Download luận án tiến sĩ ngành kĩ thuật điện tử với đề tài: Nghiên cứu hệ thống thông tin chuyển tiếp sử dụng đa truy nhập không trực giao thu thập năng lượng vô tuyến tại nút chuyển tiếp

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
TRẦN MẠNH HOÀNG
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN CHUYỂN TIẾP
SỬ DỤNG ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO
THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TẠI NÚT CHUYỂN TIẾP
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2019

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
TRẦN MẠNH HOÀNG
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG THÔNG TIN CHUYỂN TIẾP
SỬ DUNG ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO
THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TẠI NÚT CHUYỂN TIẾP
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 9.52.02.03
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN TRUNG TẤN
TS. LÊ THẾ DŨNG
HÀ NỘI - 2019

3. LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự định hướng của các giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết
quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố
bởi bất kỳ tác giả nào hay trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết
quả sử dụng tham khảo đều đã được trích đầy đủ và theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày 06 tháng 12 năm 2019
Tác giả
Trần Mạnh Hoàng

4. LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được
nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu.
Trước hết NCS xin bày tỏ sự cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Thế Dũng, TS
Nguyễn Trung Tấn đã tạo điều kiện giúp đỡ NCS trong suốt quá trình nghiên
cứu để hoàn thành luận án này. Nghiên cứu sinh cảm ơn sự đóng góp ý kiến của
PGS.TS Trần Xuân Nam, TS Phạm Thanh Hiệp để các công trình nghiên cứu
của NCS đảm bảo chất lượng và hàm lượng khoa học.
Cảm ơn PGS.TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo đã tạo tiền đề và rèn luyện cho NCS
tính kiên trì, nghiêm túc, trong tiếp cận các vấn đề khoa học và GS. Seong-Gon-
Choi đã tài trợ một phần kinh phí cho nghiên cứu này.
Nghiên cứu sinh cũng chân thành cảm ơn các Thầy giáo trong Ban chủ nhiệm
Khoa Vô tuyến điện tử, Tập thể Bộ môn Thông tin, các đồng nghiệp nghiên cứu
sinh đã giúp đỡ, chia sẽ tạo điều kiện để NCS có thể hoàn thành công tác nghiên
cứu của mình.
Tác giả cũng xin cảm ơn thủ trưởng Bộ Tư lệnh Thông Tin Liên Lạc và
Trường Sĩ Quan Thông Tin là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho tác giả
tham gia nghiên cứu và học tập trong thời gian làm nghiên cứu sinh.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng chí,
đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ, giúp đỡ tác giả vượt qua khó khăn để
đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay.

5. MỤC LỤC
MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Chương 1. TỔNG QUAN THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
VÀ ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1. Khái niệm và ứng dụng thu thập năng lượng RF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.1. Khái niệm thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.1.2. Ứng dụng năng lượng thu thập từ RF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2. Cấu trúc, sơ đồ khối của mạng thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . 19
1.2.1. Cấu trúc mạng thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.2. Sơ đồ khối máy thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.3. Các nguồn phát năng lượng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.4. Kỹ thuật thu thập năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3. Những ảnh hưởng trong thu thập năng lượng RF . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4. Các mô hình truyền lan năng lượng sóng vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
1.5. Hệ thống đa truy nhập không trực giao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.1. Khái niệm và phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5.2. Kỹ thuật SIC tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5.3. Ứng dụng kỹ thuật NOMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
i

6. ii
1.5.4. Ưu điểm của kỹ thuật NOMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.6. Các tham số đánh giá phẩm chất hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6.1. Xác suất dừng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6.2. Dung lượng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.6.3. Xác suất lỗi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.7. Kết luận chương. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Chương 2. PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP
ĐƯỜNG XUỐNG KHÔNG TRỰC GIAO ỨNG DỤNG LỰA CHỌN
CHUYỂN TIẾP ĐƠN PHẦN VÀ THU THẬP NĂNG LƯỢNG VÔ
TUYẾN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.1. Động lực nghiên cứu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3. Phân tích phẩm chất hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3.1. Xác suất giải mã không thành công x1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3.2. Xác suất giải mã không thành công x2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.3.3. SIC không hoàn hảo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.3.4. Xác suất lỗi symbol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.3.5. Dung lượng trung bình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.4. Kết quả mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.5. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Chương 3. ĐỀ XUẤT HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP ĐƯỜNG XUỐNG
SONG CÔNG KHÔNG TRỰC GIAO CÓ ỨNG DỤNG THU THẬP
NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1. Mô hình hệ thống hai người dùng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.1.1. Động lực nghiên cứu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

