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)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN HỮU THỊNH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY ĐỒNG THỜI (SWIPT) LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN HỮU THỊNH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HĨA CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY ĐỒNG THỜI (SWIPT) Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS BÙI THỊ MINH TÚ Đà Nẵng - Năm 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác ii MỤC LỤC Lời cam đoan i Mục lục ii Tóm tắt luận văn vi Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt v Danh mục bảng vi Danh mục hình vii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn Chương HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO 1.1 Giới thiệu chương: 1.2 Tổng quan hệ thống MIMO 1.2.1 Khái niệm hệ thống MIMO: 1.2.2 MIMO đơn người dùng MIMO đa người dùng 1.2.2.1 MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) 1.2.2.2 MIMO đa người dùng (MU-MIMO) 1.2.3 Các kỹ thuật phân tập hệ thống MIMO 1.2.3.1 Phân tập thời gian 1.2.3.2 Phân tập tần số 1.2.3.3 Phân tập không gian 1.2.4 Dung lượng độ lợi hệ thống MIMO 10 1.2.4.1 Dung lượng kênh MIMO 10 1.2.4.2 Độ lợi 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 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY 15 2.1 Giới thiệu chương 15 2.2 Lịch sử hình thành cơng nghệ WPT 15 2.3 Cấu trúc mạng thu lượng sử dụng sóng RF 16 iii 2.4 Mơ hình truyền lượng RF 20 2.5 Các kỹ thuật thu lượng RF 21 2.5.1 Các đặc điểm kỹ thuật thu 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 có thu lượng sóng RF 23 2.7 Kết luận chương 24 Chương MƠ 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 Mơ hình hệ thống 27 3.2.2 Máy thu EH ID không đồng thời 28 3.2.3 Máy thu EH ID 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 MƠ PHỎNG THUẬT TỐN WMMSE CHO HỆ THỐNG SWIPT 36 4.1 Giới thiệu chương: 36 4.2 Thiết kế thu /phát WMMSE cho hệ thống SWIPT 37 4.2.1 Mơ hình hệ thống 37 4.2.2 Tính tốn tối ưu hệ thống 38 4.3 Mô 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) iv NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HĨA CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG 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 quan tâm đáng kể với mối quan tâm môi trường Truyền thông tin lượng không dây đồng thời (SWIPT) giải pháp đầy hứa hẹn đáp ứng mối quan tâm SWIPT giúp làm tăng tuổi thọ nút khơng dây làm giảm bớt nhược điểm tượng nút cổ chai lượng mạng không dây Đây giải pháp thay cho kỹ thuật truyền lượng thông thường, SWIPT dựa việc sử dụng tín hiệu RF, mang lại số thay đổi mạng truyền thông không dây Đề tài khảo sát việc truyền thông tin lượng không dây đồng thời (SWIPT) mạng MIMO quảng bá nơi máy thu lượng (EH) máy thu giải mã thông tin chia sẻ nguồn thời gian tần số Đầu tiên, đề tài trình bày tổng quan hệ thống MIMO hệ thống WPT, kỹ thuật thu lượng sóng RF ứng dụng có Sau đó, đề tài xây dựng vấn đề sử dụng WMMSE cho SWIPT giúp làm giảm thiểu tổng trọng số MSE tín hiệu đến máy thu ID, việc lưu trữ lượng thu từ tín hiệu máy thu EH Tiếp theo, đề tài đề xuất cấu trúc tiền mã hóa tối ưu vấn đề xác định khu vực cân tốt lượng MSE thông qua việc cập nhật thay tiền mã hóa tuyến tính máy phát với máy thu tuyến tính máy thu ID Từ khóa - thu nhận 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 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT AP CR ID iid IoT ISM MIMO MIMO BC MISO MRT MSE MU-MIMO QoS RF RFID SIMO SISO SNR SU-MIMO SWIPT WiMAX WIT WMMSE WPT UT Access Point Cognitive Radio Information Decoding independent identically distributed Internet of Things Institute for Supply Management Multiple Input, Multiple Output MIMO Broadcast