: Mô hình thiết bị thu thập năng lượng RF [5] .......................................... 14
Hình 1.5: Nút R thu thập năng lượng từ nút S và sử dụng năng lượng này để truyền
thông tin đến D ...................................................................................................... 16
Hình 1.6: Thu thập năng lượng theo phương pháp chuyển mạch thời gian TS [8] .. 16
Hình 1.7: Thu thập năng lượng theo phương pháp chia công suất PS [8] ............... 17
Hình 1.8: Mô hình hệ thống cơ bản ....................................................................... 19
Hình 1.9: Mô hình hệ thống 4 nút mạng [25] ......................................................... 22
Hình 2.1: Mô hình bảo mật hệ thống DSSC trong mạng thu thập năng lượng ........ 24
Hình 3.1: Mô hình hóa hệ thống đề xuất ................................................................ 35
Hình 3.2: SOP hệ thống trong ba trường hợp của Rs và Ro ................................... 37
Hình 3.3: Ảnh hưởng của  th lên SOP hệ thống..................................................... 38
Hình 3.4: Ảnh hưởng của vị trí nút nghe lén lên hiệu suất bảo mật hệ thống .......... 39
Hình 3.5: Ảnh hưởng của vị trí nút chuyển tiếp lên hiệu suất bảo mật hệ thống ..... 40
Hình 3.6: Xác suất dừng theo hệ số thời gian thu thập năng lượng với các trường
hợp tỷ số tín hiệu trên nhiễu khác nhau. ................................................................. 41
Hình 3.7: Xác suất dừng của hệ thống có thu thập năng lượng và không thu thập
năng lượng. ........................................................................................................... 41


1

MỞ ĐẦU
Ngày nay, khi mà mạng thông tin vô tuyến đang xâm nhập sâu rộng và trở
thành các công cụ đắc lực trong các lĩnh vực của đời sống kinh tế - xã hội và an

ninh - quốc phòng thì các vấn đề về bảo mật và an toàn thông tin trong mạng thông
tin vô tuyến thế hệ mới đang ngày càng tỏ rõ tầm quan trọng. Do tính chất quảng bá
của kênh truyền, bất kỳ người sử dụng không dây trái phép trong phạm vi giao tiếp
có thể nghe lén và giải mã các tín hiệu truyền đi, dẫn đến bảo mật thông tin cho hệ
thống thông tin vô tuyến là một vấn đề quan trọng và đầy thử thách. Bảo mật lớp
vật lý khai thác các đặc điểm của kênh không dây nhằm cung cấp truyền dữ liệu bảo
mật. Gần đây, bảo mật lớp vật lý đã thu hút được nhiều nghiên cứu và quan tâm rất
lớn.
Công nghệ “truyền thông hợp tác” trong những năm gần đây đã được những
nhà nghiên cứu quan tâm và đã có những phương án triển khai cho công nghệ mới
mẻ này trong tương lai gần. Cùng với các công nghệ mới như “vô tuyến thông
minh”, “truyền thông hợp tác” sẽ là những cơ sở tốt để các nhà sản xuất lựa chọn
phương thức truyền thông cho công nghệ 5G trong tương lai. Trong mạng 5G, mạng
truyền thông vạn vật (Internet of Things) là một thành phần không thể thiếu mà ở đó
các hệ thống cảm biến vô tuyến kết nối với nhau. Việc đảm bảo năng lượng cho các
hệ thống cảm biến được triển khai rộng với nhu cầu sử dụng liên tục là một thử
thách lớn. Việc sử dụng nguồn năng lượng lưu trữ từ pin, acquy có thời gian hoạt
động giới hạn và rất khó thay thế hoặc nạp lại năng lượng trong điều kiện khó khăn
như địa hình hiểm trở hoặc môi trường độc hại hoặc khí hậu khắc nghiệt. Những
khó khăn này đã thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu, tìm giải pháp thay thế
nguồn năng lượng hữu hạn đáp ứng nhu cầu sử dụng và công nghệ thu thập năng
lượng cho hệ thống vô tuyến được ra đời.
Trong luận văn này, học viên sẽ nghiên cứu đánh giá hiệu năng bảo mật của
hệ thống kết hợp chuyển và giữ phân bố DSSC có sử dụng năng lượng thu thập vô
tuyến.
Bố cục luận văn được chia làm các chương sau:
Chương 1 - Lý thuyết tổng quan


