ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


CAO THỊ THU SƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ
TUYẾN TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG
CÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.02.03

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS NGUYỄN LÊ HÙNG
TS BÙI THỊ MINH TÚ

Phản biện 1: .............................................................................
Phản biện 2: .............................................................................

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp tại Trường Đại học Bách
khoa vào ngày 15 tháng 07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện Khoa Điện tử-Viễn thông, Trường Đại học Bách
khoa – ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các mạng không dây thông thường, như các mạng cảm biến
hay các mạng di động, các thiết bị được trang bị pin có thể thay thế
hoặc pin sạc. Thời gian hoạt động của các loại pin này có giới hạn.
Mặc dù thay thế hay sạc pin định kỳ có thể là một lựa chọn khả thi
nhưng nó rất là bất tiện (đối với một mạng cảm biến với hàng ngàn các
nút cảm biến phân phối), nguy hiểm (đối với các thiết bị nằm trong
môi trường độc hại), hay thậm chí là không thể (đối với các cảm biến
cấy ghép trong cơ thể con người). Trong những tình huống như vậy,
việc thu nhận năng lượng, với khả năng cung cấp một nguồn năng
lượng lâu dài, trở thành một phương pháp hấp dẫn để kéo dài tuổi thọ
các mạng không dây. Nguồn điển hình cho việc thu năng lượng bao
gồm năng lượng mặt trời và gió. Gần đây tín hiệu vô tuyến xung quanh
cũng nhận được sự quan tâm nghiên cứu nhiều như là một nguồn hữu
hiệu mới cho việc thu nhận năng lượng, hỗ trợ bởi các lợi thế mà các
tín hiệu không dây có thể mang theo cả năng lượng cũng như thông
tin.
Bên cạnh đó, nhu cầu truyền dẫn dữ liệu không dây ngày càng
tăng lên, ước đoán có thể tăng gấp 10 lần từ nay đến năm 2020. Xu thế
IoT (Internet of Things) hiện nay đã có hơn 5 tỷ nút mạng đầu cuối và
khả năng sẽ tăng đến 20 tỷ vào năm 2020. Phổ tần ngày càng trở nên

đắt đỏ hơn, trong một cuộc đấu giá vào năm 2015 FCC đã bán một
băng tần 65MHz với giá 44,9 tỷ đô la. Bởi vây, việc làm sao tăng được
hiệu suất của phổ tần rất là quan trọng đối với các kỹ sư không dây để
từ đó ngày càng tăng tốc độ dữ liệu. Tuy nhiên, các hệ thống truyền
thông không dây thường hoạt động theo mô hình bán song công, làm
tiêu tốn nguồn tài nguyên phổ tần. Nếu chúng có thể hoạt động theo


2
mô hình song công thì dung lượng sẽ tăng gấp đôi do truyền và nhận
trong toàn bộ băng thông, cải thiện phổ tần cho hệ thống mạng không
dây.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu việc hệ thống truyền thông song công trong băng.
Nghiên cứu việc kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến trong mạng
truyền thông vô tuyến.
Nghiên cứu đánh giá hiệu năng của mô hình đề xuất với các mô
hình truyền thống và các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ
thống.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Kiến thức tổng quan về mạng truyền thông song công trong băng.
Kiến thức về thu nhận năng lượng vô tuyến.
Việc thu nhận năng lượng trong hệ thống song công.
Đánh giá kết quả thực hiện, đề xuất hướng phát triển đề tài.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý
thuyết và mô phỏng để làm rõ nội dung của đề tài. Cụ thể là:
 Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống song công.
 Nghiên cứu lý thuyết về thu nhận năng lượng vô tuyến.
 Nghiên cứu việc thu nhận năng lượng vô tuyến trong hệ thống

song công.
 Nghiên cứu hiệu năng và các tham số ảnh hưởng đến hiệu
năng của hệ thống.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Song công không phải là một vấn đề mới và hiệu quả của nó thì
không ai phủ nhận về dung lượng, hiệu suất phổ tần nhưng do những
bài toán nhược điểm quá nan giải nên nó đã bị chìm trong một thời


