Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật tiền mã hóa trong hệ thống truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời swipt

Đây là một giải pháp thay thế cho các kỹ thuật truyền năng lượng thông thường, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu RF, và có thể mang lại một số thay đổi cơ bản trong các mạng truy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Mục lục ii

Tóm tắt luận văn vi

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v

Danh mục các bảng vi

Danh mục các hình vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 3

6 Cấu trúc của luận văn 3

Chương 1 HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO 5

1.1 Giới thiệu chương: 5

1.2 Tổng quan hệ thống MIMO 5

1.2.1 Khái niệm về hệ thống MIMO: 5

1.2.2 MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng 6

1.2.2.1 MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) 6

1.2.2.2 MIMO đa người dùng (MU-MIMO) 6

1.2.3 Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO 7

1.2.3.1 Phân tập thời gian 8

1.2.3.2 Phân tập tần số 9

1.2.3.3 Phân tập không gian 9

1.2.4 Dung lượng và độ lợi trong hệ thống MIMO 10

1.2.4.1 Dung lượng kênh MIMO 10

1.2.4.2 Độ lợi trong hệ thống MIMO 11

1.2.4.3 Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing) 12

1.2.4.4 Độ lợi phân tập (spatial diversity) 12

1.3 Các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO đa người dùng : 13

1.4 Kết luận chương 14

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY. 15

2.1 Giới thiệu chương 15

2.2 Lịch sử hình thành công nghệ WPT 15

2.3 Cấu trúc của một mạng thu năng lượng sử dụng sóng RF 16

2.4 Mô hình truyền năng lượng RF 20

2.5 Các kỹ thuật thu năng lượng RF 21

2.5.1 Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF 21

2.5.2 Nguồn RF chuyên dụng 22

2.5.3 Nguồn RF xung quanh 22

2.5.3.1 Nguồn RF tĩnh xung quanh 23

2.5.3.2 Nguồn RF động xung quanh 23

2.6 Các ứng dụng hiện có của thu năng lượng bằng sóng RF 23

2.7 Kết luận chương 24

Chương 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SWIPT TRÊN MIMO BC 26

3.1 Giới thiệu chương 26

3.2 Mô hình hệ thống SWIPT BC MIMO 26

3.2.1 Mô hình hệ thống 27

3.2.2 Máy thu EH và ID không đồng thời 28

3.2.3 Máy thu EH và ID cùng thu đồng thời 29

3.2.3.1 Các máy thu tách biệt 30

3.2.3.2 Các máy thu đồng vị 32

3.3 Kết luận chương 35

Chương 4 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN WMMSE CHO HỆ THỐNG SWIPT 36

4.1 Giới thiệu chương: 36

4.2 Thiết kế bộ thu /phát WMMSE cho hệ thống SWIPT 37

4.2.1 Mô hình hệ thống 37

4.2.2 Tính toán tối ưu hệ thống 38

4.3 Mô phỏng và kết quả: 41

4.4 Kết luận chương 46

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN & NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY ĐỒNG

THỜI (SWIPT)

Học viên:Nguyễn Hữu Thịnh… Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số :60520203 Khóa:31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt –Hiện nay, phương thức “truyền thông xanh” nhận được sự quan tâm đáng kể

cùng với các mối quan tâm về môi trường Truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) là một trong các giải pháp đầy hứa hẹn có thể đáp ứng các mối quan tâm đó SWIPT giúp làm tăng tuổi thọ của các nút không dây và do đó làm giảm bớt nhược điểm về hiện tượng nút cổ chai năng lượng của các mạng không dây Đây là một giải pháp thay thế cho các kỹ thuật truyền năng lượng thông thường, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu

RF, và có thể mang lại một số thay đổi cơ bản trong các mạng truyền thông không dây Đề tài này khảo sát việc truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) trong các mạng MIMO quảng bá nơi một máy thu năng lượng (EH) và một máy thu giải mã thông tin chia sẻ cùng một nguồn thời gian và tần số Đầu tiên, đề tài trình bày tổng quan về hệ thống MIMO và các hệ thống WPT, các kỹ thuật thu năng lượng bằng sóng RF và các ứng dụng hiện có Sau đó, đề tài xây dựng vấn đề sử dụng WMMSE cho SWIPT giúp làm giảm thiểu tổng trọng số MSE của tín hiệu đến máy thu ID, trong khi việc lưu trữ năng lượng có thể thu được từ tín hiệu của máy thu EH Tiếp theo, đề tài đề xuất cấu trúc tiền mã hóa tối ưu của vấn

đề và xác định khu vực cân bằng tốt nhất về năng lượng MSE thông qua việc cập nhật thay

thế của bộ tiền mã hóa tuyến tính tại máy phát với máy thu tuyến tính tại máy thu ID

