Đánh giá ảnh hưởng sai số ước lượng kênh trong mạng vô tuyến nhận thức thu năng lượng vô tuyến

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh30
ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG SAI SỐ ƯỚC LƯỢNG KÊNH TRONG MẠNG 
VÔ TUYẾN NHẬN THỨC THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
ON IMPACT OF CHANNEL ESTIMATION ERROR IN COGNITIVE RADIO 
NETWORK WITH WIRELESS ENERGY HARVESTING
Nguyễn Tấn Lợi, Nguyễn Thị Khánh Tuyền, Đỗ Đình Thuấn
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh
Ngày tòa soạn nhận bài 29/01/2016 , ngày phản biện đánh giá 28/02/2016, ngày chấp nhận đăng 16/03/2016
TÓM TẮT
Trong bài báo này, vấn đề sai số do ước lượng thông tin trạng thái kênh (CSI) cho mạng 
thu năng lượng vô tuyến được đánh giá thông qua mô hình chia sẻ phổ trong mạng vô tuyến 
nhận thức. Trong mô hình hệ thống, người dùng thứ cấp đóng vai trò là nút chuyển tiếp có 
thể thu năng lượng từ tín hiệu sơ cấp nhận được, sau đó dùng nguồn năng lượng thu được để 
chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp còn lại đến đích và phát thông tin thứ cấp của mình đến người dùng 
thứ cấp khác. Nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật giải mã-chuyển tiếp (decode and forward: DF) 
để truyền thông tin. Tại nút chuyển tiếp tồn tại nhiễu do sai số ước lượng thông tin trạng thái 
kênh (CSI). Hiệu năng của mô hình được đánh giá thông qua xác suất dừng. Qua phân tích, 
bài báo đưa ra được biểu thức chính xác cho xác suất dừng của cả mạng sơ cấp và thứ cấp. 
Bên cạnh đó, bài báo còn cho thấy sự ảnh hưởng của việc phân bố năng lượng lên dung lượng 
truyền tin. Từ kết quả mô phỏng của xác suất dừng, việc phân bố năng lượng phù hợp cho phép 
giao thức được đề xuất đạt được hiệu suất tốt hơn so với truyền trực tiếp mà không cần chia sẻ 
phổ, đồng thời không làm tiêu hao thêm năng lượng được cung cấp cho nút chuyển tiếp.
Từ khóa: CSI; thu năng lượng vô tuyến; chia sẻ phổ; vô tuyến nhận thức; kỹ thuật giải 
mã-chuyển tiếp; xác suất dừng.
ABSTRACT 
 In this paper, impact of channel estimation error in wireless energy harvesting network is 
evaluated through spectrum sharing model for cognitive radio networks. In the model system, 
the secondary user acting as relay nodes can scavenges energy from the received primary 
signal, then use the energy obtained to transfer the remaining primary signal to destination 
and secondary information to other secondary users. Relay node uses decode and forward 
(DF) to transmit information. In relay node exist interference due to channel state information 
(CSI) error. Performance of the model was evaluated through outage probability. Through 
analysis, the paper offers the exact expression of the outage probability for both the primary 
and secondary network. Besides that, this investigation also shows the influence of the energy 
distribution to signal transfer capacity. The result of the outage probability, the energy 
distribution is suitable for the proposed protocol enables achieve better performance compared 
with direct transmission without spectrum sharing, and do not consume more energy supplied 
to the relay node.
Keywords: CSI; wireless energy harvesting; spectrum sharing; cognitive radio; decode 
and forward; outage probability.
1. GIỚI THIỆU
Với nhu cầu ngày gia tăng của các ứng 
dụng không dây, sự suy hao quang phổ ngày 
càng nghiêm trọng, trong khi đó phổ tần cho 
phép lại không được tận dụng triệt để. Để tăng 
cường việc sử dụng dụng phổ tần, vô tuyến 
nhận thức là một cải thiện đầy hứa hẹn bằng 
