Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TỐI ƯU HÓA HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN ĐỒNG THỜI Mã số: B2017–ĐN02–36 Chủ nhiệm đề tài: TS NGUYỄN DUY NHẬT VIỄN ĐÀ NẴNG, 02/2019 NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TT Họ tên Đơn vị công tác lĩnh vực chuyên môn Nội dung nghiên cứu cụ thể giao Chủ nhiệm đề tài, nghiên cứu lý thuyết, viết chương trình, viết báo cáo tổng kết Nguyễn Duy Nhật Viễn Khoa Điện tử Viễn thông Lê Hồng Nam Khoa Điện tử Viễn thơng Nghiên cứu lý thuyết, viết chương trình Vũ Vân Thanh Khoa Điện tử Viễn thông Nghiên cứu lý thuyết, viết chương trình Mạc Như Minh Khoa Điện tử Viễn thông Nghiên cứu lý thuyết, viết báo cáo tổng kết MỤC LỤC THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nước Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu đề tài Đối tượng, phạm vi nghiên cứu Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu 6 Nội dung đề tài CHƯƠNG ĐỒNG THỜI TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG 1.1 Giới thiệu 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 Đặc điểm số đánh giá thu hoạch lượng không dây 1.3.1 Các đặc điểm kỹ thuật thu lượng RF 1.3.2 Phạm vi hoạt động 10 1.3.3 Hiệu suất chuyển đổi lượng RF-DC (PCE) .10 1.3.4 Yếu tố cộng hưởng 10 1.3.5 Độ nhạy 10 1.4 Một số ứng dụng thu lượng VÔ TUYẾN 10 1.4.1 Thu lượng RF y tế chăm sóc sức khỏe .10 1.4.2 Phân tập tần số 10 1.4.3 Mạng cảm biến không dây (IoT/WSN) .10 1.5 Kết luận chương .10 CHƯƠNG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN VÀ KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA……………………………………………………………………………………………………11 2.1 Giới thiệu chương 11 2.2 Tổng quan hệ thống đa kênh truyền MIMO 11 2.2.1 Khái niệm hệ thống MIMO 11 2.2.2 Ưu điểm kỹ thuật MIMO 11 2.2.3 Khuyết điểm hệ thống MIMO 11 2.3 MIMO đơn người dùng MIMO đa người dùng 11 2.3.1 Dung lượng kênh 11 a 2.3.2 MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) 11 2.3.3 MIMO đa người dùng (MU-MIMO) 11 2.3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa Zero-forcing 11 2.3.5 Kỹ thuật tiền mã hóa MMSE 11 2.4 Kết luận chương .11 CHƯƠNG TỐI ƯU HĨA CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU THU CHO HỆ THỐNG SWIPT 12 3.1 Giới thiệu chương 12 3.2 Thiết kế thu/phát MMSE cho hệ thống SWIPT 12 3.2.1 Mơ hình hệ thống .12 3.2.2 Thiết kế thu - phát MMSE 12 3.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 13 3.4 Kết luận chương .14 CHƯƠNG THIẾT KẾ BẢO MẬT CHO HỆ THỐNG SWIPT 15 4.1 Giới thiệu .15 4.2 Mơ hình hệ thống 15 4.3 TỐI ƯU HÓA TỶ LỆ BẢO MẬT 15 4.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 17 4.5 KẾT LUẬN 17 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 18 b ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Đơn vị: Trường Đại học Bách Khoa THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Tối ưu hóa hiệu hệ thống truyền thông tin lượng vô tuyến đồng thời - Mã số: B2017–ĐN02–36 - Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Duy Nhật Viễn - Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng - Thời gian thực hiện: 6/2017 – 5/2019 Mục tiêu:  Mục tiêu 1: Xây dựng mơ hình truyền thơng tin lượng đồng thời thông tin vô tuyến  Mục tiêu 2: Tối ưu hóa hiệu hệ thống  Mục tiêu 3: Xây dựng chương trình mơ để kiểm chứng hiệu thuật tốn đề xuất Tính sáng tạo: Gần đây, truyền thông tin lượng đồng thời SWIPT (simultaneous wireless information and power transfer) thu hút quan tâm ngày tăng nhà nghiên