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

Đề tài này khảo sát việc truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời SWIPT trong các mạng MIMO quảng bá nơi một máy thu năng lượng EH và một máy thu giải mã thông tin chia sẻ cùng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRONG HỆ THỐNG ĐA ANTEN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử

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 là 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 đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Huỳnh Bá Cường

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

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG SWIPT VÀ KỸ THUẬT TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY 4

1.1 Giới thiệu hệ thống 4

1.2 Hệ thống SWIPT 5

1.2.1 Chuyển mạch thời gian (TS) 5

1.2.2 Chia công suất (PS) 6

1.2.3 Chuyển mạch anten (AS) 6

1.2.4 Chuyển mạch không gian (SS) 6

1.3 Kỹ thuật truyền năng lượng không dây 6

1.3.1 Lịch sử hình thành công nghệ WPT 7

1.3.2 Cấu trúc mạng thu năng lượng RF 8

1.4 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị thu năng lượng 10

1.5 Nguyên lý truyền năng lượng RF 12

1.6 Đặc điểm và các chỉ số đánh giá thu hoạch năng lượng không dây 14

1.6.1 Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF 14

1.6.2 Phạm vi hoạt động 14

1.6.3 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-DC (PCE) 14

1.6.4 Yếu tố cộng hưởng 15

1.6.5 Độ nhạy 15

1.7 Các nguồn RF trong không gian tự do 16

1.7.1 Nguồn RF chuyên dụng 16

1.7.2 Nguồn RF xung quanh 16

1.8 Một số ứng dụng của thu năng lượng không dây 18

1.8.1 Thu năng lượng RF trong y tế và 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 2 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 về hệ thống MIMO 22

2.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO 23

2.2.3 Khuyết điểm của hệ thống MIMO 24

2.3 MIMO đơn người dùng và 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 và độ lợi trong hệ thống MIMO 28

2.5.1 Dung lượng kênh MIMO 28

2.5.2 Độ lợi trong hệ thống MIMO 28

2.6 Một số khái niệm cơ bản trong 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 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU THÔNG SỐ WMMSE 36

3.1 Giới thiệu chương 36

3.2 Mô hình hệ thống tổng quát hệ thống SWIPT BC MIMO 37

3.3 Thiết kế bộ thu /phát WMMSE cho hệ thống SWIPT 38

3.3.1 Mô 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 toán tối ưu hệ thống 43

3.4 Kết luận chương 46

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 48

4.1 Thiết lập thông số mô phỏng 48

4.2 Kết quả và 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

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 những năm gần đây, người ta nhận thấy rằng các tín hiệu trong tần số vô tuyến

(Radio Frequence - RF) Ngoài việc truyền thông tin còn có thể truyền năng lượng cho các thiết

bị di động trong hệ thống không dây, lĩnh vực này đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng của giới khoa học Vì lý do này, mạng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer - SWIPT) đã xuất hiện như một công nghệ đầy hứa

hẹn, kết hợp giải mã thông tin (Information Decoding - ID) với các thiết bị thu năng lượng

(Energy Harvesting - EH) để cung cấp cho mạng không dây Đề tài này khảo sát việc truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) trong các mạng MIMO quảng bá nơi một máy thu năng lượng (EH) và một máy thu giải mã thông tin chia sẻ cùng một nguồn thời gian và tần số Đầu tiên, đề tài trình bày tổng quan về hệ thống MIMO và các hệ thống WPT, các kỹ thuật thu năng lượng bằng sóng RF và các ứng dụng hiện có Sau đó, đề tài xây dựng vấn đề sử dụng WMMSE cho SWIPT giúp làm giảm thiểu tổng trọng số MSE của tín hiệu đến máy thu ID, trong khi việc lưu trữ năng lượng có thể thu được từ tín hiệu của máy thu EH Tiếp theo, đề tài đề xuất cấu trúc tiền mã hóa tối ưu của vấn đề và xác định khu vực cân bằng tốt nhất về năng lượng MSE thông qua việc cập nhật thay thế của bộ tiền mã hóa tuyến tính tại máy phát với máy thu tuyến tính tại máy thu ID

Từ khóa – Thu nhận năng 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

AH Chuyển vị liên hợp (Hermitian) của ma trận phức A

A-1 Nghịch đảo của ma trận vuông A,

A-T Nghịch đảo rồi chuyển vị của ma trận A

|| || Norm p của vector

diag(A) Đường chéo chính của ma trận A

trace(A) Trace của ma trận A

det(A) Định thức ma trận vuông A

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

QoS Quality of Service

RF Radio Frequency

RFID Radio-Frequency Identification

SIMO Single Input, Multiple Output

SISO Single Input, Single Output

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.1 Các kỹ thuật truyền SWIPT trong các miền khác nhau: a) thời gian,

b) năng lượng, c) anten và d) không gian; α biểu thị hệ số PS

5

1.2 Cấu trúc mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF 9 1.3 Cấu trúc của một hệ thống thu hoạch năng lượng RF 10 1.4 Một số cấu trúc máy thu cơ bản (a) Mạch thu sử dụng đa anten

