Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016<br />
<br />
<br />
Tối ưu thông lượng mạng chuyển tiếp AF hai<br />
chiều với phần cứng không lý tưởng cho truyền năng<br />
lượng vô tuyến<br />
Throughput Optimization in Two-Way AF Relaying Networks<br />
under Non-ideal Hardware for Wireless Energy Transfer<br />
<br />
Đỗ Đình Thuấn<br />
<br />
Abstract: In this paper, we investigate the vô tuyến RF đã ứng dụng trong công nghệ RFID. Về<br />
performance of energy harvesting enabled two-way nguyên lý, năng lượng thu qua đường vô tuyến tạo ra<br />
relaying network (TWRN) with amplify- and- forward dòng điện DC cung cấp cho các khối nguồn của thiết<br />
(AF) protocol. Particularly, this paper also determines bị vô tuyến đặt ở những vị trí không thuận lợi về việc<br />
effect of hardware impairments on the outage cung cấp nguồn điện, chẳng hạn như các bộ cảm biến<br />
probability and the throughput. To evaluate harvested vô tuyến đặt trên đường, hay đặt trên núi cao và các<br />
energy efficiency, we propose energy harvesting địa hình xa xôi hiểm trở khác. Nhờ thu năng lượng vô<br />
policies at relay node and destination node, namely tuyến này, các thiết bị kéo dài thời gian hoạt động,<br />
time switching imperfect relay (TSIR), time switching đảm bảo sự thông suốt dịch vụ hay các ứng dụng mà<br />
imperfect source (TSIS). Finally, the numerical and thiết bị đang cung cấp. Ngay trong mạng thông tin di<br />
simulation results provide practical insights into the động phổ biến hiện nay, các thiết bị điện thoại cầm tay<br />
impact of transmitted power, level of hardware trở nên nhanh chóng cạn kiệt nguồn pin khi sử dụng<br />
impairments and energy harvesting time factors on ngày càng nhiều hơn các ứng dụng đa phương tiện.<br />
the performance of energy enabled two-way relaying Trong khi đó, nhờ áp dụng nguyên lý mạng chuyển<br />
network. tiếp (mạng chuyển tiếp), các nút trung gian khuếch đại<br />
tín hiệu và truyền tín hiệu đến đích giúp mở rộng vùng<br />
Keywords: time switching imperfect relay, time<br />
phủ sóng, cải thiện chất lượng tín hiệu ở vùng biên<br />
switching imperfect source, energy harvesting, two-<br />
của trạm thu phát sóng mạng di động hay của thiết bị<br />
way relaying network<br />
phát sóng WiFi [2]. Kết hợp mạng chuyển tiếp này với<br />
I. GIỚI THIỆU công nghệ truyền năng lượng vô tuyến giúp cải thiện<br />
hiệu suất sử dụng và tăng khả năng chia sẻ năng lượng<br />
Gần đây, khái niệm truyền thông xanh đã thu hút<br />
trong các phần tử cùng mạng lưới.<br />
các nhà nghiên cứu, nhất là trong các ứng dụng mạng<br />
truyền năng lượng vô tuyến [1]. Ngoài ra, nguồn năng Đặc biệt, trong các loại mạng chuyển tiếp có loại<br />
lượng vô tuyến có thể thu nhận nhờ năng lượng mặt mạng sử dụng tối ưu băng thông truyền dẫn bằng cách<br />
trời, gió, sự chuyển động hay một vài hiện tượng vật truyền tín hiệu song hướng đồng thời, hay còn gọi là<br />
lý khác. Trong các nguồn tín hiệu đó, sóng RF thực mạng chuyển tiếp hai chiều TWRN (Two-way<br />
hiện truyền dẫn đồng thời thông tin và năng lượng relaying network). Nút chuyển tiếp trung gian trong<br />
được xem là kỹ thuật hứa hẹn trong các mạng ràng mạng TWRN được giả sử không có nguồn điện cố<br />
