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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Đà Nẵng, Năm 2018 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGƠ MINH TRÍ Đà Nẵng - Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Kính gửi: Hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệp Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tôi tên là: Huỳnh Bá Cường Hiện học viên lớp Cao học Kỹ thuật điện tử - Khoá 32 - Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Huỳnh Bá Cường ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC HÌNH .viii MỞ ĐẦU 1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI CẤU TRÚC LUẬN VĂN CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG SWIPT VÀ KỸ THUẬT TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY 1.1 Giới thiệu hệ thống 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 Lịch sử hình thành cơng nghệ WPT 1.3.2 Cấu trúc mạng thu lượng RF 1.4 Cấu trúc thiết bị thu lượng 10 1.5 Nguyên lý truyền lượng RF 12 1.6 Đặc điểm số đánh giá thu hoạch lượng không dây 14 1.6.1 Các đặc điểm kỹ thuật thu lượng RF 14 1.6.2 Phạm vi hoạt động 14 1.6.3 Hiệu suất chuyển đổi lượng RF-DC (PCE) 14 1.6.4 Yếu tố cộng hưởng 15 1.6.5 Độ nhạy 15 1.7 Các nguồn RF không gian tự 16 1.7.1 Nguồn RF chuyên dụng 16 1.7.2 Nguồn RF xung quanh 16 1.8 Một số ứng dụng thu lượng không dây 18 1.8.1 Thu lượng RF y tế chăm sóc sức khỏe 18 1.8.2 Phân tập tần số 19 1.8.3 Mạng cảm biến không dây (IoT/WSN) 19 1.9 Kết luận chương 19 CHƯƠNG HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO 21 2.1 Giới thiệu chương 21 2.2 Tổng quan hệ thống đa kênh truyền MIMO 22 2.2.1 Khái niệm hệ thống MIMO 22 2.2.2 Ưu điểm kỹ thuật MIMO 23 iii 2.2.3 Khuyết điểm hệ thống MIMO 24 2.3 MIMO đơn người dùng MIMO đa người dùng 24 2.3.1 MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) 24 2.3.2 MIMO đa người dùng (MU-MIMO) 24 2.4 Các kỹ thuật phân tập 25 2.4.1 Phân tập thời gian 26 2.4.2 Phân tập không gian 27 2.5 Dung lượng độ lợi hệ thống MIMO 28 2.5.1 Dung lượng kênh MIMO 28 2.5.2 Độ lợi hệ thống MIMO 28 2.6 Một số khái niệm MIMO 30 2.6.1 Nhiễu trắng 30 2.6.2 Nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) 30 2.6.3 Nhiễu đồng kênh (CCI) 31 2.6.4 Fading 31 2.6.5 Kỹ thuật định hướng búp sóng (Beamforming) 32 2.7 Các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO đa người dùng 32 2.8 Một số ứng dụng tiêu biểu 33 2.8.1 Chuẩn 802.11n 33 2.8.2 Wimax 34 2.8.3 Công nghệ 4G 34 2.9 Kết luận chương 34 CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU THƠNG SỐ WMMSE 36 3.1 Giới thiệu chương 36 3.2 Mơ hình hệ thống tổng qt hệ thống SWIPT BC MIMO 37 3.3 Thiết kế thu /phát WMMSE cho hệ thống SWIPT 38 3.3.1 Mơ hình hệ thống 38 3.3.2 Phương pháp nhân tử Lagrangian 40 3.3.3 Phương pháp chia đôi Bisection 41 3.3.4 Tính tốn tối ưu hệ thống 43 3.4 Kết luận chương 46 CHƯƠNG MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 48 4.1 Thiết lập thông số mô 48 4.2 Kết đánh giá hiệu suất 49 4.3 Kết luận chương 51 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 52 KẾT LUẬN 52 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 52 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN iv TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI TRONG HỆ THỐNG ĐA ANTEN Học viên: Huỳnh Bá Cường Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03 Khóa: K32 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Trong năm gần đây, người ta nhận thấy tín hiệu tần số vơ tuyến (Radio Frequence - RF) Ngồi việc truyền thơng tin cịn truyền lượng cho thiết bị di động hệ thống không dây, lĩnh vực thu hút ý ngày tăng giới khoa học Vì lý này, mạng truyền thơng tin lượng vô tuyến đồng thời (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer - SWIPT) xuất công nghệ đầy hứa hẹn, kết hợp giải mã thông tin (Information Decoding - ID) với thiết bị thu lượng (Energy Harvesting - EH) để cung cấp cho mạng 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 TECHNICAL RESEARCH OF SIMULTANEOUS WIRELESS INFORMATION AND POWER TRANSFER IN MULTI-ANTENNA SYSTEM Abstract - At present, it is recognized that the signal in radio frequency (RF) In addition to transmitting information that can transmit energy to mobile devices in wireless systems, the field has attracted