cách cho phép chia sẻ phổ, tức là cho phép 
người dùng không được cấp phép truy cập 
vào phổ tần trống của người dùng được cấp 
phép [1]. Hệ thống vô tuyến nhận thức cơ bản 
được chia thành hai loại mạng: mạng sơ cấp 
(PU) và mạng thứ cấp (SU) [1]–[3]. Bên cạnh 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 31
việc chia sẻ phổ, máy thu thứ cấp đóng vai trò 
là nút chuyển tiếp còn có thể thu năng lượng 
từ tín hiệu sơ cấp nhận được. Năng lượng 
thu được trong mạng vô tuyến nhận thức có 
tiềm năng là một nguồn năng lượng vô tận 
mà không cần nối với cáp bên ngoài hay thay 
thế pin định kì, hơn nữa còn cung cấp cơ hội 
khai thác đúng mức phổ tần số. Việc thu năng 
lượng dựa trên chính sách cảm biến phổ tối 
ưu nhằm tối đa hóa tổng thông lượng dự kiến 
dưới dạng quan hệ nhân quả năng lượng và 
các liên kết va chạm [4]. Trong [5], phân tích 
xác suất truyền của bộ phát thứ cấp và mức 
thu năng lượng cũng như trình bày về thiết kế 
tối ưu nguồn năng lượng tần số vô tuyến trong 
mạng vô tuyến nhận thức. Truyền thông tin và 
thu năng lượng diễn ra cùng một lúc trên các 
kênh không dây có khả năng cung cấp các tiện 
ích cao cho người sử dụng thiết bị di động. 
Tuy nhiên trên thực tế, việc thiết kế máy thu 
đòi hỏi những kỹ thuật về phần cứng, cụ thể 
là mạch thu năng lượng từ tín hiệu vô tuyến 
chưa thể giải mã các thông tin trực tiếp. Kiến 
trúc thiết kế cho việc thu năng lượng trong các 
hệ thống vô tuyến point-to-point cũng như hai 
phương pháp thu năng lượng là chuyển đổi 
thời gian (TSR) và phân chia theo năng lượng 
(PSR) đã được đề cập trong [6]. Hai phương 
pháp này đều nhằm mục đích cho phép giải 
mã thông tin và thu năng lượng tại nút chuyển 
tiếp. Trong TSR, nút chuyển tiếp dùng một 
số khe thời gian để thu năng lượng và số khe 
còn lại để xử lý thông tin, tùy thuộc vào điều 
kiện kênh. Trong PSR, các nút chuyển tiếp thu 
năng lượng từ một phần năng lượng sơ cấp 
nhận được, phần năng lượng còn lại dùng để 
giải mã thông tin và truyền đi. Người dùng thứ 
cấp SU có thể thu năng lượng cũng như truy 
cập phổ của người dùng sơ cấp. Tuy nhiên, 
hiệu suất của các SU có thể không hoàn toàn 
tốt như mong muốn. Đối với các hệ thống vô 
tuyến hợp tác, phương pháp truyền cho phép 
thu năng lượng vô tuyến và xử lý thông tin 
bắt buộc [7]. Trong những năm gần đây, các 
công trình nghiên cứu tập trung hơn vào việc 
hợp tác chặt chẽ trong các mạng vô tuyến, tức 
là giả sử tại nút nhận không có nhiễu do CSI 
[8]-[12], thêm vào đó việc thu năng lượng 
trong mạng vô tuyến cũng thu hút sự quan tâm 
của các nhà khoa học. [13] đề xuất thu năng 
lượng và truyền tín hiệu nhận được từ nguồn 
đến đích, trong khi [14] phát triển giao thức 
thu năng lượng và truyền thông tin vô tuyến 
trong mạng chuyển tiếp. Hơn nữa, việc chia sẻ 
phổ trong trong mạng nhận thức chuyển tiếp 
hai chiều cũng được các tác giả đề xuất trong 
[15], [16].
Bài báo này phát triển giao thức thu 
năng lượng trong mạng vô tuyến nhận thức tại 
nút chuyển tiếp. Nút chuyển tiếp sử dụng kỹ 
thuật DF cho việc thu năng lượng và truyền 
thông tin có sự ảnh hưởng của nhiễu do CSI. 
Các giao thức được đề xuất cho phép thu năng 
lượng trong mạng thứ cấp để chia sẻ phổ, hỗ 
trợ truyền sơ cấp mà không cần tốn thêm năng 
lượng của mạng thứ cấp. Hiệu năng của mô 
hình được đánh giá thông qua xác suất dừng. 
Mục tiêu của bài báo là tìm được biểu thức 
chính xác của xác suất dừng. Thông qua phân 
tích, bài báo có được biểu thức chính xác của 
xác suất dừng của cả hai mạng sơ cấp và thứ 
cấp. Kết quả mô phỏng cho thấy, giao thức 
được để xuất đạt một hiệu suất tốt hơn so với 
