Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật viễn thông: Đánh giá hiệu năng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến trong hệ thống mimo đa người dùng

Nhiệm vụ: Xây dựng mô hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến sử dụng kỹ thuật MU-MIMO ; Áp dụng các thuật toán tối ưu để nâng cao hiệu năng của hệ thống; Xây dựng chương t

-

LÊ QUANG PHAN AN

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG MIMO ĐA

NGƯỜI DÙNG PERFORMANCE EVALUATION OF WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER MU-MIMO

SYSTEMS

Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS HÀ HOÀNG KHA

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ QUANG PHAN AN MSHV:1670518 Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1993 Nơi sinh: Bình Thuận Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số : 60 52 02 08

I TÊN ĐỀ TÀI:

thống MIMO đa người dùng

MU-MIMO systems

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệm vụ: Xây dựng mô hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến sử dụng kỹ thuật MU-MIMO ; Áp dụng các thuật toán tối ưu để nâng cao hiệu năng của hệ thống; Xây dựng chương trình mô phỏng để đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến

2 Các kết quả dự kiến : Khảo sát các công nghệ truyền thông tin và năng lượng vô tuyến ; Xây dựng mô hình toán học của hệ thống MIMO đa người dùng sử dụng kỹ thuật truyền năng lương và thông tin vô tuyến ; Đề xuất giải thuật tối ưu hiệu năng hệ thống; Chương trình mô phỏng đánh giá hiệu năng của hệ thống Xác định các chỉ số độ ẩm, hàm lượng lipid tổng và hàm lượng protein tổng của sản phẩm lạp xưởng

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/07/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/12/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Hà Hoàng Kha

Tp HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2018

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn luận

văn của mình PGS.TS Hà Hoàng Kha Trong quá trình thực hiện luận văn, thầy

là người đã nhiệt tình hỗ trợ, chỉ dẫn giúp tôi củng cố kiến thức đồng thời chỉ ra những vấn đề cốt lõi giúp tôi có định hướng đúng đắn để hoàn thành luận văn

Tiếp đến, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô đã và đang dạy tại

trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM và đặc biệt là các thầy cô ở Bộ Môn Viễn Thông đã giúp tôi xây dựng được kiến thức nền tảng, là cơ sở để tôi thực hiện

được luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã hết

sức giúp đỡ, quan tâm, động viên để tôi có điều kiện thuận lợi để thực hiện luận văn này

Xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2018

LÊ QUANG PHAN AN

TÓM TẮT

Ngày nay, số lượng trạm gốc và thiết bị vô tuyến trong các hệ thống thông tin vô tuyến đang tăng nhanh chóng Điều đó đồng nghĩa với việc tổng mức tiêu thụ năng lượng điện của các hệ thống này cũng tăng lên tương ứng Đây là một thách thức lớn cho sự phát triển ổn định và bền vững của các hệ thống thông tin vô tuyến Mặt khác, trong các hệ thống thông tin vô tuyến ngày nay, việc duy trì năng lượng để đảm bảo sự hoạt động liên tục của các thiết bị vô tuyến cũng là một trong những thách thức cần giải quyết Kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến đã được nghiên cứu và được đánh giá là một trong những giải pháp tiềm năng để giải

quyết các thách thức kể trên “Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến” là một

hướng nghiên cứu mới, ứng dụng các kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến Đây cũng là một hướng nghiên cứu được quan tâm bởi nhiều nhà khoa học và tổ chức khoa học trong thời gian gần đây

Luận văn tập trung thiết kế khối tiền mã hóa tại trạm gốc để tối ưu dung lượng kênh và năng lượng thu thập trong đường xuống của mô hình truyền thông tin và năng lượng vô tuyến trong hệ thống MIMO đa người dùng Hai bài toán được xem xét trong luận văn là: Tối đa hóa tổng dung lượng kênh và tổng năng lượng thu thập trong hệ thống với điều kiện ràng buộc về công suất phát tại trạm gốc (Bài toán 1); Tối đa hóa tổng dung lượng kênh với điều kiện ràng buộc về công suất phát tại trạm gốc và mức năng lượng tối thiểu thu thập được tại mỗi người dùng trong hệ thống (Bài toán 2) Các bài toán tối ưu này thường là bài toán tối ưu phi tuyến, không lồi nên rất khó để có thể đưa ra lời giải chính xác Do đó, luận văn phát triển một thuật toán tối ưu ngẫu nhiên phù hợp để giải quyết bài toán phức tạp này, đó là thuật toán tối ưu bầy đàn Cuối cùng, luận văn thực hiện các mô phỏng với số liệu cụ thể để kiểm chứng và đánh giá hiệu năng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến trong hệ thống MIMO đa người dùng

ABSTRACT

In recent years, the number of base stations and wireless communications devices has explosively increased Thus this results in an increase in the consumption of electricity respectively This is a major challenge for the stable and sustainable development of wireless communications systems On the other hand, maintaining energy to guarantee the uninterrupted operation of wireless communications devices in modern wireless systems is one of the major challenges need to be addressed Wireless Information Power Transfer (WIPT) has been recently studied as one of the potential solutions to address these challenges

In this thesis, we investigate the downlink Multiuser – Multiple-Input Multiple-Output (MU-MIMO) WIPT system We consider two problems: the first problem is the maximization of the sum-rate and energy harvesting subject to the transmitted power constraint at the Base Station (BS), and the second problem is the sum rate maximization subject to both the energy harvesting constraint at each user and the transmitted power constraint at BS The design problems are to find the optimal precoding matrices at BS However, such design problems are typically nonlinear and nonconvex optimizations and, thus, they are quite hard to obtain analytical solutions Therefore, we develop an efficient stochastic optimization algorithm to solve these problems – Particle Swarm Optimization (PSO) Numerical simulations are conducted to validate the performance of wireless information and power transfer in the MU-MIMO system

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, do PGS.TS Hà Hoàng Kha hướng dẫn

Các lý thuyết, thông số được trình bày trong luận văn được trích dẫn từ các tài liệu khoa học được công bố bởi các tổ chức uy tín Các kết quả mô phỏng được trình bày trong luận văn là kết quả trung thực và do tôi thực hiện

Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2018

Lê Quang Phan An

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Từ tiếng anh Từ tiếng Việt

Technology

Công nghệ thông tin và truyền thông

Transfer

Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến

Network

Mạng truyền thông năng lượng vô tuyến

and Power Transfer

Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời

ra

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tổng lượng điện tiêu thụ và khí CO2 phát thải của ngành ICT 1