Từ khóa - thu nhận năng lượng, SWIPT, WMMSE, MIMO kênh quảng bá, tiền mã hóa Abstract – Currently, "green communication" has received considerable attention along

with environmental concerns Simultaneous wireless information and powertransfer (SWIPT)

is one of the promising solutions that satisfy those concerns SWIPT helps increase the lifetime of wireless nodes and hencealleviate the energy bottleneck of energy constrained wireless networks As an alternative forconventional energy harvesting techniques,SWIPT is based on the use of radio frequency signals, which is expected to bring some fundamental

changes in the design of wireless communication networks In this essay, I consider

simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in MIMO Broadcast networks whereone energy harvesting (EH) user and one information decoding(ID) user share the same sources of time and frequency The first, I present the overview of the MIMO system and WPT systems, RF energy harvesting techniquesand existing applications.Then, I formulate the WMMSE-SWIPT problem which minimizes the weighted sum-MSE of the message signal to the ID user, where assatisfying the requirement on the energy that can be harvested from the signal at the EH user Next, I propose the optimal precoder structure of the problem and identify the best possible MSE- energy tradeoff region through the alternative update of

the linear precoder at the transmitter with the linear receiverat the ID user

Key words – energy harvesting, SWIPT, WMMSE, MIMO Broadcast, precoding

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

iid independent identically distributed

IoT Internet of Things

ISM Institute for Supply Management

MIMO Multiple Input, Multiple Output

MIMO BC MIMO Broadcast

MISO Multiple Input, Single Output

MRT Maximum Ratio Transmission

MU-MIMO Multi-user MIMO

QoS Quality of Service

RFID Radio-Frequency Identification

SIMO Single Input, Multiple Output

SISO Single Input, Single Output

SNR Signal-to-Noise Ratio

SU-MIMO Single User MIMO

SWIPT Simultaneous Wireless Information and Power

Transfer WiMAX Worldwide Interoperability for Microwave Access WIT Wireless Information Transfer

WMMSE Weighted Minimum Mean Squared Error

WPT Wireless Power Transfer

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.1 Tổng quan hệ thống MIMO 5 1.2 Hệ thống MU-MIMO: MIMO BC 7 1.3 Phân tập theo thời gian 8 1.4 Các cách phân tập không gian cho hệ thống MIMO 10 1.5 Kỹ thuật beamforming 11 1.6 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 12 1.7 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR 12 1.8 Sử dụng phương pháp tiền mã hóa trong kênh truyền MIMO 14 2.1 Cấu trúc thông thường của một mạng thu nhận năng lượng

3.4

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)

34

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

bộ thu phát tuyến tính 374.2 Mô hình một hệ thống MIMO BC cho SWIPT với N T =NR=2 42 4.3 So sánh 2 phương pháp tổng MSE –Rate trong SWIPT MIMO

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, “truyền thông xanh” đã nhận được sự quan tâm đáng kể cùng với các mối quan tâm về môi trường Cụ thể, các mạng di động tiêu thụ trên toàn thế giới khoảng 60 tỷ kWh / năm 80% năng lượng trong mạng di động được tiêu thụ bởi các trạm gốc (BS) sản xuất ra hơn một trăm triệu tấn carbon dioxide mỗi năm Những con số này dự kiến sẽ tăng gấp đôi vào năm 2020 nếu không

có hành động tiếp theo Các mạng không dây sử dụng năng lượng không tự nhiên, chẳng hạn như các mạng cảm biến, thường được cung cấp bởi pin có thời gian hoạt động hạn chế Mặc dù Thay thế hoặc nạp lại pin có thể kéo dài tuổi thọ của mạng đến một mức độ nào đó, nó thường phải chịu chi phí cao và không tiện lợi, có thể gây nguy hiểm (ví dụ như trong môi trường độc hại) hoặc thậm chí không thể thực hiện được (ví dụ như đối với cảm biến được gắn cố định trong cấu trúc tòa nhà hoặc bên trong cơ thể con người) Cách thuận tiện và an toàn hơn, cũng như là cách thay thế "xanh" hơn là thu trực tiếp năng lượng từ môi trường, việc này cung cấp năng lượng vĩnh viễn cho các thiết bị không dây Ngoài các nguồn năng lượng thông thường khác như năng lượng mặt trời và gió, thì các tín hiệu tần số vô tuyến ở môi trường xung quanh thiết bị (RF) có thể là một nguồn mới khả thi để thu năng lượng Việc thu năng lượng dựa trên các tin hiệu RF thường thích hợp cho các ứng dụng năng lượng thấp (ví dụ như các mạng cảm biến), nhưng cũng có thể được áp dụng cho các kịch bản với mức tiêu hao năng lượng lớn hơn nếu thực hiện truyền tải không dây chuyên dụng Mặt khác, các tín hiệu RF mang năng lượng có thể đồng thời được sử dụng như một phương tiện để truyền thông tin, truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mới thú vị thu hút sự chú ý ngày càng tăng

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 xạc 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

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 đẩy 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:

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO

Trong chương này trình bày tông quan về hệ thống kênh truyền MIMO và các kỹ thuật xử lý đa anten được sử dụng trong hệ thống MIMO

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

Chương này trình bày tổng quan về hệ thống mạng truyền năng lượng không dây (WPT) nói chung, và hệ thống truyền năng lượng và tín hiệu không dây đồng thời (SWIPT) nói riêng Chương này trình bày lịch sử hình thành công nghệ WPT và các nghiên cứu cũng như các kết quả đã được ứng dụng thực nghiệm Trình bày các đề xuất về thiết kế một hệ thống WPT trong thực tế CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SWIPT TRÊN MIMO BC

Chương này trình bày hệ thống SWIPT trên MIMO BC kênh quảng bá với

mô hình giả định nút (node) cơ bản Chương này xây dựng các phương pháp tiền

mã hóa, cho các trường hợp cụ thể được đặt ra nhằm làm tối ưu hệ thống, giúp

giải quyết được vấn đề cân bằng về tốc độ truyền tín hiệu và năng lượng chuyển giao được

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN WMMSE CHO HỆ THỐNG SWIPT

Chương này đề ra giải pháp tiền mã hóa bằng phương pháp trọng số WMMSE Phương pháp này nhằm tối ưu các kết quả đã được có trong trình bày

