HỌC VIỆN CÔ NG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔ NG
---------------------------------------

TRẦN VĂN LINH

NGHIÊ N CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KHÔ NG
TUYẾN TÍNH LÊ N MÔ HÌNH THU THẬP NĂNG
LƯỢNG VÔ TUYẾN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH - 2014


HỌC VIỆN CÔ NG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔ NG
---------------------------------------

TRẦN VĂN LINH

NGHIÊ N CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆU ỨNG KHÔ NG
TUYẾN TÍNH LÊ N MÔ HÌNH THU THẬP NĂNG
LƯỢNG VÔ TUYẾN

CHUYÊ N NGÀ NH: KỸ THUẬT VIỄN THÔ NG
MÃ SỐ: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO

TP. HỒ CHÍ MINH - 2017

i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
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.
Tác giả luận văn

Trần Văn Linh


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS. Võ
Nguyễn Quốc Bảo - Trưởng Khoa Viễn Thông 2, Học viện Công nghệ Bưu chính
Viễn thông cơ sở TP. HCM. Lời đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn
sâu sắc tới thầy.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Học Viện Công Nghệ Bưu
Chính Viễn Thông, Phòng Đào tạo sau đại học đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá
trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành biết ơn toàn thể Thầy, Cô giảng dạy đã tận tình truyền đạt
những bài học cũng như những kiến thức quý báu trong quá trình học tập tại trường.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên trong gia đình, đã tạo điều
kiện, động viên khích lệ tôi trong những lúc khó khăn để tôi học tập và thực hiện đề
tài.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5 năm 2017
Học viên thực hiện


Trần Văn Linh


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii
MỤC LỤC ................................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁ C CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... v
DANH MỤC CÁ C HÌNH ........................................................................................ vi
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊ N CỨU ...................................................... 3
1.1 Giới thiệu ............................................................................................................ 3
1.2 Các nghiên cứu liên quan ................................................................................... 3
1.3 Cấu trúc mạng thu thập năng lượng. .................................................................. 7
1.3.1 Cổng thông tin ...................................................................................... 7
1.3.2 Nguồn năng lượng................................................................................ 8
1.3.2 Thiết bị thu nhận năng lượng RF ......................................................... 8
1.4 Mô hình chuyển tiếp và các giao thức hoạt động chuyển tiếp ......................... 10
1.4.1

Mô hình kênh chuyển tiếp................................................................. 10

1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF (Decode And Forward) ............ 11
1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF (Amplifier and Forward) .... 12
1.5 Các kỹ thuật phân tập kết hợp .......................................................................... 12
1.5.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) ........................ 12
1.5.2


Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC) .... 12

1.5.3

Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC) ... 12

1.6 Các kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp ............................................................. 13
1.6.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay
Selection) .......................................................................................... 13
1.6.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần (Full Relay
Selection) .......................................................................................... 14
1.7 Tổng quan về đề tài .......................................................................................... 14


iv

1.7.1 Mô hình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp .............................. 14
1.7.2 Hiện tượng phi tuyến tính mô hình thu thập năng lượng vô tuyến .... 16
Chương 2: MẠNG THU THẬP NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT LỰA
CHỌN CHUYỂN TIẾP VỚI MÔ HÌNH KHÔ NG TUYẾN TÍNH ................... 18
2.1. Giới thiệu ......................................................................................................... 18
2.2. Mô hình đề xuất ...................................................................................... 19
2.2.1. Mô tả hệ thống .................................................................................. 19
2.2.2

Phân tích hệ thống ............................................................................. 21

2.3

Phân tích xác suất dừng ................................................................................ 26


2.4

Thông lượng .................................................................................................. 33

Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ NHẬN XÉ T ............................................................ 34
3.1. Mô hình hóa .................................................................................................. 34
3.2. Một số đồ thị mô phỏng ................................................................................ 35
3.4

Kết luận ......................................................................................................... 41

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁ T TRIỂN.......................................... 42
4.1 Kết luận: ......................................................................................................... 42
4.2 Hướng phát triển: ........................................................................................... 42
DANH MỤC CÁ C TÀ I LIỆU THAM KHẢO ..................................................... 44
PHỤ LỤC A ............................................................................................................. 46