buộc năng lượng như mạng cảm biến không dây, định mà năng lượng chủ yếu được thu qua tín hiệu RF<br />
mạng WLAN, thiết bị cầm tay mạng thông tin di từ nút nguồn và đích trong tuyến kết nối của nó. Điểm<br />
động. Trước đây, các năng lượng thu được qua tần số đặc biệt là các nút trung gian giới hạn về năng lượng<br />
<br />
<br />
-5-<br />
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016<br />
<br />
này có thể thu năng lượng và phát thông tin đồng thời. giảm phẩm chất toàn hệ thống qua các tham số như<br />
Gần đây trong công bố [3], các tác giả đã trình bày dung lượng, thông lượng và tốc độ lỗi kí tự SER<br />
cách kết hợp tối ưu công suất và cách thức chọn nút (symbol error rate). Trong bài báo này, chúng tôi phân<br />
trung gian giúp cực đại hóa thông lượng của mạng tích chất lượng mạng chuyển tiếp hai chiều dùng giao<br />
chuyển tiếp dùng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp thức AF dưới ảnh hưởng suy giảm phẩm chất phần<br />
AF (Amplify-and-Forward) với việc truyền năng cứng. Giao thức AF được chọn như là mạng có nút<br />
lượng vô tuyến cấp cho nút trung gian. Ngoài ra, trong trung gian chỉ khuếch đại tín hiệu thu mà không cần<br />
[4] các tác giả phân tích mạng vô tuyến nhận thức, giải mã tín hiệu.<br />
nguyên lý chuyển tiếp tối ưu cho việc cực đại hóa Trong phạm vi nghiên cứu này, bài báo trình bày<br />
thông lượng của người dùng thứ cấp được cấp nguồn giao thức chuyển tiếp dựa trên chuyển mạch thời gian<br />
nhờ năng lượng vô tuyến. Các vấn đề về ảnh hưởng TSR (Time Switching based Relay) được áp dụng<br />
tốc độ - năng lượng giữa dung lượng dừng cực đại và trong hai trường hợp của suy giảm phẩm chất phần<br />
năng lượng thu được tối ưu của người dùng thứ cấp cứng xét tại nút trung gian và nút đích và được gọi là:<br />
được nghiên cứu trong [5]. Đặc biệt hơn trong [6], tác i) giao thức chuyển mạch thời gian cho máy thu nút<br />
giả trình bày bài toán mạng chuyển tiếp có các phần tử trung gian không hoàn hảo TSIR (time switching<br />
thu nguồn năng lượng từ chính tín hiệu nhiễu đồng imperfect relay), ii) giao thức chuyển mạch thời gian<br />
kênh. Tác giả trong bài báo này cũng đã đưa ra biểu cho máy thu nút đích không hoàn hảo TSIS (time<br />
thức phân tích cho dung lượng dừng dựa trên hàm mật switching imperfect source). Bài báo đưa ra công thức<br />
độ xác suất của tỉ số tín hiệu trên nhiễu trên mỗi chặng tính gần đúng cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo tín<br />
trong mạng chuyển tiếp. Để so sánh ưu/ nhược điểm hiệu SNDR (signal to noise and distortion ratio).<br />
của hai giao thức AF và giao thức giải mã và chuyển Phần còn lại của bài báo trình bày tín hiệu và mô<br />
tiếp DF (Decode-and-Forward) trong mạng chuyển hình hệ thống mạng chuyển tiếp AF hai chiều trong<br />
tiếp truyền dẫn song công và bán song công được tính Phần II. Các biểu thức cho tính gần đúng của tỉ số<br />
toán, phân tích qua việc chia thời gian thu tín hiệu tối SNDR được chứng minh trong Phần III. Kế tiếp, Phần<br />
ưu. Bên cạnh đó, các giao thức chuyển tiếp dựa trên IV đưa ra công thức cho xác suất dừng và thông lượng<br />
chuyển mạch thời gian TSR (time switching-based tối ưu được tính dựa trên hàm xác suất của SNDR đã<br />
