Nghiên cứu kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến trong mạng truyền thông song công

Trong những tình huống như vậy, việc thu nhận năng lượng, với khả năng cung cấp một nguồn năng lượng lâu dài, trở thành một phương pháp hấp dẫn để kéo dài tuổi thọ các mạng không dây.. G

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



CAO THỊ THU SƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS TS NGUYỄN LÊ HÙNG

TS BÙI THỊ MINH TÚ

Phản biện 1: Phản biện 2:

Luận văn sẽ 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

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

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong các mạng không dây thông thường, như các mạng cảm biến hay các mạng di động, các thiết bị được trang bị pin có thể thay thế hoặc pin sạc Thời gian hoạt động của các loại pin này có giới hạn Mặc dù thay thế hay sạc pin định kỳ có thể là một lựa chọn khả thi nhưng nó rất là bất tiện (đối với một mạng cảm biến với hàng ngàn các nút cảm biến phân phối), nguy hiểm (đối với các thiết bị nằm trong môi trường độc hại), hay thậm chí là không thể (đối với các cảm biến cấy ghép trong cơ thể con người) Trong những tình huống như vậy, việc thu nhận năng lượng, với khả năng cung cấp một nguồn năng lượng lâu dài, trở thành một phương pháp hấp dẫn để kéo dài tuổi thọ các mạng không dây Nguồn điển hình cho việc thu năng lượng bao gồm năng lượng mặt trời và gió Gần đây tín hiệu vô tuyến xung quanh cũng nhận được sự quan tâm nghiên cứu nhiều như là một nguồn hữu hiệu mới cho việc thu nhận năng lượng, hỗ trợ bởi các lợi thế mà các tín hiệu không dây có thể mang theo cả năng lượng cũng như thông tin

Bên cạnh đó, nhu cầu truyền dẫn dữ liệu không dây ngày càng tăng lên, ước đoán có thể tăng gấp 10 lần từ nay đến năm 2020 Xu thế IoT (Internet of Things) hiện nay đã có hơn 5 tỷ nút mạng đầu cuối và khả năng sẽ tăng đến 20 tỷ vào năm 2020 Phổ tần ngày càng trở nên đắt đỏ hơn, trong một cuộc đấu giá vào năm 2015 FCC đã bán một băng tần 65MHz với giá 44,9 tỷ đô la Bởi vây, việc làm sao tăng được hiệu suất của phổ tần rất là quan trọng đối với các kỹ sư không dây để

từ đó ngày càng tăng tốc độ dữ liệu Tuy nhiên, các hệ thống truyền thông không dây thường hoạt động theo mô hình bán song công, làm tiêu tốn nguồn tài nguyên phổ tần Nếu chúng có thể hoạt động theo

mô hình song công thì dung lượng sẽ tăng gấp đôi do truyền và nhận trong toàn bộ băng thông, cải thiện phổ tần cho hệ thống mạng không dây

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu việc hệ thống truyền thông song công trong băng Nghiên cứu việc kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến trong mạng truyền thông vô tuyến

Nghiên cứu đánh giá hiệu năng của mô hình đề xuất với các mô hình truyền thống và các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Kiến thức tổng quan về mạng truyền thông song công trong băng Kiến thức về thu nhận năng lượng vô tuyến

Việc thu nhận năng lượng trong hệ thống song công

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

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để làm rõ nội dung của đề tài Cụ thể là:

 Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống song công

 Nghiên cứu lý thuyết về thu nhận năng lượng vô tuyến

 Nghiên cứu việc thu nhận năng lượng vô tuyến trong hệ thống song công

 Nghiên cứu hiệu năng và các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Song công không phải là một vấn đề mới và hiệu quả của nó thì không ai phủ nhận về dung lượng, hiệu suất phổ tần nhưng do những bài toán nhược điểm quá nan giải nên nó đã bị chìm trong một thời

gian dài Ngày nay, với những nghiên cứu mới, công nghệ mới về phần cứng một phần nào đã khắc phục những nhược điểm đó, đưa mô hình song công trở thành một trong những công nghệ của mạng thế mới thứ

5 (5G) Bên cạnh đó, các dịch vụ viễn thông ngày càng đa dạng, nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cao cùng với xu thế IoT với hàng tỷ sensor của nhiều loại mạng không đồng nhất kết nối với nhau đòi hỏi băng thông, tốc độ kết nối phải bền vững và chuyển mạng linh hoạt Việc kết hợp thu nhận năng lượng vào hệ thống song công giúp cho các sensor luôn duy trì được nguồn năng lượng mà không phải phụ thuộc vào bộ sạc pin, đặc biệt là các sensor trong lĩnh vực y tế, xây dựng