ở chương 3 nhằm đạt được hiệu suất truyền tín hiệu trên năng lượng chuyển giao tốt nhất Các kết quả so sánh sẽ giúp em đánh giá được mức độ hiệu quả của phương pháp đề xuất so với trước đây

Chương 1 HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO

1.1 Giới thiệu chương

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

1.2 Tổng quan hệ thống MIMO

1.2.1 Khái niệm về hệ thống MIMO

Hình 1.1 Tổng quan hệ thống MIMO

Kỹ thuật MIMO (MIMO technique) trong truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu

 Ưu điểm của MIMO:

- Tăng độ phân tập của kênh truyền pha-đinh (fading), do đó có thể giảm xác suất lỗi

- Tăng dung lượng của kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu

 Tuy nhiên chi phí cho thiết bị phần cứng cao hơn nhiều (do sử dụng nhiều anten phát và thu), cùng với giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn

Vào năm 1984, Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell đã xin cấp bằng sáng chế về việc sử dụng đa anten trong hệ thống vô tuyến

Năm 1985, Jack Salz đã xuất bản công trình về MIMO dựa tên những nghiên cứu của Winters

Từ năm 1986 tới năm 1995, các công trình nghiên cứu về MIMO liên tục được công bố

Năm 1996, trong khi đang nghiên cứu tại đại học Stanford, Greg Raleigh

và VK jones đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa đường do sóng vô tuyến va chạm các vật cản đã tạo ra các kênh truyền ảo riêng rẻ trong hệ thống MIMO, từ

đó Greg Raleigh đã công bố kết quả và chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu

tố giúp tăng dung lượng kênh truyền

1.2.2 MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng

1.2.2.1 MIMO đơn người dùng (SU -MIMO)

Hệ thống MIMO truyền thống là MIMO điểm-điểm hay MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) Tốc độ đạt được của hệ thống MIMO đơn người dùng là:

𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝜌𝑁𝑟) ≤ 𝐶 ≤ min(𝑁𝑇, 𝑁𝑟) × 𝑙𝑜𝑔2(1 +𝜌max (𝑁𝑇, 𝑁𝑟)

𝑁𝑇 ) (1-1)

 Với C dung lượng kênh truyền

 𝑁𝑇 là số anten phát, 𝑁𝑟 là số anten thu

 𝜌 : tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR)

Giới hạn dưới đạt được trong trường hợp ma trận kênh là hạng 1, hay đường truyền là đường truyền thẳng (LOS) Giới hạn trên đạt được trong trường hợp thuận lợi nhất khi ma trận kênh là biến ngẫu nhiên độc lập và phân bố đồng đều (i.i.d) Với điều kiện đường truyền thuận lợi và một tỷ số SNR cao thì tốc độ có thể đạt được tỷ lệ tuyến tính với số nhỏ hơn trong số anten phát và số anten thu

1.2.2.2 MIMO đa người dùng (MU-MIMO)

Công nghệ MIMO đa người dùng (MU-MIMO), về cơ bản khác với MIMO bằng cách chia sẻ không gian của kênh cho các người dùng khác nhau

SU-cùng lúc, bằng cách tác động sâu hơn vào giao thức đa truy nhập MU-MIMO có thể được chia thành hai loại: kênh MIMO quảng bá (MIMO Broadcast Channel hay MIMO BC) cho đường xuống; và kênh MIMO đa truy nhập ( MIMO Multiple Access Channel hay MIMO MAC) cho đường lên Trong đề tài chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống MIMO kênh quảng bá ( MIMO Broadcast Channel hay MIMO BC)

Hình 1.2 Hệ thống MU-MIMO: MIMO BC

1.2.3 Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được

sử dụng rộng rãi nhằm giảm ảnh hưởng của pha-đinh đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông Kỹ thuật phân tập dựa trên các mô hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông tin nhưng sự tương quan về pha-đinh thống kê là rất nhỏ Ý tưởng cơ bản của phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và các mẫu đó bị ảnh hưởng của pha-đinh là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều trong khi các mẫu khác bị ảnh hưởng ít hơn Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đồng thời chịu ảnh hưởng của pha-đinh dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so với khả năng một vài mẫu độc lập nằm dưới mức đó Do vậy, bằng cách kết hợp một cách

thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của pha-đinh và do đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu Một số phương pháp phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được trình bày, các kỹ thuật phân tập được phân chia thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian

1.2.3.1 Phân tập thời gian

Phân tập theo thời gian là tín hiệu được truyền đi ở những thời điểm khác nhau và có thể thu được qua mã hóa và xen kênh Xét hai trường hợp: truyền ký

tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ

Không xen kênh

Hình 1.3 Phân tập theo thời gian

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã X2 bị triệt tiêu bởi pha-đinh nếu không dùng

bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và tôi có thể phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi pha-đinh

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu pha-đinh không tương quan với nhau Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ pha-đinh

1

𝑓𝑐 =

𝑐

Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa.Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được pha-đinh độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến độ trễ giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường pha-đinh nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền pha-đinh chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến gây trễ đáng kể

1.2.3.2 Phân tập tần số

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin.Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của pha-đinh một cách độc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng pha-đinh trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau Trong truyền thông di động, máy phát thường được truyền đến các phiên bản của tín hiệu cho máy thu ở dạng dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế đa sóng mang và nhảy tần Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trải trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả để cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số