2


Tìm hiểu tổng quan về kỹ thuật DSSC, kỹ thuật thu thập năng lượng và bảo
mật lớp vật lý trong mạng vô tuyến.
Chương 2 - Đánh giá hiệu năng bảo mật của hệ thống DSSC sử dụng
năng lượng thu thập vô tuyến
Mô tả mô hình hệ thống đề xuất, phân tích đánh giá hiệu năng bảo mật của
hệ thống.
Chương 3 - Kết quả mô phỏng và thảo luận
Trong chương này, học viên sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo
trên phần mềm Matlab để để kiểm chứng phần tính toán đưa ra ở chương 2.
Chương 4 - Kết luận và hướng phát triển đề tài
Chương này nêu các vấn đề luận văn đã làm được, đề xuất hướng phát triển
luận văn.


3

Chương 1 - LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1 Các nghiên cứu liên quan
Để cải thiện hệ thống bảo mật lớp vật lý, nhiều phương án đã được đề xuất,
ví dụ: nhiễu nhân tạo [1], MIMO [2], truyền thông cộng tác [3]. Trong đó, truyền
thông cộng tác được coi là một phương pháp khả thi vì nó có thể cung cấp dung
lượng của kênh hợp pháp lớn hơn so với dung lượng của kênh nghe lén nhờ đến độ
lợi đường truyền và độ lợi phân tập không gian. Tuy nhiên, nhược điểm của truyền
thông cộng tác là gây độ phức tạp cao tại nút thu đích và năng lượng tiêu tốn do yêu
cầu về thông tin kênh truyền nếu kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp (từng phần hoặc
toàn phần) được sử dụng. Để giải quyết vấn đề này, gần đây bài báo [4] có đề xuất
kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố DSSC cho các mạng bảo mật chuyển tiếp
nhận thức hai chặng với hai nút chuyển tiếp giải mã và chuyển tiếp khi mà liên kết
trực tiếp từ nguồn đến đích không được đưa vào. Tuy nhiên, các kết quả phân tích là

chưa phù hợp.
Kỹ thuật thu hoạch và truyền năng lượng tần số vô tuyến (RF) gần đây đã
trở thành phương pháp thay thế để cấp năng lượng cho các mạng không dây thế hệ
tiếp theo. Công nghệ này cho phép chủ động bổ sung năng lượng cho các thiết bị
không dây, thuận lợi trong việc hỗ trợ các ứng dụng với chất lượng dịch vụ theo yêu
cầu [5]. Kỹ thuật thu hoạch năng lượng thu hút sự chú ý của nhiều nhà nghiên cứu
khoa học với nhiều mô hình kênh thu thập năng lượng (SIMO, mạng hai chiều…)
đã được nghiên cứu trong những năm gần đây [6], [7], [8].
Trong luận văn này, tôi sẽ nghiên cứu và tổng quát hóa bài toán “bảo mật
trong hệ thống kết hợp chuyển và giữ phân bố (DSSC) có sử dụng thu thập năng
lượng”. So với các hệ thống bảo mật truyền thống thì bảo mật trong hệ thống thu
thập năng lượng có đặc điểm riêng vì nút chuyển tiếp có thể thu thập năng lượng từ
tín hiệu RF được truyền từ nguồn và sử dụng năng lượng đó để chuyển tiếp thông
tin nút nguồn.


4

1.2 Tổng quan về kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố DSSC
1.2.1 Giới thiệu các kỹ thuật phân tập
Do tính chất của môi trường vô tuyến, tín hiệu RF (Radio Frequency) truyền
qua kênh truyền vô tuyến sẽ lan tỏa trong không gian, va chạm vào các vật cản phân
tán rải rác trên đường truyền sẽ gây ra hiện tượng phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ trên các
vật khác nhau và theo các đường dài ngắn khác nhau nên thời điểm các bản sao này
đến máy thu cũng khác nhau (độ trễ pha giữa các thành phần khác nhau), các bản sao
có suy hao khác nhau (biên độ giữa các thành phần khác nhau). Tín hiệu tại máy thu
là tổng của tất cả các bản sao này, tùy thuộc vào biên độ và pha của các bản sao mà
tín hiệu tại máy thu được tăng cường hay suy giảm, hiện tượng này gọi là fading đa
đường (mutipath fading). Nó dẫn đến tín hiệu nhận tại máy thu sẽ yếu hơn nhiều so
với tín hiệu tại máy phát, làm giảm đáng kể chất lượng truyền thông.

