Tối ưu thông lượng mạng chuyển tiếp AF hai chiều với phần cứng không lý tưởng cho truyền năng lượng vô tuyến

Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016
- 5 - 
Tối ưu thông lượng mạng chuyển tiếp AF hai 
chiều với phần cứng không lý tưởng cho truyền năng 
lượng vô tuyến 
Throughput Optimization in Two-Way AF Relaying Networks 
under Non-ideal Hardware for Wireless Energy Transfer 
Đỗ Đình Thuấn 
Abstract: In this paper, we investigate the 
performance of energy harvesting enabled two-way 
relaying network (TWRN) with amplify- and- forward 
(AF) protocol. Particularly, this paper also determines 
effect of hardware impairments on the outage 
probability and the throughput. To evaluate harvested 
energy efficiency, we propose energy harvesting 
policies at relay node and destination node, namely 
time switching imperfect relay (TSIR), time switching 
imperfect source (TSIS). Finally, the numerical and 
simulation results provide practical insights into the 
impact of transmitted power, level of hardware 
impairments and energy harvesting time factors on 
the performance of energy enabled two-way relaying 
network. 
Keywords: time switching imperfect relay, time 
switching imperfect source, energy harvesting, two-
way relaying network 
I. GIỚI THIỆU 
Gần đây, khái niệm truyền thông xanh đã thu hút 
các nhà nghiên cứu, nhất là trong các ứng dụng mạng 
truyền năng lượng vô tuyến [1]. Ngoài ra, nguồn năng 
lượng vô tuyến có thể thu nhận nhờ năng lượng mặt 
trời, gió, sự chuyển động hay một vài hiện tượng vật 
lý khác. Trong các nguồn tín hiệu đó, sóng RF thực 
hiện truyền dẫn đồng thời thông tin và năng lượng 
được xem là kỹ thuật hứa hẹn trong các mạng ràng 
buộc năng lượng như mạng cảm biến không dây, 
mạng WLAN, thiết bị cầm tay mạng thông tin di 
động. Trước đây, các năng lượng thu được qua tần số 
vô tuyến RF đã ứng dụng trong công nghệ RFID. Về 
nguyên lý, năng lượng thu qua đường vô tuyến tạo ra 
dòng điện DC cung cấp cho các khối nguồn của thiết 
bị vô tuyến đặt ở những vị trí không thuận lợi về việc 
cung cấp nguồn điện, chẳng hạn như các bộ cảm biến 
vô tuyến đặt trên đường, hay đặt trên núi cao và các 
địa hình xa xôi hiểm trở khác. Nhờ thu năng lượng vô 
tuyến này, các thiết bị kéo dài thời gian hoạt động, 
đảm bảo sự thông suốt dịch vụ hay các ứng dụng mà 
thiết bị đang cung cấp. Ngay trong mạng thông tin di 
động phổ biến hiện nay, các thiết bị điện thoại cầm tay 
trở nên nhanh chóng cạn kiệt nguồn pin khi sử dụng 
ngày càng nhiều hơn các ứng dụng đa phương tiện. 
Trong khi đó, nhờ áp dụng nguyên lý mạng chuyển 
tiếp (mạng chuyển tiếp), các nút trung gian khuếch đại 
tín hiệu và truyền tín hiệu đến đích giúp mở rộng vùng 
phủ sóng, cải thiện chất lượng tín hiệu ở vùng biên 
của trạm thu phát sóng mạng di động hay của thiết bị 
phát sóng WiFi [2]. Kết hợp mạng chuyển tiếp này với 
công nghệ truyền năng lượng vô tuyến giúp cải thiện 
hiệu suất sử dụng và tăng khả năng chia sẻ năng lượng 
trong các phần tử cùng mạng lưới. 
Đặc biệt, trong các loại mạng chuyển tiếp có loại 
mạng sử dụng tối ưu băng thông truyền dẫn bằng cách 
truyền tín hiệu song hướng đồng thời, hay còn gọi là 
mạng chuyển tiếp hai chiều TWRN (Two-way 
relaying network). Nút chuyển tiếp trung gian trong 
mạng TWRN được giả sử không có nguồn điện cố 
định mà năng lượng chủ yếu được thu qua tín hiệu RF 
từ nút nguồn và đích trong tuyến kết nối của nó. Điểm 
đặc biệt là các nút trung gian giới hạn về năng lượng 
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016
- 6 - 
này có thể thu năng lượng và phát thông tin đồng thời. 
Gần đây trong công bố [3], các tác giả đã trình bày 
cách kết hợp tối ưu công suất và cách thức chọn nút 
trung gian giúp cực đại hóa thông lượng của mạng 
chuyển tiếp dùng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp 
AF (Amplify-and-Forward) với việc truyền năng 
lượng vô tuyến cấp cho nút trung gian. Ngoài ra, trong 
[4] các tác giả phân tích mạng vô tuyến nhận thức, 
nguyên lý chuyển tiếp tối ưu cho việc cực đại hóa 
thông lượng của người dùng thứ cấp được cấp nguồn 
nhờ năng lượng vô tuyến. Các vấn đề về ảnh hưởng 
tốc độ - năng lượng giữa dung lượng dừng cực đại và 
năng lượng thu được tối ưu của người dùng thứ cấp 
được nghiên cứu trong [5]. Đặc biệt hơn trong [6], tác 
giả trình bày bài toán mạng chuyển tiếp có các phần tử 
thu nguồn năng lượng từ chính tín hiệu nhiễu đồng 
kênh. Tác giả trong bài báo này cũng đã đưa ra biểu 
thức phân tích cho dung lượng dừng dựa trên hàm mật 
độ xác suất của tỉ số tín hiệu trên nhiễu trên mỗi chặng 
trong mạng chuyển tiếp. Để so sánh ưu/ nhược điểm 
của hai giao thức AF và giao thức giải mã và chuyển 
tiếp DF (Decode-and-Forward) trong mạng chuyển 
tiếp truyền dẫn song công và bán song công được tính 