v

DANH MỤC CÁ C CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

SC


Selection combining

Lựa chọn kết hợp

MRC

Maximal ratio combining

Kết hợp tỉ số tối đa

SNR

Signal to noise ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

MIMO

Multiple input- multiple output

Nhiều đầu vào nhiều đầu ra

SIMO

Single input- multiple output

Một đầu vào nhiều đầu ra

DF


Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

EH

Energy Harvest

Thu thập năng lượng

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

OFDM

Orthogonal Frequency- Division Ghép kênh phân chia tần số trực giao
Multiplexing


vi


DANH MỤC CÁ C HÌNH
Hình 1.1: Một mạng lưới phát sóng năng lượng không dây và cơ cấu nhận năng
lượng. Tại ER3, tín hiệu RF nhận được chuyển sang DC để sạc pin ..................... 3
Hình 1.2: Mạng truyền tải năng lượng từ điểm đến điểm trong hệ thống MIMO ... 4
Hình 1.3: Cấu trúc mạng thu thập năng lượng RF ................................................... 7
Hình 1.4: Minh họa sơ đồ khối một máy thu thập năng lượng RF .......................... 8
Hình 1.5. Mô hình chuyển tiếp một phần năng lượng trong mạng vô tuyến ........... 14
Hình 1.6: Phân chia khung thời gian ....................................................................... 16
Hình 1.7: Đặc tính không tuyến tính ở ngõ ra.......................................................... 17
Hình 2.1. Lựa chọn chuyển tiếp một phần năng lượng trong mạng vô tuyến ......... 20
Hình 2.2: Lựa chọn nút chuyển tiếp ......................................................................... 21
Hình 2.3: Phân chia khung thời gian ........................................................................ 23
Hình 2.4: Giao thức chuyển mạch tại nút chuyển tiếp ............................................. 23
Hình 2.5: Sử dụng kỹ thuật lựa chọn kết hợp tại nút đích ...................................... 25
Hình 3.1. Mô hình hóa hệ thống trong mặt phẳng 2 chiều ...................................... 34
Hình 3.2: Xác suất dừng (OP) .................................................................................. 35
Hình 3.3: Vị trí Relay thay đổi ................................................................................. 36
Hình 3.4: Tốc độ bit thay đổi ................................................................................... 37
Hình 3.5: tác động alpha lên OP khi R thay đổi ..................................................... 37
Hình 3.6: Tác động của alpha lên OP khi Pth thay đổi ........................................... 38
Hình 3.7: Tác động alpha lên xác suất dừng ............................................................ 38
Hình 3.8: tác động alpha lên OP khi M thay đổi ..................................................... 39
Hình 3.9: Tác động alpha lên thông lượng ........................................................... 39


1

MỞ ĐẦU
Tận dụng năng lượng từ môi trường xung quanh để cung cấp năng lượng truyền
phát cho mạng vô tuyến đã trở thành một giải pháp đầy hứa hẹn cho các thiết bị điện

tử năng lượng hạn chế, mà thông thường được sử dụng bởi các nguồn hạn chế như
pin [1, 2]. Giải pháp này đặc biệt trở nên hữu ích trong các ứng dụng mà việc thay
thế pin là khó khăn phức tạp, hoặc nguy hiểm, ví dụ, mạng cảm biến làm việc trong
môi trường độc hại và mạng cảm biến không dây trong cơ thể người [3]. Nguồn năng
lượng tự nhiên đề cập ở đây thông thường là năng lượng mặt trời và gió. Gần đây, tín
hiệu tần số vô tuyến (RF) cũng có thể được xem như một nguồn thu năng lượng hiệu
quả (EH) [4, 5].
So với các loại nguồn khác nhau, thu thập năng lượng trên sóng RF có một số
lợi thế nhất định, và cũng được gọi là truyền năng lượng không dây, vìlà một nguồn
cung cấp năng lượng một cách chủ động và đáng tin cậy hơn để đảm bảo hiệu năng
của hệ thống[6].
Cho đến nay đã có một số nghiên cứu đề cập đến mô hình thu thập năng lượng,
tuy nhiên các mô hình này đều giả sử rằng năng lượng thu thập là tuyến tính, cụ thể
là tỷ lệ thuận với năng lượng nguồn phát và độ lợi kênh truyền từ nguồn phát đến
máy thu năng lượng [7]. Tuy nhiên, trong thực tế, mô hình thu thập năng lượng là
không tuyến tính do bởi những hạn chế phần cứng và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu
năng của các mạng vô tuyến thu thập năng lượng [8].
Trong luận văn này, tôi sẽ tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của mô hình thu tập
năng lượng phi tuyến tính lên hiệu năng của hệ thống thu thập năng lượng.
Bố cục luận văn được chia làm các chương sau:
 Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu
Tóm tắt chương: Tìm hiểu kỹ thuật thu thập năng lượng, kỹ thuật lựa chọn nút
chuyển tiếp trong mạng thu thập năng lượng, phân tích hiện tượng của mô hình thu
thập năng lượng không tuyến tính.


2

 Chương 2: Mạng thu thập năng lượng sử dụng kỹ thuật lựa chọn
chuyển tiếp với mô hình không tuyến tính

Tóm tắt chương: Giải thích mô hình đề xuất, phân tích đánh giá hiệu năng của
mô hình thu thập năng lượng không tuyến tính
 Chương 3: Mô phỏng và kết quả
Tóm tắt chương: Trong chương này, một số mô phỏng Monte – Carlo và so sánh
giữa lý thuyết bằng phần mềm Matlab được thực hiện để kiểm chứng ảnh hưởng hiệu
ứng của không tuyến tính lên hệ thống thu thập năng lượng chuyển tiếp DF trên kênh
truyền fading Rayleigh được đưa ra trong chương 2.
 Chương 4: Kết luận, đánh giá và hướng phát triển
Tóm tắt chương: Nêu các vấn đề về luận văn đã làm được, đề xuất hướng phát
triển của luận văn.