Vì vậy, các nhà nghiên cứu hệ thống truyền thông vô tuyến đã giải quyết vấn
đề này bằng cách sử dụng các kỹ thuật phân tập. Kỹ thuật phân tập là kỹ thuật sử
dụng nguồn tài nguyên thông tin (tần số, khe thời gian…) nhiều hơn mức tối thiểu
cần thiết cho việc thu và phát tín hiệu để đảm bảo chất lượng của hệ thống thông tin,
cho phép bộ thu thu được nhiều bản sao của cùng một tín hiệu truyền. Các bản sao
này chứa cùng một lượng thông tin như nhau nhưng ít có sự tương quan về fading.
Hay theo một cách đơn giản, phân tập là truyền một tín hiệu trên các đường truyền có
các tham số độc lập nhau và chịu ảnh hưởng bởi fading khác nhau. Bởi vậy tại đầu
thu sẽ thu được các tín hiệu khác nhau. Nếu kết hợp các tín hiệu thu một cách thích
hợp có thể thu được tín hiệu tổng hợp tốt nhất, ít chịu ảnh hưởng của fading nhất.
Các phương pháp phân tập sử dụng trong hệ thống thông tin vô tuyến được
phân loại như sau:
Phân tập thời gian: Trong kỹ thuật phân tập thời gian, một bản tin sẽ được
truyền tại những thời điểm cách nhau đủ xa ví dụ như sử dụng các khe thời gian khác
nhau đồng nghĩa với việc truyền cùng một tín hiệu trên các đường truyền độc lập.
Nhược điểm là làm suy giảm hiệu suất băng tần do có sự dư thừa trong miền thời
gian.


5

Phân tập tần số: Trong kỹ thuật phân tập tần số, tín hiêu băng hẹp giống nhau
sẽ được truyền trên các tần số sóng mang khác nhau, các tần số cần được phân chia để
đảm bảo không bị nhiễu. Nhược điểm là tiêu tốn phổ tần số, đồng thời trên mỗi nhánh
cần sử dụng máy thu phát tần riêng.
Phân tập không gian: Kỹ thuật phân tập không gian còn được gọi là kỹ thuật
phân tập ăng - ten, đây là kỹ thuật sử dụng nhiều ăng - ten hoặc nhiều chuỗi ăng - ten
tại phía phát (phân tập phát) hoặc phía thu (phân tập thu). Ưu điểm là không làm suy
giảm hiệu suất băng tần, không làm tiêu tốn phổ tần số và không hạn chế số nhánh
phân tập, khắc phục nhược điểm của các phương pháp trên.


1.2.2 Các kỹ thuật phân tập thu kết hợp
Kết hợp chọn lựa (Selection combining - SC): Trong N tín hiệu thu được từ
các nhánh, tín hiệu có chất lượng tốt nhất (có tỉ số SNR tức thời cao nhất) sẽ được lựa
chọn. Kỹ thuật này dễ thực hiện nhưng không tối ưu vì nó không sử dụng hết tất cả
các tín hiệu thu được từ các nhánh. Thêm vào đó, kỹ thuật này đòi hỏi việc phải
thường xuyên theo dõi chất lượng trên tất cả các nhánh thu. Trong thực tế, rất khó để
đo đạt trực tiếp được SNR, thường thì công suất tổng cộng cao nhất (cả tín hiệu và
nhiễu) sẽ được dùng làm thước đo.
Kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining - MRC): SNR ngõ ra là tổng
các SNR các nhánh thành phần. Các tín hiệu phải được đồng pha bằng cách nhân mỗi
nhánh với giá trị  i  ai .e  j trong đó ai là một số thực bất kì, i là pha của tín hiệu
i

trên nhánh thứ i . Kỹ thuật này tạo ra tín hiệu có tỉ số SNR trung bình là tổng của các
SNR riêng rẽ của tín hiệu thu từ các nhánh khác nhau. Nhờ vậy, có thể đạt được tỉ số
SNR chấp nhận được ngay cả khi không có tín hiệu từ nhánh nào có SNR đạt tiêu
chuẩn. Đây là phương pháp khá tối ưu nhưng đòi hỏi phải biết các thông số của các
kênh truyền (CSI của kênh truyền).
Kết hợp độ lợi cân bằng (Equal - gain Combining - EGC): Phương pháp này
cũng tổng hợp SNR ngõ ra từ các SNR thành phần như phương pháp MRC nhưng sử
dụng giá trị  i  e  j .
i