truyền trực tiếp nếu có phân bố năng lượng 
phù hợp. Bài báo cũng đánh giá sự ảnh hưởng 
của hệ số phân bố năng lượng lên dung lượng 
truyền hệ thống.
2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Bài báo bắt đầu bằng việc mô tả kiến 
trúc cho việc thu năng lượng trong mạng vô 
tuyến nhận thức. Mô hình hệ thống được thể 
hiện như trong hình 1.
Hình 1. Mô hình thu năng lượng vô tuyến của 
nút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận 
thức. Nút nguồn S và nút đích D đại diện cho 
người dùng sơ cấp, nút chuyển tiếp R và nút 
vô tuyến nhận thức C đại diện cho người dùng 
thứ cấp.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh32
2.1	 Mô	hình	vô	tuyến	nhận	thức	thu	năng	
lượng
Bài báo xem xét mô hình vô tuyến nhận 
thức bao gồm mạng sơ cấp và mạng thứ cấp, 
trong đó người dùng sơ cấp S muốn truyền 
tín hiệu của mình đến người dùng sơ cấp D. 
Bài báo này giả định rằng không tồn tại đường 
truyền trực tiếp từ S đến D, tức là D không 
nằm trong phạm vi truyền dẫn của S, do đó 
đòi hỏi nút chuyển tiếp nào đó sẽ tạo điều kiện 
giao tiếp giữa S và D. Trong mô hình mà bài 
báo đã đưa ra thì nút thứ cấp R sẽ đảm nhận 
vai trò đó. Ngoài việc sẵn sàng truyền dẫn 
sơ cấp thì nút chuyển tiếp R đồng thời còn 
có thông tin của mình dành cho người dùng 
thứ cấp khác là C. Giả sử rằng các các kênh 
bất kì giữa hai nút truyền và nhận đều được 
mô hình hóa thông qua kênh fading Rayleigh 
phẳng và độc lập. Thông tin trạng thái kênh 
(CSI) luôn có sẵn tại nút nhận. Mỗi nút được 
trang bị một anten đơn và truyền theo chế độ 
bán song công. Cả hai nút thứ cấp R và C đều 
có khả năng thu năng lượng từ tín hiệu nhận 
được. Nút sơ cấp S phát tín hiệu đến nút thứ 
cấp R, tuy nhiên do tính chất quảng bá không 
dây nên nút thứ cấp C cũng nhận được một 
phần tín hiệu do S gửi đến. Nút thứ cấp C sẽ 
phân chia năng lượng từ tín hiệu nhận được 
thành hai phần, một phần cho việc thu năng 
lượng vô tuyến và phần còn lại dùng để loại 
bỏ sự can nhiễu sơ cấp. Riêng về nút R, sau 
khi thu được một phần năng lượng từ tín hiệu 
sơ cấp mà S gửi đến, R sẽ dùng năng lượng đó 
để chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp còn lại đến D và 
phát thông tin thứ cấp của mình đến C.
Đặt h
SR
, h
RD
 biểu thị hệ số kênh tương 
ứng giữa S và R, R và D, g
SC
 và g
RC 
là hệ số 
kênh tương ứng giữa S và C, R và C. Với h
SR 
~ CN(0, Ω
SR
), h
RD 
~ CN(0,Ω
RD
), g
SC 
~ CN(0, 
Ω
SC
), h
RC 
~ CN(0, Ω
RC
); |h
SR
|2, |h
RD
|2, |g
SC
|2,|g
RC
|2 
là các độ lợi công suất đáp ứng. Do hXY là 
kênh truyền fading Rayleigh nên hàm mật độ 
phân bố xác suất của |hXY|
2 sẽ có phân bố mũ 
và được cho bởi:
( ) .xXYf x e XYXY λλ −=
 (1)
Trong đó λXY = E{|hXY|
2} = ,X Yd
β , với d
X,Y
là khoảng cách từ X đến Y, β là hệ số suy 
hao kênh truyền, XY = {SR, RD, SC, RC}.
2.2	 Giao	thức	thu	năng	lượng
Trong bài báo này, nút thứ cấp R đóng 
vai trò là nút chuyển tiếp tín hiệu từ nút sơ cấp 
S đến nút sơ cấp D. R sử dụng kỹ thuật giải 
mã - chuyển tiếp (decode and forward: DF) để 
thực hiện nhiệm vụ này. Kỹ thuật DF được biết 
đến như là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, về cơ 
bản nó thực hiện xử lý số tín hiệu. Trong mô 
hình mạng vô tuyến nhận thức trên, R đóng 
vai trò như một bộ lặp (repeater) thông minh 
và giải mã/giải điều chế tín hiệu nhận được 
từ nút sơ cấp S. Tuy nhiên, quá trình xử lý tín 
hiệu số ở nút chuyển tiếp R chịu nhiều ảnh 
hưởng của hiệu năng truyền dẫn nút nguồn-
nút chuyển tiếp. Nếu mã CRC không được sử 
dụng, việc giải mã tín hiệu thu từ nguồn đến 