toán, phân tích qua việc chia thời gian thu tín hiệu tối 
ưu. Bên cạnh đó, các giao thức chuyển tiếp dựa trên 
chuyển mạch thời gian TSR (time switching-based 
relaying) và giao thức chuyển tiếp dựa trên phân chia 
công suất PSR (power splitting-based relaying) áp 
dụng trong mạng thu năng lượng vô tuyến và xử lý 
thông tin trình bày chi tiết trong [7]. 
Tuy nhiên, trong phần lớn các nghiên cứu trước 
đây [8-14], các tác giả chỉ trình bày các mạng chuyển 
tiếp dựa trên giả thiết mạng dùng phần cứng lý tưởng. 
Trong hầu hết các thiết bị vô tuyến thực tế đều bị các 
ảnh hưởng suy giảm do phần cứng, như nhiễu pha, 
mất cân bằng bộ điều chế vuông pha, khuếch đại công 
suất phi tuyến [15]. Theo khảo sát của tác giả, chưa có 
công bố nào đánh giá suy giảm phẩm chất phần cứng 
trong mạng chuyển tiếp dùng truyền năng lượng vô 
tuyến. Các yếu tố suy giảm chất lượng phần cứng này 
thường thấy trong các thiết bị vô tuyến giá thành rẻ và 
cụ thể hơn, suy giảm này sẽ làm ảnh hưởng đến việc 
giảm phẩm chất toàn hệ thống qua các tham số như 
dung lượng, thông lượng và tốc độ lỗi kí tự SER 
(symbol error rate). Trong bài báo này, chúng tôi phân 
tích chất lượng mạng chuyển tiếp hai chiều dùng giao 
thức AF dưới ảnh hưởng suy giảm phẩm chất phần 
cứng. Giao thức AF được chọn như là mạng có nút 
trung gian chỉ khuếch đại tín hiệu thu mà không cần 
giải mã tín hiệu. 
Trong phạm vi nghiên cứu này, bài báo trình bày 
giao thức chuyển tiếp dựa trên chuyển mạch thời gian 
TSR (Time Switching based Relay) được áp dụng 
trong hai trường hợp của suy giảm phẩm chất phần 
cứng xét tại nút trung gian và nút đích và được gọi là: 
i) giao thức chuyển mạch thời gian cho máy thu nút 
trung gian không hoàn hảo TSIR (time switching 
imperfect relay), ii) giao thức chuyển mạch thời gian 
cho máy thu nút đích không hoàn hảo TSIS (time 
switching imperfect source). Bài báo đưa ra công thức 
tính gần đúng cho tỉ số tín hiệu trên nhiễu và méo tín 
hiệu SNDR (signal to noise and distortion ratio). 
Phần còn lại của bài báo trình bày tín hiệu và mô 
hình hệ thống mạng chuyển tiếp AF hai chiều trong 
Phần II. Các biểu thức cho tính gần đúng của tỉ số 
SNDR được chứng minh trong Phần III. Kế tiếp, Phần 
IV đưa ra công thức cho xác suất dừng và thông lượng 
tối ưu được tính dựa trên hàm xác suất của SNDR đã 
phân tích. Các kết quả mô phỏng và biện luận được 
nêu ra trong Phần V và một số ý thảo luận cho kết 
luận trong phần cuối cùng. 
II. TÍN HIỆU VÀ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 
Bài báo này xem xét mạng chuyển tiếp hai chiều 
với các nút mạng dùng đơn anten phát. Mạng TWRN 
bao gồm 2 nút nguồn ( A và B ) không có khả năng 
truyền dẫn trực tiếp mà chỉ thu và phát tín hiệu đến 
đầu xa thông qua nút trung gian (R ). Nút trung gian 
dùng năng lượng có được nhờ thu được từ nút nguồn 
để khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu đến nút đích. 
Trong bài báo này sử dụng các giả thiết như sau: 
 Thông tin trạng thái kênh CSI (channel state 
information) được ước lượng hoàn hảo ở phía thu 
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016
- 7 - 
nhờ số luợng bit nhỏ dành cho chuỗi huấn luyện và 
hiệu suất băng thông dành cho tín hiệu có ích thỏa 
mãn yêu cầu chất lượng mạng vô tuyến. 
 Giả sử rằng chỉ có nút trung gian không có nguồn 
điện riêng và chỉ dùng năng lượng thu qua sóng RF 
trong pha thứ nhất cho việc xứ lý thông tin trong 
pha thứ hai vì nút này thường đặt nơi thiếu điều 
kiện vật chất về nguồn điện. 
 Các ảnh hưởng suy giảm phần cứng có thể đo 
được, kí hiệu là ,A R  ở nút nguồn và đích tương 
ứng. 
 Các kênh trong mạng TWRN là kênh fading chậm 
và phẳng về tần số, các hệ số kênh truyền là kênh 
fading Rayleigh độc lập và các kênh không đổi 
trong thời gian xét T . 
Trong mô hình tổng quát của các hệ thống vô 
tuyến, tín hiệu thu ở nút trung gian và nút đích thường 
mô tả bằng biểu thức sau 
 , ,R i i R Ry t h x t v t n t i A B (1) 
và 
 , ,i i R i iy t h x t v t n t i A B (2) 
trong đó ih là kênh truyền fading Rayleigh và in là 
nhiễu Gaussian, t là chỉ số thời gian, iv là méo tín 
hiệu do suy giảm phẩm chất phần cứng trong các thiết 
bị thu phát vô tuyến. Bài báo này đánh giá ảnh hưởng 
của suy giảm do phần cứng trên cả nút đích và nút 
trung gian (gọi là nút đích không hoàn hảo, và nút 
trung gian không hoàn hảo). Kí hiệu ,A Bh h như là các 
hệ số kênh từ nút A đến nút trung gian R và nút B 
đến nút R tương ứng và 2
ii h i
h là độ lợi 
kênh trung bình, hay CN 0, , ,i ih i A B . Biểu 
thức sau trình bày hàm mật độ xác suất PDF 
(probability density function) và hàm mật độ tích lũy 
CDF (cumulative density function) tương ứng của 
kênh truyền fading Rayleigh phân bố theo hàm mũ 
[16] 
 2
1
, 0i
i
x
h
i
f x e x
 