3

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊ N CỨU
Tóm tắt chương: Tìm hiểu kỹ thuật thu thập năng lượng, kỹ thuật lựa chọn
nút chuyển tiếp trong mạng thu thập năng lượng, phân tích hiện tượng của mô hình
thu thập năng lượng không tuyến tính. Nội dung đề xuất bao gồm:

1.1 Giới thiệu
Lịch sử cho phép của truyền năng lượng không dây sóng ngắn có thể được
truy trở lại với công việc đầu tiên của Heinrich Hertz năm 1880. Sau đó vào năm
1960, RF-base WET trong không gian tự do đã được nghiên cứu rộng rãi, với hai ứng
dụng nổi tiếng trong máy bay trực thăng bay lơ lửng bởi song cao tần mang năng
lượng và vệ tinh năng lượng mặt trời (SPS) [9].
Thu năng lượng từ các nguồn môi trường xung quanh và chuyển đổi nó thành
năng lượng điện sử dụng cho các thiết bị điện là ngày càng quan trọng trong việc thiết
kế mạng thông tin liên lạc xanh. Nó làm tăng tuổi thọ cho các hệ thống thông tin liên
lạc, dựa trên việc tự duy trì và tự cung tự cấp năng lượng. Ngoài các nguồn năng
lượng thay thế phổ biến, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió, địa nhiệt và cơ học,

thu thập năng lượng từ tín hiệu vô tuyến RF môi trường xung quanh được cho là một
nguồn đầy hứa hẹn có thể được khai thác trong tương lai. Một lợi thế rõ ràng của kỹ
thuật này, so với các nguồn năng lượng thay thế khác, đó là nguồn RF môi trường
xung quanh có thể luôn có sẵn. Hơn nữa, hệ thống thu năng lượng RF có thể được
xây dựng với giá rẻ trong kích thước nhỏ, mà có thể là một lợi thế trọng yếu trong
việc sản xuất các thiết bị thông tin liên lạc chi phíthấp như các nút cảm biến. Tín hiệu
RF có thể được sử dụng bởi một nút để lấy thông tin hoặc năng lượng thu hoạch. Thu
thập năng lượng từ tín hiệu RF được biết đến rộng rãi như là thu hoạch năng lượng
không dây (EH) hoặc truyền tải năng lượng không dây (WPT), vì nó đề cập đến việc
truyền tải điện năng từ nguồn năng lượng cho một hoặc nhiều thiết bị mà không cần
bất kỳ dây.

1.2 Các nghiên cứu liên quan
Gần đây thu thập năng lượng không dây cho các mạng di động đã nhận được
sự chú ý nghiên cứu trong một số ứng dụng như mạng cảm biến không dây (WSNs),


4

các hệ thống truyền thông cộng tác. Thu thập năng lượng không dây (EH) đã được
xem như là một nguồn tiềm năng của năng lượng cho các mạng vô tuyến nhận thức
(CRNs) [2]và mạng di động nhỏ (SCNs)[4]. Có nhiều công trình nghiên cứu kết hợp
truyền thông tin và năng lượng như trong [5] tác giả đã đề xuất một kiến trúc mạng
cho các trạm RF tự cung cấp năng lượng bởi các điện thoại di động theo đường
uplink, trong [9] xem xét đồng thời thông tin và năng lượng truyền không dây
(SWIPT) downlink trong hệ thống đa người dùng đa truy nhập phân chia tần số trực
giao (OFDMA), nơi mà mỗi người dùng sử dụng phân chia công suất để điều phối
việc thu năng lượng và giải mã thông tin. Bằng cách dùng thuật toán tối ưu để giải
quyết hai vấn đề, thứ nhất tối ưu hóa việc phân bổ sóng mang con và phân chia công
suất một cách luân phiên, thứ hai tối ưu hóa việc phân bổ sóng mang con và phân

chia công suất một cách tuần tự, kết quả tác giả cho thấy rằng, các phương pháp đề
xuất tốt hơn phương pháp thông thường. Hơn nữa, kỹ thuật beamforming hiện đại
khác nhau được sử dụng để nâng cao hiệu quả truyền công suất cho các ứng dụng
điện thoại di động. Thông tin không dây đồng thời và truyền công suất (SWIPT) [22]
được đề xuất để cung cấp năng lượng RF, thường là trong một khu vực năng lượng
thấp (vídụ, đối với các mạng cảm biến). SWIPT cung cấp kiểm soát đồng thời thông
tin và năng lượng , trong đó cung cấp năng lượng chi phíthấp cho các hoạt động bền
vững của hệ thống không dây mà không sửa đổi phần cứng ở phía máy phát. Tuy
nhiên, nghiên cứu mới đây đã thừa nhận rằng việc tối ưu hóa đồng thời các thông tin
không dây và truyền năng lượng mang lại sự cân bằng về thiết kế của một hệ thống
không dây là rất khó khăn [20], [23].
ER1

ER2

Truyền tải năng lượng
ER3

Diode

LPF

Diode

LPF

ắc-quy

Hình 1.1: Mạng lưới phát sóng năng lượng không dây và cơ cấu nhận năng lượng.



5

Bên cạnh đó, các tác giả quan tâm đến việc thu thập năng lượng tại nút chuyển
tiếp và sử dụng năng lượng RF để chuyển tiếp thông tin [7-27]. Vì vậy, để đạt hiệu
quả thu thập năng lượng các bài báo đề xuất tăng số lượng ăng-ten, như trong [5]
xem xét máy phát năng lượng chuyển giao năng lượng RF để thu nhiều năng lượng
(ERS), trong đó mỗi bộ truyền / nhận được trang bị với nhiều ăng-ten.