increasing attention from the scientific community For this reason, the Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) has emerged as a promising technology, combining Information Decoding (ID) with Energy Harvesting (EH) to provide wireless 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 techniques and 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 Ký hiệu x; y; N; k x; y X; Y xi aij ℂ AT AH A-1 A-T || || diag(A) trace(A) det(A) Ý nghĩa In nghiêng, thường hoa, số vô hướng In đậm, chữ thường vector In đậm, chữ hoa ma trận Phần tử thứ i vector x Phần tử hàng i, cột j ma trận A Tập hợp số phức Chuyển vị ma trận A Chuyển vị liên hợp (Hermitian) ma trận phức A Nghịch đảo ma trận vuông A, Nghịch đảo chuyển vị ma trận A Norm p vector Đường chéo ma trận A Trace ma trận A Định thức ma trận vuông A vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa AP Access Point AS Antenna Switching FSPL Free Space Path Loss ID Information Decoding IoT Internet of Things MIMO Multiple Input, Multiple Output MIMO BC MIMO Broadcast MISO Multiple Input, Single Output MRT Maximum Ratio Transmission WMMSE Weighted Minimum Mean Squared Error PS Power Splitting QoS Quality of Service RF Radio Frequency RFID Radio-Frequency Identification SIMO Single Input, Multiple Output SISO Single Input, Single Output SNR Signal-to-Noise Ratio SS Spatial Switching SWIPT Simultaneous Wireless Information and Power Transfer TS Time Switching UT User Terminals AS Antenna Switching SS WPH Spatial Switching Wireless Power Harvesting vii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng bảng 1.1 Số liệu thực nghiệm thu lượng sóng RF 1.2 Điện tiêu thụ thiết bị SoC sản xuất 4.1 Thông số mô hệ thống Trang 17 18 48 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình vẽ Trang hình vẽ 1.1 Các kỹ thuật truyền SWIPT miền khác nhau: a) thời gian, b) lượng, c) anten d) không gian; α biểu thị hệ số PS 1.2 Cấu trúc mạng thu nhận lượng sóng RF 1.3 Cấu trúc hệ thống thu hoạch lượng RF 10 1.4 Một số cấu trúc máy thu (a) Mạch thu sử dụng đa anten 12 riêng biệt (b) Mạch thu sử dụng chuyển mạch thời gian (c) Mạch thu chia tách công suất (d) Bộ thu kết hợp 1.5 Sự phân bố vùng trường gần xa không gian 13 2.1 Tổng quan hệ thống MIMO 22 2.2 Mơ hình hệ thống MIMO 23 2.3 Hệ thống MU-MIMO: MIMO BC 25 2.4 Phân tập theo thời gian 26 2.5 Các cách phân tập không gian cho hệ thống MIMO 27 2.6 Kỹ thuật Beamforming 29 2.7 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 29 2.8 Phân tập khơng gian cải thiện SNR 30 3.1 Mơ hình truyền thông tin lượng đồng thời SWIPT 37 3.2 Một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT 38 3.3 Mơ hình hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT với 38 thu phát 3.4 Phương pháp chia đơi Bisection 41 4.1 Một mơ hình hệ thống MIMO BC cho SWIPT với NT=NR=2 48 4.2 So sánh MSE tốc độ truyền RATE SWIPT MIMO BC 49 4.3 (a)Vùng MSE- Năng lượng (b) Vùng tốc độ thông tin- Năng lượng 50 phương pháp SWIPT- WMMSE 4.4 Sự thay đổi tốc độ truyền tín hiệu theo công suất phát 51 52 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI KẾT LUẬN Với kết đạt được, đề tài trình bày số nội dung sau:  Đã trình bày tổng quan lý thuyết hệ thống truyền thông tin lương đồng thời (SWIPT)  Đã trình bày nguyên lý truyền lượng, số trình thu lượng  Đã trình bày nguồn lượng có khơng gian tự ứng dụng thu lượng không dây  Đã trình bày khái quát đặc điểm, kỹ thuật tiền mã hóa hệ thống MIMO  Đã xây dựng mơ hình SWIPT hệ thống MIMO BC, xây dựng phương trình điều kiện ràng buộc cho việc tìm điểm tiếp cận điểm tối ưu cân tốc độ truyền lượng  Mặt khác mơ hình WMMSE thiết lập cấu trúc tiền mã hóa tối ưu dạng đơn biến dễ dàng tính phương pháp phân đơi đơn giản  Mặc dù toán 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 cần giải đưa vào hướng phát triển đề tài sau:  Trong luận văn này, để việc phân tích đơn giản, tơi giả sử hiệu suất chuyển đổi lượng thu lượng lý tưởng, vấn đề có lý thuyết Để giảm thiểu vấn đề có giải pháp đưa thiết kế phát lượng tối hóa việc truyền lượng khơng gian, tối ưu thiết bị thu lượng giảm trở kháng mạch thu hướng phát triển có lợi ích thiết thực  Đề tài nên so sánh với số phương pháp truyền khác để tăng tính chân thực số liệu tương quan mơ hình  Đề tài nên sử dụng nhiều thuật