6

Kết hợp chuyển tiếp (Switched Combining): còn được gọi là kỹ thuật kết hợp
sử dụng ngưỡng (Threshold Combining - TC). Các tín hiệu thu được từ các nhánh thu
sẽ được quét theo thứ tự cho tới khi tìm được 1 tín hiệu có chất lượng vượt qua 1

ngưỡng cho trước. Tín hiệu này sẽ trở thành tín hiệu được chọn. Cho tới khi chất
lượng của nó giảm dưới ngưỡng đó thì tiến trình quét tìm tín hiệu có chất lượng vượt
ngưỡng lại được khởi động. Kỹ thuật kết hợp lựa chọn chuyển tiếp là kỹ thuật phân
tập khá đơn giản và có thể được phân loại thành 2 dạng:
Kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ (Switch and Stay Combining: SSC): khi chất
lượng của nhánh thu hiện tại giảm xuống dưới 1 ngưỡng chất lượng được định trước,
hệ thống sẽ chuyển sang một nhánh thu khác và giữ ở nhánh thu đó cho đến thời điểm
chuyển tiếp tiếp theo.
Kỹ thuật kết hợp chuyển tiếp và kiểm tra (Switch and Examine Combing:
SEC): sự khác biệt của SEC so với SSC là nếu nhánh thu vừa chuyển sang có chất
lượng thấp hơn ngưỡng thì nó sẽ ngay lập tức chuyển sang nhánh thu khác. Trong kỹ
thuật SEC, bộ thu cố gắng sử dụng nhánh thu có chất lượng (chấp nhận được) bằng
cách kiểm tra càng nhiều nhánh càng tốt.

1.2.3 Kỹ thuật kết hợp chuyển và giữ phân bố DSSC
Để có thể đạt được phân tập không gian thông qua sử dụng truyền chuyển tiếp
là một khái niệm đầy hứa hẹn gần đây đã được phát triển để thay thế cho các kỹ thuật
phân tập phổ biến, đặc biệt là khi truyền hoặc nhận từ nhiều ăng - ten là không khả
thi. Đối với trường hợp sử dụng một nút chuyển tiếp, một số giao thức hợp tác đã
được đề xuất trong [9]. Trong số đó, giao thức được gọi là "relaying incremental"“Chuyển tiếp gia tăng” cho xác suất dừng thấp nhất bằng cách sử dụng phản hồi từ
nút đích để kích hoạt nút chuyển tiếp chỉ khi chất lượng của kênh nguồn - đích không
đủ cao. Tuy nhiên, nếu theo giao thức này thì cần phải có một bộ kết hợp tỷ số tối đa
(MRC) ở nút đích, điều này làm cho việc xây dựng hệ thống khó thực hiện trong
những trường hợp đòi hỏi phần cứng có độ phức tạp thấp.
Kỹ thuật SC khi được sử dụng cho hệ thống truyền tín hiệu liên tục thì cần có
bộ giám sát SNR để theo dõi liên tục SNR trên mỗi nhánh. Để tránh việc sử dụng bộ


7


giám sát trên mỗi nhánh, gây phức tạp cho hệ thống, người ta dùng 1 kỹ thuật đơn
giản hơn là “Threshold Combining”. Với kỹ thuật này, chỉ cần giám sát SNR trên mỗi
nhánh theo 1 tuần tự và khi SNR trên nhánh nào vượt ngưỡng “  th ” thì chọn nhánh
đó. Khi SNR trên nhánh đang được chọn có SNR xuống thấp hơn ngưỡng cho trước
thì bộ thu sẽ chuyển sang nhánh khác.
Có rất nhiều tiêu chí cho bộ thu lựa chọn nhánh thu tốt và cách đơn giản nhất
là bộ thu sẽ chuyển sang 1 nhánh thu bất kì khi SNR trên nhánh đang chọn xuống
thấp dưới ngưỡng. Khi hệ thống chỉ có 2 nhánh thu thì ta gọi đây là kỹ thuật “Switch
and stay Combining” - SSC. Do tính chất phân bố (distributed) của hệ thống truyền
thông cộng tác nên kỹ thuật SSC trong truyền thông cộng tác được gọi là kỹ thuật kết
hợp chuyển và giữ phân bố (distributed Switch and stay combining (DSSC)). Đặc
điểm chính kỹ thuật DSSC là không sử dụng bất kỳ bộ kết hợp nào tại nút đích. Phân
tập không gian đạt được bằng cách sử dụng phản hồi thích hợp được gửi bởi nút đích
[10].