cứu, đó, tín hiệu vơ tuyến tần số sử dụng để truyền thông tin lẫn lượng Thời gian hoạt động thiết bị mạng thông tin di động hệ (5G), Internet of Things hứa hẹn kéo dài nhờ SWIPT Khác với truyền thông vô tuyến truyền thống, hệ thống SWIPT tích hợp thu lượng với thiết bị truyền thông, cho phép thiết bị vô tuyến vừa giải mã thơng tin vừa chuyển đổi tín hiệu vô tuyến nhận thành lượng phục vụ trực tiếp cho nhu cầu Trong SWIPT, phát gửi tín hiệu đến nhận giải mã thơng tin thu lượng thu lượng từ tín hiệu Do đó, thiết bị thu lượng dễ dàng nghe trộm thông tin Vấn đề đặt làm để trao đổi thông tin với người nhận thông tin giảm thiểu việc nghe máy thu lượng Trong năm qua, có cơng trình nghiên cứu đáng kể giải pháp tiền mã hóa mạng truyền thơng khơng dây để tối đa hóa tốc độ người sử dụng giải mã thông tin thu hoạch lượng lúc Trong đề tài này, tập trung nghiên cứu trường hợp MIMO SWIPT đường xuống đề xuất thuật toán tối ưu hóa hiệu hệ thống truyền tải thơng tin an tồn INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Optimize performance for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer system Code number: B2017–ĐN02–36 Coordinator: Nguyen Duy Nhat Vien, PhD Implementing institution: University of Science and Technology – The University of Danang Duration: from 06/2017 to 05/2019 Objective(s): - Objective 1: Propose the simultaneous wireless information and power transfer system models - Objective 2: Optimize system performance - Objective 3: Developing a simulation program to verify the performance of the proposed algorithm Creativeness and innovativeness: Recently, simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) has attracted increasing interests, where the same radio frequency (RF) signals are used for transmitting both energy and information To prolong the operation time of devices in 5G low-power energy-constrained networks, including wireless sensor networks (WSNs) and Internet of Things (IoTs), SWIPT has been regarded as one of the most promising technologies Different from traditional wireless communications, SWIPT integrates energy harvesting (EH) with communication devices, which enables wireless devices to decode information or convert received RF signals into direct current power according to its own need In SWIPT, the transmitter sends signals to the information decode (ID) receivers and the EH receivsers harvest energy from these signals Thus, the EH receiver easily eavesdropped on the ID receiver's information The problem is how to communication with ID receivers while minimize eavesdropping of the EH receivers In the past few years, there have been significant research progress on beamforming strategies in wireless communication networks to maximize the rate at the information decoding (ID) users and the harvested energy at the EH users simultaneously In this project, we focus our study on the downlink MIMO SWIPT case and propose the algorithms for optimize system performance and secure transmission Research results: The project has developed the MIMO SWIPT system models, and then proposed optimal and secure solutions for SWIPT system Products: - Scientific products: 02 international journal papers and 01 national paper - Application products: - 01 optimization and security method for SWIPT system - 01 computer program Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: - Transfer the entire products, including: reports, scientific articles, programs - Application institution: The Faculty of Electronic and Telecommunication Engineering, The University of Danang – University of Science and Technology - Impacts and Benefits of Research Results: - Education: enrich the reference materials of teaching and scientific research for the Faculty of Electronic and Telecommunication Engineering - Science: The significant contribution of the project is the propose of perfomance optimization and transmission secure MỞ ĐẦU Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực đề tài nước Trước đây, tín hiệu vơ tuyến chủ yếu sử dụng để truyền thông tin Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ thông tin vô tuyến, thiết bị vô tuyến trở nên phong phú đa dạng Một toán đặt thiết bị truyền thông vô tuyến nguồn lượng cung cấp để hoạt động Tính di động thiết bị cao, vấn đề lượng cảng trở nên cấp bách Trong năm gần đây, người ta nhận tín hiệu truyền thơng vơ tuyến sử dụng đồng thời truyền tải lượng cho thiết bị có khả thu thập lượng vô tuyến để tự cung cấp lượng cho hoạt động Vì lý này, kỹ thuật truyền tải thông tin lượng đồng thời SWIPT (simultaneous wireless information and power transfer) xuất công nghệ đầy hứa hẹn kết hợp với thiết bị thu hoạch lượng EH (energy harvesting) để cung cấp mạng lượng cách thuận lợi mạng thông tin vô tuyến [1], [2] Trong hệ thống SWIPT, thiết kế máy phát hiệu tác giả tích cực nghiên cứu đề xuất vài năm qua [3] - [7] Cụ thể, thuật toán khác khai thác đề xuất mạng đa anten giao thoa [3], chuyển tiếp [4], kênh quảng bá (đường xuống) [5] [6] để tối đa hóa tốc độ sử dụng lượng thu hoạch người sử dụng đồng thời Các cơng trình [8]-[10] đề xuất thu tuyến tính dựa sai lệch bình phương trung bình tối thiểu MMSE (minimum mean squared error) tín hiệu thu nhận khơi phục so với tín hiệu phát với độ phức tạp thấp Tính cấp thiết đề tài Trong năm gần đây, truyền thông vô tuyến thể ưu điểm trội tính linh động, đơn giản thiết kế mạng, khả di chuyển cao, hiệu quả…, ưu điểm nên truyền thơng vô tuyến kỹ thuật quan trọng IoT (Internet of Things) Tuy nhiên, thiết bị truyền dẫn vơ tuyến, kích thước nhỏ gọn nên thường hạn chế dung lượng pin Các kỹ thuật pin công nghê sạc pin làm tăng chi phí, gây hại sức khoẻ người mơi trường Ngồi giải pháp an toàn “xanh” nhằm tái tạo lượng từ môi trường khai thác phong, nhiệt việc khai thác tín hiệu tần số vô tuyến nguồn lượng việc tiết kiệm lượng Kỹ thuật truyền công suất không dây WPT (wireless power transfer) hay viết ngắn công suất không dây bao hàm việc truyền lượng điện từ nguồn công suất đến nhiều thiết bị sử dụng mà khơng có dây nối điện nghiên cứu thực thời gian dài Nói chung, WPT hoạt động thông qua hiệu ứng cảm ứng điện từ trường gần “near-field” vói khoảng cách ngắn (dưới m) thiết bị nhận dạng tần số vô tuyến RFID (radio-frequency identification) hay xạ điện từ trường xa “far-field” dạng vi-ba hay laze cho khoảng cách xa (vài hm) ứng dụng truyền lượng từ vệ tinh lượng mặt trời đến trái đất hay vũ trụ Tuy nhiên, nghiên cứu trước xạ điện từ WPT qua bang tần RF nghiên cứu độc lập với việc truyền thông tin vô truyến WIT (wireless information transfer) Điều khơng đáng ngạc nhiên hai dịng công việc với mục tiêu nghiên cứu khác nhau: WIT tối đa hóa khả truyền tải thông tin kênh vô tuyến phụ thuộc vào tác nhân gây suy yếu fading nhiễu, WPT tối đa hóa việc hiệu truyền tải lượng (được định nghĩa tỷ số lượng thu hoạch lưu trữ bên thu để tiêu thụ so với bên phát) môi trường vô tuyến Tuy