toán tối ưu để đánh giá hiệu thuật tốn tìm thuật toán tối ưu tốt tương lai 53 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P Grover and A Sahai, “Shannon meets Tesla: wireless information and power transfer,” in Proc IEEE Int Symp.Inf Theory, June 2010, pp 2363–2367, Austin, TX, USA [2] Zhang Y, Zhang F, Shakhsheer Y, Silver JD, Klinefelter A, Nagaraju M et al (2013) A batteryless 19 W MICS/ISM-band energy harvesting body sensor node SoC for ExG applications IEEE J Solid-State Circuits 48:199–213 [3] I Krikidis, S Sasaki, S Timotheou, and Z Ding, “A low complexity antenna switching for joint wireless informationand energy transfer in MIMO relay channels,” IEEE Trans Commun, vol.62, no.5, pp.1577–1587, May 2014 [4] S Timotheou and I Krikidis, “Joint information and energy transfer in the spatial domain with channel estimation error,” in Proc IEEE Online Conf Green Commun., Oct 2013, pp 115–120 [5] 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 [6] L R Varshney, “Transporting Information and Energy Simultaneously,” Proc IEEE Int’l.Symp Inf Theory (ISIT), Toronto, Canada, July 2008, pp 1612–16 [7] 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 [8] Helleputte NV, Konijnenburg M, Pettine J, Jee DW, Kim H, Morgado A et al (2015) A 345 uW multi-sensor biomedical SoC with bio-impedance, 3.channel ECG, motion artifact reduction, and integrated DSP IEEE J Solid-State Circuits 50:230–244 [9] Chen G, Ghaed H, Haque RU, Wieckowski M, Kim Y, Kim G et al (2011) A cubicmillimeter energy-autonomous wireless intraocular pressure monitor In: 2011 IEEE international solid-state circuits conference, 2011, pp 310–312 [10] Helleputte NV, Konijnenburg M, Pettine J, Jee DW, Kim H, Morgado A et al (2015) 54 A 345 uW multi-sensor biomedical SoC with bio-impedance, 3.channel ECG, motion artifact reduction, and integrated DSP IEEE J Solid-State Circuits 50:230–244 [11] Kim H, Kim S, Helleputte NV, Artes A, Konijnenburg M, Huisken J et al (2014) A configurable and low-power mixed signal SoC for portable ECG monitoring applications IEEE Trans Biomed Circuits Syst 8:257–267 [12] Yan L, Bae J, Lee S, Roh T, Song K, Yoo HJ (2011) A 3.9 mW 25-electrode reconfigured sensor for wearable cardiac monitoring system IEEE J Solid-State Circuits 46:353–364 [13] Verma N, Shoeb A, Bohorquez J, Dawson J, Guttag J, Chandrakasan AP (2010) A micro-power EEG acquisition SoC with integrated feature extraction processor for a chronic seizure detection system IEEE J Solid-State Circuits 45(4):804– 816 [14] Chen G, Fojtik M, Kim D, Fick D, Park J, Seok M et al (2010) Millimeter-scale nearly perpetual sensor system with stacked battery and solar cells In: 2010 IEEE international solid-state circuits conference—(ISSCC), pp 288–289 [15] Rai S, Holleman J, Pandey JN, Zhang F, Otis B (2009) A 500 µW neural tag with µVrms AFE and frequency-multiplying MICS/ISM FSK transmitter In: 2009 IEEE international solid-state circuits conference—digest of technical papers, pp 212–213 [16] Yick J, Mukherjee B, Ghosal D (2008) Wireless sensor network survey Comput Netw 52:2292–2330 [17] Correia R, Carvalho NB, Kawasaki S (2016) Continuously power delivering for passive backscatter wireless sensor networks IEEE Trans Microw Theory Tech 64:3723–3731 [18] Praveen MP, Mehta NB (2016) Trade-offs in analog sensing and communication in RF energy harvesting wireless sensor networks In: 2016 IEEE international conference on communications (ICC), pp 1–6 [19] 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 55 [20] 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 [21] Changick Song, Cong Ling, Jaehyun Park, and Bruno Clerckx “MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer: Weighted MMSE Approaches,” 2014 IEEE Globecom Workshops ... đề tài: ? ?Nghiên cứu kỹ thuật truyền nhận thông tin lượng đồng thời hệ thống đa Anten? ?? để người dùng đồng thời thu mức lượng thông tin tốt hệ thống SWIPT MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Nghiên cứu mơ hình... TÀI LUẬN VĂN iv TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI TRONG HỆ THỐNG ĐA ANTEN Học viên: Huỳnh Bá Cường Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60.52.02.03... 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 LUẬN VĂN THẠC