Bộ chỉnh
lưu

Bộ chỉnh
lưu
Năng lượng nhận

Nguồn
tích trữ
Đo năng
lượng

Truyền tải năng lượng

Đường hồi

Hình 1.2: Mạng truyền tải năng lượng từ điểm đến điểm trong hệ thống MIMO

Một thách thức thực tế lớn cho việc thực hiện RF dựa trên WET là sự suy giảm
đáng kể hiệu suất truyền năng lượng của WET qua khoảng cách xa từ ET đến ER do
suy giảm công suất trên đường truyền của tín hiệu RF. Để nâng cao hiệu quả, kỹ thuật

nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) đã được quan tâm bằng cách trang bị nhiều anten
tại ET hoặc ER đã được đề xuất như là một giải pháp hấp dẫn [11],[27]. Nhiều anten
ở ET giúp tập trung năng lượng không dây truyền tải trên các phương hướng cho ER
qua kỹ thuật beamforming kỹ thuật số hoặc cái gọi là beamforming năng lượng, trong
khi nhiều anten ở ER tăng khẩu độ diện tích cho thu hoạch năng lượng RF tại nút
nhận, tăng số lượng ăng-ten cả hai đầu để tăng cường đáng kể hiệu suất truyền/nhận
năng lượng. Điều này giúp mở rộng phạm vi hoạt động của WET với ERS cho 'cầu
năng lượng, và / hoặc cho phép nhiều ứng dụng năng lượng tiêu thụ bằng cách tăng
ERS' năng lượng thu hoạch với khoảng cách cố định. Tuy nhiên, lợi ích của
beamforming năng lượng trong MIMO WET không những dựa vào sự sẵn có của các


6

thông tin trạng thái kênh (CSI) tại ET, mà cần phải được học một cách hiệu quả trong
hệ thống thực tế. Và quan trọng với MIMO, thìcần phải tích hợp nhiều anten vào các
thiết bị di động, vốn là vấn đề đòi hỏi chi phí, kích thước thiết bị và sự phức tạp về
công nghệ và phần cứng.
Để phục vụ cho các giới hạn phần cứng của ERS hiện có, cũng trong [11] tác
giả đề xuất phương pháp dựa trên những phản hồi đo năng lượng của ER. Cụ thể, ER
đo mức năng lượng thu hoạch của mình trong khoảng thời đào tạo khác nhau sử dụng
một đồng hồ đo năng lượng (xem hình 1.2), và gửi một chút năng lượng phản hồi về
ET ở mỗi khoảng thời gian để so sánh sự tăng hay giảm của năng lượng đo được
trong khoảng thời gian hiện tại và trong khoảng thời gian trước đó. Dựa trên các bit
thông tin phản hồi thu thập được trong khoảng thời gian hiện tại và quá khứ, ET điều
chỉnh beamforming truyền của nó trong khoảng thời gian huấn luyện tiếp theo và có
được ước tính tinh tế của kênh MIMO. Phương pháp thông tin phản hồi cũng đã được
nghiên cứu trong các hệ thống MIMO vô tuyến nhận thức [17], [18]. Phương pháp
học tập kênh thông tin phản hồi năng lượng này được áp dụng cho cả hai hệ thống
TDD và FDD, và có thể được thực hiện mà không cần thêm các module xử lý

baseband tại ER.
Để khai thác lợi ích của nhiều ăng-ten [21] đề xuất, ba phương pháp xử lý tuyến
tính khác nhau, đó là: 1) tỷ lệ kết hợp / tỷ lệ truyền tối đa (MRC / MRT), 2) Zeroforcing / MRT (ZF / MRT) và 3) sai số lỗi trung bình thấp nhất / MRT (MMSE /
MRT). Kết quả tác giả cho thấy rằng việc thực hiện nhiều ăng-ten tăng năng lực thu
hoạch năng lượng, do đó, cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống. Hơn nữa, nó chứng
minh rằng nhiễu đồng kênh CCI có thể được khai thác để tăng đáng kể hiệu suất.
Nhờ sự xử lý phân tập không gian trong các nút không dây với nhiều ăng-ten
trong [22], tác giả thiết kế khớp xoay sử dụng một cách linh hoạt cho phân chia công
suất (PS) và lựa chọn anten (AS) của các tín hiệu RF nhận được, cung cấp hiệu quả
tốt hơn so với PS hoặc AS độc lập. Thông qua AS, một phần ăng-ten được chọn ra
chỉ để thu hoạch năng lượng, và các ăng ten còn lại được xác định cho cả xử lý thông
tin và năng lượng thu hoạch, có thể được tối ưu hóa hơn nữa bằng PS.


7

1.3 Cấu trúc mạng thu thập năng lượng.
Trong phần này, mô tả kiến trúc chung của một mạng thu thập năng lượng RF
(RF-EHN) và giới thiệu các kỹ thuật thu hoạch năng lượng RF. Cấu trúc của mạng
thu thập năng lượng điển hình của một RF-EHN có ba thành phần chính. Cổng thông
tin, nguồn năng lượng RF và mạng nút / thiết bị.
Các cổng thông tin này thường được gọi là các trạm gốc, các bộ định tuyến
không dây và chuyển tiếp.
Các nguồn năng lượng RF có thể là các máy phát năng lượng RF chuyên dụng
hoặc các nguồn RF xung quanh (ví dụ, tháp truyền hình).
Các nút mạng là các thiết bị sử dụng giao tiếp với các cổng thông tin.