nhiên, cần lưu ý mục tiêu thiết kế WPI WIT phải cân đối theo quỹ lượng bên phát cho trước, tối đa hố cơng suất tín hiệu bên thu (cho WPT) tối đa hoá dung lượng kênh (cho WIT) nhiễu thu Trong đề tài này, chúng tơi đề xuất: - Cơ chế tiền mã hố tối ưu cho thu giải mã thông tin ID (information decoding) phải thoả mãn ràng buộc thu hoạch lượng thiết bị thu thu hoạch lượng EH (energy harvesting) - Kỹ thuật truyền dẫn bảo mật cho thiết bị thu ID trường hợp thiết bị thu EH nghe Mục tiêu đề tài Mục tiêu 1: Xây dựng mơ hình truyền thơng tin lượng đồng thời thông tin vô tuyến Mục tiêu 2: Tối ưu hóa hiệu hệ thống Mục tiêu 3: Xây dựng chương trình mơ để kiểm chứng hiệu thuật toán đề xuất Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Hiệu hệ thống kỹ thuật truyền thông tin lượng đồng thời - Phạm vi nghiên cứu: Các beamformer cho máy phát máy thu Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu Cách tiếp cận:  Thừa kế cơng trình o Mơ hình tín hiệu thu – phát o Kỹ thuật SWIPT, o Kỹ thuật beamforming Phương pháp nghiên cứu  Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết: o Xem xét công trình liên quan, so sánh đánh giá ưu điểm khuyết điểm phương pháp, kỹ thuật, từ đề xuất ý tưởng thay đổi cải thiện hệ thống tồn tại; o Kế thừa phối hợp kỹ thuật đề xuất để đưa phương pháp tối ưu  Phương pháp mơ hình: o Xây dựng mơ hình tín hiệu hệ thống o Xây dựng phần mềm mơ  Phương pháp phân tích tổng kết: o Kiểm tra độ tính hiệu phương phát đề xuất dựa việc phân tích đánh giá liệu kết so với phương pháp trước Nội dung đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SWIPT VÀ KỸ THUẬT TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHƠNG DÂY Trong chương trình bày tổng quan hệ thống truyền thông tin lượng đồng thời, q trình hình thành cơng nghệ SWIPT ứng dụng thu lượng không dây CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO Trong chương trình bày tổng quan hệ thống kênh đa anten phát, đa anten thu ( kênh truyền MIMO) số vấn đề liên quan đến tiền mã hóa hệ thống MIMO CHƯƠNG TỐI ƯU HĨA CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU THU CHO HỆ THỐNG SWIPT Chương trình bày mơ hình chung hệ thống, đề xuất phương pháp tiền mã hóa tối ưu trọng số WMMSE để có tín hiệu thu tốt ràng buộc cơng suất phát lượng thu hoạch tối thiểu CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BẢO MẬT CHO HỆ THỐNG SWIPT Chương đề xuất thiết kế bảo mật thông tin đơn giản cho hệ thống truyền thông tin lượng đồng thời với cấu hình phát, thu thông tin thu hoạch lượng vô tuyến Thiết kế tối ưu tràng buộc công suất phát lượng thu hoạch tối thiểu nhằm đảm bảo hạn chế tối đa thông tin bị nghe từ thu hoạch lượng KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Tóm tắt lại kết nghiên cứu, đóng góp hạn chế đề tài hướng nghiên cứu đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI 1.1 GIỚI THIỆU Việc thu hoạch lượng từ tín hiệu RF giải pháp đầy hứa hẹn để cung cấp nguồn điện vĩnh viễn tiết kiệm chi phí cho mạng không dây So với phương pháp thu hoạch lượng truyền thống (EH) phụ thuộc vào nguồn bên ngoài, lượng mặt trời lượng gió, thu hoạch lượng từ tín hiệu RF cung cấp lượng cho thiết bị không dây theo yêu cầu lúc mang lại tiện lợi đảm bảo chất lượng dịch vụ cho hệ thống không dây Hơn nữa, với việc áp dụng rộng rãi kỹ thuật đa anten thu phát (MIMO) phủ sóng trạm BS hệ thống 5G, truyền tải lượng khơng dây với hiệu cao tương lai Bằng cách kết hợp EH với truyền tải thông tin truyền thống, người