 (3) 
 2 1 , 0i
i
x
h
F x e x
 (4) 
III. CHÍNH SÁCH THU NĂNG LƯỢNG CHO 
CÁC NÚT MẠNG CÓ PHẦN CỨNG 
KHÔNG LÝ TƯỞNG 
III.1. Giao thức TSIR 
Trong TSIR, nút trung gian dùng một phần khung 
thời gian tín hiệu cho việc thu năng lượng, phần 
khung thời gian còn lại cho xử lý thông tin. Khung 
thời gian tín hiệu dài T chia thành 3 giai đoạn sau: 
 Giai đoạn đầu tiên, T dành cho nút trung gian 
thu năng lượng từ các nút nguồn, trong đó là hệ 
số tỉ lệ thời gian. Mạng chuyển tiếp không thu 
năng lượng vô tuyến tương ứng với trường hợp 
0 . 
 Giai đoạn 2, 1 2T là thời gian cho phát 
thông tin từ nút nguồn đến nút trung gian. 
 Giai đoạn sau cùng thời gian dành cho truyền 
thông tin đã khuếch đại từ nút trung gian đến nút 
đích là 1 2T . 
Kí hiệu ,A BP P tương ứng là công suất phát từ 2 
nút nguồn ,A B . Năng lượng vô tuyến thu qua sóng 
RF sẽ tạo ra dòng điện DC dẫn đến sạc cho acquy hay 
khối nguồn của thiết bị ở nút trung gian. Nguồn năng 
lượng thu được này được tính bằng 
 2 2 ,h A A B BE P h P h T (5) 
trong đó 0 1 là hiệu suất chuyển đổi năng lượng 
phụ thuộc nguyên lý mạch nắn điện và cấu tạo mạch 
thu năng lượng. Vì thế, công suất phát ở nút trung 
gian sẽ là 
 2 2 2
1 2 1
h
R A A B B
E
P P h P h
T
 