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 4 chương:

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG

SONG CÔNG

Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT THU NHẬN

NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

Chương 3 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU

NĂNG THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG

Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN

THÔNG SONG CÔNG 1.1 Giới thiệu chương

1.2 Giới thiệu về hệ thống truyền dẫn song công

1.2.1 Viễn cảnh của hệ thống truyền thông không dây

1.2.2 Khái niệm và ưu nhược điểm của truyền thông song công

Khái niệm về của cấu trúc truyền song công (IBFD) là sử dụng cùng tài nguyên thời gian và quang phổ để trao đổi thông tin, tức là truyền và nhận đồng thời dữ liệu trên cùng một băng tần Ngược lại với các hệ thống hiện tại, hoạt động trong chế độ bán song công (giao tiếp đơn hướng) hoặc trong chế độ song công ngoài băng (kỹ thuật đa truy cập phân chia theo thời gian hoặc tần số), cách tiếp cận mới này cho phép một thiết bị đầu cuối hoạt động một cách đồng thời trên cùng một băng tần, tăng gấp đôi hiệu quả quang phổ của một hệ thống

1.2.2.1 Ưu điểm cơ bản của IBFD

1.2.2.2 Nhược điểm của IBFD

Nhiễu nội (SI): Nhược điểm lớn nhất của IBFD là sự xuất hiện của nhiễu nội, đó là sự nhiễu loạn của tín hiệu phát gây ra tại ăng-ten thu của cùng một đầu cuối (Hình 1.1) Do đó, một thiết bị đầu cuối có thể gây nhiễu cho chính nó khi phát tín hiệu trong cùng dải tần với tín hiệu mà nó cũng đang cố gắng lắng nghe Khoảng cách giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu tại một trạm (chứ không phải là khoảng cách giữa hai trạm) ngắn nên công suất của nhiễu nội lớn hơn rất nhiều so với công suất của tín hiệu mong muốn Sự chênh lệch giữa công suất tín hiệu mong muốn và nhiễu nội tăng lên theo cấp số nhân khi khoảng cách dài hơn Vì những lý do này, cách đây không nhiều năm, cộng đồng mạng viễn thông cho rằng thiết bị vô tuyến không thể nhận và truyền trên cùng một băng tần Tuy nhiên, nhu cầu về luồng kết nối dữ liệu nhanh hơn và sự phân bổ phổ tần giảm đã khuyến khích nghiên cứu về IBFD trong suốt 4 – 5 năm qua, khiến nó trở thành một ý tưởng mới với tiềm năng to lớn để tích hợp các công nghệ trong tương lai

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một trạm IBFD

1.2.3 Quá trình khử nhiễu nội trong truyền thông song công

Thông thường, quá trình triệt tiêu nhiễu nội được chia thành làm

ba giai đoạn hoặc lĩnh vực khác nhau Thứ nhất, về truyền dẫn không dây, có khả năng kết hợp các kỹ thuật như hướng ăng-ten, phân cực chéo hoặc điều hướng chùm sóng Thứ hai bao gồm việc lấy tín hiệu thu được trừ đi bản sao của tín hiệu phát, đã điều chỉnh độ lợi, pha và

độ trễ bởi các mạch tần số vô tuyến Mặc dù các ứng dụng của các phương pháp đã đề cập có thể đạt được mức yêu cầu về mối liên quan giữa năng lượng và nhiễu để truyền tin cậy trong các bài kiểm tra nhưng khi tính đến các ảnh hưởng của môi trường thực thì không đủ

Để xử lý các biến đổi kênh trong các tình huống như vậy, các bộ lọc miền số được sử dụng để xử lý tín hiệu Hơn nữa, các kỹ thuật như phân bổ năng lượng tối ưu, lọc thích nghi, điều hướng chùm sóng thích nghi…, được sử dụng để cải thiện hơn nữa việc giảm thiểu nhiễu nội

SI Do vậy, thiết bị đầu cuối IBFD cần kết hợp các giai đoạn xử lý như được mô tả trong hình 1.2