Hình 1.3: Cấu trúc của mạng thu thập năng lượng RF

1.3.1 Cổng thông tin

Thông thường, các cổng thông tin và các nguồn năng lượng RF được cung cấp
điện cố định, trong khi các nút mạng thu hoạch năng lượng từ các nguồn RF để hỗ
trợ các hoạt động của nó. Như thể hiện trong Hình 1.3, các đường mũi tên liền nét đại


8

diện cho dòng thông tin, trong khi các đường mũi tên nét đứt đại diện cho luồng năng
lượng. Cổng thông tin có một khu vực thu hoạch năng lượng và một khu vực truyền
thông tin được đại diện bởi các vòng tròn nét đứt. Các thiết bị trong vùng thu hoạch
năng lượng có thể thu năng lượng RF từ cổng thông tin. Các thiết bị trong khu vực
thông tin truyền tải thành công có thể giải mã thông tin được truyền từ cổng.

1.3.2 Nguồn năng lượng
Nguồn năng lượng RF (RF Energy Sources) có thể là các máy phát năng lượng
RF chuyên dụng hoặc các nguồn năng lượng RF từ môi trường xung quanh như:sóng
truyền hình tương tự và sóng truyền hình kĩ thuật số, sóng radio trong truyền thanh,
sóng wifi, sóng di dộng,sóng radio trong không gian,….
Hình 1.4 cũng cho thấy sơ đồ khối của một nút mạng với RF khả năng thu
năng lượng.

1.3.2 Thiết bị thu nhận năng lượng RF
Một nút thu năng lượng RF bao gồm các thành phần chính sau đây:
 Ứng dụng
 Một vi điều khiển công suất thấp, để xử lý dữ liệu từ các ứng dụng
 Năng lượng thấp RF thu phát, truyền tải thông tin, nhận
 Một máy thu thập năng lượng, bao gồm một ăng ten RF, một trở kháng phù
hợp, một số nhân điện áp và một tụ điện, để thu các tín hiệu RF và chuyển đổi
chúng thành điện năng,
 Một module quản lý điện năng, nó quyết định liệu để lưu trữ điện năng thu

được từ các máy gặt đập năng lượng RF hoặc sử dụng nó để truyền thông tin
ngay lập tức
 Một lưu trữ năng lượng hoặc pin.
Các mô-đun quản lý điện năng có thể áp dụng hai phương pháp để kiểm soát
dòng chảy năng lượng đầu vào, tức là, thu hoạch sử dụng và thu hoạch lưu trữ sử
dụng. Trong phương pháp thu hoạch sử dụng, năng lượng thu hoạch được ngay lập
tức sử dụng để cấp nguồn cho các nút mạng. Do đó, đối với các nút mạng để hoạt
động bình thường, các bộ chuyển đổi điện phải liên tục vượt quá nhu cầu năng lượng


9

tối thiểu của các nút mạng. Nếu không, các nút sẽ bị vô hiệu. Trong phương pháp thu
hoạch lưu trữ sử dụng, các nút mạng được trang bị với một lưu trữ năng lượng hoặc
pin có thể sạc lại mà các bộ trích trữ điện chuyển đổi. Bất cứ khi nào năng lượng thu
hoạch là nhiều hơn so với mức tiêu thụ của nút, năng lượng dư thừa sẽ được lưu trữ
trong pin để sử dụng trong tương lai.

Thu thập năng
lượng RF

Modul quản lý
năng lượng

Lưu trữ tạm thời

Máy thu phát RF
công suất thấp

Vi điều khiển

công suất thấp

ứng dụng

Hình 1.4: minh họa sơ đồ khối một máy thu thập năng lượng RF

 Các ăng-ten có thể được thiết kế để làm việc trên cả hai đơn băn tần số hoặc
đa băn tần số, trong đó các nút mạng có thể thu hoạch từ một hoặc nhiều nguồn
cùng lúc. Tuy nhiên, bộ thu thập năng lượng RF thường hoạt động trên một
dải tần số từ mật độ năng lượng của tín hiệu RF là đa dạng về tần số.
 Khối 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 và được nhân
lên.
 Các thành phần chính của nhân điện áp là điốt của mạch chỉnh lưu chuyển đổi
tín hiệu RF (tín hiệu AC trong tự nhiên) thành điện áp DC. Nói chung, hiệu
suất chuyển đổi cao hơn có thể đạt được bằng cách chọn điốt có điện áp
ngưỡng thấp hơn. Các tụ điện đảm bảo cung cấp điện thông suốt để tải. Ngoài
ra, khi RF năng lượng là không có sẵn, các tụ điện cũng có thể phục vụ như là
một dự trữ cho một thời gian ngắn.
Trong thu 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 hoạch năng lượng RF từ môi trường truyền trong không


10

gian tự do có thể được tính toán dựa trên mô hình xác suất thực tế và áp dụng rộng
rãi là một mô hình Rayleigh, trong đó giữa một máy phát và máy thu được cho là
nhìn thẳng. Trong mô hình Rayleigh, chúng ta có
PR  PRdet 10 L log 1  unif (0,1)  ,


Trong đó PRdet là năng lượng RF nhận được tính bằng một mô hình xác định.
Hệ số suy hao đương truyền L được định nghĩa là L   log10(d / d0 ) , và d0 là một
khoảng cách tham khảo, unif (0, 1) biểu thị một số ngẫu nhiên được tạo ra sau phân
bố đồng đều giữa 0 và 1.