relaying) và giao thức chuyển tiếp dựa trên phân chia phân tích. Các kết quả mô phỏng và biện luận được<br />
công suất PSR (power splitting-based relaying) áp nêu ra trong Phần V và một số ý thảo luận cho kết<br />
dụng trong mạng thu năng lượng vô tuyến và xử lý luận trong phần cuối cùng.<br />
thông tin trình bày chi tiết trong [7].<br />
Tuy nhiên, trong phần lớn các nghiên cứu trước II. TÍN HIỆU VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG<br />
đây [8-14], các tác giả chỉ trình bày các mạng chuyển Bài báo này xem xét mạng chuyển tiếp hai chiều<br />
tiếp dựa trên giả thiết mạng dùng phần cứng lý tưởng. với các nút mạng dùng đơn anten phát. Mạng TWRN<br />
Trong hầu hết các thiết bị vô tuyến thực tế đều bị các bao gồm 2 nút nguồn ( A và B ) không có khả năng<br />
ảnh hưởng suy giảm do phần cứng, như nhiễu pha, truyền dẫn trực tiếp mà chỉ thu và phát tín hiệu đến<br />
mất cân bằng bộ điều chế vuông pha, khuếch đại công đầu xa thông qua nút trung gian ( R ). Nút trung gian<br />
suất phi tuyến [15]. Theo khảo sát của tác giả, chưa có dùng năng lượng có được nhờ thu được từ nút nguồn<br />
công bố nào đánh giá suy giảm phẩm chất phần cứng để khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu đến nút đích.<br />
trong mạng chuyển tiếp dùng truyền năng lượng vô<br />
Trong bài báo này sử dụng các giả thiết như sau:<br />
tuyến. Các yếu tố suy giảm chất lượng phần cứng này<br />
thường thấy trong các thiết bị vô tuyến giá thành rẻ và Thông tin trạng thái kênh CSI (channel state<br />
cụ thể hơn, suy giảm này sẽ làm ảnh hưởng đến việc information) được ước lượng hoàn hảo ở phía thu<br />
<br />
<br />
-6-<br />
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016<br />
<br />
nhờ số luợng bit nhỏ dành cho chuỗi huấn luyện và x<br />
1 i<br />
hiệu suất băng thông dành cho tín hiệu có ích thỏa f h 2 x e , x0 (3)<br />
i i<br />
mãn yêu cầu chất lượng mạng vô tuyến.<br />
x<br />
<br />
Giả sử rằng chỉ có nút trung gian không có nguồn Fh 2 x 1 e i<br />
, x0 (4)<br />
điện riêng và chỉ dùng năng lượng thu qua sóng RF i<br />
<br />
<br />
trong pha thứ nhất cho việc xứ lý thông tin trong<br />
III. CHÍNH SÁCH THU NĂNG LƯỢNG CHO<br />
pha thứ hai vì nút này thường đặt nơi thiếu điều<br />
CÁC NÚT MẠNG CÓ PHẦN CỨNG<br />
kiện vật chất về nguồn điện. KHÔNG LÝ TƯỞNG<br />
Các ảnh hưởng suy giảm phần cứng có thể đo<br />
III.1. Giao thức TSIR<br />
được, kí hiệu là A , R ở nút nguồn và đích tương<br />
ứng. Trong TSIR, nút trung gian dùng một phần khung<br />
Các kênh trong mạng TWRN là kênh fading chậm thời gian tín hiệu cho việc thu năng lượng, phần<br />
và phẳng về tần số, các hệ số kênh truyền là kênh khung thời gian còn lại cho xử lý thông tin. Khung<br />
fading Rayleigh độc lập và các kênh không đổi thời gian tín hiệu dài T chia thành 3 giai đoạn sau:<br />
trong thời gian xét T . Giai đoạn đầu tiên, T dành cho nút trung gian<br />
Trong mô hình tổng quát của các hệ thống vô thu năng lượng từ các nút nguồn, trong đó là hệ<br />
tuyến, tín hiệu thu ở nút trung gian và nút đích thường số tỉ lệ thời gian. Mạng chuyển tiếp không thu<br />
mô tả bằng biểu thức sau năng lượng vô tuyến tương ứng với trường hợp<br />