Multiple Input, Single Output Maximum Ratio Transmission Mean Squared Error Multi-user MIMO Quality of Service Radio Frequency Radio-Frequency Identification Single Input, Multiple Output Single Input, Single Output Signal-to-Noise Ratio Single User MIMO Simultaneous Wireless Information and Power Transfer Worldwide Interoperability for Microwave Access Wireless Information Transfer Weighted Minimum Mean Squared Error Wireless Power Transfer User Terminals vi DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 4.1 Tên bảng Số liệu thực nghiệm thu lượng sóng RF Các thơng số hệ thống mơ hình mơ Trang 22 42 vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2.1 2.3 3.1 3.2 3.3 3.4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Tên hình Trang Tổng quan hệ thống MIMO Hệ thống MU-MIMO: MIMO BC Phân tập theo thời gian Các cách phân tập không gian cho hệ thống MIMO Kỹ thuật beamforming Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền Phân tập không gian giúp cải thiện SNR Sử dụng phương pháp tiền mã hóa kênh truyền MIMO Cấu trúc thông thường mạng thu nhận lượng sóng RF Cấu trúc máy thu thiết kế cho máy thu thơng tin lượng sóng RF Một mạng khơng dây có truyền thơng tin lượng Một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT Thiết kế chuyển mạch thời gian với máy thu EH ID đồng vị Hoạt động máy thu có / khơng có tách cơng suất (năng lượng thu nhiễu máy thu bị bỏ qua cho máy thu EH) Mơ hình hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT với thu phát tuyến tính Mơ hình hệ thống MIMO BC cho SWIPT với NT=NR=2 So sánh phương pháp tổng MSE –Rate SWIPT MIMO BC với E = 12Emax So sánh kết thực phương pháp phân đôi khối elip Vùng MSE-năng lượng phương pháp MIMO BC SWIPT Vùng tốc độ truyền tin - lượng phương pháp MIMO BC SWIPT So sánh thay đổi MSE với công suất máy phát Sự thay đổi tốc độ truyền tín hiệu theo cơng suất phát 10 11 12 12 14 16 19 26 27 33 34 37 42 43 44 44 45 45 46 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Ngày nay, “truyền thông xanh” nhận quan tâm đáng kể với mối quan tâm môi trường Cụ thể, mạng di động tiêu thụ toàn giới khoảng 60 tỷ kWh / năm 80% lượng mạng di động tiêu thụ trạm gốc (BS) sản xuất trăm triệu carbon dioxide năm Những số dự kiến tăng gấp đôi vào năm 2020 khơng có hành động Các mạng không dây sử dụng lượng không tự nhiên, chẳng hạn mạng cảm biến, thường cung cấp pin có thời gian hoạt động hạn chế Mặc dù Thay nạp lại pin kéo dài tuổi thọ mạng đến mức độ đó, thường phải chịu chi phí cao khơng tiện lợi, gây nguy hiểm (ví dụ mơi trường độc hại) chí khơng thể thực (ví dụ cảm biến gắn cố định cấu trúc tòa nhà bên thể người) Cách thuận tiện an toàn hơn, cách thay "xanh" thu trực tiếp lượng từ môi trường, việc cung cấp lượng vĩnh viễn cho thiết bị khơng dây Ngồi nguồn lượng thơng thường khác lượng mặt trời gió, tín hiệu tần số vơ tuyến mơi trường xung quanh thiết bị (RF) nguồn khả thi để thu lượng Việc thu lượng dựa tin hiệu RF thường thích hợp cho ứng dụng lượng thấp (ví dụ mạng cảm biến), áp dụng cho kịch với mức tiêu hao lượng lớn thực truyền tải không dây chuyên dụng Mặt khác, tín hiệu RF mang lượng đồng thời sử dụng phương tiện để truyền thông tin, truyền thông tin lượng không dây đồng thời (SWIPT) trở thành lĩnh vực nghiên cứu thú vị thu hút ý ngày tăng Thông tin không dây truyền công suất đồng thời (SWIPT) giải pháp đầy hứa hẹn để tăng tuổi thọ node khơng dây giảm hạn chế mặt lượng mạng không dây nút cổ chai lượng Để thay cho kỹ thuật cung cấp lượng truyền thống, SWIPT dựa việc sử dụng tín hiệu tần số vơ tuyến, hy vọng mang lại số thay đổi cho thiết kế mạng thông tin liên lạc không dây Đề tài tập trung vào ứng dụng tiền mã hóa hệ thống SWIPT, cụ thể thiết kế xây dựng mơ hình sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa sử dụng WMMSE cho hệ thống SWIPT 47 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI Kết luận Với kết đạt được, đề tài nội dung sau:  Đã trình bày khái quát đặc điểm, kỹ thuật tiền mã hóa hệ thống MIMO BC  Đã trình bày khái quát đặc điểm ứng dụng WPT nói chung SWIPT nói riêng  Đã xây dựng mơ hình SWIPT hệ thống MIMO BC với điểm bản, đồng thời xây dựng định lý nhằm tạo điều kiện ràng buộc cho việc tìm điểm tiếp cận điểm tối ưu cân tốc độ truyền lượng  Đã đề xuất xây dựng mơ hình với thông số tối ưu cho hệ thống phương pháp WMMSE có sử dụng trọng số Phương pháp làm giảm tổng MSE, giúp cải thiện tốc độ truyền tín hiệu rõ rệt  Mặt khác mơ hình WMMSE thiết lập cấu trúc tiền mã hóa tối ưu dạng khép kín dạng tối ưu đơn biến dễ dàng tính phương pháp phân đôi đơn giản  Mặc dù hàm giải hàm khơng lồi, tốn giải cho hàm lồi, nhiên kết mô cho nhiều điểm ban đầu tiếp cận tốt khu vực cân vùng tốc độ truyền – lượng Hướng phát triển đề tài Do hạn chế thời gian, có nhiều vấn đề quan trọng nêu luận văn để lại nhiều hướng phát triển cho luận văn, số nêu bật sau:  Trong luận văn này, để đơn giản hóa việc phân tích, giả sử hiệu suất chuyển đổi lượng thu lượng độc lập với biên độ tức thời tín hiệu thu được, nói chung không mạch thu lượng RF [12] Do đó, làm để thiết kế dạng sóng tín hiệu phát sóng, cụ thể điều chế lượng, để tối đa hoá hiệu việc truyền lượng tới nhiều máy thu ràng buộc chuyển đổi lượng thực tế hướng phát triển có lợi ích thiết thực  Đề tài có thêm nhiều vấn đề cần phải giải mở rộng đặc tính vùng tốc độ truyền tin - lượng sang hệ thống phát sóng MIMO tổng quát với hai máy thu Tùy thuộc vào việc thu nhận lượng thông tin tách hay đồng vị, thông tin phát sóng để unicasting 48 multicast, nhiều vấn đề xây dựng mà vấn đề tối ưu nhiều thách thức để đạt  Không giống quan điểm truyền thống nhiễu máy thu /hoặc can nhiễu đồng kênh làm giảm độ tin cậy liên kết truyền thông [27], nhiên từ quan điểm thu lượng sóng RF chúng có lợi Do đó, tồn cân việc phân bổ nguồn thơng tin để tối ưu hóa mức can nhiễu mạng để đạt tốc độ truyền tin chuyển giao lượng tối đa TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] A P Sample, A N Parks, S Southwood, and J R Smith, “Wireless ambient radio power,” in Wirelessly Powered Sensor Networks and Computational RFID New York, NY, USA: Springer-Verlag, 2013, pp 223–234 A A Nasir, X Zhou, S Durrani, and R A Kennedy, “Relaying protocols for wireless energy harvesting and information processing,” vol Available : http: //arxiv.org/abs/1212.5406, 2012 A Sample and J R Smith, “Experimental Results with Two Wireless Power Transfer Systems,” Proc IEEE Radio and Wireless Symp (RWS), San Diego, CA, Jan 2009, pp 16–18 C A Balanis,Antenna Theory: Analysis and Design New York, NY, USA: Wiley, 2012 C Song, K.-J.Lee, and I Lee, “MMSE based transceiver designs in closed-loop non-regenerative MIMO relaying systems,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 9, pp 2310–2319, July 2010 FCC Codes of Regulation, Part 15 [Online] Available: http://www.access.gpo.gov/nara/cfr/waisidx03/ G H Golub and C F V Loan, Matrix Computations Third Edition, The Johns Hopkins University Press, Baltimore and London, 1996 G Papotto, F Carrara, A Finocchiaro, and G Palmisano, “A 90-nm CMOS 5-Mbps crystal-Less RF-powered transceiver for wireless sensor network nodes”, IEEE J Solid-State Circuits, vol 49, no 2, pp 335– 346, Feb 2014 G Papotto, F Carrara, A Finocchiaro, and G Palmisano, “A 90-nm CMOS 5-Mbps crystal-Less RF-powered transceiver for wireless sensor network nodes,” IEEE J Solid-State Circuits, vol 49, no 2, pp 335– 346, Feb 2014 H Son and B Clerckx, “Joint beamforming design for multi-user wireless