3
gian dài. Ngày nay, với những nghiên cứu mới, công nghệ mới về phần
cứng một phần nào đã khắc phục những nhược điểm đó, đưa mô hình
song công trở thành một trong những công nghệ của mạng thế mới thứ
5 (5G). Bên cạnh đó, các dịch vụ viễn thông ngày càng đa dạng, nhu
cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cao cùng với xu thế IoT với
hàng tỷ sensor của nhiều loại mạng không đồng nhất kết nối với nhau
đòi hỏi băng thông, tốc độ kết nối phải bền vững và chuyển mạng linh
hoạt. Việc kết hợp thu nhận năng lượng vào hệ thống song công giúp
cho các sensor luôn duy trì được nguồn năng lượng mà không phải
phụ thuộc vào bộ sạc pin, đặc biệt là các sensor trong lĩnh vực y tế, xây
dựng.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 4 chương:
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG
SONG CÔNG
Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT THU NHẬN
NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
Chương 3 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU
NĂNG THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG
Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN
THÔNG SONG CÔNG
1.1. Giới thiệu chương
1.2. Giới thiệu về hệ thống truyền dẫn song công
1.2.1. Viễn cảnh của hệ thống truyền thông không dây
1.2.2. Khái niệm và ưu nhược điểm của truyền thông song công


4
Khái niệm về của cấu trúc truyền song công (IBFD) là sử dụng
cùng tài nguyên thời gian và quang phổ để trao đổi thông tin, tức là
truyền và nhận đồng thời dữ liệu trên cùng một băng tần. Ngược lại
với các hệ thống hiện tại, hoạt động trong chế độ bán song công (giao
tiếp đơn hướng) hoặc trong chế độ song công ngoài băng (kỹ thuật đa
truy cập phân chia theo thời gian hoặc tần số), cách tiếp cận mới này
cho phép một thiết bị đầu cuối hoạt động một cách đồng thời trên cùng
một băng tần, tăng gấp đôi hiệu quả quang phổ của một hệ thống.
1.2.2.1. Ưu điểm cơ bản của IBFD
1.2.2.2. Nhược điểm của IBFD
Nhiễu nội (SI): Nhược điểm lớn nhất của IBFD là sự xuất hiện
của nhiễu nội, đó là sự nhiễu loạn của tín hiệu phát gây ra tại ăng-ten
thu của cùng một đầu cuối (Hình 1.1). Do đó, một thiết bị đầu cuối có
thể gây nhiễu cho chính nó khi phát tín hiệu trong cùng dải tần với tín
hiệu mà nó cũng đang cố gắng lắng nghe. Khoảng cách giữa ăng-ten
phát và ăng-ten thu tại một trạm (chứ không phải là khoảng cách giữa
hai trạm) ngắn nên công suất của nhiễu nội lớn hơn rất nhiều so với
công suất của tín hiệu mong muốn. Sự chênh lệch giữa công suất tín
hiệu mong muốn và nhiễu nội tăng lên theo cấp số nhân khi khoảng
cách dài hơn. Vì những lý do này, cách đây không nhiều năm, cộng
đồng mạng viễn thông cho rằng thiết bị vô tuyến không thể nhận và

truyền trên cùng một băng tần. Tuy nhiên, nhu cầu về luồng kết nối dữ
liệu nhanh hơn và sự phân bổ phổ tần giảm đã khuyến khích nghiên
cứu về IBFD trong suốt 4 – 5 năm qua, khiến nó trở thành một ý tưởng
mới với tiềm năng to lớn để tích hợp các công nghệ trong tương lai.


5

Hình 1.1. Sơ đồ khối của một trạm IBFD.
1.2.3. Quá trình khử nhiễu nội trong truyền thông song công
Thông thường, quá trình triệt tiêu nhiễu nội được chia thành làm
ba giai đoạn hoặc lĩnh vực khác nhau. Thứ nhất, về truyền dẫn không
dây, có khả năng kết hợp các kỹ thuật như hướng ăng-ten, phân cực
chéo hoặc điều hướng chùm sóng. Thứ hai bao gồm việc lấy tín hiệu
thu được trừ đi bản sao của tín hiệu phát, đã điều chỉnh độ lợi, pha và
độ trễ bởi các mạch tần số vô tuyến. Mặc dù các ứng dụng của các
phương pháp đã đề cập có thể đạt được mức yêu cầu về mối liên quan
giữa năng lượng và nhiễu để truyền tin cậy trong các bài kiểm tra
nhưng khi tính đến các ảnh hưởng của môi trường thực thì không đủ.
Để xử lý các biến đổi kênh trong các tình huống như vậy, các bộ lọc
miền số được sử dụng để xử lý tín hiệu. Hơn nữa, các kỹ thuật như
phân bổ năng lượng tối ưu, lọc thích nghi, điều hướng chùm sóng thích
nghi…, được sử dụng để cải thiện hơn nữa việc giảm thiểu nhiễu nội
SI. Do vậy, thiết bị đầu cuối IBFD cần kết hợp các giai đoạn xử lý như
được mô tả trong hình 1.2.


6

Hình 1.2. Cấu trúc các miền giảm nhiễu nội trong truyền thông

song công .
1.2.3.1. Miền lan truyền
1.2.3.2. Miền tương tự
1.2.3.3. Miền xử lý tín hiệu số
1.2.4. Các mô hình cơ bản của mạng truyền dẫn song công
1.2.4.1. Mạng truyền dẫn song công hai chiều

Nút IBFD a

Nút IBFD b

..
.
..
.