yR t hi xi t vR t nR t , i A, B (1)<br />
0.<br />
<br />
và<br />
Giai đoạn 2, 1 T 2 là thời gian cho phát<br />
thông tin từ nút nguồn đến nút trung gian.<br />
yi t hi xR t vi t ni t , i A, B (2)<br />
Giai đoạn sau cùng thời gian dành cho truyền<br />
trong đó hi là kênh truyền fading Rayleigh và ni là thông tin đã khuếch đại từ nút trung gian đến nút<br />
nhiễu Gaussian, t là chỉ số thời gian, vi là méo tín đích là 1 T 2 .<br />
hiệu do suy giảm phẩm chất phần cứng trong các thiết Kí hiệu PA , PB tương ứng là công suất phát từ 2<br />
bị thu phát vô tuyến. Bài báo này đánh giá ảnh hưởng<br />
nút nguồn A, B . Năng lượng vô tuyến thu qua sóng<br />
của suy giảm do phần cứng trên cả nút đích và nút<br />
trung gian (gọi là nút đích không hoàn hảo, và nút RF sẽ tạo ra dòng điện DC dẫn đến sạc cho acquy hay<br />
khối nguồn của thiết bị ở nút trung gian. Nguồn năng<br />
trung gian không hoàn hảo). Kí hiệu hA , hB như là các<br />
lượng thu được này được tính bằng<br />
hệ số kênh từ nút A đến nút trung gian R và nút B<br />
đến nút R tương ứng và i hi <br />
hi<br />
2<br />
là độ lợi <br />
Eh PA hA PB hB<br />
2 2<br />
T , (5)<br />
trong đó 0 1 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng<br />
kênh trung bình, hay hi CN 0, i , i A, B . Biểu<br />
phụ thuộc nguyên lý mạch nắn điện và cấu tạo mạch<br />
thức sau trình bày hàm mật độ xác suất PDF thu năng lượng. Vì thế, công suất phát ở nút trung<br />
(probability density function) và hàm mật độ tích lũy gian sẽ là<br />
CDF (cumulative density function) tương ứng của<br />
kênh truyền fading Rayleigh phân bố theo hàm mũ PR <br />
Eh<br />
1 T 2<br />
<br />
PA hA PB hB<br />
2 2<br />
12<br />
<br />
(6)<br />
[16]<br />
<br />
Trong TSIR, giả sử ảnh hưởng suy giảm phẩm chất<br />
phần cứng chỉ diễn ra ở nút trung gian, nên tín hiệu<br />
<br />
-7-<br />
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016<br />
<br />
thu ở nút trung gian có thể mô tả bằng biểu thức sau PR PB G 2 hA hB<br />
2 2<br />
<br />
A <br />
<br />
(11)<br />
PA hA PB hB R2 <br />
2 2 2<br />
PR G 2 hA<br />
yR t PA hA x A t PB hB xB t vR t nR t ,<br />
2G 2 PR hA 2<br />
2<br />
(7)<br />
Trong đó hA , hB kí hiệu là kênh fading Rayleigh Trong trường hợp mạng dùng thiết bị phần cứng lý<br />
tưởng ở nút trung gian, SNDR sẽ được biểu diễn bằng<br />
giữa nút nguồn A, B và nút trung gian tương ứng, vR<br />
[17]<br />
là thành phần méo tín hiệu do suy giảm phẩm chất<br />
phần cứng trong thiết bị của nút trung gian,<br />
<br />
.<br />
2 2<br />
<br />
P h<br />
PR PBG 2 hA hB<br />
CN 0,<br />
2<br />
PB hB<br />
2<br />
A <br />
<br />
2<br />
vR (12)<br />
2 PRG 2 hA 1<br />
R A A 2<br />
<br />
<br />
Tín hiệu sau khi thu được ở nút trung gian sẽ được<br />
Thay giá trị của PR từ (5) vào (11), biểu thức<br />
khuếch đại với độ lợi biến đổi là:<br />
SNDR được viết lại ở dạng<br />
2<br />
<br />
G PA hA PB hB<br />
2 2<br />
1 <br />
2<br />
R<br />
2<br />
(8)<br />
PB hA hB<br />
2 2<br />
<br />
A (13)<br />
Dựa trên nguyên lý mạng TWRN, tín hiệu thu ở<br />
hai nút nguồn lần lượt là (để cho đơn giản trong kí<br />
hA<br />
2<br />
P<br />
A hA PB hB<br />
2 2<br />
2<br />
R hA <br />
2 2<br />
<br />
<br />
<br />