đích sẽ không đạt hiệu quả tốt nhất. Rất khó 
để nút R giải mã tín hiệu mà không xảy ra lỗi 
và lỗi sẽ được tích lũy qua nhiều chặng, hay 
nói cách khác, chuyển tiếp hệ thống chịu ảnh 
hưởng của thông tin trạng thái kênh (channel 
state information: CSI). Cụ thể, cách thức hoạt 
động của DF hệ thống như sau:
Người dùng sơ cấp S có nguồn năng 
lượng cố định là P
S
, trong khi nút R không có 
nguồn cung năng lượng cố định mà phải thu 
năng lượng từ tín hiệu nhận được để duy trì 
hoạt động. Như đã nói, S gửi tín hiệu sơ cấp 
đến R, đồng thời C cũng nhận được một phần 
tín hiệu từ S. Các tín hiệu mà R và C nhận 
được từ S có thể được biểu diễn bằng các công 
thức sau: 
( )R S SR SR D Ry P h h x n= + ∆ +
 (2)
C S SC D Cy P g x n= + (3)
với	
+	 y
R
, y
C
 là tín hiệu nhận được tương ứng tại 
R và C,
+	 x
D
 là tín hiệu sơ cấp mà S muốn gửi đến D,
+	 n
R
, n
C
 biểu thị nhiễu Gaussian hẹp do các 
anten đơn tại R và C gây ra, 
( )2~ 0,R Rn CN σ và ( )
2~ 0,C Cn CN σ
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 33
+ SRh∆ biểu thị sai số do ước lượng kênh 
với giá trị trung bình bằng 0 và phương 
sai là 2SRσ
( )2~ 0,SR SRh CN σ∆
Từ tín hiệu nhận được, nút R và nút C 
có thể thu lấy năng lượng cho mình. Cụ thể, αR 
và αC biểu thị tương ứng cho hệ số chia công 
suất dành cho việc thu năng lượng của R và C. 
Ta được biểu thức thu năng lượng của R và C 
như sau:
( )R R S R SR SR D R Ry P h h x nα α α= + ∆ + (4)
C C S C SC D C Cy P g x nα α α= + (5)
Trong đó, 0 < αR < 1, 0 < αC < 1.
Mục đích của hệ thống là thông qua R để 
gửi tín hiệu đến D. Nếu R R
yα là đại lượng 
được R dùng để thu năng lượng thì từ (2), bài 
báo có 1 R Ryα−
là phần tín hiệu còn lại từ 
tín hiệu sơ cấp mà R sẽ gửi đến D. Tất cả năng 
lượng mà R thu được của S sẽ được chuyển 
đổi thành năng lượng phát. Do đó,
2 2( )R R S SR SRP P hηα σ= + (6)
 0 <η < 1 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
Trong toàn bộ năng lượng phát PR, R 
dùng µPR để chuyển tín hiệu sơ cấp còn lại 
đến D, và (1- µ)PR được dùng để truyền thông 
tin thứ cấp đến C (µ hệ số phần trăm thu năng 
năng lư. Như vậy, sau khi thu năng lượng, tín 
hiệu phát đi tại R sẽ bao gồm phần tín hiệu 
truyền đến D và phần tín hiệu thứ cấp đến C, 
được cho bởi:
( ) ( )11 1R R R R R R Cx P y n P xε µ α µ= − + + − (7)
Trong đó:
( )( )
( )
2 2 2 2
1
2 2
1
1 ( )
1
1 ( )
R S SR SR R R
R S SR SR
P h
P h
ε
α σ σ σ
α σ
=
− + + +
≈
− + 
 (8)
+ ε là hệ số khuếch đại tín hiệu của R.
+ n
R1 
~ CN(0, 21Rσ ) biểu thị nhiễu Gauss 
trắng tại R.
+ xC là thông tin thứ cấp gửi đến C.
Tại C, phần tín hiệu nhận được từ S là yC 
và phần năng lượng thu được là .C Cyα
Phần 
tín hiệu còn lại 1 C Cyα− được dùng để xử lý 
thông tin can nhiễu.
Tín hiệu truyền từ R đến C được viết 
như sau:
( ) ( )
( )
( )
2 1
1 1
1
1
1
RC R C
R R S RC SR SR D
R R RC R
R RC C C R RC R
y g x n
P P g h h x
P g n
P g x n P g n
α µ ε
α µ ε
µ µ ε
= +
= − + ∆
+ −
+ − + + 
(9)
n
C1
 ~ CN(0, 21Cσ ) đại diện cho nhiễu tại C.
Do có sự can nhiễu từ tín hiệu xD nên phần 
thông tin 21 C C Cy nα− + sẽ được dùng để xử 
lý can nhiễu. Kết quả thu 
được:
( )
( )
( ) ( )
'
1 1
2
1
1
1
1
C R R RC R
R RC C C R RC R
RCR
C C C SR SR
C SC
y P g n
P g x n P g n
g
n n h h
g
α µ ε
µ µ ε
µηα
α
α
= −
+ − + +
− − + + ∆
−
10)
với n
C2
 ~ CN(0, 2 2Cσ ) biểu thị nhiễu trắng tại 
C.
Trong trường hợp Cα khác 1, tức là C sẽ 
thực hiện xóa bỏ thông tin sơ cấp thì tỷ số 
công suất tín hiệu trên nhiễu SNR tại C được 
viết như sau:
( ) 2 22
2
2 22 2 21
2
1 ( )
( )
1
R S SR SR RC
C
R
C R RC R S SR SR
R
P h g
g P h
µ ηα σ
γ
σ
σ µηα σ σ
α
− +
=
 