(liên kết)ab

(liên kết)ba

..
.
..
.

Hình 1.5. Mô hình mạng truyền dẫn song công hai chiều
Trong hình 1.5, mô hình hai chiều gồm hai trạm a và b muốn trao
đổi tín hiệu với nhau để giao tiếp hai chiều. Gọi các đường truyền từ



7
trạm a đến trạm b như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 và từ trạm b đến
trạm a là (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 . Với truyền dẫn bán song công thì (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏
và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 sử dụng tài nguyên thời gian hay tần số riêng biệt cho
truyền trực giao, điều này có thể làm giảm hiệu quả quang phổ. Trong
khi với truyền dẫn IBFD, các cặp trạm có thể truyền và nhận các tín
hiệu đồng thời với một dải tần số duy nhất, do đó về mặt lý thuyết có
thể tăng gấp đôi hiệu suất quang phổ so với truyền dẫn bán song công.
(liên kết) rd

..
.

.
..

.
..

(liên kết) sr

..
.

1.2.4.2. Mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp

Nút IBFD r

Nút HD d


Hình 1.6. Mô hình mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp
Truyền dẫn chuyển tiếp thường bao gồm ba loại trạm, một trạm
nguồn s, một trạm chuyển tiếp r và một trạm đích d. Mỗi trạm nguồn
muốn phát tín hiệu dữ liệu của nó đến trạm đích tương ứng thông qua
trạm

chuyển

tiếp

được

chọn.

Đặt

các

đường

truyền

từ s đến r như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và từ r đến d như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 . Với truyền
dẫn bán song công thì (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 sử dụng nguồn tài
nguyên riêng biệt, các trạm nguồn và trạm chuyển tiếp truyền tín hiệu
dữ liệu theo thời gian hoặc tần số khác nhau. Còn với truyền dẫn IBFD,
các trạm nguồn và trạm chuyển tiếp đồng thời truyền tín hiệu của
chúng thông qua (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 bằng cách sử dụng cùng
băng tần số. Tùy thuộc vào loại chuyển tiếp như khuếch đại-chuyển
tiếp (AF) hay giải mã-chuyển tiếp (DF), mô hình chuyển tiếp có thể

được mở rộng đến một mô hình truyền thông tổng thể nơi mà tín hiệu
dữ liệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 khác nhau cho mỗi loại.


8
Với hệ thống chuyển tiếp AF, trạm chuyển tiếp chuyển tiếp tín hiệu
nhận được tới trạm đích theo thời gian thực mà không xử lý và các tín
hiệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 là giống nhau. Mặt khác, với
hệ thống chuyển tiếp DF, tín hiệu được giải mã tại trạm chuyển tiếp
rồi mới chuyển tiếp nên các tín hiệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑
là khác nhau. Do đó, hệ thống chuyển tiếp DF có thể được mở rộng
đến mô hình chung nơi mà trạm nguồn và trạm chuyển tiếp có các trạm
đích khác nhau.
1.2.4.3. Mạng truyền dẫn song công di động

.
..

.
..

Trạm gốc IBFD

đường lên

đường lên

.
..


.
..

.
..

Các nút HD

.
..

đường xuống

Nút IBFD

Hình 1.7. Mô hình mạng truyền dẫn song công di động
Hình 1.7 mô tả mô hình di động, trong đó bao gồm một trạm gốc
(BS) và nhiều trạm di động (MS). Trong mô hình bày có hai loại đường
truyền dữ liệu là đường lên và đường xuống, trong đó mỗi trạm di động
truyền tín hiệu dữ liệu đến một trạm gốc gọi là đường lên và một trạm
gốc truyền tín hiệu dữ liệu cho nhiều trạm di động gọi là đường
xuống. Với truyền dẫn bán song công, các kênh đường lên và đường


9
xuống được vận hành trực tiếp với kỹ thuật song công phân chia theo
thời gian hoặc tần số. Còn với truyền dẫn IBFD, nhiều trạm di động có
thể đồng thời truy cập vào trạm gốc trên cùng một dải phổ tần, nghĩa
là đồng thời truyền và nhận các tín hiệu dữ liệu với trạm gốc sử dụng
các kênh đường lên và đường xuống, trong khi trạm gốc trong truyền