1.2.4 Mô hình cơ bản của kỹ thuật DSSC
Mô hình hệ thống đơn giản của kỹ thuật DSSC là mô hình DSSC một nút
chuyển tiếp bao gồm 1 nút nguồn  S  , 1 nút đích  D  và 1 nút chuyển tiếp  R  . Với
mô hình này, nút đích có thể nhận tín hiệu từ đường truyền trực tiếp (từ nguồn S )
hoặc gián tiếp thông qua đường truyền chuyển tiếp S  R  D . Hai đường truyền kể
trên có thể gọi là liên kết trực tiếp và liên kết chuyển tiếp với tỷ số SNR tức thời
tương ứng của chúng được ký hiệu là  SD và  SRD .
2

2

2

Gọi hSD , hSR , hRD ,lần lượt là độ lợi kênh truyền: từ nút nguồn S đến nút
đích D , từ nút nguồn S đến nút chuyển tiếp R và từ nút chuyển tiếp R đến nút đích


D.


8

Hình 1.1: Mô hình cơ bản của kỹ thuật DSSC

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhánh trực tiếp ( S  D ):
 SD 

P hSD

2

,

N0

(1.1)

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu nhánh chuyển tiếp ( S  R  D ):
 SRD  min( SR ,  RD ),

(1.2)

trong đó:
2

 SR


P hSR

,
N0

 RD 

P hRD

2

N0

(1.3)

.

1.2.4.1 Điều kiện chuyển liên kết thu
Giả sử liên kết trực tiếp S  D đang được sử dụng.
Nút D sẽ so sánh  SD với giá trị ngưỡng  th cho trước. Có 2 trường hợp có thể xảy ra:
 Trường hợp 1:  SD   th : Tiếp tục sử dụng liên kết trực tiếp
 Trường hợp 2:  SD   th : Chuyển sang liên kết còn lại S  R  D

1.2.4.2 Xác suất được sử dụng của mỗi liên kết
Xét mô hình Markov chuyển trạng thái như bên dưới:


9


F SD   th 

1  F SD   th 

1  F SRD   th 

S RD

S D
F SRD   th 

Hình 1.2: Mô hình Markov

trong đó  th là giá trị ngưỡng xác định trước ở nút đích D (giá trị thiết kế) dùng để so
sánh giá trị SNR của các nhánh.
Chuyển trạng thái xảy ra khi: Pr( SD   th )  F ( th )
SD

Giữ trạng thái xảy ra khi: Pr( SD   th )  1  F ( th )
SD

Hoặc Pr( SRD   th )  1  F ( th ),
SRD

trong đó F ( th ) và F ( th ) là hàm phân phối tích lũy (CDF) tương ứng của  SD và
SD

SRD

 SRD


Gọi dl và  rl là xác suất sử dụng liên kết trực tiếp và chuyển tiếp tương ứng
ở trạng thái ổn định:
dl 

rl 

F SRD ( th )
F SD ( th )  F SRD ( th )

F SD ( th )
F SD ( th )  F SRD ( th )

,

(1.4)

.

(1.5)

Ngoài ra, ta có thể dựa vào các biểu thức sau để suy ra được xác suất sử dụng
của mỗi nhánh:
dl  dl Pr   SD   th    rl Pr  SRD   th  ,
rl  rl Pr   SRD   th    dl Pr   SD   th  ,

với

dl   rl  1,


1.2.4.3 Hiệu năng hệ thống sử dụng DSSC

(1.6)
(1.7)


10

Xác suất dừng (Outage Probability - OP) là xác suất mà chất lượng tín hiệu
trên kênh truyền giảm dưới một mức ngưỡng chất lượng quy định, đó có thể là khi
SNR của tín hiệu giảm dưới mức SNR cho phép, dung lượng kênh nhỏ hơn ngưỡng
cho trước hay khi tỉ số bit lỗi BER vượt quá tỉ số BER cho phép của hệ thống.
Dung lượng kênh truyền trên liên kết trực tiếp:

CSD  log 2 1   SD  ,

(1.8)

Xác suất dừng trên liên kết trực tiếp:





Pr  CSD  Rth   Pr  SD  2 Rth  1 ,

(1.9)

Dung lượng kênh truyền trên liên kết chuyển tiếp:


1
CSRD  log 2 1   SRD  ,
2

(1.10)

Xác suất dừng trên liên kết chuyển tiếp:





Pr  CSRD  Rth   Pr  SRD  2 2 Rth  1 ,

(1.11)

-Theo Định lý Bayes, Xác suất dừng hệ thống được lấy tổng từ 4 trường hợp
sau:
Trường hợp 1: Đang sử dụng nhánh trực tiếp và  SD   th (giữ lại nhánh trực
tiếp)

 dl Pr   SD   th ,  SD  2 Rth  1 .