1.2.3.3 Phân tập không gian

Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten Phân tập không gian được

sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc anten mảng được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn, sao cho tín hiệu không tương quan với nhau

Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường và tần số đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên

sự dư thừa trong miền không gian Không giống như phân tập thời gian và tần

số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai

Hình 1.4 Các cách phân tập không gian cho hệ thống MIMO

Tùy thuộc vào việc sử dụng một hoặc nhiều anten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành bốn loại:

- Không sử dụng phân tập không gian (hệ thống SISO)

- Phân tập anten phát (hệ thống MISO)

- Phân tập anten thu (hệ thống SIMO)

- Phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO)

Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt pha-đinh đa đường

1.2.4 Dung lượng và độ lợi trong hệ thống MIMO

1.2.4.1 Dung lượng kênh MIMO

Dung lượng kênh truyền là tốc độ có thể truyền dẫn tối đa với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó Dung lượng của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của tạp âm nhiễu cộng trắng Gauss:

C = W𝑙𝑜𝑔2(1 + 𝜌) [bits

Trong đó:

W : băng tần của kênh truyền (Hz)

𝜌 : tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR)

Đối với kênh truyền cố định, dung lượng kênh truyền MIMO có thể biểu điễn tổng quát như sau:

1.2.4.2 Độ lợi trong hệ thống MIMO

Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới

từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và tăng độ bao phủ của hệ thống Để có thể thực hiện beamforming, khoảng cách giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng 𝜆 (thông thường là 𝜆/2), beamforming thường được thực hiện trong môi trường ít tán xạ Khi môi trường tán xạ mạnh, hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh không gian và độ lợi phân tập

Hình 1.5 Kỹ thuật beamforming

1.2.4.3 Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing)

Hình 1.6 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten tại phía phát và phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra các anten ( hình 1.6), nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng công suất phát hay tăng băng thông hệ thống

1.2.4.4 Độ lợi phân tập (spatial diversity)

Hình 1.7 Phân tập không gian giúp cải thiện SNR Trong truyền dẫn vô tuyến, mức tín hiệu luôn thay đổi, bị pha-đinh liên tục theo không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu không ổn định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua các kênh truyền Pha-đinh khác nhau (hình1.7), bộ thu có thể lựa chọn hay kết hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER,

chống pha-đinh qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống Để cực đại độ lợi phân tập, giảm BER và chống lại pha-đinh, thuật toán STBC (Space-Time Block Code) và STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng

Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được pha-đinh, thì phải có sự tương quan giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc thiết kế hệ thống

1.3 Các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO đa người dùng

Trong MIMO đa người dùng, một máy phát đa anten truyền thông đồng thời với nhiều máy thu (mỗi máy có một hoặc nhiều anten) Đây được gọi là truy cập nhiều phân vùng không gian (SDMA) Từ quan điểm thực hiện, thuật toán tiền mã hóa (precoding ) cho các hệ thống SDMA có thể được chia thành các loại tiền mã hóa (precoding ) tuyến tính và phi tuyến Các thuật toán giúp cải thiện chất lượng là phi tuyến, nhưng các phương pháp tiền mã hóa (precoding ) tuyến tính thường đạt được hiệu quả phù hợp với độ phức tạp thấp hơn nhiều Các kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính bao gồm tỷ sốtruyền cực đại (MRT), tiền mã hóa Zero-Force (ZF), và truyền tiền mã hóa Wiener Ngoài ra còn có các kỹ thuật tiền mã hóa được thiết kế với hồi tiếp tốc độ thấp về thông tin trạng thái kênh, với mẫu ngẫu nhiên beamforming Tiền mã hóa phi tuyến được thiết kế dựa trên khái niệm “dirty paper coding”(DPC), cho thấy rằng bất kỳ nhiễu nào được biết đến ở máy phát có thể được loại bỏ mà không ảnh hưởng tài nguyên

vô tuyến khi áp dụng kỹ thuật tối ưu tiền mã hóa cho việc truyền tín hiệu

Vì một hệ thống đa người dùng không thể đồng thời tối đa hóa hiệu suất cho tất cả người dùng Điều này có thể được xem như là một vấn đề tối ưu hóa

đa mục tiêu, trong đó mỗi mục tiêu tương ứng với tối đa hóa công suất của một trong những máy thu Cách thông thường để đơn giản hóa vấn đề này là chọn một chức năng tiện ích hệ thống Ví dụ, tổng trọng số chất lượng, trong đó trọng

số tương ứng với các máy thu ưu tiên được lựa chọn chủ quan bởi hệ thống Hơn nữa, có thể có nhiều máy thu hơn luồng dữ liệu, yêu cầu một thuật toán lập lịch trình để quyết định máy thu cần phục vụ tại một thời điểm nhất định

Hình 1.8 Sử dụng phương pháp tiền mã hóa trong kênh truyền MIMO

1.4 Kết luận chương

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, nhằm 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 dụng không 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

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

2.1 Giới thiệu chương

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 này góp 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 lượng sử dụng RF (WPT)

