Nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT)

Tính cấp thiết của đề tài Thông tin không dây và truyền công suất đồng thời SWIPT là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng tuổi thọ các node không dây và do đó giảm được hạn chế về mặt năng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS BÙI THỊ MINH TÚ

Phản biện 1: PGS.TS TĂNG TẤN CHIẾN

Phản biện 2: TS ĐỖ HỒNG TUẤN

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 15 tháng 07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng, tại trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

- Thư viện Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa –

ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Thông tin không dây và truyền công suất đồng thời (SWIPT) là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng tuổi thọ các node không dây và do

đó giảm được hạn chế về mặt năng lượng của mạng không dây là các nút cổ chai năng lượng Để thay thế cho kỹ thuật cung cấp năng lượng truyền thống, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu tần số

vô tuyến, và hy vọng sẽ mang lại một số thay đổi cơ bản cho thiết kế mạng thông tin liên lạc không dây Đề tài này tập trung vào các ứng dụng tiền mã hóa trong hệ thống SWIPT, cụ thể là thiết kế và xây dựng mô hình sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa sử dụng WMMSE cho hệ thống SWIPT MIMO BC Mô hình này khác biệt với phương pháp tiền mã hóa trước đó là xem xét vấn đề tối ưu điểm cân bằng giữa tốc độ truyền và năng lượng bằng cách làm giảm tổng trọng số MSE Mặt khác việc sử dụng các công nghệ đa anten giúp cải thiện hiệu quả năng lượng của việc truyền năng lượng không dây đáng kể Ví

dụ, MIMO có thể được sử dụng để tăng tuổi thọ của mạng cảm biến, trong đó một trung tâm dữ liệu thống nhất được trang bị với nhiều anten mà nó có thể tập trung năng lượng sóng vô tuyến (RF) của nó trên các cảm biến cần phải được sạc pin không dây, dẫn đến nhiều hơn giải pháp năng lượng hiệu quả hơn cho một máy phát đơn anten Việc áp dụng các công nghệ đa anten để SWIPT mở ra nhiều khả năng mới thú vị, nhưng cũng mang lại một số thách thức đối với việc cải thiện hiệu suất phổ và năng lượng trong các hệ thống không dây

2 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu hệ thống truyền thông tin & năng lượng không dây đồng thời (SWIPT)

- Nghiên cứu và đề xuất các thuật toán nâng cao độ cân đối giữa hiệu suất cung cấp năng lượng và chất lượng truyền tín hiệu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Kiến thức tổng quan về hệ thống MIMO

- Kiến thức tổng quan về hệ thống WPT và các ứng dụng hiện

- Thiết lập mô hình hệ thống SWIPT trong MIMO BC

- Đề xuất thiết lập mô hình hệ thống SWIPT trong MIMO bằng phương pháp tối thiểu trọng số MSE

- Thiết lập, tính toán và tối ưu mô hình hệ thống SWIPT

- Đánh giá kết quả thực hiện, đề xuất hướng phát triển đề tài

4 Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu về hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời

- Tìm hiểu nghiên cứu về công nghệ anten thông minh mà cụ thể là công nghệ đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO)

- Đánh giá ưu nhược điểm về nguyên lý hoạt động của mô hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời

- Đề xuất các giải pháp tiền mã hóa giúp nâng cao hiệu suất nhận năng lượng và thông tin của máy thu

- Áp dụng các phương pháp tiền mã hóa vào mô hình hệ thống SWIPT trong MIMO BC bằng phần mềm Matlab Dựa vào kết quả đạt được, đánh giá chất lượng của phương pháp đề xuất so với phương pháp trước đó