information and power transfer,” to appear in IEEE Trans Wireless Commun H Sampath, P Stoica, and A Paulraj, “Generalized linear precoder and decoder design for MIMO channels using the weighted MMSE criterion,” IEEE Trans on Commun., vol 49, pp 2198–2206, Dec 2001 [12] I Flint, X Lu, N Privault, D Niyato, and P Wang, “Performance analysis of ambient RF energy harvesting: A stochastic geometry approach,” inProc IEEE GLOBECOM, Austin, TX, USA, Dec 2014, pp 1–6 [13] J Park and B Clerckx, “Joint wireless information and energy transfer in a two-user MIMO interference channel,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 8, pp 4210–4221, August 2013 [14] J Xu, L Liu, and R Zhang, “Multiuser MISO Beamforming for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,” in Proc IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing (ICASSP), 2013 [15] J Joung and Y H Lee, “Regularized channel diagonalization for multiuser MIMO downlink using a modified MMSE criterion,” IEEE Trans Sig Process., vol 55, pp 1573–1579, Apr 2007 [16] L R Varshney, “Transporting Information and Energy Simultaneously,” Proc IEEE Int’l.Symp Inf Theory (ISIT), Toronto, Canada, July 2008, pp 1612–16 [17] M Stoopman, S Keyrouz, H J Visser, K Philips, and W A Serdijn, “A self-calibrating RF energy harvester generating V at−26.3 dBm,” in Proc IEEE Symp VLSIC, Kyoto, Japan, Jun 2013, pp 226–227 [18] M Stoopman, S Keyrouz, H J Visser, K Philips, and W A Serdijn, “Co-design of a CMOS rectifier and small loop antenna for highly sensitive RF energy harvesters,” IEEE J Solid-State Circuits, vol 49, no 3, pp 622–634, Mar 2014 [19] M Gastpar, “On capacity under receive and spatial spectrum-sharing constraints,” IEEE Trans Inf Theory, vol 53, no 2, pp 471–487, Feb 2007 [20] N Barrocaet al., “Antennas and circuits for ambient RF energy harvesting in wireless body area networks,” in Proc IEEE Int Symp PIMRC,London, U.K., Sep 2013, pp 532–537 [21] Powercast [Online] Available:www.powercastco.com [22] Powercast Documentation [Online] Available: http://Powercastco.com/ [23] R Zhang and C K Ho, “MIMO broadcasting for simultaneous wireless information and power transfer,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 12, pp 1989–2001, May 2013 [24] R Zhang and Y C Liang, “Exploiting multi-antennas for opportunistic spectrum sharing in cognitive radio networks,” IEEE J Sel Topics Signal Process., vol 2, no 1, pp 88–102, Feb 2008 [25] R Zhang, Y C Liang, and S Cui, “Dynamic resource allocation in cognitive radio networks,” IEEE Signal Process Mag., vol 27, no 3, pp 102–114, May 2010 [26] S Boyd and L Vandenberghe, Convex Optimization Cambridge University Press, 2004 [27] S Lee, R Zhang, and K Huang, “Opportunistic wireless energy harvesting in cognitive radio networks,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 12, no 9, pp 4788–4799, Sep 2013 [28] T S Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice Communications Engineering and Emerging Technologies Upper Saddle River, NJ, USA: Prentice Hall, 2001 [29] X Lu, D Niyato, P Wang, D I Kim, and Z Han, “Wireless charger networking for mobile devices: Fundamentals, standards, and applications,” IEEE Wireless Commun., vol 22, no 2, pp 126–135, Apr 2015 ... TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) iv 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... - NGUYỄN HỮU THỊNH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY ĐỒNG THỜI (SWIPT) Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 60.52.02.03 NGƯỜI HƯỚNG... mang lượng đồng thời sử dụng phương tiện để truyền thông tin, truyền thông tin lượng không dây đồng thời (SWIPT) trở thành lĩnh vực nghiên cứu thú vị thu hút ý ngày tăng Thông tin không dây truyền