+ + + + −  
(11)
Trường hợp C dự trữ toàn bộ năng lượng 
và không thực hiện xóa can nhiễu thì SNR tại 
C được cho bởi:
( ) 2 22
2 2 22
22 2 2 21
1 2
1 ( )
( )
1 1
R S SR SR RC
C
SR SR CR
C R RC R C
R CSC
P h g
h
g
g
µ ηα σ
γ
σ σσ
σ µηα σ σ
α α
− +
=
 +  
 + + + +  − −  
(12)
Tại mỗi nút R và C đều có một anten đơn. 
Do công suất nhiễu anten nhỏ hơn rất nhiều so 
với nhiễu năng lượng nên giả định nhiễu anten 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh34
bằng 0. Do đó, 2Rσ = 
2
Cσ = 0 và để đơn giản, 
đặt 21Cσ = 
2
1Rσ = 
2
2Cσ =
2
0 .σ
SNR cho nút thứ cấp C được viết lại như 
sau:
( )
( )
2 2 22
2 2 2 22 2 2
0 0
2 22
2
2 22 20
0
1 ( )
, 1
1 1
( )
1 1
1 ( )
, 1
( )
1
R S SR SR SC RC
C
SC R RC SC SR SR
R C
C
R S SR SR RC
C
R RC S SR SR
R
P h g g
g g g h
P h g
g P h
µ ηα σ
α
σ σ µηα σ
α α
γ
µ ηα σ
α
σ
σ µηα σ
α
 − +
≠
  + + +  − − = 
− +
=   + + +  −  
 (13)
Tốc độ dữ liệu đạt được của người dùng 
thứ cấp C được biểu diễn bằng:
( )2
1
log 1
2C C
R γ= +
 (14)
Tại điểm thu sơ cấp D, tín hiệu nhận 
được từ R sẽ bao gồm phần tín hiệu sơ cấp từ 
S đã qua nút chuyển tiếp R và nhiễu. Cụ thể, 
tín hiệu nhận được có dạng:
( )
( ) ( )
1
1 ( )
1 1
D RD R D
R R S SR SR RD D
R R R RD C
D R RD R
y h x n
P P h h h x
P h P h x
n P h n
α µ ε
α µ ε µ
µ ε
= +
= − + ∆
+ − + −
+ + 
(15)
với Dn ~ CN(0,
2
Dσ ) biểu thị cho nhiễu tại D. 
Công suất tín hiệu trên nhiễu cộng SINR 
tại D để giải mã ra tín hiệu xD như sau:
( )
2 22
2 22 2 2 2
1
( )
1 ( )
1
R S SR SR RD
D
R RD R S SR SR R D
R
P h h
h P h
ηα µ σ
γ
µηα µσ µ σ σ σ
α
+
=
 
+ − + + + −  
(16)
Tốc độ dữ liệu tại D được cho bởi công 
thức:
( )2
1
log 1
2D D
R γ= +
 (17)
Do 
2
Dσ = 
2
1Cσ = 
2
0σ nên Dγ được viết lại 
như sau:
( )
2 22
2 2 22 2 2
0 0
( )
1 ( )
1
R S SR SR RD
D
R
R S SR SR RD RD
R
P h h
P h h h
ηα µ σ
γ
µηα
µ ηα σ σ σ
α
+
=
− + + +
− 
 (18)
C. Đánh giá hiệu năng hệ thống
Hiệu quả sử dụng năng lượng thu được 
đánh giá thông qua xác suất dừng. Trong phần 
này, bài báo tiến hành phân tích xác suất dừng 
của các nút D và C.
Xác suất dừng được định nghĩa là xác 
suất mà giá trị tỷ lệ công suất tín hiệu trên 
nhiễu nhận được tại nút nhận nhỏ hơn một giá 
trị ngưỡng cho trước. Nói một cách khác, nút 
nhận sẽ không thể giải mã thành công dữ liệu 
nếu SNR tại nút đó nhỏ hơn giá trị ngưỡng. 
Ngược lại thì nút nhận sẽ giải mã được dữ liệu.
Trong bài báo này, xác suất dừng P
out
được cho bởi:
( )
0
( ) Pr( ) Pr( )
th
out i i i th i i thP R Y P d
γ
γ γ γ γ γ< = < = =∫ 
với Y
i 
 là tỷ lệ mục tiêu đặt ra. i = {D, C}.
+	 thγ là ngưỡng SNR mà tại đó thỏa mãn chất 
lượng dịch vụ. 
Đặt
( )2 20 0, 1 ,R S R SP Pχ µηα σ ψ µ ηα σ= = −
( ) ( )/ 1 , 1 ,R R R Cδ µηα α ν µηα α= − = −
2 2 2 2
1 2 3 4, , , ,SR RD SC RCh h g gθ θ θ θ= = = =
3 3 3 3
1 2 3 41 / , 1 / , 1 / , 1 / .SR RD SC RCd d d dτ τ τ τ= = = =
Từ (18), ta được:
2
1 2
2
1 2 2
( )
( ) 1
SR
D
SR
χ θ σ θ
γ
ψ θ σ θ δθ
+
=
+ + + (19)
1D
µγ
µ
→
−
 khi 
SP →∞ (*)
Mệnh đề 1: Xác suất dừng cho người 
dùng sơ cấp D và người dùng thứ cấp C khi C 
không thực hiện xóa can nhiễu sơ cấp.
Pr( ) 1Dout D thP γ γ= < = 
nếu /
1th
µγ χ ψ
µ
> =
− (20)
điều này luôn xảy ra do (*).
Nếu
/
1th
µγ χ ψ
µ
< =
− 
thì theo định 
nghĩa
về hàm phân phối xác xuất và mật độ 
(PDF và CDF) đã được định nghĩa trong [13], 
xác suất dừng của SNR tại C được cho bởi 
công thức sau:
( ) ( ) ( )
0
1
1 1 2 1 2
( ) Pr( )
Pr( ) Pr( ) Pr( )
1
4 4
1 exp
D
th
D
out th D th
D D D th
th th th
th th th
P F
d
x
γ
γ
γ γ γ
µγ γ γ γ
µ
γ δ γ γ
κ
τ χ ψγ τ τ χ ψγ τ τ χ ψγ
= = <
= < = =
−
     = − −   
− − −   
∫
(21)
trong đó hàm Bessel K
n
(.) được định nghĩa 
trong [17].
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 35
Tương tự, bài báo xác định các biểu thức 
xác suất dừng cho C như sau:
 Pr ( )
C
out C thP γ γ= <
 (22)
2
1 4
2
1 4 4
( )
( ) 1
SR
c
SR
ψ θ σ θ
γ
χ θ σ θ δθ
+
=
+ + + 
(23)
khi C không thực hiện loại bỏ nhiễu sơ cấp, 
tức là 1Cα = .
Từ đó ta được
1
C
µγ
µ
−
→ .
Khi
1
th
µγ
µ
−
≥ , nhận thấy 1
C
outP = (24)
Quan sát những biểu thức trên, bài báo thấy 
rằng DoutP tăng, 
C
outP giảm khi µ giảm.
Mệnh đề 2: Xác suất dừng của C khi C 
thực hiện loại bỏ can nhiễu sơ cấp.
Trong công thức (15) khi 1Cα ≠ , bài báo 
có:
2 2 22
2 2 2 2 22
2
1 3 4
2
3 3 4 1 4
( )
( )
( )
( )
SR SR SC RC
C
SC SC RC SR SR RC
SR
SR
h g g
g g g h g
ψ σ
γ
δ ν σ
ψ θ σ θ θ
θ δθ θ ν θ σ θ
+
=
+ + +
+
=
+ + +
 (25)
Theo định nghĩa về CDF, tương tự [9], bài báo 
có:
( )
( )
( )
( )
2
1 3 4
2
3 3 4 1 4
2
4 1 4 3 4
3 42
1 3 3
4 3
3 42
1 3
4 3
( )
( ) Pr
( )
Pr[( )( ) (1 )]
1
Pr Pr
1
Pr
C
SR
th th
SR
th SR th
th th th
SR
th
th th
SR
th
Fγ
ψ θ σ θ θ
γ γ
θ δθ θ ν θ σ θ
ψθ νγ θ σ θ γ θ δθ
γ θ δθ νγ νγ
θ σ θ θ
θ ψθ νγ ψ ψ
γ θ δθ νγ
θ σ θ
θ ψθ νγ ψ
 +
= ≤ + + + 
= − + ≤ +
 +  
= + ≤ > >    −   
 +
+ + ≥ <
−
( )
( )
3
3 42
1 3 3
4 3
3
Pr
1
Pr Pr
Pr
th
th th th
SR
th
th
νγ
θ
ψ
γ θ δθ νγ νγ
θ σ θ θ
θ ψθ νγ ψ ψ
νγ
θ
ψ
  
