Nghiên cứu kỹ thuật truyền thông tin và năng lượng đồng thời trong hệ thống đa anten

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH BÁ CƯỜNG NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI TRONG HỆ THỐNG ĐA ANTEN Chuyên ngành : Kỹ thuật Điện tử Mã số : 60.52.02.03 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2018 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS NGƠ MINH TRÍ Phản biện 1: TS Trần Thị Hương Phản biện 2: TS Trần Thế Sơn 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 29 tháng 09 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa - Thư viện Khoa ĐTVT, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong năm gần đây, người ta nhận thấy các tín hiệu tần sớ vơ tuyến (Radio Frequence - RF) ngoài việc truyền thơng tin có thể truyền lượng cho các thiết bị di động hệ thống không dây, lĩnh vực này thu hút ý ngày càng tăng giới khoa học Vì lý này, mạng truyền thông tin và lượng vô tuyến đồng thời (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer SWIPT) xuất hiện một công nghệ đầy hứa hẹn, kết hợp với các thiết bị thu lượng (Energy Harvesting - EH) để cung cấp cho mạng không dây SWIPT cung cấp một ưu điểm việc khống chế để đảm bảo yêu cầu truyền lượng và thông tin đồng thời với giá thành thấp mà không cần thay đổi nhiều phần cứng máy phát Kết quả là, lượng thông tin truyền và lượng truyền không thể đạt cực đại đồng thời Trong hệ thống SWIPT, thiệt kế máy phát được nghiên cứu vài năm qua để tối đa tốc độ giải mã thông tin người dùng (Information Decoding - ID) và lượng thu được người dùng EH một cách đồng thời Vấn đề đặt là làm nào để tối ưu cho hệ thống SWIPT sử dụng đa anten (Multiple-Input Multiple-Output - MIMO), để người dùng EH và ID thu được mức lượng và thông tin tốt nhất một tài nguyên phổ tần Từ vấn đề nêu đề xuất đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật truyền nhận thông tin lượng đồng thời hệ thống đa anten” để người dùng đồng thời thu được mức lượng và thông tin tốt nhất hệ thống SWIPT MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu mơ hình tín hiệu hệ thống SWIPT - Nghiên cứu các thuật toán tối ưu hệ thống máy phát và máy thu - Viết chương trình mô Matlab nhằm đánh giá hiệu các thuật toán tối ưu ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU a Đối tượng nghiên cứu - Tìm hiểu mô hình hệ thống SWIPT sử dụng đa anten MIMO - Nghiên cứu các thuật toán tiền/hậu mã hóa - Nghiên cứu thuật toán tối ưu cho máy phát WMMSE - Viết chương trình mô Matlab b Phạm vi nghiên cứu Đề tài sử dụng hệ thống SWIPT để khảo sát và cải thiện chất lượng thu nhận thông tin máy thu ID và lượng máy thu EH Ứng dụng các giải pháp tối ưu để tăng hiệu suất hệ thống PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Phương pháp thực hiện luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô để đánh giá hiệu hệ thớng: - Tìm hiểu, phân tích các tài liệu liên quan đến đề tài - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, đánh giá ưu, nhược điểm các phương pháp được đề xuất, dựa vào đó đưa phương pháp cải thiện chất lượng hệ thống - Tìm hiểu các thuật toán tối ưu có thể áp dụng vào hệ thống SWIPT - Nghiên cứu thành phần nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống - Sử dụng công cụ Matlab để thực hiện mô hệ thống - Đánh giá kết quả mô thuật toán tối ưu hệ thống Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Hệ thống truyền thông tin và lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT) là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng thời lượng sử dụng các thiết bị không dây Đặc biệt phát triển công nghệ IoT và mạng cảm biến khơng dây đòi hỏi các thiết bị nhỏ gọn và công suất sử dụng thấp Bài toán nguồn lượng các thiết bị này là vấn đề mà các nhà khoa học nghiên cứu và phát triển Việc sử dụng hệ thống SWIPT một cách tối ưu dự kiến sẽ mang lại một số thay đổi bản thiết kế và