Hình 2.1 Sơ đồ khối một bộ thu năng lượng RF cơ bản 6

Hình 2.2 Mô hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến 8

Hình 2.3 Các cấu trúc của bộ thu SWIPT: (a) Chuyển mạch thời gian; (b) Chia công suất; (c) Chuyển mạch anten 8

Hình 3.1 Các khối cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến 15

Hình 3.2 Mô hình 2 tia 17

Hình 3.3 Mô hình 10 tia 19

Hình 3.4 Ảnh hưởng của suy hao và hiệu ứng bóng đến vùng phủ cell 22

Hình 3.5 Hiệu ứng đa đường của kênh truyền vô tuyến 23

Hình 3.6 Đáp ứng kênh truyền đa đường 23

Hình 3.7 Power Delay Profile 24

Hình 3.8 Phân loại fading 25

Hình 3.9 Hệ thống MIMO cơ bản 25

Hình 3.10 Kênh truyền MIMO 26

Hình 3.11 Tiền mã hóa tại máy phát và shaping tại máy thu 29

Hình 3.12 Phân rã song song kênh MIMO 30

Hình 3.13 Giải thuật water filling 33

Hình 3.14 Hệ thống WIPT MU-MIMO 38

Hình 4.1 Cực trị địa phương và cực trị toàn cục 42

Hình 4.2 Sự thay đổi vị trí của các cá thể trong PSO 45

Hình 5.1 Sự hội tụ của thuật toán PSO với bài toán (4.8) 59

Hình 5.2 Sự tương nhượng giữa tổng dung lượng kênh và năng lượng thu thập trong hệ thống WIPT MU – MIMO 60

Hình 5.3 Sự hội tụ của thuật toán PSO với bài toán (4.17) 61

Hình 5.4 Ảnh hưởng của công suất phát tại BS đến tổng dung lượng hệ thống 62

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Dữ liệu thí nghiệm RF-EH 11Bảng 3.1 Hệ số mũ suy hao tiêu biểu trong các môi trường truyền 21Bảng 3.2 Bảng tóm tắt thông số hệ thống WIPT MU-MIMO 40

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

1.4 Phương pháp nghiên cứu 3

1.5 Cấu trúc luận văn 4

CHƯƠNG 2 5

TỔNG QUAN 5

2.1 Truyền năng lượng vô tuyến 5

2.2 Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến 7

3.1 Kênh truyền vô tuyến 14

3.1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến 14

3.1.2 Những vấn đề cơ bản của kênh truyền vô tuyến 15

3.1.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền vô tuyến 16

3.1.3.1 Suy hao trên kênh truyền 16

3.1.3.2 Hiệu ứng bóng 21

3.1.3.3 Hiệu ứng đa đường 22

3.2 Tổng quan về hệ thống MIMO 25

3.2.1 Giới thiệu tổng quan MIMO 25

3.2.2 Tín hiệu và mô hình kênh truyền 26

3.2.3 Phân rã song song kênh MIMO 27

3.2.4 Dung lượng kênh MIMO 31

4.1 Bài toán tối ưu 41

4.2 Phân loại bài toán tối ưu 42

4.3 Tối ưu bầy đàn – PSO 44

4.3.1 Tổng quan PSO 44

4.3.2 Thuật toán PSO 44

4.4 PSO với điều kiện ràng buộc 46

4.5 Áp dung PSO vào mô hình truyền thông tin và năng lượng vô tuyến 48 4.5.1 Bài toán tối ưu tổng dung lượng kênh và tổng năng lượng thu thập tại các người dùng trong hệ thống với điều kiện ràng buộc về công suất phát tại BS (Bài toán 1) 48

4.5.1.1 Tối ưu tổng dung lượng kênh với điều kiện ràng buộc về công suất phát tại BS (Xác định Rref) 48

4.5.1.2 Tối ưu tổng năng lượng thu thập tại các người dùng với điều kiện ràng buộc về công suất phát tại BS (Xác định Eref) 50

4.5.1.3 Tối ưu tổng dung lượng kênh và năng lượng thu thập tại các người dùng với điều kiện ràng buộc về công suất phát tại BS 52

4.5.2 Bài toán tối ưu tổng dung lượng kênh trong hệ thống với điều kiện ràng

buộc về công suất phát của BS và năng lượng tối thiểu cần thu thập tại

mỗi người dùng (Bài toán 2) 54

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU

1.1 Lý do chọn đề tài

Theo thống kê trong [1], trong năm 2015, tổng lượng điện mà ngành công nghệ thông tin – truyền thông (Information Communications Technology – ICT) trên toàn thế giới tiêu thụ ước tính khoảng 242 TWh, chiếm khoảng 1.15% tổng mức cung cấp điện toàn cầu Cũng trong [1], ngành ICT trên toàn thế giới thải ra môi trường khoảng 169 triệu tấn CO2 trong năm 2015, tương đương 0.34% tổng lượng CO2 thải ra trên toàn cầu Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp tối ưu hiệu suất năng lượng trong mạng thông tin truyền thông không chỉ mang lại những lợi ích về kinh tế mà còn mang lại lợi ích xã hội bằng việc ngăn chặn sự biến đổi khí hậu toàn cầu.

Hình 1.1 Tổng lượng điện tiêu thụ và khí CO2 phát thải của ngành ICT [1]

Mặt khác, đối với một số hệ thống thông tin vô tuyến như: mạng cảm biến quy mô lớn, mạng cảm biến trong cơ thể… các thiết bị vô tuyến phần lớn vẫn sử dụng nguồn năng lượng chính từ pin Tuy nhiên, trong một số hệ thống, khả năng sạc hoặc thay thế pin tốn rất nhiều chi phí và thậm chí không khả thi trong nhiều trường hợp nên hệ thống thường có tuổi thọ ngắn, chi phí để vận hành và xây dựng lại hệ thống rất tốn kém