(1.12)

Trường hợp 2: Đang sử dụng nhánh trực tiếp và  SD   th (chuyển nhánh)

 dl Pr   SD   th ,  SRD  22 Rth  1 .

(1.13)


Trường hợp 3: Đang sử dụng nhánh chuyển tiếp và  SRD   th (giữ lại nhánh
chuyển tiếp)

 rl Pr   SRD   th ,  SRD  2 2 Rth  1 .

(1.14)

Trường hợp 4: Đang sử dụng nhánh chuyển tiếp và  SRD   th (chuyển nhánh)

 rl Pr   SRD   th ,  SD  2 Rth  1 .

(1.15)


11

1.3.Tổng quan về kỹ thuật thu thập năng lượng
1.3.1 Giới thiệu
Các hệ thống truyền thông hoạt động bằng năng lượng lưu trữ thường chỉ có
thể duy trì trong một thời gian ngắn và yêu cầu phải định kì thay thế hoặc nạp năng
lượng để duy trì kết nối. Những tiến bộ gần đây trong công nghệ vi điện tử và vật liệu
làm cho thu thập năng lượng (EH: Energy Harvesting) trở thành một giải pháp kỹ
thuật khả thi, cho phép các mạng truyền thông có khả năng tự duy trì hoạt động mà
không bị ràng buộc vào nguồn năng lượng được cung cấp [11] .
Thu thập năng lượng cho hệ thống vô tuyến là khả năng các nút mạng vô tuyến
thu thập năng lượng từ xung quanh (như năng lượng mặt trời, năng lượng từ sự vận
động, năng lượng của sóng vô tuyến xung quanh, gió, nhiệt độ, sự rung chuyển, sinh
học, hóa học…) và chuyển hóa thành năng lượng điện để đảm bảo hoạt động thu phát
của hệ thống [12]. Tuy nhiên, thu thập năng lượng từ những nguồn này thường không

ổn định do tính thời điểm của từng nguồn năng lượng. Để tăng tính ổn định của
nguồn năng lượng thu thập, thu thập năng lượng vô tuyến là một giải pháp [13].
Trong công nghệ này, sóng vô tuyến được dùng để cung cấp đồng thời thông tin và
năng lượng cho máy thu.
Truyền đồng thời năng lượng và thông tin vô tuyến (SWIPT) đã được công
nhận là một kỹ thuật thu hoạch năng lượng quan trọng để kéo dài tuổi thọ năng lượng
hữu hạn của mạng vô tuyến [14], [15], [16].

1.3.2 Nguồn năng lượng RF
Việc chuyển đổi tín hiệu tần số vô tuyến thành điện được gọi là thu hoạch
năng lượng tần số vô tuyến (Radio Frequency Energy Harvesting - RFEH). Năng
lượng chuyển đổi có thể được sử dụng để tăng thời gian hoạt động của các nút mạng
cảm biến. Nguồn năng lượng điện thu được phụ thuộc vào nguồn phát RF, tần số và
khoảng cách tới nguồn phát.


12

Bảng 1.1: Dữ liệu thí nghiệm thu thập năng lượng [5]

Nguồn phát
Máy phát RF đẳng hướng
Máy phát RF đẳng hướng
Máy phát RF đẳng hướng
Máy phát Powercaster TX91501
Máy phát Powercaster TX91501
Tháp King-TV