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT)

là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng tuổi thọ các node không dây và

do đó giảm được sự hạn chế về mặt năng lượng của mạng không dây

là các nút cổ chai năng lượng Để thay thế cho kỹ thuật khai thác

năng lượng truyền thống, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu tần số vô tuyến, và hy vọng sẽ mang lại một số thay đổi cơ bản cho thiết kế mạng thông tin liên lạc không dây Đề tài này tập trung vào các ứng dụng của công nghệ anten thông minh tiên tiến cho SWIPT, bao gồm nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) và các kỹ thuật tiền mã hóa Những công nghệ anten thông minh có khả năng cải thiện đáng

kể hiệu quả năng lượng và cũng có hiệu quả quang phổ của SWIPT Topo mạng khác nhau được phân tích nghiên cứu, cùng với một số giải pháp tiền mã hóa triển vọng để đạt được một sự cân bằng giữa hiệu năng và độ phức tạp của hệ thống

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn gồm có 4 chương:

HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO Chương 1.

Giới thiệu chương

1.1

Ngày nay, cùng với các nhu cầu về liên lạc, công việc cũng như giải trí của con người càng ngày càng có những đòi hỏi khắt khe hơn về chất lượng, ổn định và sự linh hoạt để tối đa hóa trải nghiệm của người dùng Các hệ thống đa anten đã được ứng dụng và triển khai thành công cho các mạng truy cập không dây băng rộng (ví dụ MIMO-Wifi, MIMO-UMTS, LTE, WiMAX…) nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của tốc độ dữ liệu truyền tin cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị thu nhận tín hiệu không dây, trong một số hệ thống viễn thông hiện tại và trong tương lai So với các hệ thống một anten duy nhất, dung lượng của hệ thống đa anten bao gồm 𝑁𝑇 anten phát và 𝑁𝑟 anten thu được tăng lên mà không cần phải tăng công suất phát và trải rộng thêm phổ tần Chương 1 sẽ trình bày tổng quan về hệ thống kênh đa anten phát, đa anten thu ( kênh truyền MIMO) và một số vấn đề liên quan đến tiền mã hóa trong hệ thống MIMO

Chương này đã chỉ ra rằng MIMO là các hệ thống truyền dẫn

vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở máy phát và máy thu,

nhằm làm tăng tốc độ truyền.Với các phương pháp tiền mã hóa,công nghệ MIMO có thể được sử dụng rất hữu ích trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây MIMO vẫn đang còn có thể phát triển khi kết hợp với những công nghệ khác để tạo ra những đột phá mới trong công nghệ, nhàm làm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con người trong thông tin liên lạc, giao lưu văn hóa…

MIMO đã tạo ra những ưu thế mới cho các ứng dụngkhông dây nói chung, tạo thế mạnh cho công nghệ này phát triển mạnh mẽ phục vụ ngày càng cao những nhu cầu về giải trí, truyền tải đa phương tiện… Trong tương lai, hệ thống MIMO sẽ được sử dụng rộng rãi và nâng cao hơn nữa để mang đến chất lượng tốt nhất cho người sử dụng

TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG Chương 2.

KHÔNG DÂY

Giới thiệu chương

2.1

Kỹ thuật truyền năng lượng (energy harvesting) sử dụng tần số

vô tuyến điện (RF) gần đây đã trở thành các phương pháp thay thế để cấp nguồn cho các mạng không dây thế hệ tiếp theo Vì công nghệ mới này cho phép bổ sung năng lượng thuận tiện hơn cho các thiết bị không dây Công nghệ nàygóp phần tạo thuận lợi trong việc hỗ trợ các ứng dụng với các yêu cầu về chất lượng dịch vụ, nhằm tối ưu hóa tài nguyên băng tần.Nội dung chương này sẽ trình bày tổng quan về các mạng không dây với khả năng thu nhận năng lượngsử dụng RF (WPT)

Bảng 2.1Số liệu thực nghiệm về thu năng lượng bằng sóng RF

Loại nguồn

Công suất nguồn

Tần số (MHz)