1.4 Mô hình chuyển tiếp và các giao thức hoạt động chuyển tiếp
1.4.1 Mô hình kênh chuyển tiếp
Kênh chuyển tiếp (relay channel) có vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền đi các
tín hiệu mang thông tin để cải thiện hiệu năng của hệ thống. đối với mô hình kênh
chuyển tiếp cổ điển, nút chuyển tiếp có nhiệm vụ duy nhất là trợ giúp cho đường
truyền trực tiếp giữa nút nguồn và nút đích. Tuy nhiên, việc chuyển tiếp thông tin đó
có thể là đầu cuối cố định, không có thông tin cho riêng nó để truyền đi hoặc có thể
vừa là đầu cuối vừa có chức năng phát thông tin của chính nó, vừa có chức năng như
một đầu cuối cộng tác để truyền thông tin của các đầu cuối đối tác của nó hay còn gọi
là cộng tác người dùng
Trong hai loại hình nút chuyển tiếp trên, chuyển tiếp cộng tác có ý nghĩa thực
tiễn hơn do nút thực hiện chuyển tiếp là cố định. Vì thế, điều kiện kênh truyền giữa
nó và nút đích (trạm gốc trong thông tin di động) là tương đối ổn định hơn so với
trường hợp còn lại. Thêm vào đó, khi thực hiện chức năng chuyển tiếp thìnút chuyển
tiếp phải có các bước xử lý với các dữ liệu nhận được từ các nút khác vì thế sẽ tiêu
tốn nhiều năng lượng hơn. Và đây lại là một lợi thế của nút chuyển tiếp cố định so
với nút chuyển tiếp là một thiết bị di động. Mặt khác, nếu sử dụng hình thức cộng tác
người dùng sẽ nãy sinh một số vấn đề phức tạp cần phải giải quyết như: tính bất
thường về số lượng, vị trí và tính cân bằng của các thuê bao di động. Ngoài ra, dựa
vào số chặng (Hop) giữa nút nguồn và nút đích ta có thể phân loại kỹ thuật chuyển


11


tiếp cộng tác làm hai loại: chuyển tiếp hai chặng (Two-hop relaying) [8], [22] và
chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relaying) [9-11]. Từ tên gọi trên, ta có thể thấy rõ
ràng về đặc điểm của chúng.
 Chuyển tiếp hai chặng: chỉ có một nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ
liệu người dùng về nút đích.
 Chuyển tiếp đa chặng: số nút chuyển tiếp thực hiện việc truyền dữ liệu người
dùng về nút đích là từ hai trở lên. Thực tế là các nút chuyển tiếp không thể thu
và phát cùng lúc do không thể tránh khỏi của hiệu ứng coupling giữa mạch
phát và mạch thu. Điều này dẫn đến giới hạn half-duplex, và đây chính là
nguyên nhân chính mà sự truyền dẫn từ nút nguồn qua nút chuyển tiếp đến nút
đích trong truyền thông cộng tác được chia thành hai pha thời gian truyền.
Nghĩa là chúng chỉ có thể hoạt động ở chế độ bán song công, chủ yếu thực
hiện qua hai giai đoạn truyền:
 Ở giai đoạn thứ nhất, nút nguồn gửi thông tin đến các nút chuyển tiếp
 Ở giai đoạn thứ hai, các nút chuyển tiếp sẽ chuyển tiếp thông tin mà nó nhận
được từ các nút khác tới nút đích. Mỗi nút có thể giải mã thông tin nhận được
và chuyển tiếp đi, đây là kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-andForward, viết tắt là DF) [12-13]. Hoặc đơn giản là khuếch đại và truyền đi,
đây là kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward, viết tắt là
AF) [14-15].

1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF (Decode And Forward)
Kỹ thuật chuyển tiếp này còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo,
cơ bản nó thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu. Ở mô hình này, nút chuyển
tiếp hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông minh và giải mã/ giải điều chế tín
hiệu nhận được từ nút nguồn ở khe thời gian truyền thứ nhất hay ở pha truyền thứ
nhất. Quá trình này sẽ loại bỏ sự hiện diện của nhiễu.


12


1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF (Amplifier and Forward)
Ở mô hình này nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại những gì nó nhận
được từ nút nguồn. Quá trình khuếch đại tương ứng với 1 biến đổi tuyến tính xảy ra
tại nút chuyển tiếp [14-15]. AF còn được gọi là mô hình chuyển tiếp không tái tạo và
cơ bản là nó thực hiện những phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu.