Từ những phân tích trên, yêu cầu đặt ra là cần có một giải pháp cho việc nâng cao hiệu suất năng lượng, kéo dài tuổi thọ hệ thống Giải pháp thu thập năng lượng (Energy Harvesting – EH) từ môi trường xung quanh được xem như một giải pháp tiềm năng có thể đáp ứng được yêu cầu trên Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày nay, con người đã có thể thu thập năng lượng từ những nguồn năng lượng tự nhiên vĩnh cửu như năng lượng mặt trời, năng lượng gió …, tuy nhiên các nguồn năng lượng này có nhược điểm rất lớn là phụ thuộc vào vị trí địa lý, thời gian hay thời tiết Với những nhược điểm đó, những nguồn năng lượng nói trên nhìn chung không phù hợp để cung cấp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến trong các hệ thống thông tin vô tuyến Không giống như những nguồn năng lượng tự nhiên, năng lượng sóng tần số vô tuyến (Radio Frequency – RF) không có những nhược điểm kể trên và có thể luôn có sẵn theo yêu cầu Do đó, năng lượng RF có thể trở thành một nguồn năng lượng khả thi để cung cấp cho các thiết bị vô tuyến trong hệ thống thông tin vô tuyến, đặc biệt phù hợp những thiết bị vô tuyến tiêu thụ công suất thấp (ví dụ: các cảm biến trong mạng cảm biến vô tuyến)

Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến là mô hình sử dụng công nghệ truyền năng lượng RF để có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến So với mô hình thông tin vô tuyến truyền thống, mô hình này vượt trội hơn về các khía cạnh: hiệu suất năng lượng, giảm chi phí vận hành và bảo trì hệ thống, tăng tuổi thọ hệ thống Tuy nhiên, các thiết kế và ứng dụng của mô hình này đang gặp phải một số hạn chế như: hiệu suất giảm đáng kể khi truyền qua khoảng cách lớn hay tính chất phức tạp do truyền thông tin và năng lượng trong cùng một mạng Tuy nhiên, với những công nghệ được phát triển trong tương lai như: small cell, mm-wave, vô tuyến nhận thức, quản lý can nhiễu… thì những hạn chế trên hoàn toàn có thể được khắc phục

Vì lý do đó, người thực hiện luận văn quyết định thực hiện đề tài nghiên cứu “Đánh giá hiệu năng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến trong hệ thống MIMO đa người dùng” Đây là hướng nghiên cứu được quan tâm trong cộng đồng khoa học trong thời gian gần đây, và tiếp tục là hướng nghiên cứu hứa hẹn trong thời gian tới

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận văn bao gồm các điểm cơ bản sau:  Xây dựng mô hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến

sử dụng kỹ thuật MIMO đa người dùng  Áp dụng các thuật toán tối ưu để nâng cao hiệu năng của hệ thống  Xây dựng chương trình mô phỏng để đánh giá hiệu năng của hệ thống

truyền thông tin và năng lượng vô tuyến

1.3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong khuôn khổ thực hiện luận văn, hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến được xây dựng dựa trên kỹ thuật MU-MIMO Các tham số đặc trưng của hệ thống sử dụng trong tính toán được đối chiếu, so sánh với các tài liệu khoa học được công bố bởi các tổ chức uy tín

Để thực hiện mục tiêu tối ưu dung lượng truyền tin và năng lượng thu thập trong hệ thống WIPT MU-MIMO, người thực hiện đề tài tập trung vào thiết kế kỹ thuật tiền mã hóa tại phía máy phát Các thuật toán tối ưu được kiểm chứng qua các kết quả mô phỏng

Các kết quả thu được từ quá trình tính toán và mô phỏng, ngoài giá trị phục vụ cho những nghiên cứu và đánh giá sâu hơn còn có thể được tham khảo để xây dựng hệ thống trong thực tế Tuy nhiên, để áp dụng vào thực tế còn phụ thuộc vào nhiều yêu cầu về nền tảng kỹ thuật, công nghệ, điều kiện thời gian, đáp ứng công nghiệp, và điều kiện kinh tế - xã hội

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn trong luận văn là áp dụng lý thuyết đã được nghiên cứu, kiểm chứng trong các tài liệu khoa học được công bố bởi các tổ chức uy tín để xây dựng mô hình, công thức tính toán, và phát triển thuật toán tối ưu Kết quả sẽ được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB trên máy tính để đánh giá tính khả thi của mô hình đã xây dựng và thuật toán đã phát triển

1.5 Cấu trúc luận văn

Nội dung của luận văn bao gồm 6 chương Chương thứ 2 của luận văn sẽ trình bày tổng quan truyền năng lượng vô tuyến, truyền thông tin và năng lượng vô tuyến và các công trình nghiên cứu liên quan Cơ sở lý thuyết về kênh truyền vô tuyến, kỹ thuật MIMO sẽ được trình bày ở chương 3 Cũng trong chương này, luận văn sẽ trình bày về mô hình hệ thống WIPT MU-MIMO, áp dụng các lý thuyết về kênh truyền, MIMO để đưa ra các biểu thức tính toán về tổng dung lượng kênh và năng lượng thu thập trong hệ thống Chương thứ 4 trình bày cơ bản về lý thuyết tối ưu, thuật toán tối ưu bầy đàn, thuật toán tối ưu bầy đàn với điều kiện ràng buộc Từ đó, áp dụng thuật toán tối ưu bầy đàn để giải quyết hai bài toán tối ưu rút ra từ mô hình hệ thống WIPT MU – MIMO được xây dựng ở chương 3 Chương thứ 5 sẽ trình bày các kết quả mô phỏng bằng phần mềm MATLAB Các kết quả mô phỏng sẽ được phân tích, nhận xét Từ đó, đánh giá về tính khả thi của mô hình WIPT MU – MIMO cũng như sự hiệu quả của thuật toán tối ưu bầy đàn Chương 6 sẽ tóm tắt lại kết quả nghiên cứu, đồng thời đề ra hướng phát triển trong tương lai của luận văn

CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN

Chương này trình bày tổng quan về truyền thông tin và năng lượng vô tuyến (WIPT), đồng thời khảo sát một số công trình nghiên cứu liên quan để cung cấp cái nhìn toàn cảnh về WIPT

2.1 Truyền năng lượng vô tuyến

Truyền năng lượng RF vô tuyến là quá trình chuyển tải năng lượng RF từ một bộ phát đến các thiết bị thu vô tuyến bằng cách tận dụng các đặc tính bức xạ trường xa của sóng điện từ [2] Truyền năng lượng RF có tính chất đặc trưng là công suất thấp và khoảng cách lớn, do đó rất phù hợp cho việc cung cấp năng lượng cho số lượng lớn thiết bị đầu cuối có công suất tiêu thụ thấp và phân bố trong một vùng không gian rộng [3]