Khoảng cách

Mức năng lượng thu được

Máy phát Isotropic [26] 4 W 902-928 15 m 5.5W Máy phát Isotropic [27] 1.78 W 868 25 m 2.3W Máy phát Isotropic [28] 1.78 W 868 27 m 2W Máy phát Powercaster

về năng lượng cho các lĩnh vực công nghệ hiện tại

Tóm lại, với sự phát triển bùng nổ của IoT và mạng cảm biến không dây, các hệ thống truyền năng lượng không dây bằng sóng RF

đã tạo được sự quan tâm đặc biệt Công nghệ này giúp giải quyết được vấn đề nan giải của các mạng cảm biến không dây cũng như các thiết bị y sinh về mặt năng lượng và kích thước thiết bị…

MÔ HÌNH HỆ THỐNG SWIPT TRÊN Chương 3.

từ và bức xạ điện từ (EM) cho các ứng dụng ngắn / trung bình / dài.Chương này chỉ trình bày về tín hiệu EM hoặc sóng vô tuyến nói riêng được sử dụng cho WPT Vì các tín hiệu vô tuyến có thể mang năng lượng cũng như thông tin cùng một lúc cho nên chương này tập trung nghiên cứu về truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) Cụ thể, chương này trình bày một hệ thống phát sóng không dây nhiều ngõ ra, nhiều ngõ vào (MIMO) gồm có ba nút, trong

đó một máy thu thu được năng lượng và một máy thu khác giải mã thông tin riêng biệt với tín hiệu được gửi bởi một máy phát thông thường và tất cả máy phát và máy thu có thể được trang bị nhiều anten

Hai kịch bản được kiểm tra, trong đó bộ thu nhận thông tin và

bộ thu năng lượng tách ra và xem như các kênh MIMO là khác nhau

từ máy phát, hoặc đồng vị trí và xem kênh MIMO giống hệt nhau từ máy phát Đối với trường hợp của máy thu tách rời, phương pháp truyền tải tối ưu được trình bày nhằm đem lại sự cân bằng giữa tốc độ truyền tối đa và năng lượng thu được, được đặc trưng bởi ranh giới

của một vùng được gọi là Tốc độ truyền – Năng lượng thu được (R-E) Đối với trường hợp của máy thu nhận đồng vị, ta thấy một

giới hạn bên ngoài cho khu vực R-E có thể đạt được do hạn chế của

máy thu năng lượng thực tế vẫn chưa có khả năng trực tiếp giải mã thông tin

Mô hình hệ thống SWIPT BC MIMO

Với 𝜐 là hằng số “mực nước” (water level) để ∑𝑇2 𝑝𝑖 = 𝑃

Các máy thu tách biệt

Hệ quả 3.1: Trong trường hợp kênh MISO từ máy phát đến

máy thu ID, tức là, 𝐻 ≡ ℎ𝐻, giải pháp tối ưu cho bài toán (P3) tối giãn dưới dạng sau:

Định lý 3.2: Trong trường hợp các kênh MISO từ máy phát

đến cả máy thu ID và EH, tức là 𝑯 ≡ 𝒉𝐻, và 𝑮 ≡ 𝒈𝐻, giải pháp tối

ưu cho bài toán (P3) có thể được biểu diễn bằng 𝑺∗= 𝑷𝒗𝒗𝐻

Các máy thu đồng vị

3.2.3.2

a) Ràng buộc về hiệu suất bên ngoài

Hệ quả 3.2: Trong trường hợp máy thu EH và ID đồng vị với G=H , giải pháp tối ưu của vấn đề (P3) có dạng: 𝑺∗= 𝑽𝐻𝚺𝑽𝐻𝐻 tại

𝚺 = 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑝̂1, 𝑝̂2, … , 𝑝̂𝑇2) với các phần tử thu được dựa theo giải pháp phân bố năng lượng WF:

b) Chuyển mạch thời gian (Time switching )

Hình 3.2Thiết kế chuyển mạch thời gian với máy thu EH và ID

đồng vị

 Giới hạn công suất cố định:

 Giới hạn công suất linh hoạt:

c) Chia tách công suất (Power Splitting)