1.5 Các kỹ thuật phân tập kết hợp
Các kỹ thuật được sử dụng trong thu thập năng lượng thường là kỹ thuật kết
hợp lựa chọn (Selection Combining: SC), Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal
Ratio Combining: MRC), Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining:
EGC)

1.5.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC)
Kỹ thuật phân tập SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín
hiệu trên nhiễu (SNR) tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận được từ các nhánh
khác nhau rồi đưa vào xử lý. Trong kỹ thuật này, tại một thời điểm chỉ có một nhánh
được sử dụng nên phương pháp SC chỉ yêu cầu máy thu được chuyển đến vị tríanten
tích cực (anten có tín hiệu được lựa chọn). Tuy nhiên kỹ thuật này đòi hỏi trên mỗi
nhánh phải có một bộ theo dõi SNR đồng thời và liên tục. Trong phương pháp SC,
tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính là giá trị cực đại của SNR trên tất cả các
nhánh. Vì tại một thời điểm chỉ có một tín hiệu của một nhánh đưa vào xử lý nên kỹ
thuật này không yêu cầu sự đồng pha giữa các nhánh.

1.5.2 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC)
Đối với kỹ thuật phân tập SC, tín hiệu ngõ ra trên bộ kết hợp chính là tín hiệu
trên một nhánh riêng biệt nào đó. Kỹ thuật MRC khác với hai kỹ thuật trên, kỹ thuật
này sử dụng tín hiệu thu từ tất cả các nhánh để đưa vào xử lý. Trong kỹ thuật MRC,
SNR của ngõ ra bộ kết hợp là tổng của các SNR trên các nhánh thành phần [21]. SNR
của tín hiệu thu sẽ tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập.


1.5.3 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining: EGC)
Trong kỹ thuật MRC thìyêu cầu phải biết sự biến đổi của SNR trên từng nhánh
theo thời gian, tuy nhiên thông số này rất khó để đo được. Vìvậy để đơn giản kỹ thuật


13

MRC người ta dùng kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng EGC. Về bản chất EGC cũng
giống MRC, đều sử dụng tất cả các tín hiệu thu được tại các nhánh để đưa vào xử lý,
tuy nhiên, tỉ số SNR đầu ra trong phương pháp EGC thoả điều kiện công suất nhiễu
trên các nhánh như nhau.

1.6 Các kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp
Như đã được giới thiệu ở trên, kỹ thuật truyền đồng thời thông tin và năng
lượng là một kỹ thuật đầy hứa hẹn để cung cấp năng lượng cho các WET hệ thống
thông tin vô tuyến trong môi trường nhiễu fading.
Để nâng cao hơn nữa hiệu năng của mô hình, mục tiêu là làm giảm tiêu thụ
điện năng trong một mạng không dây hiện có với các cặp đích nguồn (S-D). Cách
tiếp cận được đề xuất là triển khai đa rơle EH để chuyển tiếp thông tin cho các cặp SD. Gần đây các giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp tốt nhất, khi có nhiều nút chuyển
tiếp sẵn sàng giúp đỡ nguồn truyền dữ liệu đến đích, đã được đề xuất và khảo sát[13]
[21][26]. Theo thông thường, các nhà nghiên cứu chia các phương pháp chọn lựa nút
chuyển tiếp thành hai loại chính: chọn lựa nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay
Selection) và chọn lựa nút chuyển tiếp toàn phần (Full Relay Selection).

1.6.1 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp đơn phần (Partial Relay
Selection)
Trong phương pháp này, nút chuyển tiếp tốt nhất được lựa chọn dựa trên thông
tin đơn phần tức thời của kênh giữa nguồn và các nút chuyển tiếp (SR) [20] hoặc
giữa đích và các nút chuyển tiếp (RD) [26].
- Ưu điểm: Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, quá trình chọn nút sẽ đơn giản

hơn do chỉ yêu cầu thông tin trạng thái kênh truyền từ một phía.
- Nhược điểm: do không cần đến thông tin kênh truyền còn lại, nên có khả năng
bỏ qua nút chuyển tiếp có độ lợi cao hơn.


14

1.6.2 Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp toàn phần (Full Relay
Selection)
Trong phương pháp này, nút chuyển tiếp tốt nhất được lựa chọn dựa vào tỷ lệ
tín hiệu trên nhiễu trên cả hai chặn SR và từ RD [25]. Sau đây là các ưu điểm và
nhược điểm của phương pháp này:
- Ưu điểm: đạt được độ lợi phân tập đầy đủ (full diversity gain) bằng với số
nút chuyển tiếp (cộng 1 nếu có đường truyền trực tiếp giữa nguồn và đích). Do đó,
nâng cao hiệu năng đáng kể so với phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp đơn phần.
- Nhược điểm: Phức tạp hơn rất nhiều so với phương pháp chọn lựa nút chuyển
tiếp đơn phần. Phương pháp này cũng đòi hỏi các nút chuyển tiếp phải biết được
thông tin trạng thái kênh truyền của cả hai chặng, điều này có thể dẫn đến sự tiêu thụ
năng lượng lớn để thực hiện việc xác định thông tin trạng thái kênh truyền ở mỗi nút
chuyển tiếp. Cần sự đồng bộ cao giữa các nút chuyển tiếp trong quá trình chọn lựa
nút tốt nhất.