Hình 1.2 Cấu trúc các miền giảm nhiễu nội trong truyền thông song công

1.2.3.1 Miền lan truyền

1.2.3.2 Miền tương tự

1.2.3.3 Miền xử lý tín hiệu số

1.2.4 Các mô hình cơ bản của mạng truyền dẫn song công

1.2.4.1 Mạng truyền dẫn song công hai chiều

Hình 1.5 Mô hình mạng truyền dẫn song công hai chiều

Trong hình 1.5, mô hình hai chiều gồm hai trạm a và b muốn trao đổi tín hiệu với nhau để giao tiếp hai chiều Gọi các đường truyền từ

trạm a đến trạm b như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 và từ trạm b đến trạm a là (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 Với truyền dẫn bán song công thì (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏

và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 sử dụng tài nguyên thời gian hay tần số riêng biệt cho truyền trực giao, điều này có thể làm giảm hiệu quả quang phổ Trong khi với truyền dẫn IBFD, các cặp trạm có thể truyền và nhận các tín hiệu đồng thời với một dải tần số duy nhất, do đó về mặt lý thuyết có thể tăng gấp đôi hiệu suất quang phổ so với truyền dẫn bán song công

1.2.4.2 Mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp

Hình 1.6 Mô hình mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp Truyền dẫn chuyển tiếp thường bao gồm ba loại trạm, một trạm nguồn s, một trạm chuyển tiếp r và một trạm đích d Mỗi trạm nguồn muốn phát tín hiệu dữ liệu của nó đến trạm đích tương ứng thông qua trạm chuyển tiếp được chọn Đặt các đường truyền

từ s đến r như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và từ r đến d như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 Với truyền dẫn bán song công thì (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 sử dụng nguồn tài nguyên riêng biệt, các trạm nguồn và trạm chuyển tiếp truyền tín hiệu

dữ liệu theo thời gian hoặc tần số khác nhau Còn với truyền dẫn IBFD, các trạm nguồn và trạm chuyển tiếp đồng thời truyền tín hiệu của chúng thông qua (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 bằng cách sử dụng cùng băng tần số Tùy thuộc vào loại chuyển tiếp như khuếch đại-chuyển tiếp (AF) hay giải mã-chuyển tiếp (DF), mô hình chuyển tiếp có thể được mở rộng đến một mô hình truyền thông tổng thể nơi mà tín hiệu

dữ liệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 khác nhau cho mỗi loại

Nút HD dNút IBFD r

Với hệ thống chuyển tiếp AF, trạm chuyển tiếp chuyển tiếp tín hiệu nhận được tới trạm đích theo thời gian thực mà không xử lý và các tín hiệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 là giống nhau Mặt khác, với

hệ thống chuyển tiếp DF, tín hiệu được giải mã tại trạm chuyển tiếp rồi mới chuyển tiếp nên các tín hiệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑

là khác nhau Do đó, hệ thống chuyển tiếp DF có thể được mở rộng đến mô hình chung nơi mà trạm nguồn và trạm chuyển tiếp có các trạm đích khác nhau

1.2.4.3 Mạng truyền dẫn song công di động

Hình 1.7 Mô hình mạng truyền dẫn song công di động

Hình 1.7 mô tả mô hình di động, trong đó bao gồm một trạm gốc (BS) và nhiều trạm di động (MS) Trong mô hình bày có hai loại đường truyền dữ liệu là đường lên và đường xuống, trong đó mỗi trạm di động truyền tín hiệu dữ liệu đến một trạm gốc gọi là đường lên và một trạm gốc truyền tín hiệu dữ liệu cho nhiều trạm di động gọi là đường xuống Với truyền dẫn bán song công, các kênh đường lên và đường

xuống được vận hành trực tiếp với kỹ thuật song công phân chia theo thời gian hoặc tần số Còn với truyền dẫn IBFD, nhiều trạm di động có thể đồng thời truy cập vào trạm gốc trên cùng một dải phổ tần, nghĩa

là đồng thời truyền và nhận các tín hiệu dữ liệu với trạm gốc sử dụng các kênh đường lên và đường xuống, trong khi trạm gốc trong truyền dẫn bán song công chỉ có thể truy cập trạm gốc thông qua đường lên hoặc đường xuống