≤     
 +  
= + ≤ > >    −   
 
+ ≤ 
  
(26)
Ta lại có:
( )
( )
( )
( )
3 42
1 3 0
4 3 1
0
3 3 4 4 4 4 3 3
0
4 4
1 1
Pr 1 exp
1 1 1 1
exp exp exp exp
1
exp
th
th
th thth
SR
th th
y nz
z y
y z z y
dydz dydz
z
νγ
ψ
νγ
ψ
γ θ δθ γνγ
θ σ θ
θ ψθ νγ ψ τ ψ νγ
τ τ τ τ τ τ τ τ
τ τ
∞ ∞
∞ ∞
∞
    + + + ≤ > = − −       − −     
      
× − − = − −      
      

− −

∫ ∫
∫ ∫
∫
( ) ( )
( )
2
1 3 3 1
1 11
exp exp
th
th th
th
nz nzy
dydz
z z y
νγ
ψ
γ νγ
τ ψ τ τ ψ τ ψ νγ
∞  + + 
− × − −     −    
∫
(27)
Tiếp tục đặt:
1
3
exp th
νγ
ψτ
 
ℜ = − 
 
 (28)
( ) ( ) ( )2 23
2 1 20
3 4 3 1 4 1 1 3
1 4 1 4 11
exp th th thth
nz nz nzz
dz
z z z
γ νγ τ νγνγ
ψτ τ ψτ ψ τ τ τ ψ τ τ
κ
∞   + + +    ℜ = − + + ×    
       
∫
(29)
Nhận thấy: 
3 1
3
3 1
3
Pr exp
Pr 1 exp 1
th th
th th
νγ νγ
θ
ψ ψτ
νγ νγ
θ
ψ ψτ
    > = − =ℜ  
    
    ≤ = − − = −ℜ  
    


 
(30)
Từ những nhận định trên, biểu thức xác 
suất dừng cho SNR tại C khi C thực hiện loại 
bỏ can nhiễu sơ cấp có dạng:
2
1 1 2 11
C
outP = +ℜ −ℜ ℜ −ℜ
 (31)
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Trong phần này, phương pháp mô phỏng 
Monte-Carlo được sử dụng để kiểm chứng 
tính đúng đắn của các biểu thức xác suất dừng 
đã đề xuất theo ảnh hưởng của đại lượng có 
trong biểu thức. Bên cạnh đó, sự ảnh hưởng 
của Rα lên dung lượng Ergodic của D và C 
cũng được xét đến.
Trong hình 2, xác suất dừng của người 
dung sơ cấp D và người dùng thứ cấp C được 
biểu diễn thông qua các giá trị SNR khi có và 
không có sự ảnh hưởng của nhiễu do CSI, 
2 0.1SRσ = . Giá trị xác suất dừng khi có mặt 
nhiễu sẽ lớn hơn giá trị xác suất dừng khi 
không có mặt nhiễu. Thêm nữa, người dùng 
sơ cấp D sẽ chịu ảnh hưởng của nhiễu do CSI 
nhiều hơn người dùng thứ cấp C.
Dựa vào giá trị µ , nút chuyển tiếp R sẽ 
dùng một phần năng lượng thu của mình 
để duy trì việc quảng bá thông tin phát đi từ 
bên sơ cấp S và sử dụng một lượng 1−µ để 
phát thông tin cho bên thứ cấp C. Trong 
hình 3, nhận thấy rằng khi µ tăng thì xác suất 
dừng của bên sơ cấp D giảm còn bên 
thứ cấp C tăng, bởi vì với giá trị nhỏ hơn µ , 
có sự suy hao công suất để truyền thông tin 
sơ cấp. Khi µ < 0.74, giao thức được đề xuất 
đạt được xác suất dừng bằng 1.
Dung lượng ergodic của C trên kênh 
fading Rayleigh được cho bởi:
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh36
( )2 2 2
1 1 2
2, ,
1
log 1
2S Ch g g
C γ = Ε + 
 