(a) Máy thu đồng vị với bộ tách công suất

(b) Máy thu ID không có bộ tách công suất Hình 3.3 Hoạt động của máy thu có / không có bộ tách công suất (năng lượng thu được do nhiễu của máy thu bị bỏ qua cho máy thu EH)

Kết luận chương

3.3

Chương này đã trình bày về các giới hạn về hiệu suất của SWIPT trong hệ thống MIMO BC Với một thiết kế 3 nút đơn giản, chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản về cân băng R-E trong

hệ thống MIMO để tối đa hóa hiệu năng của việc truyền thông tin và năng lượng đồng thời đó là:

Đã xây dựng được mô hình truyền sóng cho SWIPT trong hệ thống MIMO BC với mô hình 3 nút cơ bản

Đã chỉ ra được những vấn đề cơ bản trong các trường hợp cụ thể như thu nhận tín hiệu và năng lượng đồng thời và không đồng thời

Đã trình bày được các định lý, các điều kiện ràng buộc để xây dựng các ma trận tiền mã hóa nhằm truyền thiết lập được vùng tối ưu giữa tốc độ truyền tín hiệu và năng lượng truyền với bài toán tối ưu kép tuy còn khá phức tạp trong tính toán Vấn đề này sẽ được

đề xuất giải quyết trong chương tiếp theo

MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN WMMSE CHO Chương 4.

đã mô tả đầy đủ vùng cân bằng tỷ lệ năng lượng bằng cách đề xuất kỹ thuật tiền mã hóa tối ưu cho hai đầu ra BC SWIPT có nhiều anten phát và nhiều anten thu (MIMO), trong đó một đầu ra là thu năng lượng(EH) và một đầu ra thu tín hiệu (ID) chia sẻ cùng một tài nguyên phổ tần

Mặc dù các thiết kế dựa trên tốc độ truyền thông tin như vậy

có thể hữu ích cho việc đánh giá hiệu suất của hệ thống, nhưng nó khó có thể thực hiện được trong thực tế do độ phức tạp mã hoá và giải mã cao Nhằm làm đơn giản hóa vấn đề, em đề xuấtxét thông số bình phương trung bình lỗi tối thiểu (MMSE) giống như cho các mạng truyền thông thông thường nơi mà việc truyền tín hiệu là mối quan tâm duy nhất [8]-[9] Tuy nhiên, không có nghiên cứu nào trước

đó về vấn đề máy thu tuyến tính trong các hệ thống SWIPT

Nội dung chương này phát triển một phương pháp thiết kế mới của máy phát và máy thu ID theo MMSE cho MIMO BC SWIPT, với máy thu EH và máy thu ID được tách riêng, và xác định vùng cân bằng tối ưu nhất về MSE và năng lượng Để có được một xử lý theo

hướng tối ưu hơn về hiệu năng lỗi, em xây dựng một hệ thống SWIPT MMSE (WMMSE) có sử dụng trọng số làm giảm thiểu các tổng trọng số lỗi cho máy thu ID trong khi vẫn đáp ứng được giới hạn

EH đã xác định trước cho máy thu EH Vì hàm không lồi nên sẽ gây

ra những khó khăn hơn trong việc tính toán bằng trọng số so với trường hợp thông thường Để giải quyết vấn đề, trước tiên em tập trung vào phía máy phát cho riêng máy thu ID và đưa ra giải pháp là một dạng bán kín mà có thể tính toán được bằng các phương pháp phân đôi (bisection) đơn giản Khi máy thu ID có một anten đơn, thì búp sóng tối ưu được tạo ra từ phương pháp tiền mã hóa cho em thấy

tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tối đa tương ứng với tốc độ truyền tin tối đa trong [7] Đặc biệt thú vị khi giải pháp đề xuất có thể đạt được bằng phương pháp phân đôi (bisection) đơn giản, trong khi thiết kế trước đó vẫn cần phải tính toán bằng phương pháp “elipsoid” phức tạp để đi đến cùng một điểm