Mặc dù kỹ thuật truyền năng lượng RF vô tuyến chỉ mới được nghiên cứu mạnh mẽ vài năm gần đây, nhưng thực ra nó đã được phát triển từ cuối thế kỷ XIX bởi Nikola Tesla Để hiện thực hóa truyền năng lượng RF, thiết bị thu phải được tích hợp một module là “Bộ thu năng lượng RF” (Hình 2.1) Một “Bộ thu năng lượng RF” bao gồm các thành phần cơ bản sau: anten thu (hoặc mảng anten thu), mạch phối hợp trở kháng, mạch chuyển đổi RF-to-DC [4] Anten có thể được thiết kế hoạt động trong một hoặc nhiều dãi tần số khác nhau Mạch phối hợp trở kháng là một mạch cộng hưởng hoạt động tại tần số thiết kế để tối ưu công suất truyền giữa anten và mạch chuyển đổi RF-to-DC Cuối cùng, mạch chuyển đổi RF-to-DC sử dụng một mạch chỉnh lưu để chuyển đổi tín hiệu RF thành điện áp DC có thể cung cấp trực tiếp cho tải hoặc để tích trữ vào một bộ dự trữ năng lượng Hiệu suất chuyển đổi của bộ thu năng lượng RF phụ thuộc vào sự phối hợp trở kháng giữa anten với mạch chuyển đổi RF-to-DC và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của mạch RF-to-DC Trong truyền năng lượng RF, lượng năng lượng thu thập được có thể được tính toán dựa trên phương trình Friss [5]

với PT là công suất phát, GT là độ lợi anten phát, PL là suy hao đường truyền, GR

là độ lợi anten thu,  là hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-to-DC và  là thời gian truyền

Sóng điện từ

Ăn ten thu

Mạch Phối hợp trở kháng

Mạch chuyển đổi RF-DC Tải hoặc lưu trữ

Hình 2.1 Sơ đồ khối một bộ thu năng lượng RF cơ bản

Ngoài truyền năng lượng RF, có hai loại công nghệ truyền năng lượng vô tuyến mang tên là ghép cảm ứng và ghép cộng hưởng từ Ghép cảm ứng [6] dựa trên nguyên tắc ghép từ trường, truyền năng lượng giữa hai cuộn dây được điều chỉnh cùng tần số Ghép cảm ứng hiện đang được áp dụng trong nhiều ứng dụng thực tế như: Sạc điện thoại không dây, thiết bị cấy ghép trong y tế Tuy nhiên, do cảm ứng từ sẽ bị giảm đáng kể khi tăng khoảng cách nên ghép cảm ứng thường chỉ hoạt động trong phạm vi vài centimet [7] Ghép cộng hưởng từ [8] lợi dụng các tính chất cộng hưởng từ để tạo ra và truyền năng lượng giữa hai khung cộng hưởng, nó có thể hoạt động trong phạm vi vài mét Tuy nhiên, ghép cộng hưởng từ yêu cầu sự liên kết chặt chẽ giữa các khung cộng hưởng tại bộ thu và bộ phát để đảm bảo được hiệu suất cao Cả hai cách tiếp cận này đều là kỹ thuật tryền năng lượng vô tuyến ở trường gần, có mật độ công suất và hiệu suất chuyển đổi cao Vì vậy, so với truyền năng lượng RF, hai cách tiếp cận này nhìn chung không phù hợp để cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong hệ thống thông tin vô tuyến

2.2 Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến

Trong các hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống, tín hiệu RF được sử dụng với vai trò chính là môi trường để mang thông tin Mới đây, Varshey [9] đề xuất khái niệm về việc sử dụng tín hiệu RF không chỉ để truyền tải thông tin mà còn truyền tải năng lượng trong cùng một mạng Điều này đã mở ra một hướng

nghiên cứu mới là “truyền thông tin và năng lượng vô tuyến” Trong hệ thống này,

các thiết bị vô tuyến có thể thu thập năng lượng từ các tín hiệu RF được phát ra bởi các máy phát và sử dụng năng lượng thu thập được để xử lý hoặc truyền tải thông tin Các thiết bị vô tuyến sẽ không bị gián đoạn do hết pin Hơn nữa, hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến được kỳ vọng sẽ đạt được hiệu suất mạng cao hơn, chi phí bảo trì thấp hơn và linh hoạt hơn so với hệ thống thông tin vô tuyến truyền thống

Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến gồm hai chế độ hoạt động chính được minh họa trong Hình 2.2 Trong chế độ thứ nhất, Hybrid – Access Point (H-AP) truyền năng lượng đến Terminal 1 trong đường xuống, sau đó Terminal 1 sử dụng năng lượng thu thập được từ đường xuống để truyền thông tin đến H-AP trong đường lên Chế độ hoạt đồng này gọi là mạng truyền thông năng lượng vô tuyến (Wireless Powered Communication Network – WPCN) Chế độ thứ 2 được minh họa bởi Terminal 2 trong Hình 2.2, H-AP có thể truyền thông tin và năng lượng trong cùng một tín hiệu RF trong đường xuống Chế độ hoạt động này được gọi là truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer – SWIPT) Trong SWIPT, bộ thu cần thực hiện cả việc giải mã thông tin và thu thập năng lượng trong đường xuống với cùng một tín hiệu nhận được Một bộ thu SWIPT lý tưởng được giả định là có khả năng thu thập năng lượng và giải mã thông tin từ cùng một tín hiệu RF Tuy nhiên, điều này là không đạt được trong thực tế Để có thực hiện SWIPT trong thực tế, tín hiệu thu được chia thành hai luồng riêng biệt: một cho thu thập năng lượng và một cho giải mã thông tin Một vài cấu trúc bộ thu thực tế cho SWIPT như chuyển mạch thời

gian, chia công suất, chuyển mạch anten đã được đề xuất trong các nghiên cứu liên quan [10][11] Hình 2.3 mô tả một số cấu trúc của bộ thu SWIPT

H-AP

Terminal 1

Terminal 2

Truyền năng lượngTruyền thông tin

Hình 2.2 Mô hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến

Thu thập năng lượng

Giải mã thông tin

Thu thập năng lượng

Giải mã thông tinBộ chia

công suất



1

Thu thập năng lượng

Giải mã thông tin(a)

(b)

(c)