ta hi vọng dây kết nối để truyền thông tin lượng cho thiết bị di động bị loại bỏ hồn tồn truyền thơng khơng dây tương lai Do yêu cầu tiến kỹ thuật, truyền thông không dây chuyển đổi lượng đồng thời (SWIPT) kỹ thuật cho mạng không dây 5G gây quan tâm rộng rãi từ giới học thuật lẫn ngành công nghiệp Các nghiên cứu tiên phong SWIPT tập trung vào việc mô tả tốc độ truyền tải lượng với giả định tín hiệu đồng thời truyền tải thơng tin lượng Tuy nhiên, giới hạn kỹ thuật đạt truyền tải đồng thời thông tin lượng với tín hiệu thực tế Do đó, việc đạt SWIPT chủ yếu phụ thuộc vào kiến trúc máy thu phát giao thức hoạt động Các phương pháp chuyển mạch thời gian (TS) đề xuất để thực cách thay giải mã thông tin thu hoạch lượng theo cách phân chia theo thời gian Hoặc mơ hình phân chia lượng (PS), tín hiệu thu chia thành hai phần để thu thập thông tin lưu trữ lượng đồng thời giải mã thông tin thu lượng tách biệt Nội dung chương trình bày tổng quan hệ thống truyền thông tin lượng đồng thời SWIPT, đặc điểm thu hoạch lượng phạm vi ứng dụng SWIPT 1.2 HỆ THỐNG SWIPT Các nghiên cứu lý thuyết thông tin ban đầu SWIPT giả định tí hiệu truyền tải lượng thông tin mà không bị tổn thất, tiết lộ cân thông tin chuyển đổi lượng [1] Tuy nhiên, việc chuyển đổi đồng thời thực được, hoạt động thu lượng thực miền RF làm phá hủy nội dung thông tin Để thực tế đạt SWIPT, tín hiệu nhận phải chia thành hai phần riêng biệt, để thu lượng để giải mã thông tin Sau đây, kỹ thuật đề xuất để đạt phân tách tín hiệu miền khác (thời gian, lượng, anten, không gian) thảo luận Hình 1.1 Các kỹ thuật truyền SWIPT miền khác nhau: a) thời gian, b) lượng, c) anten d) không gian 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 ĐẶC ĐIỂM VÀ CÁC CHỈ SỐ ĐÁNH GIÁ THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY 1.3.1 Các đặc điểm kỹ thuật thu lượng RF Không giống thu hoạch lượng từ nguồn khác, chẳng hạn lượng mặt trời, gió rung động, thu lượng RF có đặc điểm sau:  Các nguồn RF cung cấp khả điều khiển chuyển đổi lượng liên tục qua khoảng cách cho máy thu hoạch lượng RF  Trong mạng thu nhận lượng sóng RF cố định, lượng thu dự đốn tương đối ổn định theo thời gian khoảng cách cố định  Do lượng RF thu phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn RF, nút mạng vị trí khác có khác biệt đáng kể lượng RF thu Các nguồn RF chủ yếu phân thành hai loại, tức nguồn RF chuyên dụng nguồn RF xung quanh Trong việc đánh giá hệ thống có nhiều tham số cần đánh giá, thơng số định hiệu suất thiết kế WPH Đánh giá thay đổi tùy thuộc vào ứng dụng khác Tuy nhiên, giá trị quan trọng hiệu suất, độ nhạy, khoảng cách hoạt động, công suất đầu định nghĩa tiêu chuẩn để so sánh Ngoài đặc điểm này, yếu tố hỗ trợ sản xuất khác chi phí thấp, q trình chế tạo sản xuất hàng loạt ảnh hưởng đến tiêu chí đánh giá hệ thống 1.3.2 Phạm vi hoạt động Khoảng cách hoạt động chủ yếu liên quan đến tần số hoạt động Trong thực tế, truyền tần số cao bị suy hao khí nhiều tần số thấp, tần số thấp có khả đâm xuyên tốt 1.3.3 Hiệu suất chuyển đổi lượng RF-DC (PCE) 1.3.4 Yếu tố cộng hưởng 1.3.5 Độ nhạy 1.