 (6) 
Trong TSIR, giả sử ảnh hưởng suy giảm phẩm chất 
phần cứng chỉ diễn ra ở nút trung gian, nên tín hiệu 
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016
- 8 - 
thu ở nút trung gian có thể mô tả bằng biểu thức sau 
 ,R A A A B B B R Ry t P h x t P h x t v t n t 
 (7) 
Trong đó ,A Bh h kí hiệu là kênh fading Rayleigh 
giữa nút nguồn ,A B và nút trung gian tương ứng, Rv 
là thành phần méo tín hiệu do suy giảm phẩm chất 
phần cứng trong thiết bị của nút trung gian, 
 2 220,R R A A B Bv CN P h P h . 
Tín hiệu sau khi thu được ở nút trung gian sẽ được 
khuếch đại với độ lợi biến đổi là: 
 2 22 2 21A A B B RG P h P h   (8) 
Dựa trên nguyên lý mạng TWRN, tín hiệu thu ở 
hai nút nguồn lần lượt là (để cho đơn giản trong kí 
hiệu từ phần này trở về sau kí hiệu thời gian t được 
lược bỏ): 
2
,
A R A A A A B B B R R A
R A A A R B A B B
R A R R A R A
y P h G P h x P h x v n n
P P G h x P P h h Gx
P Gh v P Gh n n
 (9) 
và 
2
.
B R B A A A B B B R R B
R B B B R A A B A
R B R R B R B
y P h G P h x P h x v n n
P P G h x P P h h Gx
P Gh v P Gh n n
 (10) 
Bởi vì mỗi nút nguồn biết được tín hiệu phát của 
chính nó và nhờ có thông tin trạng thái kênh truyền 
(CSI) được ước lượng chính xác nên tại bộ thu nút 
nguồn sẽ loại bỏ được thành phần tự nhiễu như 
2
R A AP G h x ,
2
R B BP G h x trong (9), (10) tương 
ứng, giả sử mức nhiễu ở các nút mạng tương đương 
nhau và phương sai nhiễu bằng 
2 . Đáng chú ý là tín 
hiệu thu ở mỗi nút nguồn trong mạng TWRN có biểu 
diễn biểu thức toán tương tự như nhau. Để đơn giản, 
trong bài báo này chỉ trình bày tính toán SNDR ở nút 
nguồn A như sau 
2 22
2 2 22 2
22 2 2
R B A B
A
R A A A B B R
R A
P P G h h
P G h P h P h
G P h


 
 (11) 
Trong trường hợp mạng dùng thiết bị phần cứng lý 
tưởng ở nút trung gian, SNDR sẽ được biểu diễn bằng 
[17] 
2 22
22 2 1
R B A B
A
R A
P P G h h
P G h


 (12) 
Thay giá trị của RP từ (5) vào (11), biểu thức 
SNDR được viết lại ở dạng 
2 2
2 2 2 22 2
4
2 2
2 2
1 1
1
2 2
B A B
A
A A A B B R A
R
A A B B
P h h
h P h P h h
P h P h

 
  
 
  
 (13) 
Việc tính xác suất dừng bằng công thức toán chính 
xác dựa trên biểu thức (13) rất phức tạp, nên để đơn 
giản trong tính toán, bỏ qua thành phần rất nhỏ 
4
2 2
1
0
2
A A B BP h P h
 
 
 (khi SNR cao) nên biểu 
thức gần đúng để biểu diễn SNDR là: 
2 2
*
2 2 2 22 2
2 2
2 2
2
4 2 2 22 2
2 2
1
1
2
1
1
2
B A B
A
A A A B B R A
R
A B
A
R A R A B A
B B
R
B
P h h
h P h P h h
h h
P
h h h h
P P
P

 
 
 

 
 