7. iii
3.1.2. Cấu hình hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.1.3. Mô hình kênh và tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.1.4. Phân tích phẩm chất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1.5. Kết quả số và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.2. Mô hình hệ thống tổng quát . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.1. Cấu hình hệ thống. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.2.2. Mô hình kênh và tín hiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.2.3. Xác suất dừng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.2.4. Kết quả số và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.3. Kết luận chương. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . . . 115

8. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt
AC Alternating Current Dòng diện xoay chiều
AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp
AWGN Additive White Gaussian
Noise
Tạp âm trắng cộng tính
chuẩn
BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bit
BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân
BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc
CR Cognitive Radio Vô tuyến nhận thức
CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh
truyền
DC Direct Current Dòng điện một chiều
DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp
EE Energy Efficiency Hiệu suất năng lượng
EH Energy Harvesting Thu thập năng lượng
FCC Federal Communications
Commission
Ủy ban truyền thông liên
bang
FD Full-Duplex Song công
GSM Global System for Hệ thống thông tin
Mobile Communications di động toàn cầu
HD Half-Duplex Đơn công
HSU Harvesting-Storage-Use Thu thập-lưu trữ-sử dụng
HU Harvesting-Use Thu thập - sử dụng
HUS Harvesting-Use-Storage Thu thập-sử dụng -lưu trữ
iv

9. v
ID Information-Decode Giải mã thông tin
IoT Internet of Thing Internet vạn vật
IP Interference Probability Xác suất can nhiễu
MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi
trường
MIMO Multiple Input and Multi-
ple Output [1]
Đa đầu vào và đa đầu ra
QAM Quadrature Amplitude
Modulation
Điều chế biên độ cầu
phương
MRC Maximal Ratio Combining Kỹ thuật kết hợp theo tỷ lệ
lớn nhất
NOMA Non-Orthogonal Multiple
Acces
Đa truy nhập không trực
giao
OP Outage Probability Xác suất dừng
OFDMA Orthogonal Frequency-
Division Multiple Access
Đa truy nhập phân chia
theo tần số trực giao
PDMA Pattern Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia
theo mẫu
PS Power Splitting Phân chia công suất
PU Primary User Người dùng sơ cấp
QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ
RF Radio Frequency Tần số vô tuyến
ROC Receiver Operating Charac-
teristic
Hàm đặc tính công tác máy
thu
SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn
SDF Selection Decode and For-
ward
Kỹ thuật giải mã và chuyển
tiếp có lựa chọn
SDMA Spatial Division Multiple
Access
Đa truy nhập phân chia
theo không gian

10. vi
SDR Software Defined Radio Vô tuyến định nghĩa bằng
phần mềm
SE Spectrum-Efficiency Hiệu suất phổ tần
SIC Successive Interference
Cancellation
Khử nhiễu nối tiếp
SISO Single Input-Single Output Đơn đầu vào đơn đầu ra
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số tín hiệu trên tạp âm
SU Secondary User Người dùng thứ cấp
SWIPT Simultaneous Wireless In-
formation and Power Trans-
fer
Biến đổi đồng thời thông tin
và năng lượng vô tuyến
TS Time Switching Chuyển mạch thời gian