1.7 Tổng quan về đề tài
Như đã nói ở trên, Truyền thông không dây với các nút sử dụng năng lượng
thu thập đã trở thành chủ đề nghiên cứu quan trọng thu hút sự chú ý nghiên cứu trong
những năm gần đây, ví dụ: [4, 8, 10-28]. Tuy nhiên, trong hầu hết các nghiên cứu đến
nay đều giả sử mô hình thu thập năng lượng là tuyến tính. Nhưng trong thực tế mạch
thu năng lượng thường bao gồm điốt, cuộn cảm và tụ điện, là không tuyến tính thường
dẫn đến ngưỡng bão hòa ở đầu ra. Cụ thể là năng lượng thu thập ở đầu ra không tăng
mặc dù năng lượng thu thập ở đầu vào có tăng khi năng lượng thu thập vượt qua một

giá trị ngưỡng bão hòa [8]. Khi đó, áp dụng mô hình thu thập năng lượng tuyến tính
thông thường sẽ không đúng và hiệu quả EH phụ thuộc vào mô hình năng lượng, dẫn
đến sự không phù hợp cho phân bổ công suất.

1.7.1 Mô hình thu thập năng lượng tại nút chuyển tiếp
Vídụ: Xét mô hình vô tuyến chuyển tiếp hình 1.5 với nút nguồn S nút chuyển
tiếp R và nút đích D


15

R

S

D

Hình 1.5. Mô hình chuyển tiếp một phần năng lượng trong mạng vô tuyến

Trong mô hình này Hình 1.5, tín hiệu được truyền từ nguồn, ký hiệu là S, nút
chuyển tiếp R thu thập năng lượng chuyển thông tin đến một nút đích, ký hiệu là D.
Tất cả các nút đều được trang bị với một ăng-ten duy nhất và hoạt động trong một
chế độ truyền bán song công (half-duplex).
Trong mô hình này giả định rằng nút chuyển tiếp không được cung cấp năng
lượng cố định thông qua nguồn AC hay pin mà cung cấp điện từ nguồn phát vô tuyến.
Giả sử rằng không có liên kết trực tiếp từ S → D do khoảng cách xa hoặc ảnh hưởng
của hiệu ứng bóng mờ. Giả sử tất kênh truyền Rayleigh fading không lựa chọn tần
số, tức là, hệ số kênh là không đổi trong một khối thời gian T, độc lập, phân phối
giống nhau (i.i.d.) từ một khe kế tiếp và CSI có sẵn tại bất kỳ thiết bị đầu cuối trong
mạng

Nút R thu thập năng lượng và thực hiện giao thức chuyển mạch theo thời
gian (TS), Thời gian tổng cộng cho khối là T, thời gian được sử dụng cho thu thập
năng lượng là αT, thời gian (1 - α)T được sử dụng như sau: một nửa (1 - α)T/2 dùng
cho tiếp nhận thông tin và nửa còn lại (1 - α)T/2 dùng cho chuyển tiếp thông tin với
0≤α≤1
Khung thời gian T
Thu thập năng lượng

Tiếp nhận thông tin

Chuyển tiếp thông tin

Hình 1.6: Phân chia khung thời gian

Trong khe thời gian đầu tiên, Tất cả các nút chuyển tiếp wiseless thu năng
lượng từ các nguồn và chuyển đổi thành điện áp một chiều (DC) bằng cách sử dụng
các mạch thích hợp.


16

1.7.2 Hiện tượng phi tuyến tính mô hình thu thập năng lượng vô
tuyến
Với mô hình thu thập năng lượng Hình 5 tín hiệu nhận được tại nút chuyển
tiếp R, ký hiệu là yR. Được cho bởi:
yR  PS hSR s  nR

(1.1)

Trong đó Ps là công suất trung bình truyền của nguồn, s là tín hiệu truyền, và

nR là baseband phụ thuộc nhiễu trắng Gauss (AWGN) với phương sai N0. Năng lượng
thu thập của relay trong một khoảng thời gian αT được cho là [20].
E  T PS hS ,R

2

(1.2)

Trong đó 0 < η ≤ 1 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng, mà phụ thuộc vào quá
trình chỉnh lưu và các mạch thu năng lượng.
Với nút relay thu thập năng lượng tuyến tính thìcông suất phát của relay chọn
có thể được viết
PR 

2
PS hS , R
1

2

(1.3)

Giả sử tại nút chuyển tiếp luôn giải mã thành công tín hiệu nhận được. Tín
hiệu trên nhiễu SNR của chặng S → R là

 SR

PS | hSR |2

N0


(1.4)

Giả sử rằng thời gian thu thập đủ lớn và mạch thu thập năng lượng hoàn hảo,
khi đó ta có đồ thị thu năng lượng tại nút chuyển tiếp như sau:


17

Output Power
(mW)

Pth

Pth
Input power (mW)

Hình 1.7: Đặc tính không tuyến tính ở ngõ ra

Từ đồ thị Hình 1.7 cho thấy năng lượng thu thập liên tục tăng đến giá trị được
biểu thị bởi ηPth thì không tăng nữa, trong khi công suất đầu vào là vượt quá ngưỡng
Pth dẫn đến bị bão hòa ở đầu ra. Khi đó
 2
2
2
 (1   ) PS | hSR | , PS | hSR |  Pth

PR  
 2 P ,
PS | hSR |2  Pth

 (1   ) th

(1.5)

Mô hình này thể hiện hạn chế của các hiện tượng phi tuyến gây ra bởi những
hạn chế phần cứng bao gồm hạn chế độ nhạy cảm mạch và dòng rò.