1.3 Các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến

1.3.1 Nghiên cứu về đầu cuối vô tuyến

1.3.2 Truyền thông qua các trạm chuyển tiếp

1.4 Hệ thống IBFD mô hình hai chiều

1.4.1 Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn

1.4.1.1 Hệ thống BFD với thiết kế anten chia sẻ

1.4.1.2 Hệ thống BFD với ăng-ten tách rời

1.4.1.3 Hệ thống BFD trong kênh MIMO tương quan

1.4.1.4 Độ tin cậy của hệ thống BFD

1.4.2 Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội không hoàn toàn

1.4.2.1 Hệ thống BFD với các lỗi ước lượng kênh

1.4.2.2 Hệ thống BFD với những hạn chế phần cứng

1.4.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống BFD

1.5 Hệ thống IBFD với mô hình chuyển tiếp

1.5.1 Hệ thống FDR với một trạm chuyển tiếp (1-1-1)

1.5.1.1 Hệ thống FDR 1-1-1 với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn 1.5.1.2 Hệ thống FDR 1-1-1 với nhiễu nội thặng dư

1.5.1.3 Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật điều khiển công suất 1.5.1.4 Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật MIMO

1.5.1.5 Độ tin cậy của hệ thống FDR 1-1-1

1.5.2 Hệ thống FDR với nhiều trạm chuyển tiếp

1.5.2.1 Hệ thống FDR với sự phối hợp

1.5.2.2 Hệ thống FDR với sự giao thoa giữa các trạm chuyển tiêp 1.5.2.3 Hệ thống FDR với sự lựa chọn trạm chuyển tiếp

1.5.2.4 Hệ thống FDR đa bước nhảy

1.5.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDR

1.6 Hệ thống IBFD với mô hình di động

1.6.1 Hệ thống FDC với hai trạm

1.6.1.1 Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng

1.6.1.2 Hệ thống FDC với các anten định hướng

CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT THU

NHẬN NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN 2.1 Giới thiệu chương

2.2 Giới thiệu về kỹ thuật truyền và thu năng lượng

Thu năng lượng là một quá trình trong đó năng lượng từ các nguồn bên ngoài như năng lượng mặt trời, năng lượng nhiệt, năng lượng gió… được thu thập và lưu trữ cho các thiết bị không dây nhỏ như những thiết bị điện tử mang được và mạng cảm biến không dây [39] Nguồn năng lượng xung quanh có thể đến từ điện từ, từ trường hoặc sóng vô tuyến từ các thiết bị điện tử gần đó, ánh sáng, năng lượng

nhiệt hoặc động năng Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thường thấp

và công suất thu được thường là mW hoặc µW nhưng đủ để nạp điện các thiết bị công suất nhỏ như bộ cảm biến điều khiển từ xa Công nghệ này đang được phát triển để loại bỏ việc phải dùng pin hoặc bộ sạc của các thiết bị không dây

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện không dây

2.3 Các loại vùng trường truyền năng lượng

2.4 Giới thiệu về mạng thu năng lượng vô tuyến

Gần đây, có rất nhiều sự quan tâm nghiên cứu về kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến (RF) [1], tức là khả năng chuyển đổi tín hiệu vô tuyến nhận được thành tín hiệu điện Điều này sẽ dẫn ra một tương lai đầy hứa hẹn cho các mạng không dây nhằm đạt được tính bền vững và hoạt động gần như vĩnh viễn mà tuổi thọ của mạng chỉ bị giới hạn bởi các thiết bị phần cứng chứ không còn phụ thuộc vào khả năng lưu trữ năng lượng nữa Thu năng lượng vô tuyến dự kiến sẽ giới thiệu một số

thay đổi trong mạng không dây, ngoài năng lượng tự cấp và hoạt động vĩnh viễn, các lợi ích mong đợi bao gồm giảm việc sử dụng năng lượng thông thường đi kèm với “dấu chân cacbon”, thoát khỏi việc nạp pin truyền thống và khả năng triển khai mạng không dây tại các địa điểm khó tiếp cận như vùng nông thôn xa xôi, trong cấu trúc bê tông và trong

cơ thể người Như vậy, thu năng lượng vô tuyến sẽ giúp phát triển các ứng dụng mới không thể hoạt động bằng nguồn pin thông thường như mạng cảm biến không dây, mạng nội bộ không dây và hệ thống sạc không dây trong các lĩnh vực y tế, môi trường, sự giám sát và an toàn

2.4.1 Cấu trúc của mạng thu năng lượng vô tuyến

Một kiến trúc tập trung điển hình của một mạng thu năng lượng

vô tuyến, như trong Hình 2.1, có ba thành phần chính là các cổng thông tin, các nguồn năng lượng vô tuyến và các nút mạng hay thiết bị mạng Cổng thông tin nói chung được gọi là trạm gốc, bộ định tuyến không dây và trạm chuyển tiếp

Hình 2.4 Cấu trúc chung của mạng thu năng lượng vô tuyến dựa trên hạ tầng