2.2 Lịch sử hình thành công nghệ WPT

Truyền năng lượng không dây là một khái niệm ban đầu được hình thành bởi Nikola Tesla vào những năm 1890, năng lượng được truyền từ một nguồn năng lượng đến một đích đến trong môi trường không dây Việc sử dụng truyền năng lượng không dây giúp tránh việc phải lên chi phí và lắp đặt dây cáp điện trong các tòa nhà và cơ sở hạ tầng Một trong những thách thức để thực hiện truyền năng lượng không dây là hiệu quả truyền năng lượng của nó thấp, như là chỉ có một phần nhỏ của năng lượng phát ra có thể được thu ở thiết bị nhận do mất mát lớn trên đường đi và hiệu quả chuyển đổi DC thấp của tần số vô tuyến (RF) Ngoài ra, các thiết bị điện tử ban đầu, như thế hệ đầu tiên của điện thoại di động lại cồng kềnh và bị tiêu thụ điện năng cao Vì những lý do nêu trên, truyền điện không dây đã không nhận được nhiều sự chú ý cho đến gần đây, mặc dù Tesla đã cung cấp một minh chứng thành công với đèn điện chiếu sáng không dây vào năm 1891

Trong những năm gần đây, một số lượng đáng kể các nỗ lực nghiên cứu đã được dành riêng cho làm sống lại các tham vọng cũ của truyền điện năng không dây, được thúc đẩy bởi hai lý do sau đây [16], [23] Lý do đầu tiên là sự thành công to lớn của mạng cảm biến không dây (WSNs) đã được áp dụng rộng rãi cho giao thông thông minh, giám sát môi trường, vv Tuy nhiên, hạn chế của WSNs là năng lượng, vì mỗi cảm biến phải được trang bị một pin mà giới hạn ở một khoảng thời gian trong các trường hợp thực tế riêng biệt Việc này gây ra sự tốn kém khi thay thế các pin và các ứng dụng của việc nạp năng lượng truyền thống (EH) công nghệ dựa trên các nguồn năng lượng tự nhiên là vấn đề do tính chất liên tục của chúng Truyền năng lượng không dây có thể được sử dụng như

là một thay thế đầy hứa hẹn cho việc tăng tuổi thọ của WSNs Lý do thứ hai là

việc sử dụng rộng rãi hiện nay của các thiết bị năng lượng thấp mà có thể được sạc không dây Ví dụ, Intel đã chứng minh sạc không dây của một máy đo nhiệt

độ và độ ẩm cùng một màn hình tinh thể lỏng, sử dụng tín hiệu của một kênh truyền hình ở khoảng cách là 4 km [3]

Mặc dù các nghiên cứu tổng thể về chủ đề này vẫn còn ở mức sơ khai, tuy nhiên đã có những kết quả nổi bật được báo cáo trong tài liệu [16], [23] Trong [16], Varshney lần đầu tiên đề xuất một hàm dung lượng - năng lượng (capacity-energy) để mô tả sự cân bằng cơ bản trong việc chuyển giao thông tin và năng lượng đồng thời Đối với hệ thống đơn anten hay SISO (một đầu vào và một đầu ra) kênh AWGN với cộng nhiễu biên độ thì nó đã được hiển thị trong đó có sự cân bằng không quan trọng trong việc tối đa hóa tốc độ truyền tin so với truyền tải năng lượng bằng cách tối ưu hóa sự phân bố đầu vào Tuy nhiên, nếu công suất truyền trung bình được thay vào đó, hai mục tiêu trên có thể được hiển thị cho phù hợp với kênh AWGN SISO với tín hiệu đầu vào Gaussian và do đó sự cân bằng không quan trọng Trong [23], Grover và Sahai mở rộng các kênh AWGN anten chọn lọc tần số với giới hạn công suất trung bình bằng cách cho thấy một sự cân bằng cao tồn tại trong phân bổ phổ tần cho tốc độ truyền tin tối

đa so với truyền năng lượng

2.3 Cấu trúc của một mạng thu năng lượng sử dụng sóng RF

Hình 2.1 Cấu trúc thông thường của một mạng thu nhận năng lượng bằng

sóng RF

Một cấu trúc tập trung điển hình của một mạng thu nhận năng lượng sử dụng sóng RF, như thể hiện trong hình 2.1 có ba thành phần chính, như là các cổng thông tin, các nguồn năng lượng RF và các nút mạng / thiết bị mạng Cổng thông tin nói chung được gọi là trạm cơ sở (BS), bộ định tuyến không dây và các trạm lặp Các nguồn năng lượng RF có thể là máy phát năng lượng RF chuyên dụng hoặc các nguồn RF xung quanh (ví dụ: tháp truyền hình) Các nút mạng là thiết bị người dùng giao tiếp với các cổng thông tin Thông thường, cổng thông tin và các nguồn năng lượng RF có nguồn cung cấp điện liên tục và

cố định, trong khi các nút mạng lấy năng lượng từ các nguồn RF để hỗ trợ hoạt động của chúng Trong một số trường hợp, cổng thông tin và nguồn năng lượng RF có thể giống nhau Như thể hiện trong hình 2.1, các đường mũi tên đại diện cho dòng chảy thông tin, trong khi các đường mũi tên đứt nét là dòng năng lượng

Cổng thông tin có một vùng cung cấp năng lượng và một vùng truyền tải thông tin được biểu diễn bởi những đường cong đứt trong hình 2.1 Các thiết bị trong vùng cung cấp năng lượng có thể thu năng lượng RF từ cổng thông tin Các thiết bị trong vùng truyền thông tin có thể giải mã thành công các thông tin truyền từ cổng thông tin (gateway) Nói chung, công suất hoạt động của thành phần thu năng lượng cao hơn nhiều so với thành phần giải mã thông tin Do đó, vùng thu hoạch năng lượng nhỏ hơn vùng truyền tải thông tin