11. DANH MỤC HÌNH VẼ
1.1 Cấu trúc mạng thu thập năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2 Sơ đồ khối thu thập năng lượng vô tuyến. . . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Tỉ lệ khoảng thời gian thu thập năng lượng và xử lý tín hiệu . . 24
1.4 Phân chia công suất tại máy thu không có CSI tại máy phát. . . 25
1.5 So sánh SEP hệ thống MIMO chuyển tiếp EH và không EH. . . . 27
1.6 Các phương thức NOMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.7 NOMA đường xuống hai người dùng. . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.8 NOMA đường lên hai người dùng. . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.1 Mô hình hệ thống NOMA lựa chọn chuyển tiếp đường xuống. . . 41
2.2 Cấu trúc chuyển mạch thời gian thu năng lượng và tín hiệu. . . . 41
2.3 Tỉ lệ khoảng thời gian thu thập năng lượng và xử lý tín hiệu. . . 41
2.4 So sánh hàm phân bố tích lũy của SINR chặng 1 và chặng 2
của hệ thống EH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.5 Xác suất giải mã không thành công x1 khi N khác nhau. . . . . 61
2.6 Xác suất giải mã không thành công x2 khi N khác nhau. . . . . 62
2.7 So sánh SIC hoàn hảo và không hoàn hảo tại R và D2 với
ρ1 = 0.01 và ρ2 = 0.04 tác động đến hiệu suất người dùng 2. . . 63
2.8 Ảnh hưởng khác nhau của ρ1 và ρ2 lên hiệu năng hệ thống. . . . 64
2.9 Ảnh hưởng của số nút chuyển tiếp đến khoảng thời gian thu
thập năng lượng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.10 Xác suất lỗi symbol tại D1, D2 trong điều kiện SIC hoàn hảo
với N khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.11 Dung lượng hệ thống và dung lượng mỗi người dùng khi N=1
và SIC hoàn hảo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.12 Tổng dung lượng trung bình của hệ thống khi số nút chuyển
tiếp khác nhau N = 1, 2, 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
vii

12. viii
2.13 Thông lượng tại nút D2 khi số nút chuyển tiếp khác nhau N
= 1, 2, 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.1 Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2 Cấu trúc sơ đồ khối mạch thu năng lượng và xử lý tín hiệu tại
nút chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.3 Tỉ lệ khoảng thời gian thu thập năng lượng và xử lý tín hiệu. . . 76
3.4 Xác suất dừng hệ thống NOMA-SWIPT Full-duplex với ρ =
0.1, α = 0.33 và các tham số m khác nhau, các hệ số phân bổ
công suất tương ứng là a1 = 0.7, a2 = 0.3. . . . . . . . . . . . . 90
3.5 Tác động của ρ lên OP hệ thống với mi = 2 và κ = 0.2, hệ số
phân bổ công suất a1 = 0.7, a2 = 0.3 và α = 0.33. . . . . . . . . 92
3.6 Khảo sát OP theo các hệ số α lượng khác nhau, hệ số phân bổ
công suất a1 = 0.7, a2 = 0.3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.7 Khảo sát tác động của α đến xác suất dừng hệ thống. . . . . . . 94
3.8 So sánh OP của D1 và D2 với tác động của nhiễu dư và sai số
ược lượng kênh với mi = 2, PS = 15[dB], α = 0.33. . . . . . . . 95
3.9 Tác động của nhiễu dư và sai số ước lượng kênh đến xác suất
dừng với các tham số pha-đinh mi khác nhau, α = 0.33. . . . . . 96
3.10 Ảnh hưởng của phân bổ công suất đến tối ưu xác suất dừng
của nút đích D2 với α = 0.33. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.11 Tác động của SINR/SNR đến tỉ lệ thời gian thu thập năng
lượng và xử lý tín hiệu để cực đại thông lượng của hệ thống
với r2 = 1, ρ = 0.02 và κ = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
3.12 Tác động của tốc độ truyền r đến thông lượng hệ thống với
giá trị tối ưu α∗
và PS= 20 [dB]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.13 Mô hình hệ thống tổng quát nhiều người dùng NOMA . . . . . . 99
3.14 Cấu trúc song công một ăng-ten thu/phát. . . . . . . . . . . . . 100
3.15 OP theo công suất phát của BS với số ăng-tenna khác nhau. . . . 106
3.16 Xác suất dừng của từng người dùng theo công suất phát của
nguồn với số lượng ăng-ten tại BS N=2. . . . . . . . . . . . . . . 107
3.17 Khảo sát OP của hệ thống FD và HD theo số ăng-ten phát tại BS. 107

13. DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
Ký hiệu Ý nghĩa
Pr(·) Xác suất
FX(x) Hàm phân bố xác suất tích lũy của X
fX(x) Hàm mật độ phân bố xác suất của X
E{·} Ký hiệu toán tử trung bình
Ek(·) Ký hiệu tích phân hàm mũ
2F1 Ký hiệu hàm Hypergeometric
G.,.
.,. (.|.) Hàm MeijerG
Kn Hàm Bessel sửa đổi bậc n loại hai
Wn Hàm Whittacker
CN(0, σ2
) Phân bố chuẩn trung bình không, phương sai σ2
Γ(·) Hàm Gamma
Γ(x, n) Hàm Gamma không hoàn chỉnh khuyết dưới
γ(x, n) Hàm Gamma không hoàn chỉnh khuyết trên
κ Hệ số nhiễu dư trong hệ thống full-duplex
γth Ngưỡng độ nhạy máy thu
α Hệ số thu thập năng lượng
η Hiệu suất mạch tái tạo năng lượng
ρ Hệ số tương quan giữa kênh hoàn hảo và không hoàn hảo
N
n
Tổ hợp chập n của N phần tử
ix

14. MỞ ĐẦU
1. Bối cảnh nghiên cứu
Cùng với sự phát triển của ngành viễn thông và khoa học máy tính, hệ
thống thông tin vô tuyến đã trải qua những bước phát triển vượt bậc cả về
công nghệ phần cứng cũng như phần mềm. Kiến trúc hệ thống ngày càng
hiện đại và tối ưu, đặc biệt là hệ thống thông tin tế bào và mạng cảm biến
không dây. Sự phát triển đó dẫn đến việc triển khai nhiều thiết bị đan xen
lẫn nhau về không gian và thời gian [1,2]. Do vậy, trong không gian vô tuyến
xác định1
, sẽ có nhiều nguồn bức xạ năng lượng điện trường đến với thiết bị.
Tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng bức xạ này trước đây chưa được
quan tâm một cách đầy đủ, nhưng trong những năm gần đây đã có nhiều
nghiên cứu tập trung vào kỹ thuật thu thập năng lượng từ nguồn bức xạ đó.
Đây là một kỹ thuật mới để kéo dài thời gian hoạt động cho các thiết bị có
nguồn năng lượng cung cấp hữu hạn.
Phương pháp truyền thống cấp nguồn cho các thiết bị hoạt động là kết
nối với mạng điện lưới. Trong một số trường hợp, cấp nguồn bằng điện lưới
không thể thực hiện được, một biện pháp đảm bảo cấp nguồn thay thế để
duy trì hoạt động là sử dụng pin. Nhưng hạn chế của biện pháp này là nguồn
pin sẽ suy giảm theo thời gian và tỷ lệ cấp nguồn cho thiết bị. Có thể khắc
1Được hiểu theo khu vực địa lý, trong các phạm vi có nguồn năng lượng vô tuyến bức xạ
1

15. 2
phục điều này bằng cách thay thế hoặc nạp lại định kỳ, dẫn đến chi phí cao
và trong một số trường hợp thực hiện gặp nhiều khó khăn, nguy hiểm. Đây
chính là động lực thôi thúc để các nhà khoa học trả lời câu hỏi: Từ đâu, và
bằng cách nào để có thể bổ sung năng lượng thiếu hụt cho thiết bị điện tử?.
Thu thập nguồn năng lượng vô tuyến bức xạ đến thiết bị là một biện pháp
đầy hứa hẹn, như là một công cụ tiên phong để bổ sung năng lượng cho các
thiết bị điện tử mà ở đó yêu cầu nguồn cung cấp nhỏ (cỡ µW đến mW). Đặc
biệt cung cấp cho các thiết bị cảm biến, mạng thông tin cơ thể, các thiết bị
giám sát ở vùng sâu/vùng xa. Sự thành công của việc nghiên cứu cách thức
khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này trong tương lai sẽ tạo ra sự trải
nghiệm vượt trội cho người dùng thiết bị di động vì giải phóng họ khỏi sự
phụ thuộc vào việc cấp nguồn được coi là kém thuận tiện như hiện nay.
Để khẳng định nghiên cứu này là khả thi, chúng ta hãy ngược dòng lịch
sử với các phương thức thu thập năng lượng trước đây. Vào khoảng thế kỷ
thứ IX, thu thập năng lượng gió để chuyển thành cơ năng đã xuất hiện, tiếp
theo đó thu thập năng lượng mặt trời để chuyển thành điện năng phục vụ
cho nhu cầu của con người cũng được triển khai. Đây là những nguồn năng
lượng vô tận, sạch, vĩnh cửu; nhưng sự cồng kềnh, chi phí cao không thể áp
dụng vào các thiết bị di động kích thước nhỏ. Dung lượng các thiết bị lưu
trữ năng lượng không thể vô cùng lớn để lưu trữ một lần rồi sử dụng vĩnh
viễn. Hơn nữa các nguồn năng lượng từ môi trường tự nhiên phụ thuộc rất
nhiều vào thời gian xuất hiện của mặt trời và hướng gió dẫn đến hoạt động
thu thập sẽ bị gián đoạn theo thời gian. Thêm vào đó, do ra đời đã lâu và
sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật nên thu thập năng lượng từ mặt trời, gió,
các loại năng lượng từ sự hóa thạch, sự chuyển động và các hiện tượng vật lý