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN 1.4.1 Thu lượng RF y tế chăm sóc sức khỏe 1.4.2 Phân tập tần số 1.4.3 Mạng cảm biến khơng dây (IoT/WSN) 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày tổng quan hệ thống SWIPT với các kỹ thuật chuyển mạch miền khác như: thời gian, lượng, anten, khơng gian Từ có nhìn tổng quan hệ thống SWIPT Các sóng điện từ RF vô hại, phong phú không gian, xâm nhập qua mơ mềm Đó thuộc tính làm cho sóng điện từ RF trở thành nguồn lượng thay để thay pin nhiều ứng dụng Đặc biệt, việc thu hoạch lượng RF hỗ trợ thiết bị y tế, chăm sóc sức khỏe lượng thấp tạo điều kiện phát triển WSNs IoT cách cung cấp tính di động sử dụng Ngồi ra, tiến việc tích hợp mạch thu lượng RF vào cơng nghệ CMOS tạo SoC hồn tồn khơng dây Tóm lại, cơng nghệ SWIPT dần trở thành thực Mặc dù công nghệ nhiều vấn đề, vượt qua thách thức dẫn ngành lượng bước đến kỷ nguyên lượng bền vững 10 CHƯƠNG HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN VÀ KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA 2.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Các hệ thống đa anten ứng dụng triển khai thành công cho mạng truy cập không dây băng rộng (ví dụ MIMO-Wifi, MIMO-UMTS, LTE, WiMAX…) nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu ngày tăng tốc độ liệu truyền tin với phát triển mạnh mẽ thiết bị thu nhận tín hiệu không dây, số hệ thống viễn thông tương lai So với hệ thống anten nhất, dung lượng hệ thống đa anten bao gồm anten phát anten thu tăng lên mà không cần phải tăng công suất phát trải rộng thêm phổ tần Chương trình bày tổng quan hệ thống kênh đa anten phát, đa anten thu ( kênh truyền MIMO) số vấn đề liên quan đến tiền mã hóa hệ thống MIMO 2.2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO 2.2.1 Khái niệm hệ thống MIMO 2.2.2 Ưu điểm kỹ thuật MIMO 2.2.3 Khuyết điểm hệ thống MIMO 2.3 MIMO ĐƠN NGƯỜI DÙNG VÀ MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG 2.3.1 Dung lượng kênh 2.3.2 MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) 2.3.3 MIMO đa người dùng (MU-MIMO) 2.3.4 Kỹ thuật tiền mã hóa Zero-forcing 2.3.5 Kỹ thuật tiền mã hóa MMSE 2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương MIMO hệ thống truyền dẫn vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten máy phát máy thu, nhằm làm tăng nhanh dung lượng kênh truyền vô tuyến Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến triển khai ứng dụng đề xuất cho hệ thống 3G trở Tuy nhiên, xây dựng hệ thống MIMO đạt hiệu cao vấn đề đặt Với phương pháp tiền mã hóa, cơng nghệ MIMO sử dụng hữu ích hệ thống thông tin liên lạc không dây MIMO cịn phát triển kết hợp với công nghệ khác để tạo đột phá công nghệ, giúp làm đáp ứng nhu cầu ngày cao người thông tin liên lạc, giao lưu văn hóa… MIMO tạo ưu cho ứng dụng không dây nói chung, tạo mạnh cho cơng nghệ phát triển mạnh mẽ phục vụ ngày cao nhu cầu giải trí, truyền tải đa phương tiện… Trong tương lai, hệ thống MIMO sử dụng rộng rãi nâng cao để mang đến chất lượng tốt cho người sử dụng 11 CHƯƠNG TỐI ƯU HĨA CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU THU CHO HỆ THỐNG SWIPT 3.1 GIỚI THIỆU CHƯƠNG Truyền lượng không dây (WPT) giải pháp đầy hứa hẹn cung cấp nguồn lượng thuận tiện liên tục cho mạng khơng dây Trong thực tế, WPT thực công nghệ khác ghép nối cuộn cảm, ghép nối cộng hưởng từ xạ điện từ (EM) cho ứng dụng ngắn/ trung bình/ dài Chương trình bày tín hiệu EM sóng vơ tuyến nói riêng sử dụng cho WPT Vì tín hiệu vơ tuyến mang lượng thông tin lúc chương tập trung nghiên cứu truyền thông tin lượng không dây đồng thời (SWIPT) Cụ thể, chương trình bày mơ hình tổng quát hệ thống SWIPT BC MIMO với máy thu, phát sóng vơ tuyến đa ngõ vào đa ngõ (MIMO) gồm có ba nút, máy thu lượng máy thu khác giải mã thông tin riêng biệt với tín hiệu gửi máy phát thông thường tất máy phát máy thu trang bị hệ thống đa anten Từ thông số đưa lý thuyết ta sử dụng phương pháp tối ưu hệ thống 3.2 THIẾT KẾ BỘ THU/PHÁT MMSE CHO HỆ THỐNG SWIPT 3.2.1 Mơ hình hệ thống 3.2.2 Thiết kế thu - phát MMSE Trong phần này, trình bày cách giải tốn (P3) dựa phương pháp nhân tử Lagrange đơi Trước tiên, giới thiệu 02 biến không âm λ μ kết hợp với ràng buộc lượng thu hoạch tối thiểu công suất phát tối đa (P3) Hàm Lagrange định nghĩa sau: ( , , , , ( ( ( )− ) ( = − ( ( = ( )+ ( )+ ) − )( − ) + )− )+ ( ( )− ) )− ( )− ( )− ( ( )− (3.10) ( ) )+ Các điều kiện KKT cần thoả [26]: ℒ ∗ = − ℒ ∗ ℒ − = = ≥ 0, − + ( + ≥ 0, )−2 ( ( )≤ + ( ) = 0, ( , ≤ 12 = 0, = 0, (3.11) (3.12) ) ), (3.13) (3.14) ( ( )− (3.15) ( − Gọi = = , ( )= Với = ) = 0, (3.16) , phương trình tính lại sau: =( = ) = 0, ) + ( + , ) + ( − Để tìm thoả yêu cầu Tr ( ( ) ( )) (3.17) ) ( )( , − ) (3.18) ( ) = ta sử dụng phương pháp chia đôi bisection đơn giản Energy( W) Energy( W) 3.3 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Hình 3.1 Miền MSE-năng lượng thu hoạch (M-E) miền tốc độ - lượng = 100 thu hoạch (R-E) với = , = 14 NT =8 N =4 12 T NT=2 Energy( W) 10 -2 0.5 1.5 Power ( W) 13 10 = Hình 3.2 So sánh lượng thu hoạch theo công suất phát = = NT =2 NT=4 NT=8 Rate (bps/Hz) 0 0.5 1.5 Power ( W) 10 Hình 3.3 So sánh tốc độ thơng tin cơng suất phát = = 3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG Chương trình bày giải thuật thiết kế thu – phát cho hệ thống MIMO SWIPT với phát, thu ID thu EH Thơng qua việc xem xét hệ thống điển vậy, tốn tối ưu hóa xây dựng để tính biên miền M-E Thuật tốn tối ưu đề xuất để thiết kế ma trận tiền – hậu mã hoá theo MMSE với ràng buộc thu thu thập lượng máy thu EH công suất phát tối đa máy phát Kết số cung cấp để kiểm chứng miền M-E, R-e hiệu suất hệ thống Các kết cho thấy hiệu áp dụng kỹ thuật đa anten SWIPT Ở chương sau, trình bày giải pháp bảo mật cho hệ thống SWIPT thiết bị nghe đóng giả máy thu EH để thu thập thông tin máy phát gởi cho máy thu ID 14 CHƯƠNG THIẾT KẾ BẢO MẬT CHO HỆ THỐNG SWIPT 4.1 GIỚI THIỆU Như giới thiệu phần trước, SWIPT kỹ thuật đầy hứa hẹn sử dụng tín hiệu tần số sóng vô tuyến để truyền vừa thông tin lẫn lượng Trong hệ thống thông tin di động tiên tiến (5G) mạng cảm biến không dây IoT, thiết bị yêu cầu lượng cung cấp cách liên tục đồng thời phải có khả di động, việc sử dụng nguồn pin, accu lớn không khả thi SWIPT giải pháp cứu cánh [27], [28] Khác với cách thức truyền thông vô tuyến truyền thống, SWIPT tích hợp thu giải mã thơng tin ID với thu lượng EH để giải mã thơng tin chuyển đổi tín hiệu sóng vơ tuyến thành lượng cần thiết [29] Trong SWIPT, bên phát gởi thông tin cho thu giải mã thơng tin ID, cịn thu EH thu hoạch lượng từ tín hiệu Cho nên thu EH dễ dàng nghe thông tin thu ID Như vậy, vấn đề đặt ta làm truyền thông tin cho thu ID, hạn chế tối thiểu việc nghe thu EH Các tác giả [30] nghiên cứu kết hợp sách phân bố sóng mang phụ với thuật tốn chọn tỷ lệ chia công suất cho hệ thống đa người dùng đồng kênh đường xuống Trong [31], ma trận tiền / hậu mã hóa thiết kế bảo mật cho hệ thống SWIPT đa anten sử dụng chuyển tiếp khuếch đại chuyển tiếp Trong [32], tác giả nghiên cứu tính bảo mật cho hệ thống MIMO SWIPT cách tối đa hóa tốc độ bảo mật ràng buộc công suất phát tối đa lượng thu hoạch tối thiểu Động đề tài nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn bảo mật cho hệ thống SWIPT đa anten gồm thu ID EH Do toán tối ưu cho vấn đề không lồi nên giải cách trực tiếp nên đề xuất giải