Hình 2.3 Các cấu trúc của bộ thu SWIPT: (a) Chuyển mạch thời gian; (b) Chia

công suất; (c) Chuyển mạch anten

Bên cạnh đó, việc thiết kế hệ thống SWIPT cho các mạng vô tuyến khác nhau đang được quan tâm trong thời gian gần đây SWIPT cho kênh truyền quảng bá MIMO và kênh truyền can nhiễu MISO được thiết kế và đánh giá trong [9] và [12] Thuật toán cấp phát tài nguyên cho SWIPT trong hệ thống vô tuyến băng rộng được nghiên cứu trong [13]

Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đã có nhiều ứng dụng trong thực tế [14] Ứng dụng được áp dụng rộng rãi nhất của kỹ thuật này là mạng cảm biến vô tuyến nơi mà mỗi nút cảm biến đều được tích hợp một bộ thu thập năng lượng để cung cấp năng lượng cho nó Loại ứng dụng này đã được triển khai thành công bởi Powercast Corp [15] Theo đó, máy phát năng lượng liên tục gửi tín hiệu RF tại tần số 915 MHz và bộ thu thập năng lượng trong nút cảm biến chuyển đổi tín hiệu RF thành điện áp DC để cấp nguồn cho việc truyền nhận thông tin từ nút cảm biến đến AP tại tần số 2.4 GHz Một ứng dụng khác cũng được áp dụng rộng rãi đó là Radio Frequency Identification (RFID), được sử dụng rộng rãi trong truyền thông, nhận dạng, theo dõi và quản lý tồn kho [16] Với những phát triển của hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến hiện nay, kỹ thuật RFID truyền thống đã phát triển từ dạng thẻ thụ động sang thẻ thông minh với những chức năng mới như cảm biến, xử lý dữ liệu trên thẻ, quản lý năng lượng thông minh Kỹ thuật truyên thông tin và năng lượng vô tuyến cũng có thể áp dụng trong các lĩnh vực y tế (VD: mạng cơ thể không dây [17])

Vì tính chất suy hao cao khi tăng khoảng cách của tín hiệu RF, hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến hiện tại chỉ được áp dụng cho các mạng vô tuyến với các thiết bị tiêu thụ công suất rất thấp ví dụ như cảm biến, thẻ RFID Tuy nhiên, với những tiến bộ trong truyền thông vô tuyến như small cells [18] và milimetter wave [19], kích thước của một cell sẽ giảm đáng kể và khoảng cách giao tiếp giữa các nút cũng sẽ được giảm tương ứng Đối với khoảng cách truyền ngắn trong mạng tế bào tương lai, tác động của suy hao truyền dẫn không còn quá lớn và hiệu suất thu thập năng lượng sẽ được tăng đáng kể nhờ áp dụng kỹ thuật beamforming [20], hệ thống massive MIMO [21] Hơn nữa, công suất hoạt động

của các thiết bị vô tuyến sẽ tiếp tục giảm nên có thể thấy kỹ thuật truyền thông tin và năng lượng vô tuyến sẽ đóng vai trò quan trọng trong rất nhiều hệ thống thương mại hay công nghiệp trong tương lai

2.3 Tình hình nghiên cứu

Thời gian gần dây, các đề tài về truyền thông tin và năng lượng vô tuyến được nhiều nhà khoa học và các tổ chức khoa học uy tín tập trung nghiên cứu và đạt được một số thành tựu nhất định

Bài báo [22] giới thiệu lý thuyết cơ bản của 3 công nghệ truyền năng lượng vô tuyến (WPT) là ghép cảm ứng, ghép cộng hưởng từ và bức xạ sóng điện từ đồng thời phân tích các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các công nghệ WPT tương ứng Chủ đề nghiên cứu chính của bài báo [22] là cải thiện hiệu suất và khoảng cách truyền, đồng thời thiết kế mô hình WPT với nhiều bộ thu phát Thực hiện phân tích, đánh giá, phân loại các kỹ thuật WPT hiện đại cùng với những ứng dụng tương ứng Cuối cùng là thảo luận về hướng phát triển trong tương lai

Bài báo [23] đã trình bày về tình hình phát triển hiện nay của công nghệ WPT và tập trung vào phương pháp đo công suất năng lượng thu thập được của công nghệ này Các tác giả đã thảo luận cũng như triển khai thành công một mô hình thử nghiệm của hệ thống đo lường linh hoạt và tin cậy trong WPT

Các tác giả trong [24] đã thực hiện nghiên cứu về đồ thị bức xạ cường độ trường để thu thập năng lượng RF cho các ứng dụng tiêu thụ công suất thấp (khoảng vài micro-watt) [24] cũng đã trình bày các kết quả đạt được của mô hình thu thập năng lượng với các thiết kế anten, các thiết kế bộ thu thập năng lượng và phương án triển khai khác nhau Trong đó, các loại anten như anten lưỡng cực, anten đẳng hướng và anten xoắn ốc đã được sử dụng để đánh giá khả năng thu thập năng lượng của mỗi loại Theo đó, các tác giả đã chỉ ra được rằng, anten đẳng hướng được xác định là anten phù hợp nhất cho các ứng dụng thu thập năng lượng RF Ngoài ra thì các ứng dụng thực tế của các hệ thống thu thập năng lượng cũng được trình bày

Bài báo [25] đã khảo sát và tổng hợp dữ liệu của các thí nghiệm thu thập năng lượng RF gần đây và thể hiện trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Dữ liệu thí nghiệm RF-EH [25]

Nguồn phát

Công suất phát

Tần số Khoảng cách

Năng lượng thu thập (W) (MHz) (M) (W)

Bộ phát TX 91501 Powercaster 3 915 5 189 Bộ phát TX 91501 Powercaster 3 915 11 1

Bài báo [26] đã cung cấp các đánh giá bao quát về tình hình nghiên cứu các mạng vô tuyến có khả năng thu thập năng lượng RF (RF-EHNs) Đầu tiên, các tác giả trình bày tổng quan về RF-EHNs bao gồm kiến trúc hệ thống, kỹ thuật thu thập năng lượng RF và những ứng dụng hiện hữu Sau đó, bài báo trình bày các vấn đề nền tảng trong thiết kế cũng như trong triển khai các mạch hiện đại Các tác giả cũng phân tích, đánh giá các giao thức truyền thông được thiết kế đặc biệt cho RF-EHNs theo các kiểu mạng khác nhau như mạng đơn trạm, mạng đa anten, mạng chuyển tiếp và mạng vô tuyến nhận thức Cuối cùng, bài báo cung cấp một vài hướng phát triển của đề tài trong tương lai