 
 (14) 
III.2. Giao thức TSIS 
Trong giao thức TSIS, giả sử rằng ảnh hưởng suy 
giảm phẩm chất phần cứng chỉ xảy ra ở thiết bị của 
nút đích. Tín hiệu thu ở 2 nút đích tương ứng lúc này 
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016
- 9 - 
được biểu diễn như sau 
2
,
A R A A A A B B B R
A A
R A A A R B A B B
R A R A A
y P h G P h x P h x n
v n
P P G h x P P h h Gx
P Gh n v n
 (15) 
và 
2
,
B R B A A A B B B R
B B
R B B B R A A B A
R B R B B
y P h G P h x P h x n
v n
P P G h x P P h h Gx
P Gh n v n
 (16) 
với ,A Bv v là méo tín hiệu do suy giảm phẩm chất 
phần cứng gây ra trong các nút đích ,A B tương ứng 
và suy giảm phẩm chất phần cứng phân bố theo 
 220,A A R Av CN P h , 220,B B R Bv CN P h . 
Lưu ý rằng trong TSIS, hệ số khuếch đại tín hiệu 
thay đổi như trong biểu thức (17): 
2 22 2
A A B BG P h P h 
 (17) 
Tương tự TSIR, bài báo chỉ trình bày công thức 
tính SNDR ở nút đích A trong mạng vô tuyến chuyển 
tiếp truyền dẫn hai chiều như sau: 
2 22
2 22 2 2 2
R B A B
A
R A R A A
P P G h h
P G h P h

  
 (18) 
Thay RP từ biểu thức (5) vào (18), công thức tính 
SNDR lại được biểu diễn dưới dạng: 
2 2
2 4 2 22 2 2
22 2 2
4
2 2
1
2
1
2
B A B
A
A A A A B A B
A A
A A B B
P h h
h P h P h h
h
P h P h

  
  
 
 
 
 (19) 
Hoàn toàn tương tự các phân tích ở mục III.1, công 
thức gần đúng cho SNDR được viết lại như sau: 
2 2
*
2 4 2 22 2 2
22 2 2
2 2
4 2 22 2
2
22 2
1
2
1
1
2
B A B
A
A A A A B A A B
A A
A B
A
A A A A B
B
A A
B B
P h h
h P h P h h
h
h h
P
h h h
P
h
P P

  
  
 
 
 
 
 
 (20) 
IV. PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG VÀ 
THÔNG LƯỢNG CỰC ĐẠI 
IV.1. Xác suất dừng 
Trước hết, bài báo trình bày biểu thức tính xác suất 
theo phân tích lý thuyết qua bổ đề 1 như bên dưới. 
Bổ đề 1: cho giá trị các biến , ,m n k là hằng số 
dương, 1 2,  là các biến ngẫu nhiên không âm,  là 
giá trị SNDR ngưỡng và 
ii h i
 là độ lợi 
trung bình, biểu thức tính xác suất dừng sẽ được tính 
bằng 
2
1 2
2
1 1 2 1
1
1
1 2
2 1 2 2
1 2 2
1
2 1 2
Pr
2
1
1
1
2 ,
1 1
n
m
m m n k
e
mk
m m
mk
K
m m




  

 

 
 

  
   
   
    
 (21) 
trong đó 1 .K kí hiệu là hàm Bessel chuyển đổi bậc 
1 loại 2. 
Chứng minh: Xem phụ lục 
Kế tiếp, việc tính xác suất cho các tỉ số SNDR 
trong giao thức TSIR, TSIS chỉ áp dụng bổ đề bằng 
cách thay biến như sau 
2
2 2 2 1, , 1R Rm n k
P P
 
  
 
 , TSIR 
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016
- 10 - 
 222 2 1, 1 ,
2
A Am n k
P P
 
 
 
 , TSIS 
IV.2. Thông lượng cực đại 
Trong nghiên cứu này, mô hình truyền tín hiệu 
trong mạng TWRN áp dụng nguyên lý truyền trễ 
giới hạn (delay-limited transmission). Trong đó, tín 
hiệu thu ở nút đích cần giải mã tín hiệu thu theo 
từng khối tín hiệu một và độ dài từ mã nhỏ hơn thời 
gian khung tín hiệu truyền dẫn. Ngoài ra, tốc độ bit 
tín hiệu phát tại các nút nguồn được xem là cố định. 
Khi đó, biểu thức tính thông lượng hoàn toàn xác 
định căn cứ trên giá trị xác suất dừng và SNDR vừa 
tính được trong phần III của bài báo này. 
 