1 4 1<br />
2 1 R2 <br />
hiệu từ phần này trở về sau kí hiệu thời gian t được<br />
<br />
lược bỏ): 2 PA hA PB hB 2<br />
2 2<br />
<br />
<br />
<br />
y A PR hAG PA hA x A PB hB xB vR nR nA Việc tính xác suất dừng bằng công thức toán chính<br />
xác dựa trên biểu thức (13) rất phức tạp, nên để đơn<br />
PR PA G hA x A PR PB hA hBGxB <br />
2<br />
(9)<br />
giản trong tính toán, bỏ qua thành phần rất nhỏ<br />
PR GhAvR PR GhA nR nA , 4 1<br />
và<br />
0 (khi SNR cao) nên biểu<br />
PA hA PB hB<br />
2 2<br />
2<br />
yB PR hBG PA hA xA PB hB xB vR nR nB thức gần đúng để biểu diễn SNDR là:<br />
PR PB G hB xB PR PA hA hBGx A <br />
2<br />
(10) 2 2<br />
PB hA hB<br />
<br />
*<br />
PR GhB vR PR GhB nR nB .<br />
Bởi vì mỗi nút nguồn biết được tín hiệu phát của<br />
A<br />
hA<br />
2<br />
P<br />
A hA PB hB<br />
2 2<br />
2<br />
R hA 2 <br />
2<br />
<br />
<br />
<br />
1<br />
chính nó và nhờ có thông tin trạng thái kênh truyền 2 1 R2 <br />
(CSI) được ước lượng chính xác nên tại bộ thu nút 2<br />
nguồn sẽ loại bỏ được thành phần tự nhiễu như 2 2 (14)<br />
hA hB<br />
<br />
2<br />
2 2<br />
PR G hA xA , PR G hB xB trong (9), (10) tương PA<br />
hA R hA hB hA <br />
2 4 2 2 2 2<br />
R<br />
ứng, giả sử mức nhiễu ở các nút mạng tương đương PB PB<br />
nhau và phương sai nhiễu bằng 2 . Đáng chú ý là tín 1<br />
2 1 R2 <br />
hiệu thu ở mỗi nút nguồn trong mạng TWRN có biểu 2 PB<br />
diễn biểu thức toán tương tự như nhau. Để đơn giản,<br />
trong bài báo này chỉ trình bày tính toán SNDR ở nút III.2. Giao thức TSIS<br />
nguồn A như sau Trong giao thức TSIS, giả sử rằng ảnh hưởng suy<br />
giảm phẩm chất phần cứng chỉ xảy ra ở thiết bị của<br />
nút đích. Tín hiệu thu ở 2 nút đích tương ứng lúc này<br />
<br />
-8-<br />
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016<br />
<br />
được biểu diễn như sau PB hA hB<br />
2 2<br />
<br />
<br />
*<br />
<br />
y A PR hAG PA hA x A PB hB xB nR A<br />
hA 2 PA A2 hA PB A2 hA hB <br />
2 4 2 2<br />
<br />
<br />
<br />
v A nA 1 2<br />
A2 2 hA <br />
2<br />
(15) 2<br />
PR PA G hA x A PR PB hA hBGxB <br />
2<br />
2 2 (20)<br />
hA hB<br />
PR GhA nR v A nA , <br />
PA<br />
A2 hA A2 hA hB <br />
4 2 2<br />
và<br />
PB<br />
yB PR hBG PA hA x A PB hB xB nR 2 1 2<br />
1 A2 hA <br />
2<br />
vB nB PB 2 PB<br />
(16)<br />
PR PB G hB xB PR PA hA hBGx A <br />
2<br />
<br />
<br />
IV. PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ<br />
PR GhB nR vB nB ,<br />
THÔNG LƯỢNG CỰC ĐẠI<br />
với vA , vB là méo tín hiệu do suy giảm phẩm chất<br />
IV.1. Xác suất dừng<br />
phần cứng gây ra trong các nút đích A, B tương ứng Trước hết, bài báo trình bày biểu thức tính xác suất<br />
và suy giảm phẩm chất phần cứng phân bố theo theo phân tích lý thuyết qua bổ đề 1 như bên dưới.<br />
vA <br />
CN 0, A2 PR hA<br />
2<br />
, v B <br />
CN 0, B2 PR hB<br />
2<br />
. Bổ đề 1: cho giá trị các biến m, n, k là hằng số<br />
dương, 1 , 2 là các biến ngẫu nhiên không âm, là<br />
Lưu ý rằng trong TSIS, hệ số khuếch đại tín hiệu<br />
thay đổi như trong biểu thức (17): giá trị SNDR ngưỡng và i hi i là độ lợi<br />
trung bình, biểu thức tính xác suất dừng sẽ được tính<br />
G 2 PA hA PB hB 2<br />
2 2<br />
(17)<br />