Trong bài báo [27], các tác giả đã cung cấp kiến thức tổng quan về các hệ thống truyền năng thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT) Đặc biệt, các tác giả tập trung phân tích, đánh giá về triển khai phần cứng của các mạch anten chỉnh lưu, các kỹ thuật thực tế để có thể đạt được SWIPT trong miền thời gian, miền công suất, miền anten và miền không gian Bài báo cũng thảo luận những lợi ích của việc tích hợp các công nghệ SWIPT trong các mạng truyền thông hiện đại trong bối cảnh phân bổ tài nguyên và mạng vô tuyến nhận thức hợp tác

Bài báo [28] tập trung vào việc áp dụng công nghệ anten thông minh tiên tiến như kỹ thuật đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO) và kỹ thuật chuyển tiếp vào SWIPT Những công nghệ anten thông minh này có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất năng lượng cũng như là hiệu suất sử dụng phổ trong SWIPT Những giao thức mạng đơn người dùng và đa người dùng cũng đã được xem xét, cùng với một vài giải pháp khả thi để đạt được sự tương nhượng giữa hiệu năng và độ phức tạp của hệ thống Ngoài ra, bài báo cũng thảo luận về chi tiết về những thách thức trong các nghiên cứu về thiết kế hệ thống SWIPT

Bài viết [29] đã xem xét các vấn đề về bảo mật trong các kịch bản SWIPT khác nhau, với trọng tâm là thảo luận về những thách thức và cơ hội tương ứng trong việc triển khai SWIPT Hơn nữa, các tác giả cung cấp một khảo sát về nhiều kỹ thuật bảo mật lớp vật lý để cải thiện khả năng bảo mật Đặc biệt, bài báo cũng đề xuất sử dụng kỹ thuật massive MIMO để nâng cao hiệu suất truyền năng lượng và truyền thông tin an toàn đồng thời Cuối cùng, bài báo đề xuất một vài hướng nghiên cứu tiềm năng để nâng cao tính bảo mật trong các hệ thống SWIPT

Các tác giả trong [30] đã cung cấp thông tin tổng quan về các mô hình mạng truyền thông năng lượng (WPCN) cơ bản và các kỹ thuật nâng cao hiệu năng tương ứng để có thể xây dựng một WPCN hiệu quả Các tác giả cũng thực hiện so sánh với các mạng truyền thông sử dụng năng lượng từ pin và mạng truyền thông thu thập năng lượng vĩnh cửu từ môi trường, họ đã chỉ ra rằng WPCN cải thiện đáng kể về băng thông cũng như độ tin cậy cho mạng Mặc dù các kỹ thuật được sử dụng trong WPCN cũng tương tự như trong các mạng truyền thông vô tuyến truyền thống nhưng do việc tích hợp truyền năng lượng trong hệ thống nên yêu cầu phải hệ thống có thiết kế phức tạp hơn nhiều

Bài báo [31] nghiên cứu về tối ưu hiệu suất năng lượng trong WPCN thông qua việc phối hợp giữa phân bổ thời gian và kiểm soát năng lượng, đồng thời tính đến năng lượng pin ban đầu của mỗi người dùng Đầu tiên các tác giả nghiên cứu về vấn đề tối ưu hiệu suất năng lượng trong WPCN mà không có bất kỳ ràng buộc nào về chất lượng dịch vụ Họ đã cho thấy bài toán tối ưu hiệu suất năng lượng

trong WPCN có thể được biến đổi thành bài toán tối ưu cho hai mạng đơn giản hơn nhờ vào cấu trúc đặc biệt của nó Đối với mỗi bài toán, họ tìm được các giải pháp tối ưu và đưa ra các lời giải tối ưu tương ứng Tiếp theo, nhóm tác giả nghiên cứu về tối ưu hiệu suất năng lượng với điều kiện ràng buộc về băng thông tối thiểu của hệ thống và đã đề xuất một lời giải hiệu quả để đạt được giải pháp tối ưu Thêm vào đó, họ đã chỉ ra rằng, khi truyền trong khoảng thời gian đủ dài, chiến lược để đạt được hiệu suất năng lượng tốt nhất cho hệ thống là để mỗi người dùng đạt hiệu suất năng lượng tối đa Ngược lại, nếu thời gian truyền ngắn, hiệu suất năng lượng của hệ thống phải được cân nhắc sau khi đạt được yêu cầu về băng thông của hệ thống

2.4 Kết luận

Chương này đã cung cấp cái các khái niệm cơ bản và phạm vi áp dụng của các kỹ thuật truyền năng lượng vô tuyến, hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến Có hai hướng nghiên cứu chính về hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến là: Mạng truyền thông năng lượng vô tuyến (WPCN) và truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT) Một số cấu trúc bộ thu trong hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến như: Chuyến mạch thời gian, chia công suất, chuyển mạch anten Đồng thời chương này cũng khảo sát và trình bày các kết quả, thành tựu đạt được về lý thuyết, thực nghiệm, đo đạc trong công trình khoa học của hướng nghiên cứu này trong thời gian gần đây

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG

Chương này trình bày lý thuyết cơ bản về kênh truyền vô tuyến, kỹ thuật MIMO Sau đó, áp dụng các lý thuyết này vào việc xây dựng mô hình truyền thông tin và năng lượng vô tuyến trong hệ thống MIMO đa người dùng, đồng thời rút ra các biểu thức tính toán về dung lượng kênh và năng lượng thu thập trong mô hình đã xây dựng

3.1 Kênh truyền vô tuyến

Các phương tiện thông tin nói chung được chia thành hai phương pháp thông tin cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến Cùng với sự phát triển của xã hội hiện đại, mạng thông tin vô tuyến ngày nay đã trở thành một phương tiện chủ yếu do tính tiện lợi, linh hoạt của mình

Trong mạng thông tin vô tuyến, kênh truyền là một trong những khối quan trọng nhất, và có cấu trúc tương đối phức tạp Kênh truyền là môi trường để truyền thông tin từ phía phát đến phía thu

Phần này tìm hiểu các lý thuyết cơ bản về kênh truyền như các mô hình kênh truyền cơ bản và các hiện tượng ảnh hưởng đến kênh truyền