1 2
1 1
TS
A B
out A A out B B
T
C
T
P M M P M M
 (22) 
trong đó 
TSC kí hiệu thông lượng chung cho cả 2 giao 
thức TSIR và TSIS; ,A Bout outP P là xác suất dừng và 
,A BM M kí hiệu như là tốc độ bit cố định ở các nút 
nguồn ,A B tương ứng, và biểu thức tính tốc độ bit 
lần lượt là *2log 1A AM  , *2log 1B BM  . 
Rõ ràng rằng thông lượng 
TSC phụ thuộc vào các biến 
2, , , , ,R AP     . Giả sử với mỗi hệ thống TWRN 
và ứng dụng cụ thể, các tham số sau là xác định 
2, , , ,R AP     , khi đó ta tính được thông lượng cực 
đại dựa trên việc tìm gia trị tối ưu của hệ số thu năng 
lượng vô tuyến. 
V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Trong phần này, bài báo trình bày các kết quả mô 
phỏng để minh họa cho các lý thuyết đã phân tích ở 
trên qua mô phỏng Monte-Carlo với số lần lặp là 
200000 lần, các tham số quan trọng được áp dụng 
chung trong chương trình mô phỏng gồm 
1 2, 1, 1A B A B RP P P       . 
Các mô phỏng này áp dụng cho các hệ thống vô tuyến 
tốc độ cao 
42 1 (hay 4 bits/ sử dụng kênh). Liên 
quan đến việc thu năng lượng vô tuyến, vấn đề hiệu 
suất sử dụng năng lượng thu được hay các ảnh hưởng 
nhiễu suy giảm do chuyển đổi tín hiệu RF sang tín 
hiệu băng tần cơ sở nằm ngoài phạm vi phân tích của 
bài báo này. Do vậy, trong bài báo này có các mô 
phỏng thiết lập giá trị hiệu suất chuyển đổi năng lượng 
là 1 hay hiệu suất chuyển đổi năng lượng thu vô 
tuyến là 100%. 
Để biểu diễn phẩm chất mạng TWRN, các mô 
phỏng trong Hình 1, Hình 2 ứng với xác suất dừng 
cho các giao thức TSIR, TSIS dưới ảnh hưởng của hệ 
số suy giảm phẩm chất phần cứng khác nhau và hệ số 
tỉ lệ thời gian thu năng lượng 0.5 . Dễ dàng thấy 
trong các kết quả mô phỏng, hệ số suy giảm phẩm 
chất phần cứng tăng thì chất lượng hệ thống giảm, đặc 
biệt càng tăng giá trị này thì hệ thống tiến tới giới hạn 
dừng (khi 0,15R ). 
Trong mô phỏng thông lượng cực đại ở Hình 3, bài 
báo giả sử P ,A Bout out out A BP P R R R cho đơn 
giản trong tính toán và thiết lập SNR trung bình nút 
nguồn 2/ 20P dB . Điều đặc biệt là hình vẽ biểu 
diễn thông lượng cho cả TSIR, TSIS trùng khít nhau 
thể hiện giá trị bằng nhau, hay nói khác hơn giá trị 
thông lượng không phụ thuộc vào ảnh hưởng suy 
giảm phẩm chất phần cứng diễn ra ở bất kỳ nút nào 
trong mạng TWRN. Điều này được giải thích là khi cố 
định biến công suất phát P , các tham số quan trọng 
liên quan đến hàm mũ trong (21) ,m n chỉ thay đổi 
nhỏ khi so sánh TSIR và TSIS, nên ảnh hưởng đến 
công thức tính xác suất dừng thay đổi nhỏ và dẫn đến 
thông lượng 2 loại TSIR, TSIS bằng nhau. Hơn nữa, 
ta thấy thông lượng tăng khi thay đổi từ giá trị 0 
đến giá trị tối ưu. Điều này được giải thích là khi tăng 
giá trị hệ số thời gian thu năng lượng nhỏ ảnh hưởng 
tăng công suất thu năng lượng tại nút trung gian và 
làm tăng thông lượng, nhưng khi giá trị vượt qua 
ngưỡng tối ưu thì ta thu hiệu số 1 trong công 
thức sau giảm và làm giảm thông lượng. 
 0 0 01 1 outC M M P M (23) 
0M kí hiệu như là tốc độ bit cố định 
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016
- 11 - 
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
P/2 (dB)
O
u
ta
g
e
 P
ro
b
a
b
ili
ty
 a
t 
N
o
d
e
 A
TSIR
Simulation
Analysis

R
=0, 0.05, 0.1, 0.15
Hình 1. Xác suất dừng ở nút mạng A theo 
2P  trong giao thức thu năng lượng TSIR 
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
P/2 (dB)
O
u
ta
g
e
 P
ro
b
a
b
ili
ty
 a
t 
N
o
d
e
 A
TSIS
Simulation
Analysis