bằng<br />
Tương tự TSIR, bài báo chỉ trình bày công thức<br />
12 <br />
tính SNDR ở nút đích A trong mạng vô tuyến chuyển Pr <br />
m1 m12 n1 k<br />
2<br />
tiếp truyền dẫn hai chiều như sau: <br />
n<br />
PR PBG 2 hA hB<br />
2 2 2 2 1 m <br />
1 e <br />
A (18) 1<br />
PRG 2 hA 2 PR hA A2 2<br />
2 2<br />
(21)<br />
k 1 2 1 m <br />
Thay PR từ biểu thức (5) vào (18), công thức tính <br />
2 1 m m 1 2 2<br />
SNDR lại được biểu diễn dưới dạng:<br />
2 2 k m 1 2 2 <br />
A <br />
PB hA hB K1 2 ,<br />
(19) 2 1 m 1 2 1 m <br />
hA 2 PA A2 hA PB 2 hA hB <br />
2 4 2 2<br />
<br />
1 2 trong đó K1 . kí hiệu là hàm Bessel chuyển đổi bậc<br />
A2 2 hA <br />
2<br />
<br />
2 1 loại 2.<br />
4<br />
1 Chứng minh: Xem phụ lục<br />
Kế tiếp, việc tính xác suất cho các tỉ số SNDR<br />
PA hA PB hB<br />
2 2<br />
2<br />
trong giao thức TSIR, TSIS chỉ áp dụng bổ đề bằng<br />
Hoàn toàn tương tự các phân tích ở mục III.1, công cách thay biến như sau<br />
thức gần đúng cho SNDR được viết lại như sau:<br />
2 1<br />
m R2 , n , k 2 1 R2 , TSIR<br />
P P<br />
<br />
<br />
-9-<br />
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016<br />
<br />
2 2 1 suất sử dụng năng lượng thu được hay các ảnh hưởng<br />
m , n 1 <br />
2 2<br />
,k , TSIS nhiễu suy giảm do chuyển đổi tín hiệu RF sang tín<br />
2 P<br />
A A<br />
P<br />
hiệu băng tần cơ sở nằm ngoài phạm vi phân tích của<br />
IV.2. Thông lượng cực đại<br />
bài báo này. Do vậy, trong bài báo này có các mô<br />
Trong nghiên cứu này, mô hình truyền tín hiệu phỏng thiết lập giá trị hiệu suất chuyển đổi năng lượng<br />
trong mạng TWRN áp dụng nguyên lý truyền trễ là 1 hay hiệu suất chuyển đổi năng lượng thu vô<br />
giới hạn (delay-limited transmission). Trong đó, tín<br />
tuyến là 100%.<br />
hiệu thu ở nút đích cần giải mã tín hiệu thu theo<br />
Để biểu diễn phẩm chất mạng TWRN, các mô<br />
từng khối tín hiệu một và độ dài từ mã nhỏ hơn thời<br />
phỏng trong Hình 1, Hình 2 ứng với xác suất dừng<br />
gian khung tín hiệu truyền dẫn. Ngoài ra, tốc độ bit<br />
cho các giao thức TSIR, TSIS dưới ảnh hưởng của hệ<br />
tín hiệu phát tại các nút nguồn được xem là cố định.<br />
số suy giảm phẩm chất phần cứng khác nhau và hệ số<br />
Khi đó, biểu thức tính thông lượng hoàn toàn xác<br />
định căn cứ trên giá trị xác suất dừng và SNDR vừa tỉ lệ thời gian thu năng lượng 0.5 . Dễ dàng thấy<br />
tính được trong phần III của bài báo này. trong các kết quả mô phỏng, hệ số suy giảm phẩm<br />
chất phần cứng tăng thì chất lượng hệ thống giảm, đặc<br />
C TS <br />
1 T 2<br />
biệt càng tăng giá trị này thì hệ thống tiến tới giới hạn<br />
T (22) dừng (khi R 0,15 ).<br />
<br />
1 P M A M A 1 P M B M B<br />
A<br />
out<br />
B<br />
out Trong mô phỏng thông lượng cực đại ở Hình 3, bài<br />
trong đó C TS kí hiệu thông lượng chung cho cả 2 giao A<br />
báo giả sử Pout Pout<br />
B<br />
Pout , RA RB R cho đơn<br />
A B<br />
thức TSIR và TSIS; Pout , Pout là xác suất dừng và giản trong tính toán và thiết lập SNR trung bình nút<br />
M A , M B kí hiệu như là tốc độ bit cố định ở các nút nguồn P / 2 20 dB . Điều đặc biệt là hình vẽ biểu<br />
nguồn A, B tương ứng, và biểu thức tính tốc độ bit diễn thông lượng cho cả TSIR, TSIS trùng khít nhau<br />