Thiết kế bộ thu /phát WMMSE cho hệ thống SWIPT

4.2

Mô hình hệ thống

4.2.1

Hình 4.1 Mô hình một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT

với bộ thu phát tuyến tính

Bây giờ xét trường hợp cả 2 máy thu EH và ID cùng tồn tại

Khi đó, vùng MSE -năng lượng có thể đạt được là

Tính toán tối ưu hệ thống

− 𝜆(𝑻𝒓(𝐅H𝐆H𝐆𝐅) − 𝐄̅)+ 𝜇(Tr[𝐅𝐅𝐇] − 𝐏𝐓)

(4-1)

Ta giải các điều kiện KKT để có được các điều kiện cần thiết

cho việc tối ưu:

𝐋𝐇𝐅𝐅H𝐇F+ 𝐋 = 𝛾𝐅𝐇𝐇𝐇

(4-2)

𝐇𝑯𝐋𝑯𝐖𝐋𝐇𝐅 − 𝜆̅𝐆𝐻𝐆𝐅 + 𝜇̅𝐅 = 𝛾𝐇𝐇𝐋𝑯𝐖 (4-3) 𝑇𝑟(𝐖𝐋𝐇𝐅𝐅H𝐇H𝐋𝑯+ 𝐖𝐋𝐋𝑯) = 𝛾𝑇𝑟(𝐅H𝐇H𝐋𝑯𝐖) (4-4)

𝜆 ≥ 0; 𝜇 ≥ 0; 𝑇𝑟(𝐅H𝐆H𝐆𝐅) ≥ 𝐄̅; Tr[𝐅𝐅𝐇] ≤ 𝐏𝐓 (4-5)

𝜇̅(Tr[𝐅𝐅𝐇] − 𝐏𝐓) = 0 (4-6) 𝜆̅(𝑇𝑟(𝐅H𝐆H𝐆𝐅) − 𝐄̅) = 0 (4-7) Với 𝜆̅ ≜ 𝜆𝛾2, 𝜇̅ ≜ 𝜇𝛾2 và các phương trình từ (4-5) đến (4-7)

là các kết quả suy ra từ các điều kiện cho bằng “0” của các đạo hàm theo các biến

 Định lý 4-1: Khi L được cho tùy ý, các kết quả của bài toán

𝜆̅𝐄̅+𝑇𝑟(𝐖𝐋𝐋 𝑯 )

𝐏 𝐓 > 0

Từ đây, hàm tối ưu 2 biến J(𝝀̅, 𝝁 ̅) trở thành hàm 1 biến J(𝝀̅)

 Kết luận 4-1:𝝀̅ tối ưu có giá trị trên dải0 ≤ 𝜆̅ < 1 𝒌 ⁄

 Kết luận 4-2:J(x) là một hàm đơn điệu tăng trong khoảng

0 ≤ 𝒙 < 1 𝒌⁄ và lim𝑥→1 𝑘⁄ 𝐉(x) > 0

 Định lý 4-2: Khi 𝛾 và F được đưa ra, giải pháp của vấn đề (4-3) được biểu diễn bằng

𝐋̂ = 𝛾𝐅𝐻𝐇𝐻(𝐇𝐅𝐅𝑯𝐇𝑯+ 𝐈𝑵𝑻)−1 (4-8) Lưu đồ thuật toán phương pháp tối ưu WMMSE:

For j=1:N_loop

Khởi tạo 𝐅̅ và 𝛾𝑗 𝑗= (𝐏𝐓⁄Tr (𝐅̅ 𝐅̅𝒋 𝒋𝑯))1/2

Lựa chọn kết quả tốt nhất {𝐅𝑗, 𝐋𝑗|𝑗 = 1, … , 𝑵𝐺} để cho ra tổng

MMSE tối thiểu

4.3 Mô phỏng và kết quả:

Bảng 4.1 Các thông số hệ thống của mô hình mô phỏng

Mật độ phổ công

Hiệu suất chuyển