 (32)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
10
-4
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
Ps/σ0
2 
X
ac
 s
ua
t d
un
g
Hinh 2. Xac suat dung voi Ps/σ0
2
Pout
D simulation.
Pout
D simulation CSI
Pout
D exact analytical.
Pout
C simulation
Pout
C simulation CSI
Pout
C exact analytical
Hình 2. Biểu diễn xác suất dừng theo 20/SP σ 
tại 1 / 2SRd = 1 / 4RDd = , 1thγ =
0.7 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95
10
-3
10
-2
10
-1
10
0
µ 
X
ac
 s
ua
t d
un
g
Hinh 3. Xac suat dung voi µ, Ps/σ0
2 = 35 dB
Hình 3. Xác suất dừng theo tỉ lệ phần trăm 
thu năng lượng µ . 
Dung lượng ergodic của nút sơ cấp D 
được tính với
( )2 2 2
1 1 2
2, ,
1
log 1
2P Dh g g
C γ = Ε + 
 (33) 
Dựa trên công thức (32) và (33), thấy 
rằng αC chỉ ảnh hưởng đến dung lượng ergodic 
của mạng sơ cấp, tuy nhiên, hệ số phân chia 
công suất αR của nút chuyển tiếp R có ảnh 
hưởng quan trọng đến cả CP và CS. Hình 4 
đánh giá sự ảnh hưởng của αR lên CP và CS. CP 
tăng khi αR giảm từ 0.9 xuống 0.4 nhưng sau 
đó nó lại giảm khi Rα giảm dưới 0.4. Giá trị 
tối ưu của αR cho bên sơ cấp là 0.4, bên 
thứ cấp là 0.2, bởi vì αR 
là nhỏ trong suy hao 
công suất truyền dẫn, còn khi αR lớn sẽ gây 
suy hao công suất cho thông tin sơ cấp. Dung 
lượng CP khi có mặt nhiễu do CSI sẽ nhỏ hơn 
dung lượng CP khi không có mặt nhiễu.
0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4
1.42
1.44
1.46
1.48
1.5
1.52
1.54
1.56
1.58
1.6
Dung luong Ergodic cua Cs 
D
un
g 
lu
on
g 
E
rg
od
ic
 c
ua
 C
p
αR = 0.9
αR = 0.4
αR = 0.2
αR = 0.1
Hinh 4. Anh huong cua αR len Cp va Cs voi Ps/σ0
2 = 20 dB
αC = 1/2
αC = 1/2 khi co CSI
αC = 3/4
αC = 3/4 khi co CSI
Hình 4. Đánh giá sự ảnh hưởng của αR lên 
C
P
 và C
S.
4. KẾT LUẬN
Bài báo này đã phát triển giao thức thu 
năng lượng tại nút chuyển tiếp trong mạng vô 
tuyến nhận thức. Nút chuyển tiếp sử dụng kỹ 
thuật DF dưới sự ảnh hưởng của nhiễu do CSI. 
Sau khi phân tích, bài báo có được biểu thức 
dừng chính xác cho mạng sơ cấp và mạng 
thứ cấp. Trong phần kết quả mô phỏng, dùng 
phương pháp mô phỏng Monte-Carlo để kiểm 
chứng các biểu thức đã đề xuất. Bài báo cũng 
cho thấy sự ảnh hưởng của hiệu năng cấp phát 
lên dung lượng của mạng sơ cấp và thứ cấp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] S. Haykin, “Cognitive radio: brain-empowered wireless commnuications,” IEEE J. Sel. 
Areas Commun., vol. 23, no. 2, pp. 201–220, Feb. 2005.
[2] J. Mitola, G. Q.Maguire, “Cognitive radio: making software radios more personal,” IEEE 
Pers. Commun, vol.6, no. 4, pp. 13-18, Aug. 1999.
[3] Z. Qing, B. M. Sadler, “A Survey of Dynamic Spectrum Access”, IEEE Signal Processing 
Magazine, vol. 24, pp. 79-89, 2007.
[4] S. Park, H. Kim, and D. Hong, “Cognitive Radio Networks with Energy Harvesting,” 
IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12, no. 3, pp. 1386– 1397, Mar. 2013.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 37
[5] S. Lee, R. Zhang, and K. K. Huang, “Opportunistic Wireless Energy Harvesting in 
Cognitive Radio Networks,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12, no. 9, pp. 4788–
4799, Sept. 2013.
[6] X. Zhou, R. Zhang, and C. K. Ho, “Wireless Information and Power Transfer:Architecture 
Design and Rate-Energy Tradeoff,” Available:  May 
2012.
[7] Z. Ding, S. M. Perlaza, I. Esnaola, and H. V. Poor, “Power Allocation Strategies in 
Energy Harvesting Wireless Cooperative Networks,”.
[8] T Himsoon, W Su, K Liu, “Differential transmission for amplify-and-forward cooperative 
communications”, IEEE Signal Process. Lett.12, 597–600 (2005).
[9] T Himsoon, W Siriwongpairat, W Su, K Liu, “Differential modulation with threshold-
based decision combining for cooperative communications”, IEEE Trans. Signal Process. 
55, 3905–3923 (2007).
[10] Q Zhao, H Li, Differential modulation for cooperative wireless systems.IEEE Trans. 
Signal Process. 55, 2273–2283 (2007).
[11] Q Zhao, H Li, P Wang, Performance of cooperative relay with binary modulation in 
Nakagami-mfading channels. IEEE Trans. Veh. Technol. 57, 3310–3315 (2008).
[12] D Chen, J Laneman, Modulation and demodulation for cooperative diversity in wireless 
systems. IEEE Trans. Wireless Commun. 5, 1785–1794 (2006).
[13] A. A. Nasir, X. Zhou, S. Durrani, and R. A. Kennedy, “Relaying Protocols for Wireless 
Energy Harvesting and Information Processing,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 
12, no. 7, pp. 3622–3636, July 2013.
[14] Zihao Wang, Zhiyong Chen, Ling Luo, Zixia Hu, Bin Xia, Hui Liu, “Outage Analysis 
of Cognitive Relay Networks with Energy Harvesting and Information Transfer”, 
Communications (ICC), 2014 IEEE International Conference on, Pages: 4348 – 4353, 
2014.
[15] Q. Li, S. H. Ting, A. Pandharipande, and Y. Han, “Cognitive Spectrum Sharing with 
Two-way Relaying Systems,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 60, no. 3, pp. 1233–1240, 
Mar. 2011.
[16] Y. Li, M. Peng, and W. Wang, “Spectrum Sharing in Cognitive Two-Way Relay Networks,” 
in Proc. IEEE GLOBECOM, Dec. 2012.
[17] A. Papoulis, Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, 3rd ed. New York: McGraw-
Hill, 1991.