Hình 2.2 là sơ đồ khối của một nút mạng có khả năng thu nhận năng lượng

RF Một nút (node) thu nhận năng lượng RF bao gồm các khối chính sau:

 Ứng dụng,

 Một vi điều khiển công suất thấp, để xử lý dữ liệu từ ứng dụng,

 Bộ thu phát RF công suất thấp, để truyền hoặc tiếp nhận thông tin,

 Một máy thu năng lượng, bao gồm một anten RF, một bộ kết hợp trở kháng, một hệ số điện áp và một tụ lưu điện, để thu nhận tín hiệu RF và chuyển đổi chúng thành điện,

 Một mô đun quản lý công suất, quyết định có nên lưu trữ điện năng thu được từ máy thu năng lượng RF hay sử dụng nó để truyền thông tin ngay lập tức,

 Một nguồn lưu trữ năng lượng hoặc pin

Lưu trữ năng

lượng

RF Energy Harvester

Ứng dụng

Bộ phát tín hiệu RF công suất thấp

Mô đun điều khiển công suất

Vi điều khiển công suất thấp

DC ngõ ra

RF Energy Harvester

RF ngõ vào

Bộ bắt tín hiệu Bô lựa chọn nguồn Tụ điện

Hình 2.2 Cấu trúc thông thường của một thiết bị thu nhận năng lượng sóng RF

Mô đun quản lý năng lượng có thể sử dụng hai phương pháp để kiểm soát lưu lượng năng lượng đến, tức là sử dụng năng lượng thu được và sử dụng năng lượng thu được được lưu trữ Trong phương pháp sử dụng năng lượng thu hoạch, năng lượng thu hoạch được sử dụng ngay để cấp nguồn cho nút mạng

Do đó, để nút mạng hoạt động bình thường, điện năng chuyển đổi phải liên tục vượt quá nhu cầu năng lượng tối thiểu của nút mạng Nếu không, nút sẽ bị tắt Trong phương pháp sử dụng năng lượng thu được, được lưu trữ, nút mạng được trang bị bộ lưu trữ năng lượng hoặc pin có thể sạc lại để lưu trữ điện đã được chuyển đổi Bất cứ khi nào năng lượng thu được cao hơn lượng tiêu thụ của nút, năng lượng dư thừa sẽ được lưu trữ trong pin để sử dụng trong tương lai

Hình 2.3 cũng minh hoạ sơ đồ khối của một máy thu năng lượng RF:

Anten có thể được thiết kế để hoạt động trên cả hai tần số đơn hoặc nhiều băng tần, trong đó nút mạng có thể thu thập từ một hoặc nhiều nguồn đồng thời Tuy nhiên, máy thu năng lượng RF thường hoạt động trên một dải tần số vì mật

độ năng lượng của tín hiệu RF rất đa dạng về tần số

Thu năng lượng

(EH) Thu tín hiệu (ID)

Thu năng lượng (EH)

Thu tín hiệu (ID)

Nguồn

lưu trữ

Bộ điều khiển luồng RF

Sự kết hợp trở kháng là một mạch cộng hưởng hoạt động ở tần số được thiết kế để tối đa hóa việc truyền năng lượng giữa anten và hệ số nhân Hiệu quả của việc kết hợp trở kháng cao ở tần số thiết kế

Thành phần chính của hệ số điện áp là điốt của mạch chỉnh lưu, chuyển tín hiệu RF (tín hiệu AC tự nhiên) thành điện áp DC Nói chung, hiệu suất chuyển đổi cao hơn có thể đạt được bằng điốt với điện áp bên trong thấp hơn Các tụ điện đảm bảo để lọc bớt gợn nhiễu năng lượng để tải Ngoài ra, khi năng lượng

RF không có sẵn, tụ điện cũng có thể phục vụ như là một pin dự trữ trong một thời gian ngắn

Hiệu suất của máy thu năng lượng RF phụ thuộc vào hiệu quả của anten, độ chính xác của phối hợp trở kháng của anten và hệ số điện áp, và hiệu suất năng lượng của bộ nhân điện áp chuyển đổi tín hiệu RF thu được sang điện áp DC Đối với cấu trúc nút chung được giới thiệu ở trên, nút mạng có bộ thu năng lượng RF và bộ thu phát RF riêng biệt Do đó, nút có thể thực hiện thu năng lượng và truyền thông dữ liệu đồng thời Nói cách khác, cấu trúc này hỗ trợ việc thu năng lượng cả trong dải tần và ngoài dải tần Trong thu năng lượng RF trong dải, nút mạng có thể thu được năng lượng RF từ cùng một dải tần số với tần số truyền dữ liệu Ngược lại, trong việc thu hoạch năng lượng RF ngoài dải tần, nút mạng thu thập năng lượng RF từ dải tần số khác với tần số sử dụng cho truyền thông dữ liệu Vì các tín hiệu RF có thể mang năng lượng cũng như thông tin, về mặt lý thuyết việc thu năng lượng RF và tiếp nhận thông tin có thể được thực hiện từ cùng một đầu vào tín hiệu RF Đây được gọi là khái niệm truyền thông tin & năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) [7] Khái niệm này cho phép máy thu thông tin và máy thu năng lượng RF chia sẻ cùng một anten hoặc mảng anten Cấu trúc máy thu tương ứng cho SWIPT được minh họa trong hình 2.3

2.4 Mô hình truyền năng lượng RF

Trong thu nhận năng lượng RF, lượng năng lượng có thể thu được phụ thuộc vào công suất phát, bước sóng của tín hiệu RF và khoảng cách giữa nguồn năng lượng RF và nút thu hoạch Công suất RF thu được từ máy phát trong không gian tự do có thể được tính dựa trên phương trình Friis [4] như sau:

𝑃𝑅 = 𝑃𝑇(4𝜋𝑑)𝐺𝑇𝐺𝑅𝜆22

Trong đó:

𝑃𝑅 là công suất thu được, 𝑃𝑇 là công suất phát

L là hệ số tổn hao đường truyền,

𝐺𝑇 là độ lợi anten truyền, 𝐺𝑅 là độ lợi anten thu

λ là bước phát ra của sóng

và 𝑑 khoảng cách giữa anten phát và anten thu

Mô hình không gian tự do có giả định rằng chỉ có một đường dẫn duy nhất giữa máy phát và máy thu Tuy nhiên, do tán xạ và phản xạ RF, một máy thu có thể thu nhận các tín hiệu RF từ một máy phát với nhiều đường Mô hình đường truyền mặt đất hai đường cho hiện tượng này làta xét các tín hiệu RF nhận được

đi qua một đường truyền thẳng (light of sight) và một đường dẫn phản xạ một cách riêng biệt Năng lượng RF thu được từ máy phát theo mô hình mặt đất hai đường được tính bởi công thức:

𝑃𝑅 = 𝑃𝑇𝐺𝑇𝐺𝑅ℎ𝑡

2ℎ𝑟2

Trong đó: ℎ𝑡 và ℎ𝑟 tương ứng là chiều cao của anten truyền và nhận

Hai mô hình xác định trên mô tả sự truyền RF dựa trên các tham số quyết định Ngược lại, các mô hình xác suất rút ra các tham số từ một phân bố, trong khi cho phép một mô hình thực tế hơn Mô hình xác suất được áp dụng rộng rãi

và thông dụng là mô hình Rayleigh [25], đại diện cho tình huống khi không có đường truyền trực tiếp giữa máy phát và máy thu Trong mô hình Rayleigh, chúng ta có

Trong đó:

𝑃𝑇𝑑𝑒𝑡 thể hiện công suất RF nhận được tính theo mô hình xác định

Hệ số suy hao đường dẫn L được định nghĩa là L = -𝛼𝑙𝑜𝑔10 (d / 𝑑0), trong

đó 𝑑0 là khoảng cách tham chiếu, r biểu thị một số ngẫu nhiên sau phân bố Gauss phức tạp

2.5 Các kỹ thuật thu năng lượng RF

2.5.1 Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF

Không giống như thu hoạch năng lượng từ các nguồn khác, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió và rung động, thu năng lượng RF có các đặc điểm sau:

 Các nguồn RF có thể cung cấp khả năng điều khiển và chuyển đổi năng lượng liên tục qua khoảng cách cho các máy thu hoạch năng lượng RF

 Trong mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF cố định, năng lượng thu được có thể dự đoán và tương đối ổn định theo thời gian do khoảng cách

cố định

 Do lượng RF thu được phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn RF, các nút mạng ở các vị trí khác nhau có thể có sự khác biệt đáng kể về năng lượng RF thu

được Các nguồn RF chủ yếu có thể được phân thành hai loại, tức là các nguồn

RF chuyên dụng và các nguồn RF xung quanh

2.5.3 Nguồn RF xung quanh

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

nguồn

Tần số (MHz)

Khoảng cách

Mức năng lượng thu được

Bảng 2.1 cho thấy lượng năng lượng RF thu được từ các nguồn khác nhau

từ thử nghiệm Chúng ta có thể thấy rõ rằng mức thu năng lượng thay đổi đáng

kể tùy thuộc vào công suất nguồn và khoảng cách Thông thường, lượng năng lượng thu được là ở mức W, đủ để cung cấp cho các thiết bị công suất nhỏ

Các nguồn RF xung quanh đề cập đến các thiết bị phát RF không được thiết

kế chuyên biệt cho việc truyền năng lượng RF Năng lượng RF này cơ bản là chưa dùng tới Công suất truyền tải của các nguồn RF xung quanh thay đổi đáng

kể, từ khoảng 106 W cho tháp truyền hình, đến khoảng 10 W cho các hệ thống di động và RFID, đến khoảng 0,1 W cho các thiết bị truyền thông di động và các

hệ thống WiFi Các nguồn RF xung quanh có thể được phân loại thành các nguồn RF tĩnh và động

2.5.3.1 Nguồn RF tĩnh xung quanh

Nguồn RF tĩnh xung quanh là các máy phát phát ra với công suất tương đối

ổn định theo thời gian, chẳng hạn như tháp truyền hình và đài phát thanh Mặc

dù các nguồn RF tĩnh xung quanh có thể cung cấp năng lượng RF dự đoán, có thể có các biến động dài hạn và ngắn hạn do lịch trình dịch vụ (ví dụ: TV và radio) và pha-đinh Thông thường, mật độ công suất của các nguồn RF xung quanh ở các dải tần số khác nhau là nhỏ Do đó, một anten độ lợi cao cho tất cả các dải tần số là bắt buộc Hơn nữa, chỉnh lưu cũng phải được thiết kế cho phổ băng rộng Trong [12], việc phân tích hiệu suất của một cảm biến được cung cấp bởi các nguồn RF tĩnh xung quanh được thực hiện bằng phương pháp tiếp cận hình học ngẫu nhiên Một phát hiện thú vị là khi sự phân bố các nguồn RF xung quanh biểu hiện sự đẩy mạnh hơn, có thể đạt được mức thu hoạch năng lượng