CS phát
4W

1,78W
1,78W
3W
3W
960kW

Tần số
902-928MHz
868MHz
868MHz
915MHZ
915MHz
674-680MHz

Khoảng cách
15m
25m
27m
5m
11m
4,1km

NL thu
5.5μW
2.3μW
2μW
189μW
1μW
60μW


Nguồn năng lượng RF có thể được phân thành hai loại:
►Nguồn RF môi trường xung quanh: không thực sự dành riêng cho việc
truyền năng lượng RF. Nguồn năng lượng này về cơ bản là miễn phí và luôn có sẵn
như: Tháp phát thanh/truyền hình, Bluetooth, WiFi. Công suất phát thay đổi khoảng
106W đối với tháp truyền hình, khoảng 10W với các hệ thống nhận dạng bằng sóng
vô tuyến và tế bào di động, xấp xỉ 0,1W với các hệ thống wifi và các thiết bị truyền
thông di động [17].
►Nguồn RF chuyên dụng: là nguồn phát sóng vô tuyến cho các mạng thu
thập năng lượng RF được triển khai để cung cấp năng lượng cho các nút mạng khi
cần nhiều năng lượng hơn dự đoán. Các nguồn RF chuyên dụng có thể sử dụng các
dải tần ISM được cấp phép miễn phí để truyền năng lượng RF [5]. Vì vấn đề ảnh
hưởng của bức xạ vô tuyến đến sức khỏe nên công suất đầu ra các nguồn RF này phải
được giới hạn bởi Ủy ban truyền thông liên bang FCC. Về mặt lý thuyết, năng lượng
có thể thu được lớn nhất là 7μW và 3μW tương ứng tần số 900MHz và 2,4GHz với
khoảng cách 40m trong không gian tự do [17]. Các nguồn RF chuyên dụng có thể di
động tức có thể di chuyển và truyền năng lượng tới các nút mạng theo chu kỳ, chi phí
thiếp lập cao.

1.3.3 Kiến trúc mạng thu thập năng lượng RF
Kiến trúc mạng có ba thành phần chính gồm: cổng thông tin, nguồn năng
lượng RF và các nút mạng/thiết bị. Cổng thông tin là các trạm gốc, các bộ định tuyến
không dây và relay. Nguồn năng lượng có thể từ nguồn RF từ môi trường xung quanh


13

hoặc từ các máy phát RF chuyên dụng. Nút mạng/thiết bị là các thiết bị của user giao
tiếp với các cổng thông tin.

Hình 1.3: Kiến trúc chung 1 mạng thu thập năng lượng RF [5]


Mỗi cổng thông tin sẽ có các vùng truyền thông tin và truyền năng lượng
tương ứng được biểu diễn bằng các vòng cung đứt quãng. Để có thể thu thập năng
lượng RF cần các yêu cầu về khoảng cách cũng như công suất hoạt động của các
thành phần thu thập năng lượng lớn hơn nên vùng truyền năng lượng thường nhỏ hơn
vùng truyền thông tin. Do đó, các thiết bị nằm trong vùng truyền năng lượng có thể
thu thập năng lượng RF cũng như giải mã thành công thông tin được truyền từ các
cổng thông tin. Trong khi đó các thiết bị nằm trong vùng truyền thông tin sẽ chỉ giải
mã được thông tin mà không thu thập được năng lượng RF.

1.3.4 Mô hình thiết bị thu thập năng lượng RF
Một bộ thu năng lượng thường gồm các thành phần:
-Ứng dụng.
-Bộ vi điều khiển công suất thấp để xử lý dữ liệu từ ứng dụng.
-Bộ phát RF công suất thấp để truyền hoặc tiếp nhận thông tin.


14

Hình 1.4: Mô hình thiết bị thu thập năng lượng RF [5]

Mô-đun quản lý năng lượng làm nhiệm vụ quyết định lưu trữ năng lượng thu
thập được theo hướng thu thập - sử dụng (Harves – Use : HU) hoặc thu thập - lưu
trữ - sử dụng (Harves – Store – Use : HSU). Theo hướng HU, năng lượng thu thập
được cấp ngay lập tức cho các nút mạng. Do đó, để các nút mạng có thể hoạt động,
năng lượng thu thập phải lớn hơn nhu cầu năng lượng tối thiểu của các nút mạng.
Theo hướng HSU, khi năng lượng thu thập nhiều hơn năng lượng tiêu thụ của nút
mạng, năng lượng dư thừa sẽ được lưu trữ trong pin hoặc bộ lưu trữ năng lượng.
-Bộ lưu trữ năng lượng hoặc pin.
-Bộ thu thập năng lượng bao gồm:

○ Ăng - ten RF: Có thể được thiết kế để làm việc trên cả hai đơn băng
tần hoặc đa băng tần, trong đó, các nút mạng có thể thu hoạch từ một hoặc nhiều
nguồn cùng lúc.
○ Mạch phối hợp trở kháng: là một mạch cộng hưởng hoạt động ở tần
số được thiết kế để tối đa hóa việc truyền tải năng lượng giữa các ăng-ten
○ Bộ nhân điện áp và tụ điện: các thành phần chính của mạch nhân điện
áp và mạch chỉnh lưu chuyển đổi tín hiệu RF (tín hiệu AC trong tự nhiên) thành điện
áp DC là đi - ốt. Hiệu suất chuyển đổi điện áp của mạch có thể cao hơn khi chọn đi ốt có điện áp ngưỡng thấp hơn. Các tụ điện đảm bảo cung cấp điện thông suốt cho tải.
Ngoài ra, khi năng lượng RF bị gián đoạn. Các tụ điện có thể phục vụ như một nguồn
dự trữ trong thời gian ngắn.
Trong thu thập năng lượng RF, lượng năng lượng có thể khai thác phụ thuộc
vào công suất phát, bước sóng của tín hiệu RF và khoảng cách giữa một nguồn năng
lượng RF và nút thu hoạch. Việc thu thập năng lượng RF từ môi trường truyền trong