dẫn bán song công chỉ có thể truy cập trạm gốc thông qua đường lên
hoặc đường xuống.
1.3. Các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến
1.3.1. Nghiên cứu về đầu cuối vô tuyến
1.3.2. Truyền thông qua các trạm chuyển tiếp
1.4. Hệ thống IBFD mô hình hai chiều
1.4.1. Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn
1.4.1.1. Hệ thống BFD với thiết kế anten chia sẻ
1.4.1.2. Hệ thống BFD với ăng-ten tách rời
1.4.1.3. Hệ thống BFD trong kênh MIMO tương quan
1.4.1.4. Độ tin cậy của hệ thống BFD
1.4.2. Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội không hoàn
toàn
1.4.2.1. Hệ thống BFD với các lỗi ước lượng kênh
1.4.2.2. Hệ thống BFD với những hạn chế phần cứng
1.4.3. Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống BFD
1.5. Hệ thống IBFD với mô hình chuyển tiếp
1.5.1. Hệ thống FDR với một trạm chuyển tiếp (1-1-1)
1.5.1.1. Hệ thống FDR 1-1-1 với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn
1.5.1.2. Hệ thống FDR 1-1-1 với nhiễu nội thặng dư
1.5.1.3. Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật điều khiển công suất
1.5.1.4. Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật MIMO
1.5.1.5. Độ tin cậy của hệ thống FDR 1-1-1


10
1.5.2. Hệ thống FDR với nhiều trạm chuyển tiếp
1.5.2.1. Hệ thống FDR với sự phối hợp
1.5.2.2. Hệ thống FDR với sự giao thoa giữa các trạm chuyển tiêp
1.5.2.3. Hệ thống FDR với sự lựa chọn trạm chuyển tiếp

1.5.2.4. Hệ thống FDR đa bước nhảy
1.5.3. Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDR
1.6. Hệ thống IBFD với mô hình di động
1.6.1. Hệ thống FDC với hai trạm
1.6.1.1. Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng
1.6.1.2. Hệ thống FDC với các anten định hướng
1.6.2. Hệ thống FDC với nhiều trạm
1.6.2.1. Hệ thống FDC với bộ tiền mã hóa cho đa người dùng
1.6.2.2. Hệ thống FDC với MIMO quy mô lớn
1.6.2.3. Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng từ
nhiều trạm
1.6.3. Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDC
1.7. Kết luận chương
CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT THU
NHẬN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
2.1. Giới thiệu chương
2.2. Giới thiệu về kỹ thuật truyền và thu năng lượng
Thu năng lượng là một quá trình trong đó năng lượng từ các nguồn
bên ngoài như năng lượng mặt trời, năng lượng nhiệt, năng lượng
gió… được thu thập và lưu trữ cho các thiết bị không dây nhỏ như
những thiết bị điện tử mang được và mạng cảm biến không dây
[39]. Nguồn năng lượng xung quanh có thể đến từ điện từ, từ trường
hoặc sóng vô tuyến từ các thiết bị điện tử gần đó, ánh sáng, năng lượng


11
nhiệt hoặc động năng. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thường thấp
và công suất thu được thường là mW hoặc µW nhưng đủ để nạp điện
các thiết bị công suất nhỏ như bộ cảm biến điều khiển từ xa. Công nghệ
này đang được phát triển để loại bỏ việc phải dùng pin hoặc bộ sạc của

các thiết bị không dây.

Hình 2.1. Sơ đồ khối của hệ thống điện không dây.
2.3. Các loại vùng trường truyền năng lượng
2.3.1. Vùng tầm gần hay không bức xạ
2.3.1.1. Kỹ thuật ghép nối cảm ứng
2.3.1.2. Kỹ thuật ghép nối điện dung
2.3.2. Vùng tầm xa hay bức xạ
2.3.2.1. Sóng vi ba
2.3.2.2. Laser
2.4. Giới thiệu về mạng thu năng lượng vô tuyến
Gần đây, có rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu về kỹ thuật thu
năng lượng vô tuyến (RF) [1], tức là khả năng chuyển đổi tín hiệu vô
tuyến nhận được thành tín hiệu điện. Điều này sẽ dẫn ra một tương lai
đầy hứa hẹn cho các mạng không dây nhằm đạt được tính bền vững và
hoạt động gần như vĩnh viễn mà tuổi thọ của mạng chỉ bị giới hạn bởi
các thiết bị phần cứng chứ không còn phụ thuộc vào khả năng lưu trữ
năng lượng nữa. Thu năng lượng vô tuyến dự kiến sẽ giới thiệu một số


12
thay đổi trong mạng không dây, ngoài năng lượng tự cấp và hoạt động
vĩnh viễn, các lợi ích mong đợi bao gồm giảm việc sử dụng năng lượng
thông thường đi kèm với “dấu chân cacbon”, thoát khỏi việc nạp pin
truyền thống và khả năng triển khai mạng không dây tại các địa điểm
khó tiếp cận như vùng nông thôn xa xôi, trong cấu trúc bê tông và trong
cơ thể người. Như vậy, thu năng lượng vô tuyến sẽ giúp phát triển các
ứng dụng mới không thể hoạt động bằng nguồn pin thông thường như
mạng cảm biến không dây, mạng nội bộ không dây và hệ thống sạc
không dây trong các lĩnh vực y tế, môi trường, sự giám sát và an toàn.