A
=0, 0.05, 0.1, 0.15
Hình 2. Xác suất dừng ở nút mạng A theo 
2P  trong giao thức thu năng lượng TSIS 
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
T
h
ro
u
g
h
p
u
t(
b
it
s
/s
/H
z
)
TSIR, TSIS
Simulation
Analysis

R
=
A
=0

R
=
A
=0.05

R
=
A
=0.1

R
=
A
=0.15
Hình 3. Thông lượng cực đại cho giao thức TSIR, 
TSIS 
VI. KẾT LUẬN 
Bài báo này đã chứng minh biểu thức tính gần 
đúng cho SNDR áp dụng trong mạng chuyển tiếp AF 
hai chiều và từ đó tính được biểu thức xác suất dừng. 
Ngoài ra, bài báo đã đề xuất hai giao thức thu năng 
lượng và truyền thông tin đồng thời qua mạng vô 
tuyến, cụ thể hơn bài báo đã phân tích hai chính sách 
thu năng lượng vô tuyến phụ thuộc tùy vào các trường 
hợp suy giảm phẩm chất phần cứng xảy ra ở nút mạng 
nào trong hệ thống TWRN. 
Các kết quả mô phỏng cho thấy có thể chọn hệ số 
thu năng lượng phù hợp để có thông lượng cực đại 
cho cả hai giao thức đã trình bày TSIR, TSIS. Đóng 
góp đáng kể khác của bài báo là đánh giá ảnh hưởng 
của thông số suy giảm phần cứng đến xác suất dừng 
và thông lượng như thế nào trong mạng có nút chuyển 
tiếp trang bị khả năng thu năng lượng vô tuyến. Đây là 
cơ sở để các kỹ sư thiết kế mạng lựa chọn các thiết bị 
phẩm chất đạt yêu cầu phẩm chất nhất định để đảm 
bảo chất lượng dịch vụ trong các ứng dụng tốc độ cao 
của các hệ thống vô tuyến thực tiễn. 
PHỤ LỤC 
Chứng minh Bổ đề 1: 
Xét 2 biến ngẫu nhiên độc lập 1 2,  , dùng qui luật 
tính tổng xác suất có điều kiện dựa trên , 1,2i i . 
Giả sử ta tính xác suất có điều kiện cho 1 , khi đó biểu 
thức tính xác suất như sau: 
1
1 2
2
1 1 2 1
1 2
12
1 1 2 10
Pr
1 Pr
X
m m n k
f x dx
m m n k



  

 
  
 (A.1) 
Tiếp tục tính riêng xác suất có điều kiện sau: 
 2
1 2
12
1 1 2 1
2
1 1
1
Pr
1
1 ,
1
1
0,
m m n k
m n k
F m
m
m


 
  
   
 

 (A.2) 
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016
- 12 - 
Thay thế (A.2) và áp dụng các hàm phân bố xác suất 
trong (2), (3) vào (A.1), biểu thức trong (A.1) được viết lại 
là 
2
2 1
2 1 22
1
1
10
1 1
1 11
1 0
1
1
1
1
mx nx k x
x m
m kn
x
m m xm
I e e dx
e e dx


 
 
 
     


 (A.3) 
Cuối cùng áp dụng công thức tính tích phân (3.324.1) 
trong [18] 1
0
exp
4
x dx K
x
 