RF lớn hơn ở bộ cảm biến

2.5.3.2 Nguồn RF động xung quanh

Nguồn RF động xung quanh là các thiết bị phát RF hoạt động theo định kỳ hoặc sử dụng công suất truyền tải thay đổi theo thời gian (ví dụ: điểm truy cập WiFi và máy thu được cấp phép trong mạng vô tuyến nhận thức(cognitive radio)) Thu năng lượng RF từ các nguồn RF xung quanh động lực phải thích nghi và có thể tìm kiếm các khả năng thu năng lượng một cách thông minh ở một dải tần số nhất định Nghiên cứu trong [27] là một ví dụ về thu năng lượng

từ các nguồn RF động xung quanh trong một mạng vô tuyến nhận thức Một máy thuphụ có thể thu thập năng lượng RF từ những người dùng truyền tải gần

đó và có thể truyền dữ liệu khi máy thu chính hoặc những máy thu chính ở gần

đó không hoạt động

2.6 Các ứng dụng hiện có của thu năng lượng bằng sóng RF

Mạng cảm biến không dây đã trở thành một trong những ứng dụng ứng dụng rộng rãi nhất của các mạng thu năng lượng bằng sóng RF Một máy thu hoạch năng lượng RF có thể được sử dụng trong một nút cảm biến để cung cấp năng lượng Ví dụ, là thiết kế một máy phát công suất RF hỗ trợ các băng tầng

đường xuống (downlink) 915 MHz và băng tần đường lên (uplink) là 2.45 GHz Tốc độ truyền dữ liệu trung bình là 5 kbps, trong khi tốc độ dữ liệu tức thì tối đa lên đến 5 Mbps [9] Máy phát có thể hoạt động với ngưỡng công suất đầu vào là -17,1 dBm và công suất phát tối đa -12,5 dBm

Các thiết bị truyền năng lượng RF cũng có các ứng dụng y sinh và chăm sóc sức khoẻ hấp dẫn Với lợi ích từ việc thu năng lượng bằng sóng RF, các thiết

bị y tế công suất thấp có thể đạt được công suất theo thời gian thực từ các nguồn

RF chuyên dụng, giúp giảm kích cỡ thiết bị do không cần dùng pin Ví dụ một dải đôi băng tần của thiết bị có thể hoạt động ở GSM 900 và GSM 1800 [20] Anten đạt được công suất 1,8-2,06 dBi và hiệu suất 77,6-84% v/v

2.7 Kết luận chương

Trên thực tế, việc truyền tải điện không dây hoặc sử dụng điện năng không dây cự ly ngắn, thường đề cập đến việc truyền năng lượng điện từ nguồn cung cấp sang một hoặc nhiều thiết bị tiêu thụ mà không có bất kỳ dây nối nào, đã được nghiên cứu và triển khai với một thời gian dài Nhìn chung, WPT thường được thực hiện bằng cách sử dụng cảm ứng điện từ trường gần (EM) (ví dụ ghép nối cuộn cảm, ghép nối điện dung) cho các ứng dụng ở khoảng cách ngắn (cho các ứng dụng ít hơn một mét) như nhận diện tần số vô tuyến thụ động (RFID) hay bức xạ EM cực xa dưới dạng sóng vô tuyến hoặc laser cho các ứng dụng tầm xa (lên đến vài kilômét) như truyền năng lượng từ các vệ tinh quỹ đạo mặt trời quay quanh Trái đất hoặc các tàu vũ trụ [29] Tuy nhiên, các nghiên cứu trước về WPT dựa trên bức xạ EM, đặc biệt đối với dải tầng của RF, đã được theo đuổi một cách độc lập so với thông tin truyền không dây (WIT) hoặc truyền thông vô tuyến Điều này không có gì lạ vì hai loại công việc này nói chung có các mục tiêu nghiên cứu rất khác nhau: trong khi WIT là tối đa hoá khả năng truyền tải thông tin của các kênh không dây bị suy giảm kênh như tiếng ồn và tiếng ồn của người nhận, còn WPT là tối đa hóa hiệu quả truyền năng lượng (Được định nghĩa là tỷ lệ năng lượng thu nhận và lưu trữ tại máy thu so với mức tiêu thụ bởi máy phát) qua môi trường không dây Tuy nhiên, cần lưu ý rằng các mục tiêu thiết kế cho các hệ thống WPT và WIT có thể được sắp xếp lại, làm cho dung lượng công suất của máy phát, tối đa hóa công suất tín hiệu nhận được (cho WPT) cũng có lợi trong việc tối đa hoá dung lượng kênh (đối với WIT) nhiễu

Với các nghiên cứu và thử nghiệm thành công bước đầu trong thực tế, công nghệ truyền năng lượng bằng sóng RF hứa hẹn sẽ góp phần đem lại nhiều

đột phá về công nghệ khi giải quyết được nút thắt 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…

Chương 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG SWIPT TRÊN MIMO BC

3.1 Giới thiệu chương

Truyền năng lượng không dây (WPT) là một giải pháp mới đầy hứa hẹn cung cấp nguồn năng lượng thuận tiện và liên tục cho mạng không dây Trong thực tế, WPT có thể thực hiện được bằng các công nghệ khác nhau như ghép nối cuộn cảm, ghép nối cộng hưởng 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

3.2 Mô hình hệ thống SWIPT BC MIMO

Hình 3.1 Một mạng không dây có truyền cả thông tin và năng lượng