<br />
<br />
lần lượt là M A log2 1 A* , M B log2 1 B* . thể hiện giá trị bằng nhau, hay nói khác hơn giá trị<br />
thông lượng không phụ thuộc vào ảnh hưởng suy<br />
Rõ ràng rằng thông lượng C TS phụ thuộc vào các biến giảm phẩm chất phần cứng diễn ra ở bất kỳ nút nào<br />
, P, R , A , 2 , . Giả sử với mỗi hệ thống TWRN trong mạng TWRN. Điều này được giải thích là khi cố<br />
và ứng dụng cụ thể, các tham số sau là xác định định biến công suất phát P , các tham số quan trọng<br />
P, R , A , 2 , , khi đó ta tính được thông lượng cực liên quan đến hàm mũ trong (21) m, n chỉ thay đổi<br />
đại dựa trên việc tìm gia trị tối ưu của hệ số thu năng nhỏ khi so sánh TSIR và TSIS, nên ảnh hưởng đến<br />
lượng vô tuyến. công thức tính xác suất dừng thay đổi nhỏ và dẫn đến<br />
thông lượng 2 loại TSIR, TSIS bằng nhau. Hơn nữa,<br />
V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ta thấy thông lượng tăng khi thay đổi từ giá trị 0<br />
Trong phần này, bài báo trình bày các kết quả mô đến giá trị tối ưu. Điều này được giải thích là khi tăng<br />
phỏng để minh họa cho các lý thuyết đã phân tích ở giá trị hệ số thời gian thu năng lượng nhỏ ảnh hưởng<br />
trên qua mô phỏng Monte-Carlo với số lần lặp là tăng công suất thu năng lượng tại nút trung gian và<br />
200000 lần, các tham số quan trọng được áp dụng làm tăng thông lượng, nhưng khi giá trị vượt qua<br />
chung trong chương trình mô phỏng gồm ngưỡng tối ưu thì ta thu hiệu số 1 trong công<br />
PA PB P, A B R 1, 1 2 1 . thức sau giảm và làm giảm thông lượng.<br />
Các mô phỏng này áp dụng cho các hệ thống vô tuyến<br />
C M 0 1 M 0 1 Pout M 0 (23)<br />
tốc độ cao 24 1 (hay 4 bits/ sử dụng kênh). Liên<br />
quan đến việc thu năng lượng vô tuyến, vấn đề hiệu M 0 kí hiệu như là tốc độ bit cố định<br />
<br />
<br />
- 10 -<br />
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016<br />
<br />
TSIR VI. KẾT LUẬN<br />
1<br />
<br />
0.9 Bài báo này đã chứng minh biểu thức tính gần<br />
0.8 đúng cho SNDR áp dụng trong mạng chuyển tiếp AF<br />
hai chiều và từ đó tính được biểu thức xác suất dừng.<br />
Outage Probability at Node A<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.7<br />
<br />
0.6 Ngoài ra, bài báo đã đề xuất hai giao thức thu năng<br />
0.5 lượng và truyền thông tin đồng thời qua mạng vô<br />
0.4 R=0, 0.05, 0.1, 0.15 tuyến, cụ thể hơn bài báo đã phân tích hai chính sách<br />
0.3 thu năng lượng vô tuyến phụ thuộc tùy vào các trường<br />
0.2 hợp suy giảm phẩm chất phần cứng xảy ra ở nút mạng<br />
0.1 Simulation<br />
Analysis<br />
nào trong hệ thống TWRN.<br />
0<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40 Các kết quả mô phỏng cho thấy có thể chọn hệ số<br />
P/ 2 (dB)<br />
thu năng lượng phù hợp để có thông lượng cực đại<br />
Hình 1. Xác suất dừng ở nút mạng A theo<br />
cho cả hai giao thức đã trình bày TSIR, TSIS. Đóng<br />
P 2 trong giao thức thu năng lượng TSIR<br />
góp đáng kể khác của bài báo là đánh giá ảnh hưởng<br />
TSIS<br />
1 của thông số suy giảm phần cứng đến xác suất dừng<br />
Simulation<br />
0.9 Analysis và thông lượng như thế nào trong mạng có nút chuyển<br />
0.8<br />
tiếp trang bị khả năng thu năng lượng vô tuyến. Đây là<br />