15

không gian có thể được tính toán dựa trên mô hình xác suất thực tế và áp dụng rộng
rãi là mô hình Rayleigh. Ta có:

PR  PRdet 10L log 1  unif  0,1  ,

(1.16)

trong đó: PRdet là năng lượng RF nhận được, L là hệ số suy hao đường truyền được
định nghĩa là L   log10  d / d0  với d 0 là khoảng cách tham khảo, unif  0,1 biểu
thị số ngẫu nhiên được tạo ra sau phân bố đều giữa 0 và 1.

1.3.5 Phương pháp thu thập năng lượng RF
Tồn tại một vấn đề khó khăn là các mạng thu thập năng lượng khó có thể nhận

ra năng lượng thu và thông tin của tín hiệu trong cùng một lúc. Bên cạnh đó, công
nghệ thu thập năng lượng hiện nay có hiệu suất năng lượng thu thập rất thấp dẫn đến
các nút mạng sử dụng năng lượng có vùng phủ sóng nhỏ [18]. Việc sử dụng kỹ thuật
chuyển tiếp cho các mạng thu thập năng lượng vô tuyến là một giải pháp tiềm năng.
Một ý tưởng thiết kế mạch thu lý tưởng đã được xem xét trong [14] và [16] có
thể đồng thời thu năng lượng và giải mã thông tin từ cùng một tín hiệu nhận. Tuy
nhiên, giả thuyết trên được bài báo [19] cho là không thực tế. Bài báo này chỉ ra rằng
các mạch thực tế được sử dụng để thu hoạch năng lượng từ các tín hiệu RF không thể
trực tiếp giải mã tín hiệu mang thông tin vì ăng-ten được sử dụng bởi bộ thu thập
thông tin và thu hoạch năng lượng có độ nhạy khác nhau đáng kể. Tức là từ -20 dBm
đến -10 dBm cho thu hoạch năng lượng và -60 dBm cho giải mã thông tin. Điều này
dẫn đến việc bài báo [15] đề xuất hai kiến trúc thu nhận thực tế có tên là Chuyển
mạch thời gian TS (Time - switching) và Phân chia công suất PS (Power - splitting)
Khái niệm mới này về thu thập năng lượng có thể được kết hợp với các mạng
truyền thông hợp tác vì các nút chuyển tiếp có thể được cung cấp năng lượng bởi tín
hiệu RF từ nguồn [8]. Mỗi chu kỳ truyền dữ liệu được chia thành những khe thời
gian: thu hoạch năng lượng, truyền và chuyển tiếp dữ liệu.


16

Hình 1.5: Nút chuyển tiếp R thu thập năng lượng

1.3.5.1 Chuyển mạch thời gian TS

Hình 1.6: Thu thập năng lượng theo phương pháp chuyển mạch thời gian TS [8]

Hình 1.6 mô tả thu thập năng lượng theo phương pháp Time - switching, thời
gian  T được sử dụng cho thu thập năng lượng từ nguồn với  là chỉ số thời gian
thu thập năng lượng  0    1 . Thời gian (1   )T được dùng để truyền thông tin

gồm (1   )T / 2 truyền từ S đến R và (1   )T / 2 còn lại truyền từ R đến D . Năng
lượng thu hoạch trong giai đoạn thu hoạch năng lượng được R sử dụng để chuyển
tiếp các tín hiệu từ S đến D .
Tín hiệu nhận được tại R:

yR  Ps hSR x  nR ,

(1.17)

Năng lượng thu hoạch được tại R:

ER   Ps | hSR |2   T,

(1.18)

trong đó  là hiệu suất chuyển đổi năng lượng  0    1 .
Công suất phát trung bình của nút R:

 Ps | hSR |2   T 2

ER
PR 


Ps | hSR |2 ,
1    T / 2 1    T / 2 1  
Tỷ lệ công suất tín hiệu trên nhiễu tại R

(1.19)