2.4.1. Cấu trúc của mạng thu năng lượng vô tuyến
Một kiến trúc tập trung điển hình của một mạng thu năng lượng
vô tuyến, như trong Hình 2.1, có ba thành phần chính là các cổng thông
tin, các nguồn năng lượng vô tuyến và các nút mạng hay thiết bị
mạng. Cổng thông tin nói chung được gọi là trạm gốc, bộ định tuyến
không dây và trạm chuyển tiếp.

Hình 2.4. Cấu trúc chung của mạng thu năng lượng vô tuyến dựa
trên hạ tầng.


13
Các nguồn năng lượng vô tuyến có thể là thiết bị phát năng lượng
vô tuyến chuyên dụng hoặc các nguồn vô tuyến xung quanh (ví dụ như
tháp truyền hình). Các nút mạng là thiết bị di động giao tiếp với các
cổng thông tin.
2.4.2. Các mô hình truyền năng lượng vô tuyến
Trong kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến, lượng năng lượng thu
được phụ thuộc vào công suất phát, bước sóng của các tín hiệu vô tuyến
và khoảng cách giữa nút nguồn và nút thu năng lượng vô tuyến. Thu
năng lượng vô tuyến từ máy phát trong không gian tự do có thể được
tính toán dựa trên công thức Friis như sau:
𝐺𝑇 𝐺𝑅 λ2
𝑃𝑅 = 𝑃𝑇
(4𝜋𝑑)2 𝐿
trong đó:
 𝑃𝑅 là công suất thu.
 𝑃𝑇 là công suất phát.
 L là hệ số tổn hao đường truyền.
 𝐺𝑇 là độ lợi ăng-ten phát.

 𝐺𝑅 là độ lợi ăng-ten thu.
 λ là bước sóng được phát ra.
 d là khoảng cách giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu.

(2.1)

Mô hình không gian tự do có giả định lý tưởng rằng chỉ có một
đường dẫn duy nhất giữa máy phát và máy thu. Tuy nhiên, do tán xạ
và phản xạ sóng vô tuyến, một máy thu có thể thu các tín hiệu vô tuyến
từ một máy phát từ nhiều đường. Hiện tượng này được mô tả bởi mô
hình hai tia mặt đất, xem xét các tín hiệu vô tuyến nhận được qua hai
đường, một đường trực tiếp và một đường phản xạ. Mô hình này sẽ
cho kết quả chính xác hơn với khoảng cách lớn hơn so với mô hình
không gian tự do. Thu năng lượng vô tuyến từ máy phát theo mô hình
hai tia mặt đất được cho bởi:


14
𝐺𝑇 𝐺𝑅 ℎ𝑡2 ℎ𝑟2
(2.2)
𝑑4 𝐿
trong đó ℎ𝑡 và ℎ𝑟 tương ứng là chiều cao của ăng-ten phát và ăng𝑃𝑅 = 𝑃𝑇

ten thu.
Hai mô hình xác định trên mô tả sự truyền sóng vô tuyến dựa trên
các tham số xác định. Ngược lại, các mô hình xác suất có các tham số
từ một thuật toán phân bố, cho phép một mô hình hóa thực tế hơn. Mô
hình xác suất được áp dụng rộng rãi và thực tế là mô hình Rayleigh
[25], mô tả tình huống khi không có đường truyền trực tiếp giữa máy
phát và máy thu. Trong mô hình Rayleigh, chúng ta có:

𝑃𝑅 = 𝑃𝑅𝑑𝑒𝑡 𝑥 10𝐿 𝑥 |𝑟|2
(2.3)
trong đó,
 𝑃𝑅𝑑𝑒𝑡 là năng lượng vô tuyến nhận được tính bởi mô hình xác
định.
 Hệ số tổn thất đường truyền L được định nghĩa là 𝐿 =
− α log10


𝑑
𝑑0

, trong đó 𝑑0 là một khoảng cách tham chiếu.

r là một số ngẫu nhiên được tạo ra theo phân bố Gauss.