Outage Probability at Node A<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.7<br />
cơ sở để các kỹ sư thiết kế mạng lựa chọn các thiết bị<br />
0.6<br />
phẩm chất đạt yêu cầu phẩm chất nhất định để đảm<br />
0.5<br />
bảo chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng tốc độ cao<br />
0.4<br />
của các hệ thống vô tuyến thực tiễn.<br />
0.3<br />
A =0, 0.05, 0.1, 0.15<br />
0.2<br />
<br />
0.1 PHỤ LỤC<br />
0 Chứng minh Bổ đề 1:<br />
0 5 10 15 20 25 30 35 40<br />
P/ (dB)<br />
2<br />
Xét 2 biến ngẫu nhiên độc lập 1 , 2 , dùng qui luật<br />
Hình 2. Xác suất dừng ở nút mạng A theo<br />
tính tổng xác suất có điều kiện dựa trên i , i 1, 2 .<br />
P 2 trong giao thức thu năng lượng TSIS<br />
TSIR, TSIS Giả sử ta tính xác suất có điều kiện cho 1 , khi đó biểu<br />
2<br />
thức tính xác suất như sau:<br />
1.8 R= A =0<br />
12 <br />
1.6<br />
R= A =0.05 Simulation X Pr <br />
m1 m12 n1 k<br />
2<br />
1.4<br />
Analysis (A.1)<br />
Throughput(bits/s/Hz)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
12 <br />
1 Pr 1 f1 x dx<br />
1.2<br />
R=A =0.1<br />
m1 m12 n1 k<br />
2<br />
1<br />
0 <br />
0.8<br />
R= A =0.15 Tiếp tục tính riêng xác suất có điều kiện sau:<br />
0.6<br />
12 <br />
0.4<br />
Pr 1 <br />
m1 m12 n1 k<br />
2<br />
0.2 <br />
0<br />
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1<br />
m12 n1 k <br />
1 (A.2)<br />
1 F ,<br />
1 1 m <br />
m<br />
Hình 3. Thông lượng cực đại cho giao thức TSIR, 2<br />
<br />
1<br />
TSIS <br />
0, m<br />
<br />
<br />
<br />
- 11 -<br />
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016<br />
<br />
Thay thế (A.2) và áp dụng các hàm phân bố xác suất [7] A. NASIR, X. ZHOU, S. DURRANI and R. A.<br />
trong (2), (3) vào (A.1), biểu thức trong (A.1) được viết lại KENNEDY, "Relaying protocols for wireless energy<br />
là harvesting and information processing," IEEE Trans.<br />
Wireless Commun., vol. 12, no. 7, pp. 3622-3636,<br />
<br />
<br />
1 mx nx k<br />
2<br />
x<br />
x 1 m 1 1 2013.<br />
I 1 e<br />
2<br />
e dx<br />
0<br />
1 [8] S. LUO, R. ZHANG and T. J. LIM, "Optimal save-<br />
<br />
then-transmit protocol for energy harvesting wireless<br />
n m 1 k 1<br />
x <br />
1 2 1 m 2 1 m 1 2 1 m x transmitters," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12,<br />
1<br />
1<br />
e e<br />
0<br />
dx no. 3, pp. 1196-1217, 2013.<br />
<br />
(A.3) [9] X. ZHOU, R. ZHANG and C. K. HO, "Wireless<br />
information and power transfer: architecture design<br />
Cuối cùng áp dụng công thức tính tích phân (3.324.1)<br />
and rate-energy tradeoff," IEEE Trans. Commun., vol.<br />
<br />
<br />
trong [18] exp 4 x x dx K , sau vài 61, no. 11, pp. 4754-4767, 2013.<br />
0<br />
1 [10] F. S. AL-QAHTANI, J. YANG, R. M. RADAYDEH<br />
biến đổi đại số đơn giản ta đạt được công thức như (21). and H. ALNUWEIRI, "On the capacity of two-hop AF<br />
relaying in the presence of interference under<br />
Nakagami-m fading," IEEE Commun. Lett., vol. 17,<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
no. 1, pp. 19-22, Jan. 2013.<br />
[1] J. PARK and B. CLERCKX, "Joint wireless [11] K.-S. HWANG, M. JU and M.-S. ALOUINI, "On the<br />
information and energy transfer in a