3.1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến

Hình 3.1 là sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống thông tin vô tuyến Nguồn tin trước hết được mã hóa nguồn để giảm thiểu các thông tin dư thừa, sau đó được mã hóa kênh để chống lại các lỗi do kênh truyền gây ra Tiếp theo, tín hiệu được điều chế để có thể truyền đi xa Kỹ thuật điều chế phải phù hợp với đặc điểm và tính chất của kênh truyền Tín hiệu thu được tại phía thu sẽ trải qua các quá trình ngược lại so với phía phát Kết quả là tín hiệu được giải mã và thu lại tại phía thu

Chất lượng tín hiệu thu được phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền và các phương pháp điều chế và mã hóa

Mã hóa nguồnMật mãMã hóa kênhĐiều chếGhép kênh

Giải mã hóa nguồn Giải mật mã

Giải mã hóa kênhGiải điều chếGiải ghép kênh

Kênh truyền vô tuyến

Thông tin

Thông tin ước lượng

Hình 3.1 Các khối cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến

3.1.2 Những vấn đề cơ bản của kênh truyền vô tuyến

Chất lượng của các hệ thống thông tin phụ thuộc nhiều vào kênh truyền Không giống như các kênh truyền hữu tuyến với các đặc điểm là ổn định và có thể dự đoán được, các kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không dễ dàng cho việc phân tích Tín hiệu phát đi qua kênh truyền vô tuyến sẽ chịu ảnh hưởng bởi các hiện tượng như tán xạ, phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ do gặp phải các vật cản trong quá trình truyền như tòa nhà, núi, cây cối Và kết quả là tại phía thu, ta nhận được rất nhiều phiên bản của tín hiệu phát Điều này làm ảnh hưởng đến chất lượng của các hệ thống thông tin vô tuyến Do đó, việc nắm vững các đặc tính kênh truyền vô tuyến là yêu cầu cơ bản để có thể lựa chọn một cách thích hợp các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và thông số tối ưu của hệ thống

3.1.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền vô tuyến

3.1.3.1 Suy hao trên kênh truyền

Trong suốt quá trình truyền qua không gian, cường độ tín hiệu bị suy hao dọc theo quãng đường từ phía phát tới phía thu Sự suy giảm công suất tín hiệu là hệ quả của sự hấp thu của môi trường và sự che chắn của các vật thể Giả sử tín hiệu phát có công suất phát là Pt, tín hiệu thu được có công suất thu làPr, suy hao tuyến tính PL của kênh truyền được định nghĩa là:

10

10 log tL

r

PP dB

P

Trong thực tế, tùy vào đặc điểm của môi trường truyền mà mỗi kênh truyền có mức suy hao khác nhau Việc phân tích mọi yếu tố trong môi trường truyền để đưa ra được mức suy hao của mỗi kênh truyền khác nhau là rất khó khăn và không khả thi Để thuận tiện cho việc phân tích, tính toán, người ta đã khảo sát một số đặc điểm chung của các môi trường truyền khác nhau từ đó đưa ra một số mô hình suy hao kênh truyền phổ biến và có tính thực tiễn

Mô hình suy hao trong không gian tự do:

Xem xét một môi trường truyền sóng tự do không có vật thể che chắn giữa phía thu và phía phát Sự lan truyền sóng từ phía phát đến phía thu theo một đường thẳng gọi là đường Line-of-Sight (LOS) và tín hiệu nhận được gọi là tín hiệu LOS Khi đó, tỷ số công suất tín hiệu thu và phát trong môi trường tự do [32] là:

2

4

lr

t

GP



dBm 10 log ()20 log ( )20 log (4 )20 log ( )

và suy hao của môi trường tự do:

Mô hình tia:

Trong thực tế, tín hiệu vô tuyến truyền trong môi trường đối mặt với nhiều vật thể trên đường truyền, chịu tác động của các hiện tượng tán xạ, nhiễu xạ, phản xạ Điều này tạo ra một số bản sao của tín hiệu gốc, các tín hiệu bản sao này bị giảm về công suất, trễ về thời gian và dịch pha so với tín hiệu LOS Tín hiệu thu được là tổng hợp của các tín hiệu này, và do đó có sự méo dạng so với tín hiệu gốc Sự méo dạng này có thể được giải quyết thông qua việc tính toán dựa trên các phương trình truyền sóng Maxwell với các gía trị biên phù hợp Tuy nhiên việc sử dụng giải pháp này quá phức tạp và không có tính thực tế cũng như không tổng quát hóa vấn đề Để đơn giản hóa, sử dụng mô hình tia, trong đó giả định một số lượng cố định các mặt phản xạ với vị trí xác định, thay vì sử dụng các phương trình Maxwell, mô hình tia sử dụng các phương trình hình học để mô tả kênh truyền

Một mô hình tia tổng quát bao gồm tất cả các thành phần của kênh truyền, bị suy hao, phản xạ, tán xạ, và nhiễu xạ Nội dung sau đây mô tả một số mô hình tia với độ phức tạp tăng dần

Mô hình 2 tia

Mô hình 2 tia được sử dụng khi chỉ có một mặt phản xạ tạo hiệu ứng đa đường như minh họa trong Hình 3.2

Hình 3.2 Mô hình 2 tia

Tín hiệu LOS được xem như lan truyền qua môi trường không gian tự do Tín hiệu phản xạ được minh họa bởi hai phân đoạn x và x' trong Hình 3.2 Bỏ qua sự tán xạ trên bề mặt phản xạ, công suất tín hiệu thu được của mô hình 2 tia đối với tín hiệu băng hẹp là [32]:

22

Trong đó   2 ( x x' l) / là độ lệch pha của hai tín hiệu, d là khoảng

cách theo phương ngang giữa phía thu và phát, ht và hr lần lượt là chiều cao của anten phát và thu, Gl là tích của độ lợi anten phát và anten thu trong phương LOS, Grlà tích của độ lợi anten phát và thu tương ứng với phương

d



ZR

Z







, đối với phân cực dọc

(3.9)

, đối với phân cực ngang

và rlà hệ số điện môi của bề mặt phản xạ Với mặt phản xạ là trái đất, hệ số

r

 sấp xỉ giá trị 15 Với mô hình trong Hình 3.2 với giá trị đủ lớn, ta có các xấp xỉ xx' ld,0,Gl Gr và R 1 Thay các xấp xỉ này vào (3.5) ta có công suất thu được tính như sau:

2 2 2

2

44

Mô hình 10 tia (Dielectric Canyon)