pháp giải toán lồi để giải tốn tổng thể 4.2 MƠ HÌNH HỆ THỐNG 4.3 TỐI ƯU HÓA TỶ LỆ BẢO MẬT Thiết kế Để loại bỏ toàn giao thoa thu ID, ta thiết kế nằm không gian không (null space) ma trận Tiến hành phân tách giá trị riêng singular value decomposition (SVD) ma trận H, ta = kế Trong ∈∁ × , có cấu trúc sau: ∈∁ × , (4.9) ma trận đơn nguyên (unitary) Ta thiết = , (4.10) ( ) Với, = − ma trận đường chéo với thành phần tối ưu để thỏa mãn ràng buộc tối thiểu lượng thu hoạch Để đơn giản, chọn sau 15 = ( ) (4.11) Thiết kế Tương tự trên, để loại bỏ thông tin khỏi thu EH, ta thiết kế không gian không ma trận Tiến hành SVD ma trận G = với ∈∁ × , ∈∁ × , (4.12) ma trận đơn nguyên Cấu trúc = thuộc sau: , (4.13) ( ) Trong đó, = − ma trận đường chéo với thành phần tối ưu với ràng buộc công suất phát log det( + max Tr( với, = ) )≤ , ≽0 (4.14) Hàm Lagrangian toán tính sau: = log det + − (Tr( ) − ) − Tr( ≥ 0, ≽ ), (4.15) Giải ra, ta =( + ) − , (4.17) Tiến hành SVD = , với = {ℎ , … , ℎ } ma trận đường chéo casc giá trị riêng Giả sử phân tích thành = , với = diag ,…, ma trận đường chéo giá trị riêng không âm Ta được, ( = Để đảm bảo − , (4.18) ma trận xác định dương, ràng buộc sau phải thỏa: ℎ ≥ Thay ) + + , = 1, , (4.19) vào điều kiện KKT (4.16), ta có Tr( ) = Tr ( ) + − = 0, (4.20) Các ma trận đường chéo biểu thức tính trace chứa thành phần khơng âm, đó, ( + − ℎ ) = 0, (4.21) Nghĩa = Bởi of không âm, nên −ℎ , 0, −ℎ > , ℎ tính sau 16 (4.22) = diag − ,…, − , (4.23) 4.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Hình 4.1 Tốc độ thơng tin theo công suất phát 11 Proposed MRT 10 Secrecy Rate (bps/Hz) 5 10 15 20 Transmission Power (dB) Hình 4.2 Tỷ lệ bảo mật theo công suất phát 4.5 KẾT LUẬN Chương nghiên cứu kỹ thuật thiết kế tiền mã hóa để bảo mật thơng tin cho hệ thống truyền dẫn MIMO SWIPT Do việc sử dụng chung tần số cho truyền thông lẫn thu hoạch lượng nên thu EH dễ dàng nghe thơng tin từ bên phát cho thu ID, lúc này, tỷ lệ bảo mật thông tin hệ thống thấp Chính vậy, chương đề xuất giải thuật thiết kế hệ thống truyền dẫn cho tỷ lệ bảo mật tối ưu với ràng buộc công suất phát phát giới hạn thu hoạch lượng thu EH Kết mô thể ưu điểm phương pháp đề xuất so với phương pháp MRT 17 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu tổng quan lý thuyết hệ thống truyền thông tin lương đồng thời (SWIPT) Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính nghiên cứu để áp dụng hệ thống SWIPT Từ đề xuất thuật tốn thiết kế thu / phát cho hệ thống SWIPT theo tiêu chí WMMSE Ngoài ra, đề tài đề xuất phương án thiết kế bảo mật cho hệ thống SWIPT ràng buộc công suất phát lượng thu hoạch tối thiểu Kỹ thuật SWIPT kỹ thuật đầy thu hút, nên hướng nghiên cứu kỹ thuật rộng Riêng nhóm tác giả, hướng nghiên cứu tổng quát hóa đề xuất cho hệ thống đa người dùng, hệ thống thông tin đa chặng, kết hợp SWIPT với full duplex 18 19 ... cho hệ thống truyền thông tin lượng đồng thời với cấu hình phát, thu thông tin thu hoạch lượng vô tuyến Thiết kế tối ưu tràng buộc công suất phát lượng thu hoạch tối thiểu nhằm đảm bảo hạn chế tối. .. tập trung vào việc mô tả tốc độ truyền tải lượng với giả định tín hiệu đồng thời truyền tải thông tin lượng Tuy nhiên, giới hạn kỹ thuật đạt truyền tải đồng thời thông tin lượng với tín hiệu thực... tiêu 1: Xây dựng mô hình truyền thơng tin lượng đồng thời thông tin vô tuyến  Mục tiêu 2: Tối ưu hóa hiệu hệ thống  Mục tiêu 3: Xây dựng chương trình mơ để kiểm chứng hiệu thuật tốn đề xuất Tính