16. 3
khác đã không còn là vấn đề mang tính thời sự.
Năm 2008 tại Hội nghị Quốc tế về Lý thuyết Thông tin ở Canada (ISIT
2008), Lav R. Varshney đã trình bày chủ đề về biến đổi đồng thời năng lượng
vô tuyến và thông tin [3]. Một điều thật đáng tiếc ý tưởng này đã không
được quan tâm đúng mức trong những năm sau đó. Như một lẽ tự nhiên của
sự phát triển, khi nhu cầu năng lượng đảm bảo cho các thiết bị điện tử, các
hệ thống vi điều khiển, thiết bị cảm biến trở nên bức thiết, kết hợp với thí
nghiệm thành công của giáo sư Manos Tentzeris vào năm 2012 về biến đổi
thông tin và năng lượng đồng thời thì ý tưởng được trình bày trước đây của
Lav R. Varshney mới thực sự được quan tâm.
Trong vài năm trở lại đây, các nghiên cứu về biến đổi năng lượng và truyền
tín hiệu đồng thời là chủ đề được nghiên cứu sôi động của cộng đồng các nhà
khoa học. Các kết quả nghiên cứu không chỉ dừng lại việc công bố lý thuyết
mà còn có các sản phẩm thí nghiệm đã thành công [4–6].
Bên cạnh đó, mạng 5G (5G: Fifth Generation) sẽ được triển khai vào năm
2020, như một hệ quả hiển nhiên là nhu cầu phổ tần sẽ tăng đột biến. Để đáp
ứng nhu cầu đó thì các nghiên cứu nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ đã
và đang được thực hiện, như công nghệ vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive
Radio), kỹ thuật truyền dẫn song công (FD: Full-Duplex), đa truy nhập phân
chia theo tần số trực giao (OFDMA: Orthogonal Frequency-Division Multiple
Access). Nhưng quá trình ứng dụng những kỹ thuật này đã bộc lộ những hạn
chế cần phải được khắc phục bằng các giải pháp kĩ thuật mà không được
làm thay đổi cấu trúc hoặc quy hoạch mạng đã triển khai. Sự phát triển là
nguyên lý tất yếu để khắc phục những hạn chế đã bộc lộ, do đó ý tưởng sử
dụng kĩ thuật đa truy nhập không trực giao thay thế cho các kỹ thuật đa