 , sau vài 
biến đổi đại số đơn giản ta đạt được công thức như (21). 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] J. PARK and B. CLERCKX, "Joint wireless 
information and energy transfer in a two-user MIMO 
interference channel," IEEE Trans. Commun., vol. 12, 
no.8, pp. 4210–4221, 2013. 
[2] M. DOHLER AND Y. LI, Cooperative 
communications: hardware, channel and PHY. : John 
Wiley & Sons, 2010. 
[3] I. AHMED, A. IKHLEF, R. SCHOBER, and R. K. 
MALLIK, "Joint power allocation and relay selection 
in energy harvesting AF relay systems," IEEE Wireless 
Commun. Lett., vol. 2, no. 2, pp. 239-242, 2013. 
[4] S. YIN, E. ZHANG, Z. QU, L. YIN and S. LI, 
"Optimal cooperation strategy in cognitive radio 
systems with energy harvesting," IEEE Trans. 
Commun., vol. 13, no. 9, pp. 4693-4707, 2014. 
[5] Z. WANG, Z. CHEN, L. LUO, Z. HU, B. XIA and H. 
LIU, "Outage analysis of cognitive relay networks with 
energy harvesting and information transfer," in Proc. 
of International Conference on Communication (ICC), 
Sydney, Australia, 2014, pp. 4348-4352. 
[6] Y. GU and S. AISSA, "Interference aided energy 
harvesting in Decode-and-Forward relaying systems," 
in Proc. of the IEEE International Conference on 
Communications (ICC), Sydney, Australia, 2014, pp. 
5378-5382. 
[7] 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, 
2013. 
[8] S. LUO, R. ZHANG and T. J. LIM, "Optimal save-
then-transmit protocol for energy harvesting wireless 
transmitters," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12, 
no. 3, pp. 1196-1217, 2013. 
[9] X. ZHOU, R. ZHANG and C. K. HO, "Wireless 
information and power transfer: architecture design 
and rate-energy tradeoff," IEEE Trans. Commun., vol. 
61, no. 11, pp. 4754-4767, 2013. 
[10] F. S. AL-QAHTANI, J. YANG, R. M. RADAYDEH 
and H. ALNUWEIRI, "On the capacity of two-hop AF 
relaying in the presence of interference under 
Nakagami-m fading," IEEE Commun. Lett., vol. 17, 
no. 1, pp. 19-22, Jan. 2013. 
[11] K.-S. HWANG, M. JU and M.-S. ALOUINI, "On the 
outage performance of two-way Amplify-and-Forward 
relaying with outdated CSI over multiple relay 
network," in Proc. of IEEE 24th International 
Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio 
Comm., London, UK, 2013, pp. 1-5. 
[12] S. S. IKKI and S. AISSA, "Performance analysis of 
two-way amplify-and-forward relaying in the presence 
of co-channel interferences," IEEE Trans. Commun., 
vol. 60, no. 4, pp. 933–939, 2012. 
[13] R. LOUIE, Y. LI, H. A. SURAWEERA and B. 
VUCETIC, "Performance analysis of beamforming in 
two-hop amplify and forward relay networks with 
antenna correlation," IEEE Trans. Wireless Commun., 
vol. 8, no. 6, pp. 3131–3142, 2009. 
[14] ALI A. NASIR, XIANGYUN ZHOU, SALMAN 
DURRANI, and R. A. KENNEDY, "Throughput and 
ergodic capacity of wireless energy harvesting based 
DF relaying network," in Proc. of IEEE International 
Conference on Communications (ICC), Sydney, 
Australia, 2014, pp. 1-6. 
[15] J. LI, M. MATTHAIOU, and T. SVENSSON, "I/Q 
imbalance in two-way AF relaying," IEEE Trans. 
Commun., vol. 62, no. 7, pp. 2271-2285, 2014. 
[16] G. CHEN, O. ALNATOUH and J. CHAMBERS, 
"Outage probability analysis for a cognitive amplify-
and-forward relay network with single and multi-relay 
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập V-1, Số 15 (35), tháng 6/2016
- 13 - 
selection," IET Commun., vol. 7, no. 7, pp. 1974–1981, 
2013. 
[17] Y. LIU, L. WANG, M. ELKASHLAN, T. Q. DUONG, 
and A. NALLANATHAN, "Two-way relaying 
networks with wireless power transfer: policies design 
and throughput analysis," in Proc. of IEEE Global 
Communications Conference (GLOBECOM'14) 
Austin, TX, 2014. 
[18] I. S. GRADSHTEYN and I. M. RYZHIK, Table of 
Integrals, Series, and Products. New York, NY, USA: 
Academic, 2000. 
Nhận bài ngày: 03/11/2014 
S LƯỢC VỀ TÁC GIẢ 
Đ ĐÌNH THUẤN 
Sinh năm 1980 tại Phú Yên. 
Tốt nghiệp kỹ sư, thạc sỹ và tiến 
sỹ ngành Vô tuyến Điện tử 
tương ứng vào năm 2003, 2007 
và 2012 tại ĐH Quốc gia TP. 
HCM; thực tập sinh tiến sỹ tại 
Phòng thí nghiệm Thông tin vô 
tuyến, ĐH Quốc gia Tsing Hua, Đài Loan 2010. 
Hiện giảng dạy tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. 
HCM . 
Lĩnh vực nghiên cứu: ước lượng kênh trong truyền 
thông vô tuyến MIMO, mạng chuyển tiếp, mạng vô 
tuyến 5G, xử lý tín hiệu trong hệ thống giao thông 
thông minh. 
Điện thoại: 0918 095 094 
Email: dodinhthuan@hcmute.edu.vn