2.4.3. Kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến
2.4.3.1. Các nguồn vô tuyến chuyên dụng
2.4.3.2. Các nguồn vô tuyến xung quanh
2.4.4. Các ứng dụng về thu năng lượng vô tuyến
2.5. Kết luận chương
CHƯƠNG 3 - XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆU NĂNG THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN CỦA HỆ
THỐNG
3.1. Giới thiệu chương
3.2. Mô hình truyền dẫn cơ bản


15
3.2.1. Kênh nhiễu AWGN

3.2.2. Kênh fading Rayleigh
3.2.3. Điều chế và giải điều chế BPSK
3.2.4. Tính toán xác suất lỗi bit
3.3. Đánh giá hiệu năng của các hệ thống mô phỏng
3.3.1. Mô hình 1 – Truyền thông tin trong mạng bán song công
Tín hiệu thu được tại trạm đích trong trường hợp này là:
𝑟𝐴.𝐻𝐷 [𝑛] = ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + 𝑛𝐴 [𝑛]

Trạm
A

hAB

nA

rB

+

x

rA

+
nB

x

sA


(3.31)

sB

Trạm
B

hBA

Tx

Rx

T/2

T/2

3.3.2. Mô hình 2 – Truyền thông tin và năng lượng trong mạng
bán song công
Tín hiệu thu được tại trạm đích trong trường hợp này sẽ bao gồm:
𝑟𝐼𝑃.𝐸𝐻𝐻𝐷 [𝑛] = (1 − 𝛼)(ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛]) + 𝑛𝐴 [𝑛]
𝑟𝐸𝐻.𝐸𝐻𝐻𝐷 [𝑛] = 𝛼ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + 𝑛𝐴 [𝑛]

(3.34)


16
sA

Trạm

A

1a
a

hAB

nA

rB

+

x

rA

+

x

nB

EH

sB

Trạm
B


1-a

h BA

Tx

bT

a

Rx
(1-b)T/2

(1-b)T/2

Hình 3.5. Mô hình truyền thông tin và năng lượng trong mạng bán
song công.
3.3.3. Mô hình 3 – Truyền thông tin trong mạng song công
Tín hiệu thu được tại trạm đích trong trường hợp này là:
𝑟𝐴.𝐹𝐷 [𝑛] = ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + ℎ𝑆𝐼 𝑠𝐵 [𝑛] + 𝑛𝐴 [𝑛]
sA

hAB

nA

rB

+


x
hSI x

x hSI

rA

+

x

Trạm
A

(3.38)

sB

Trạm
B

hBA

nB

Tx/Rx
T
Hình 3.6. Mô hình truyền thông tin trong mạng song công.
3.3.4. Mô hình 4 – Truyền thông tin và năng lượng trong mạng
song công trong



17
Tín hiệu thu được tại trạm đích trong trường hợp này sẽ bao gồm:
𝑟𝐼𝑃.𝐸𝐻𝐹𝐷 [𝑛] = (1 − 𝛼)(ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + ℎ𝑆𝐼 𝑠𝐵 [𝑛]) + 𝑛𝐴 [𝑛]
(3.41)
𝑟𝐸𝐻.𝐸𝐻𝐹𝐷 [𝑛] = 𝛼(ℎ𝐴𝐵 𝑠𝐴 [𝑛] + ℎ𝑆𝐼 𝑠𝐵 [𝑛]) + 𝑛𝐴 [𝑛]
hAB
sA

1-a
a

nA

rB

+

x

hSI x

rA

+

x

Trạm

A

x hSI

nB

EH

hBA

a

sB

Trạm
B

1-a

Tx/Rx
T

Hình 3.7. Mô hình truyền thông tin và năng lượng trong mạng
song công.
3.4. Kỹ thuật ước đoán nhiễu nội
3.4.1. Thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo
3.4.2. Thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo
Trong trường hợp thông tin trạng thái kênh truyền là hoàn hảo thì
hệ số fading của kênh luôn được biết đến ở ăng-ten phát. Tuy nhiên,
trong điều kiện các ứng dụng thực tế có nhiều biến cố xảy ra trên kênh

vô tuyến khiến cho thông tin trạng thái kênh truyền không còn hoàn
hảo nữa như lỗi ước lượng kênh, độ trễ phản hồi, các kênh biến thiên
theo thời gian. Lúc này, hệ số fading của kênh không còn là ℎ nữa mà
là ℎ̂, với ℎ̂ [59] được tính như sau:
ℎ̂ = 𝜌ℎ + √1 − 𝜌2 𝜀
3.5. Kết luận chương

(3.52)


18
CHƯƠNG 4 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
4.1. Giới thiệu chương
4.2. Kết quả mô phòng và đánh giá
4.2.1. So sánh hiệu năng của các mô hình khảo sát