17. 4
truy nhập trực giao đã được nghiên cứu trong vài năm trở lại đây.
Nhằm cải thiện phạm vi phủ sóng mà không tăng công suất phát là nền
tảng của ý tưởng triển khai các mạng truyền thông hợp tác trong vài thập
kỉ qua. Các mô hình mạng chuyển tiếp đã được triển khai ứng dụng và cho
thấy hiệu quả vượt trội của nó so với các hệ thống truyền thông điểm-điểm.
Luận án được nghiên cứu trong bối cảnh nhu cầu kết nối tăng vọt. Đặc biệt
khi các thiết bị điện tử kích thước nhỏ được sử dụng để thay thế hoạt động
trực tiếp của con người, mạng cảm biến không dây và mạng thông tin quanh
cơ thể được triển khai. Nhằm mục đích cải thiện hiệu quả sử dụng năng lượng
cho các thiết bị Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of Things), đồng thời
cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần vốn được coi là hạn chế như hiện nay. Do
đó, phương thức đa truy nhập không trực giao sẽ thay thế cho đa truy nhập
trục giao sẽ được áp dụng. Trên cơ sở các công bố khoa học trước đây, nghiên
cứu sinh tiếp tục đề xuất các mô hình mới, dựa vào phân tích giải tích và
mô phỏng Matlab để kiểm chứng hệ thống. Đây là phương pháp tin cậy được
các nhóm nghiên cứu trên thế giới và trong nước áp dụng. Tuy nhiên, trong
thời điểm hiện tại các nhà khoa học trong nước nghiên cứu về ứng dụng thu
thập năng lượng vô tuyến và kỹ thuật đa truy nhập không trực giao chưa
nhiều, điều kiện thí nghiệm và kiểm tra kết quả đề xuất trên phần cứng thực
tế chưa thể triển khai.
2. Các công trình nghiên cứu liên quan
Để bổ sung những nội dung nghiên cứu về thu thập năng lượng vô tuyến
và kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, trong phần này NCS trình bày
các kết quả nghiên cứu đã đạt được trên thế giới cũng như trong nước đối

18. 5
với hai kỹ thuật đầy hứa hẹn này. Từ đó để thấy được những đóng góp khoa
học cũng như những vấn đề chưa được giải quyết để luận án hướng tới giải
quyết một phần những tồn tại của các công trình trước đây. Tính đến thời
điểm bắt đầu thực hiện đề tài, các công trình công bố về hệ thống vô tuyến
có ứng dụng thu thập năng lượng đã có nhiều giao thức, kịch bản và mục
tiêu khác nhau được đề xuất. Trong luận án này chỉ tập trung khảo sát các
hệ thống vô tuyến chuyển tiếp có ứng dụng thu thập năng lượng vô tuyến và
các mô hình ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, làm cơ sở để
NCS đề xuất các mô hình trong luận án.
2.1 Các nghiên cứu thu thập năng lượng vô tuyến
Hiện tại, việc nghiên cứu thu thập năng lượng vô tuyến không chỉ thực hiện
ở các hệ thống điểm-điểm mà còn được nghiên cứu trong các mạng chuyển
tiếp và hệ thống hợp tác đa người dùng.
Năm 2013, công trình [7] lần đầu tiên nghiên cứu ứng dụng thu thập năng
lượng vô tuyến (RF: Radio Frequency) ở giao thức chuyển tiếp đơn đầu vào
đơn đầu ra (SISO: Single Input-Single Output). Trong công trình này Nasir
và cộng sự đã đề xuất sử dụng hai kĩ thuật thu thập năng lượng tại nút
chuyển tiếp đó là kỹ thuật chuyển mạch thời gian (TSR: Time Switching
Relay) và kỹ thuật phân chia công suất (PSR: Power Splitting Relay). Các
tác giả đã xác định được biểu thức tường minh (chỉ chứa các hàm cơ bản) xác
suất dừng (OP: Outage Probability), so sánh phẩm chất của TSR với PSR
cho thấy PSR có hiệu quả dung lượng tốt hơn nhưng OP kém hơn. Trên cơ
sở phương thức TSR các tác giả trong [8] đã phân tích biểu thức OP cho hai
giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) và giải mã
chuyển tiếp (DF: Decode and Forward), nhưng các tác giả đã không đưa ra