giải vấn đề lượng cho mạng truyền thông không dây tương lai CẤU TRÚC LUẬN VĂN Luận văn gồm chương sau đây: Mở đầu Chương 1: Tổng quan hệ thống swipt và kỹ thuật truyền lượng không dây Chương 2: Hệ thống đa kênh truyền MIMO Chương Mô hình hệ thống và tối ưu thông số WMMSE Chương 4: Mô và đánh giá kết quả Kết luận và hướng phát triển đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG SWIPT VÀ KỸ THUẬT TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHƠNG DÂY 1.1 Giới thiệu hệ thớng 1.2 Hệ thống SWIPT 1.2.1 Chuyển mạch thời gian (TS) 1.2.2 Chia công suất (PS) 1.2.3 Chuyển mạch anten (AS) 1.2.4 Chuyển mạch không gian (SS) 1.3 Kỹ thuật truyền lượng không dây 1.3.1 Cấu trúc mạng thu lượng 1.4 Cấu trúc thiết bị thu lượng 1.5 Nguyên lý truyền lượng RF 1.6 Các số đánh giá thu hoạch lượng không dây 1.6.1 Phạm vi hoạt động 1.6.2 Hiệu suất chuyển đổi lượng RF-DC (PCE) 1.6.3 Yếu tố cộng hưởng 1.6.4 Độ nhạy 1.7 Các nguồn RF không gian tự 1.7.1 Nguồn RF chuyên dụng 1.7.2 Nguồn RF xung quanh 1.7.2.1 Nguồn RF tĩnh xung quanh 1.7.2.2 Nguồn RF động xung quanh 1.8 Một số ứng dụng thu lượng không dây 1.9 Kết luận chương CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO 2.1 Giới thiệu chương 2.2 Tổng quan hệ thống đa kênh truyền MIMO 2.2.1 Ưu điểm kỹ thuật MIMO 2.2.2 Khuyết điểm hệ thống MIMO 2.3 Các kỹ thuật phân tập 2.3.1 Phân tập thời gian 2.3.2 Phân tập tần số 2.3.3 Phân tập không gian 2.4 Dung lượng và độ lợi hệ thống MIMO 2.4.1 Dung lượng kênh MIMO 2.4.2 Độ lợi hệ thống MIMO 2.4.2.1 Độ lợi Beamforming 2.4.2.2 Độ lợi ghép kênh không gian 2.4.2.3 Độ lợi phân tập 2.5 Một số khái niệm MIMO 2.5.1 Nhiễu trắng 2.5.2 Nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) 2.5.3 Nhiễu đồng kênh (CCI) 2.5.4 Pha-đinh 2.5.5 Kỹ thuật định hướng búp sóng (Beamforming) 2.6 Các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thớng MIMO đa người dùng 2.7 Một số ứng dụng tiêu biểu 2.7.1 Chuẩn 802.11n 2.7.2 Wimax 2.7.3 Công nghệ 4G 2.8 Kết luận chương CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU THƠNG SỐ WMMSE 3.1 Giới thiệu chương Nợi dung chương này trình bày mô hình tổng quang và các thông số hệ thống Phát triển một phương pháp thiết kế mới máy phát và máy thu ID theo MMSE cho MIMO BC SWIPT, với máy thu EH và máy thu ID được tách riêng, và xác định vùng cân tối ưu nhất MSE và lượng Để có được một xử lý theo hướng tối ưu hiệu lỗi, xây dựng một hệ thống SWIPT MMSE (WMMSE) có sử dụng trọng số làm giảm thiểu các tổng trọng số lỗi cho máy thu ID vẫn đáp ứng được giới hạn EH xác định trước cho máy thu EH Vì hàm không xét lồi nên sẽ gây khó khăn việc tính toán trọng số so với trường hợp thông thường Để giải vấn đề, trước tiên ta tập trung vào phía máy phát cho riêng máy thu ID và đưa giải pháp là mợt dạng bán kín mà có thể tính toán được các phương pháp phân đôi (bisection) đơn giản Khi máy thu ID có một anten đơn, thì búp sóng tối ưu được tạo từ phương pháp tiền mã hóa cho thấy tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) tối đa tương ứng với tốc độ truyền tin tối đa Đặc biệt thú vị giải pháp đề xuất có thể đạt được phương pháp phân đôi (bisection) đơn giản để tìm giá trị tối ưu Mô hình hệ thống tổng quát hệ thống Hình 3.1: Mô hình truyền thông tin lượng đồng thời SWIPT Trong đề tài này, xét đến các kịch bản đơn giản với một hai thiết bị người dùng (UT) hoạt động mạng tại bất kỳ thời điểm nào Đối với trường hợp có hai UT, ta giả sử hệ thống sử dụng chuyển mạch theo thời gian (time switching), tức là hai UT lần lượt nhận thông tin lượng (độc lập) từ điểm truy cập (AP) qua các khe thời gian khác Kết quả là, một UT nhận được thông tin từ AP, UT khác có thể có hội thu được lượng từ một tín hiệu phát sóng AP, và ngược lại Do đó, khe thời gian, một UT hoạt động một bộ thu nhận thông tin (ID), và một bộ thu UT khác một máy thu lượng (EH) Hình 3.2: Một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT Vì vậy, trường hợp đề cập đến này là tách riêng máy thu EH và ID Mặt khác, đối với trường hợp với một UT nhất hoạt động (trong tất cả các UT khác được giả định chế độ tắt / ngủ), UT hoạt động cần thu lượng giải mã thông tin từ mợt tín hiệu gửi AP, tức là, một bộ anten nhận được chia sẻ cả hai máy thu EH và ID tồn tại một UT Theo các giả định trên, một hệ thống phát sóng MIMO ba nút được trình bày đề tài này, thể hiện hình 3.2, đó các máy thu EH và ID thu lượng và giải mã thơng tin riêng biệt với tín hiệu được gửi một máy phát thông thường Trong đề tài này, mô hình hệ thống đề cập đến trường hợp máy thu EH và ID riêng biệt, bao gồm cả các máy thu đồng vị là một trường hợp đặc biệt các kênh MIMO từ máy phát đến cả hai máy thu trở nên giống hệt 3.2 Thiết kế thu /phát WMMSE cho hệ thớng SWIPT 3.2.1 Mơ hình hệ thống Hình 3.3: Mô hình hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT với thu phát tuyến tính Như thể hiện hình 3.3, phần này trình bày một hệ thống phát sóng không dây bao gồm một máy phát, một máy thu EH, và một máy thu ID Giả sử máy phát được trang bị anten truyền ≥ 1, và bộ tiếp nhận EH và máy thu ID có 𝑁𝐸𝐻 ≥ và anten nhận 𝑁𝐼𝐷 ≥ Ngoài ra, giả sử máy phát và cả hai máy thu hoạt động một băng tần Giả sử việc truyền băng hẹp qua các kênh pha-đinh bán tĩnh, các kênh tương đương từ bộ truyền đến bộ thu EH và máy thu ID có thể được mơ theo các ma trận 𝐇 𝛜 ℂ𝑁𝐼𝐷 ×𝑁𝑇 và 𝐆 𝛜 ℂ𝑁𝐸𝐻 ×𝑁𝑇 tương ứng Giả sử trạng thái suy hao dần, G và H được biết đến máy phát, và được biết riêng biệt máy thu tương ứng Lưu ý đối với trường hợp máy thu EH và ID đồng vị, G là giống hệt với H và đó NEH =NID Cũng giả sử máy phát biết tất cả các thông tin trạng thái kênh (CSI) H và G, và máy thu biết CSI tương 10 Nền nhiễu tại bộ thu EH là không đáng kể, xem bỏ qua Bây giờ xem xét trường hợp cả người dùng EH và ID tồn tại Sau đó, khu vực lượng MSE có thể đạt được là: ℛM,E ≜ {(M,E): M ≥ Tr (WԐ[eeH]), E ≤ Tr(FHGHGF), Tr (FFH )≤ PT)} (3-3) Và điểm ranh giới ℛM,E có thể đạt được cách giải vấn đề tối ưu hoá SWIPT-WMMSE sau: ( ) Tr Wε eeH  s.t E  Tr F HG HGF ,Tr FF H  PT ( γ ,F,L ) ( ) ( ) (3-4) Trong đó EID ≤ 𝐸 ≤ Emax Mục tiêu đề tài là tìm các giải pháp hiệu quả cho phương trình (3-4) và xác định mức lượng MSE tốt nhất có thể tại vùng ℛM,E 3.2.2 Phương pháp nhân tử Lagrangian Trong ngành tối ưu hóa, phương pháp nhân tử Lagrange (đặt theo tên nhà toán học Joseph Louis Lagrange) là một phương pháp để tìm cực tiểu cực đại một hàm số chịu các điều kiện giới hạn Nếu đưa được bài toán này một bài toán không ràng buộc thì có thể tìm được nghiệm cách giải hệ phương trình đạo hàm theo thành phần (giả sử việc giải hệ phương trình này là khả thi) Điều này là động lực để nhà toán học Lagrange sử dụng hàm số: ℒ(x, λ) = f0 (x) + λf1 (x) (a) Chú ý rằng, hàm số này, có thêm một biến là λ, biến này được gọi là nhân tử Lagrange (Lagrange multiplier) Hàm số ℒ(x, λ) được gọi là hàm hỗ trợ Người ta chứng minh được rằng, điểm tối ưu bài toán (a) thoả mãn điều kiện ∇x,λ ℒ(x, λ) =0 Điều này tương đương với: 11 ∇x f0 (x) + λ∇x f1 (x) = (b) f1 (x) = (c) Để ý điều kiện thứ hai là ∇λ ℒ(x, λ) =0, và là ràng buộc bài toán (a) Việc giải hệ phương trình (b)−(c), nhiều trường hợp, đơn giản việc trực tiếp tìm optimal value bài toán (a) 3.2.3 Phương pháp chia đôi Bisection Giả sử f(x) liên tục [a, b] và f(a), f(b) trái dấu (đoạn [a, b] không cần phải là khoảng phân ly) Như vậy khoảng này phải có một nghiệm α Ta sẽ tìm nghiệm này cách chia đôi khoảng [a, b], chọn khoảng chứa nghiệm, rồi chia đôi tiếp khoảng chứa nghiệm nà tìm thấy nghiệm khoảng đủ nhỏ để bảo đảm mọi giá trị khoảng đó có thể xem là xấp xỉ nghiệm Cụ thể trước hết ta đặt a0 = a, b0 =b và cho trước một giá trị ε > đủ nhỏ để dùng làm điều kiện xấp xỉ nghiệm và dừng quá trình tính toán Sau đó ta thực hiện các bước sau: Đặt x = ➢ Bước 0: a + b0 Vì f(a0) f(b0)