Hình 4.1. So sánh hiệu năng của các mô hình khảo sát khi truyền
và không truyền năng lượng, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 5, a = 0.3.
Hình 4.1 so sánh hiệu năng đạt được từ thấp nhất đến cao nhất của
các mô hình khảo sát bao gồm (1) mô hình song công có truyền năng
lượng (đường màu đen); (2) mô hình song công (đường màu xanh lá
cây); (3) mô hình bán song công có truyền năng lượng (đường màu
đỏ); (4) mô hình bán song công (đường màu xanh da trời). Ta thấy
rằng mô hình (4) có BER thấp nhất nên hiệu năng đạt được cao nhất.
Mô hình (3) hiệu năng giảm đi một phần do phần công suất phát đó
được dành ra để truyền năng lượng, phần năng lượng đó được nạp trực
tiếp cho thiết bị hoạt động mà không cần đến pin hay sạc. Hai mô hình
(1), (2) có hiệu năng đạt được thấp hơn cả và rất tệ ở mọi giá trị SNR,



19
do đây là hai mô hình truyền dẫn song công, nhiễu nội sinh ra tỷ lệ với
bình phương khoảng cách làm ảnh hưởng rất lớn đến hiệu năng cũng
như tính khả thi của hệ thống. Tuy nhiên hệ thống song công có ưu
điểm về băng tần cao hơn gấp đôi so với hệ thống bán song công, nên
việc nghiên cứu để khử nhiễu nội là rất quan trọng và việc này là điều
hoàn toàn có thể.
4.2.2. Ảnh hưởng của tham số 𝝆 đến hiệu năng hệ thống

Hình 4.2. Ảnh hưởng của tham số 𝜌 đến hiệu năng hệ thống,
𝑔𝑎𝑖𝑛 = 100, a = 0.3.
Với 0 < 𝜌 < 1 là hệ số tương quan trong quá trình khử nhiễu nội.
Hình 4.2 mô tả mối quan hệ giữa tỉ lệ bit lỗi và tỉ số tín hiệu trên nhiễu
của hệ thống khi khử nhiễu nội trong mô hình song công có truyền
năng lượng với giá trị 𝜌 thay đổi từ 0 đến 1. Ta thấy rằng, khi 𝜌 càng
tăng thì tỉ lệ bit lỗi càng giảm, dẫn đến hiệu năng của hệ thống càng
tăng. Đặc biệt khi 𝜌 = 0, tỉ lệ bit lỗi là cao nhất, lúc này việc ước lượng
để khử nhiễu nội không thể thực hiện được, hiệu năng của hệ thống


20
vẫn tệ như lúc chưa khử nhiễu nội, đường biểu diễn hiệu năng của hệ
thống (đường màu xanh da trời đậm) trùng với đường hiệu năng của
mô hình song công (đường màu đen). Khi 𝜌 = 1, tỉ lệ bit lỗi là thấp
nhất, nhiễu nội gần như được khử hoàn toàn, đường biểu diễn hiệu
năng của hệ thống (đường màu xanh da trời nhạt) trùng với đường hiệu
năng của mô hình bán song công (đường màu đỏ). Kết quả mô phỏng
này hoàn toàn đúng với phân tích tính toán lý thuyết ở chương 3.
4.2.3. Đánh giá hiệu năng theo tham số 𝝆


Hình 4.3. Hiệu năng của hệ thống song công theo tham số 𝜌, 𝑃 =
10𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 100, a = 0,3.
Hình 4.3 biểu diến hiệu năng của hệ thống song công theo tham
số 𝜌 trong quá trình khử nhiễu nội. Ta thấy rằng tỉ lệ bit lỗi tỉ lệ nghịch
với tham số 𝜌 hay nói cách khác là hiệu năng của hệ thống tỉ lệ thuận
với giá trị 𝜌. Giá trị 𝜌 càng tăng thì hiệu năng của hệ thống càng tăng,
giá trị 𝜌 càng tiến về 1 thì hiệu năng càng tăng nhanh hơn. Tuy nhiên
khi thay đổi giá trị 𝑆𝑁𝑅 hay a thì hiệu năng của hệ thống cũng tăng
nhưng hình dạng của đường biểu diễn có thay đổi về độ dốc. Còn khi
thay đổi giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛 thì đường biểu diễn không thay đổi.