19. 6
sự so sánh hoặc kết luận nào giữa hai giao thức đã khảo sát.
Tác giả có nhiều công trình công bố về hệ thống truyền thông chuyển tiếp
ứng dụng kỹ thuật thu thập năng lượng mà việc khảo sát hệ thống dựa vào
phương pháp giải tích là I. Krikidis [9–17] và một số công trình khác. Tuy
nhiên mỗi công trình chỉ khảo sát một giao thức và thông số cụ thể nhằm
đánh giá phẩm chất của hệ thống, trong đó chủ yếu tập trung vào tìm biểu
thức OP hoặc tốc độ truyền tối đa đạt được.
Bài báo [9] đã khảo sát và so sánh các phương pháp điều phối năng lượng
RF thu thập được đó là: thu thập-sử dụng (HU: Harvest-Use), thu thập-
sử dụng-lưu trữ (HUS: Harvest-Use-Store), thu thập-lưu trữ-sử dụng (HSU:
Harvest-Store-Use). Đưa ra các khuyến nghị sử dụng hình thức quản lý năng
lượng phù hợp cho từng yêu cầu dịch vụ khác nhau.
Các nghiên cứu đối với mạng hợp tác ứng dụng thu thập năng lượng trên
cơ sở các giao thức AF và DF cho những mô hình đơn giản (hệ thống chỉ có
một nút chuyển tiếp) đã được trình bày trong [7, 15, 18]. Tuy chỉ là các mô
hình có cấu trúc đơn giản nhưng là nền tảng để phát triển các mô hình có
cấu hình phức tạp hơn [19–21].
Trên nền tảng các mô hình đã đề xuất, tác giả trong [14] tiếp tục phát
triển hệ thống nhiều ăng-ten mà có độ phức tạp thấp trong điều kiện kênh
truyền pha-đinh phẳng. Đây có thể được coi là công trình nghiên cứu khởi
đầu để tăng hiệu suất thu thập năng lượng thông qua việc kết hợp tổng các
nhánh tại mạch thu.
Để đảm bảo hai hoạt động đồng thời là thu thập năng và xử lý tín hiệu,
phương thức lựa chọn đồng thời hai nút chuyển tiếp trong một khe thời gian
đã được đề xuất trong [22]. Hai nút được lựa chọn để thực hiện hai mục đích

20. 7
khác nhau đó là một nút thu thập năng lượng, một nút chuyển tiếp tín hiệu.
Mục tiêu đặt ra trong đề xuất này là đảm bảo độ bền vững và tin cậy cho hệ
thống, trong khi đó chấp nhận một thuật toán lựa chọn phức tạp hơn.
Bài báo [23] đã đề xuất phương thức xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp
hoàn toàn mới kết hợp với thu thập năng lượng RF, theo đó chu kỳ các tín
hiệu được chia cho phần thu thập năng lượng là cố định, khoảng còn lại được
sử dụng để giải mã và chuyển tiếp tín hiệu tại tất cả các nút chuyển tiếp.
Khi tất cả các nút chuyển tiếp giải mã thành công mới thực hiện chuyển tiếp
tín hiệu đến nút đích. Bài báo kết luận rằng, mặc dù đã sử dụng một khoảng
thời gian để thu thập năng lượng nhưng với phương thức chuyển tiếp này vẫn
có thể đạt độ lợi phân tập tốt hơn phương thức chuyển tiếp truyền thống.
Tuy nhiên, các tác giả trong [23] cũng đã chỉ ra hệ thống có độ trễ lớn và
đồng bộ phức tạp.
Phân tích theo độ lợi phân tập hệ thống trên cơ sở lựa chọn chuyển tiếp
theo tiêu chuẩn max-min, bài báo [24] đã đề xuất mô hình có nhiều cặp
nguồn-đích thực hiện truyền thông qua một nút chuyển tiếp thu thập năng
lượng. Kết quả được trình bày trong bài báo là biểu thức OP tương ứng của
mỗi cặp nguồn-đích có độ lợi kênh khác nhau.
Để khắc phục việc gián đoạn liên lạc của hệ thống, khi nút chuyển tiếp
cạn kiệt nguồn năng lượng (vì trong quá trình thu thập, sẽ có một số nút
không thu thập được, hoặc đã sử dụng hết nhưng chưa được bổ sung). Do
đó bài báo [25] đề xuất phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp có đủ năng
lượng để truyền dữ liệu, như vậy, có thể coi đây là một phương pháp lựa chọn
chuyển tiếp theo tiêu chuẩn năng lượng. Trong công trình [26], các tác giả đã
khảo sát một hệ thống mà ở đó nút chuyển tiếp thu thập năng lượng ở đường

21. DOWNLOAD ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ NỘI DUNG
MÃ TÀI LIỆU: 52132
DOWNLOAD: + Link tải: tailieumau.vn
Hoặc : + ZALO: 0932091562