Xem xét mô hình xây dựng cho khu vực thành thị, với đường phố phẳng và các tòa nhà hai bên là các mặt phản xạ Về mặt lý thuyết, có vô số các đường phản xạ từ mặt đường và các toàn nhà, hoặc phản xạ qua lại giữa các tòa nhà trước khi đến vị trí của các anten thu Tuy nhiên, một phần năng lượng bị tiêu hao với mỗi phản xạ, và để đơn giản ta bỏ qua các tín hiệu với công suất nhỏ không đáng kể Mô hình 10 tia kết hợp tia LOS và các tia phản xạ từ mặt đất (GR), tia phản xạ một lần trên tường (SW), hai lần phản xạ trên tường (DW), ba lần phản xạ trên tường (TW), kết hợp phản xạ trên tường và mặt đường (WG) và (GW) Hình 3.3 [32] mô tả mô hình 10 tia

jixl

rt

R G eG





 

Mô hình suy hao từ dữ liệu thực tế

Trong thực tế, môi trường truyền dẫn là phức tạp và không thể áp dụng mô hình suy hao tự do hay các mô hình tia một cách chính xác Các mô hình suy hao được rút ra từ các dữ liệu đo đạc và tính toán thực tế ở một số môi trường như thành thị, ngoại ô, nông thôn hay môi trường indoor gọi là mô hình suy hao thực tế Một số mô hình suy hao thực tế phổ biến và có tính ứng dụng cao như: mô hình Okumura, mô hình Hata, Mô hình Hata mở rộng, mô hình tuyến tính Piecewise, mô hình suy hao trong nhà

Mô hình suy hao đơn giản

Khi cần đáp ứng các thông số chặt chẽ của hệ thống hay cần xác định các vị trí tốt nhất để bố trí các trạm gốc hoặc các điểm truy cập, ta cần phải xem xét các mô hình suy hao chính xác có thể đạt được thông qua các phân tích phức tạp hoặc các phép đo đạc thực nghiệm Tuy nhiên, khi ta chỉ cần phân tích tổng quan về thiết kế hệ thống hay sự tương nhượng giữa các thông số trong hệ thống, ta có thể sử dụng một mô hình đơn giản sấp xỉ với kênh truyền thực, có thể mô tả được bản chất của việc truyền tín hiệu Mô hình đó gọi là mô hình suy hao đơn giản

Công suất tín hiệu thu trong mô hình suy hao đơn giản được biểu diễn như sau:

hay được biểu diễn dưới dạng dB:

100

trong đó, K là hằng số đơn vị phụ thuộc vào đặc tính anten và suy hao kênh

truyền trung bình, d0là khoảng cách tham chiếu cho trường xa của anten, 

là hệ số mũ suy hao Ta có bảng tóm tắt các giá trị của hệ số mũ suy hao 

trong một số môi trường khác truyền khác nhau (Bảng 3.1)

Bảng 3.1 Hệ số mũ suy hao tiêu biểu trong các môi trường truyền

210

2

(10 log)

22

dB

dBdB



 

 

dB

 là độ lệch chuẩn của dB Khi kết hợp suy hao và hiệu ứng bóng ta có:

R BS

rdASuy hao kênh truyền kết

trong đó: i( )t là Biên độ đáp ứng của đường truyền thứ i tại thời điểm t, i( )t là

độ trễ pha của đường truyền thứ i tại thời điểm t, i( )t là độ trễ thời gian của đương

truyền thứ i tại thời điểm t Đáp ứng kênh truyền bao gồm đáp ứng của N đường

đi khác nhau và là một hàm phụ thuộc vào thời gian có thể được minh họa trong Hình 3.6

Hình 3.6 Đáp ứng kênh truyền đa đường

Một trong các dạng Delay Profie thường sử dụng của kênh truyền là Power Delay Profile, là kết quả trung bình của một số lượng lớn các phép đo đạc được mô tả trong Hình 3.7

total delay

Delay, 

Power, P

1 2 3 4

Hình 3.7 Power Delay Profile

Từ Power Delay Profile của kênh truyền, ta tính được giá trị trung bình của độ trễ:

2

2

( )( )

Fading chọn lọc chậm Fading chọn lọc nhanh

Fading chọn lọc nhanh

Fading chọn lọc chậm

Fading phẳng nhanh

Fading phẳng chậm

Hình 3.8 Phân loại fading

3.2 Tổng quan về hệ thống MIMO

3.2.1 Giới thiệu tổng quan MIMO

MIMO là kỹ thuật truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở máy phát và máy thu như Hình 3.9 Chuỗi tín hiệu phát  sk được mã hóa theo cả hai miền không gian (theo hướng các anten phát) và thời gian nhờ bộ mã hóa không gian thời gian Tín hiệu sau khi được mã hóa không gian thời gian  sk được phát đi nhờ M anten phát Máy thu sử dụng phân tập thu với N anten thu

3.2.2 Tín hiệu và mô hình kênh truyền

Ta khảo sát một hệ thống MIMO có M anten phát và N anten thu, tín hiệu đi qua anten phát thứ j và thu được tại anten thu thứ i có độ lợi kênh truyền là hij được

Hình 3.10 Kênh truyền MIMO

Vector tín hiệu nhận được tại phía thu được biểu diễn theo công thức sau:

trong đó:

12

N

yy

M

xx

N

nn

n

   

   

Công suất phát của hệ thống MIMO P là: T

trong đó R là ma trận hiêp phương sai của nhiễu Từ (3.25), ta thấy công suất tín n

hiệu thu phụ thuộc vào ma trận hiệp phương sai của kênh truyền và ma trận hiệp phương sai của nhiễu Ma trận hiệp phương sai là một yếu tố quan trọng để đánh giá đặc tính của hệ thống MIMO Trace của R và xRy cho biết công suất của tín hiệu phát và thu tương ứng

3.2.3 Phân rã song song kênh MIMO

Khi sử dụng nhiều anten ở cả phía thu và phía phát, tận dụng độ lợi phân tập,

kênh truyền MIMO có thể được phân rã thành một số R kênh truyền độc lập Bằng

việc ghép các dòng dữ liệu độc lập và các kênh phân rã độc lập này, chúng ta có hệ thống với lưu lượng lớn hơn so với việc sử dụng chỉ một anten ở hai phía thu phát

Xét một kênh MIMO với ma trận kênh truyền H (NxM) được biết tại cả phía

thu và phát Gọi RH là hạng của ma trận H Từ lý thuyết ma trận, với mọi ma trận

H, thực hiện phân rã SVD [32] ta có:

H

 