21
4.2.4. Ảnh hưởng của tham số a đến hiệu năng hệ thống

Hình 4.4. Ảnh hưởng của tham số a đến hiệu năng hệ thống,
𝑔𝑎𝑖𝑛 = 1000, 𝜌 = 0,8.
Với 0 < a < 1 là hệ số năng lượng được phát đi. Hính 4.2 mô tả
mối quan hệ giữa tỉ lệ bit lỗi và tỉ số tín hiệu trên nhiễu của hệ thống
khi tham số a thay đổi bao gồm (1) mô hình bán song công; (2) mô
hình song công chưa khử nhiễu; (3) mô hình song công đã khử nhiễu.
Ta thấy rằng, ở mô hình (1) tham số a càng tăng thì tỉ lệ bit lỗi càng
tăng, hiệu năng của hệ thống càng giảm; phần năng lượng truyền đi
nhiều thì phần dữ liệu truyền đi ít đi do vậy dữ liệu thu được ít hơn,
hiệu năng giảm là đương nhiên. Ở mô hình (2) giá trị a lớn hay nhỏ
hầu như không hoặc ảnh hưởng rất ít đến hiệu năng của hệ thống; theo
công thức tính tín hiệu thu được tại trạm đích (3.41) thấy rằng đáp ứng
kênh của nhiễu nội ℎ𝑆𝐼 rất lớn (> 1000) so với đáp ứng kênh của tín
hiệu mong muốn ℎ𝐴𝐵 do vậy dù a tăng hay giảm bao nhiêu thì tín hiệu
thu được hầu như không ảnh hưởng. Ở mô hình (3), khi nhiễu nội SI

được khử thì giá trị a ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống tương tự
như mô hình (1), a càng tăng thì hiệu năng của hệ thống càng giảm.
Để ý, khi giá trị 𝜌 thay đổi thì mô hình (3) sẽ bị ảnh hưởng, với giá trị


22
𝜌 tối ưu thì quá trình khử nhiễu sẽ đạt kết quả tối ưu, hiệu năng của hệ
thống đạt tốt nhất.
4.2.5. Đánh giá hiệu năng theo tham số a

Hình 4.5. Hiệu năng của hệ thống theo tham số a, 𝑃 =
10 𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 1000, 𝜌 = 0,8.
Hình 4.5 biễu diễn hiệu năng của hệ thống theo tham số a. Ta
thấy tỉ lệ bit lỗi tăng tuyến tính cùng với sự tăng của giá trị a trong mô
hình (1) và (3), tức là hiệu năng hệ thống càng giảm khi giá trị a càng
tăng. Trong mô hình (2) giá trị a thay đổi không ảnh hưởng đến hiệu
năng của hệ thống, do nhiễu nội quá lớn so với tín hiệu mong muốn.
4.2.6. Đánh giá hiệu năng theo tham số 𝒈𝒂𝒊𝒏

Hình 4.6. Hiệu năng của hệ thống theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛, 𝑃 =
10 𝑑𝐵, 𝛼 = 0,3, 𝜌 = 0,8.


23
Hình 4.6 mô tả hiệu năng của hệ thống theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛. Giá trị
𝑔𝑎𝑖𝑛 càng lớn thì đáp ứng kênh truyền của tín hiệu nhiễu nội càng lớn
cách biệt so với đáp ứng kênh truyền của tín hiệu truyền đi. Ở mô hình
(1) truyền dẫn song công chưa khử nhiễu nội, trong khoảng 𝑔𝑎𝑖𝑛 ∈
[1,100] tỉ lệ bit lỗi tăng rất nhanh, hiệu năng của hệ thống giảm rất
nhanh theo giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛, khi 𝑔𝑎𝑖𝑛 > 100 thì hiệu năng của hệ thống

đạt giá trị bão hòa không còn phụ thuộc vào giá trị theo giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛
nữa. Đối với mô hình (2), hiệu năng của hệ thống không ảnh hưởng
đến sự thay đổi của giá trị 𝑔𝑎𝑖𝑛.
4.3. Kết luận chương
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trên cơ sở nghiên cứu những ưu nhược điểm của các mô hình
truyền dẫn song công cũng như công nghệ thu năng lượng vô tuyến,
luận văn đã đạt được mục tiêu nghiên cứu ban đầu đề ra là kết hợp việc
thu năng lượng vô tuyến vào trong mạng truyền thông song công, hai
trong số những kỹ thuật sẽ ứng dụng trong mạng thế hệ 5G kế tiếp. Cụ
thể đề tài đã hoàn thành khối lượng nghiên cứu sau:
 Nghiên cứu cấu trúc ăng-ten và hiệu suất hoạt động của các
mô hình hệ thống truyền thông song công so với truyền thông
bán song công về chất lượng mạng, dung lượng mạng, độ tin
cậy… Đồng thời, nghiên cứu các kỹ thuật khử nhiễu nội trong
hệ thống truyền thông song công.
 Nghiên cứu các kỹ thuật truyền và thu năng lượng vô tuyến
để truyền đồng thời cùng với tín hiệu trong mạng truyền thông
song công.
 Xây dựng mô hình tính toán hiệu năng của hệ thống vô tuyến
truyền dẫn song công và bán song công hai chiều thu năng
lượng ở kênh truyền fading Rayleigh. Xây dựng và phân tích