riêng biệt (b) Mạch thu sử dụng chuyển mạch thời gian (c) Mạch

thu chia tách công suất (d) Bộ thu kết hợp

2.5 Các cách phân tập không gian cho hệ thống MIMO 27

2.7 Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền 29

3.1 Mô hình truyền thông tin và năng lượng đồng thời SWIPT 37

3.3 Mô hình một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT với bộ

thu phát

38

4.1 Một mô hình một hệ thống MIMO BC cho SWIPT với NT=NR=2 48 4.2 So sánh MSE và tốc độ truyền RATE trong SWIPT MIMO BC 49 4.3 (a)Vùng MSE- Năng lượng (b) Vùng tốc độ thông tin- Năng lượng

của phương pháp SWIPT- WMMSE

50

4.4 Sự thay đổi giữa tốc độ truyền tín hiệu theo công suất phát 51

MỞ ĐẦU

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, người ta nhận thấy rằng các tín hiệu trong tần số vô tuyến (Radio Frequence - RF) ngoài việc truyền thông tin còn có thể truyền năng lượng cho các thiết bị di động trong hệ thống không dây, lĩnh vực này đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng của giới khoa học Vì lý do này, mạng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer - SWIPT) đã xuất hiện như một công nghệ đầy hứa hẹn, kết hợp với các thiết bị thu năng lượng (Energy Harvesting - EH) để cung cấp cho mạng không dây SWIPT cung cấp một ưu điểm về việc khống chế để đảm bảo yêu cầu về truyền năng lượng và thông tin đồng thời với giá thành thấp mà không cần thay đổi nhiều phần cứng của máy phát Kết quả

là, lượng thông tin truyền và năng lượng truyền không thể đạt cực đại đồng thời Trong hệ thống SWIPT, thiệt kế máy phát đã được nghiên cứu trong vài năm qua

để tối đa tốc độ giải mã thông tin ở người dùng (Information Decoding - ID) và năng lượng thu được ở người dùng EH một cách đồng thời Vấn đề đặt ra là làm thế 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 năng lượng và thông tin tốt nhất trên cùng một tài nguyên phổ tần

Từ những vấn đề nêu trên tôi đề xuất đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật truyền nhận thông tin và năng lượng đồng thời trong hệ thống đa Anten” để người dùng đồng

thời thu được mức năng lượng và thông tin tốt nhất trong hệ thống SWIPT

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu mô hình tín hiệu của hệ thống SWIPT

- Nghiên cứu các thuật toán tối ưu hệ thống giữa máy phát và máy thu

- Viết chương trình mô phỏng trên Matlab nhằm đánh giá hiệu năng của các thuật toán tối ưu

3 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 hệ số WMMSE máy phát

- Viết chương trình mô phỏng bằng 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 trên máy thu ID và năng lượng trên máy thu EH Ứng dụng các giải pháp tối ưu để tăng hiệu suất hệ thống

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp thực hiện luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để đánh giá hiệu năng của hệ thống:

- 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 đã được đề xuất, dựa vào đó đưa ra 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 phỏng hệ thống

- Đánh giá kết quả đã mô phỏng của thuật toán tối ưu hệ thống

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT) là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng thời lượng sử dụng của các thiết bị không dây Đặc biệt sự phát triển của công nghệ IoT và mạng cảm biến không dây đòi hỏi các thiết bị nhỏ gọn

và công suất sử dụng thấp Bài toán về nguồn năng lượng của các thiết bị này là vấn đề

mà các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển Việc sử dụng hệ thống SWIPT một cách tối ưu dự kiến sẽ mang lại một số thay đổi cơ bản trong thiết kế và giải quyết vấn

đề năng lượng cho mạng truyền thông không dây trong tương lai

6 CẤU TRÚC LUẬN VĂN

Luận văn gồm 4 chương sau đây:

Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống truyền thông tin và năng lượng đồng thời, quá trình hình thành công nghệ WPT và các ứng dụng thu năng lượng không dây

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO

Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống kênh đa anten phát, đa anten thu ( kênh truyền MIMO) và một số vấn đề liên quan đến tiền mã hóa trong hệ thống MIMO

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU THÔNG SỐ WMMSE Chương này trình bày mô hình chung của hệ thống, phương pháp tiền mã hóa tối

ưu trọng số WMMSE, giới thiệu một số phương pháp tối ưu khác nhằm cân bằng vấn

đề truyền tín hiệu và năng lượng được chuyển đổi

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Mô phỏng hệ thống dựa theo thuật toán tối ưu trọng số WMMSE Để đánh giá được chất lượng của phương pháp tối ưu WMMSE bằng cách so sánh hiệu suất của hai tiêu chí thiết kế SWIPT của MIMO BC: WMMSE và tốc độ thông tin

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI

Tóm tắt lại kết quả nghiên cứu, đóng góp cũng như hạn chế của đề tài và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG SWIPT VÀ KỸ THUẬT TRUYỀN

NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY

1.1 Giới thiệu hệ thống

Việc thu hoạch năng lượng từ các tín hiệu RF là một giải pháp đầy hứa hẹn để cung cấp nguồn điện vĩnh viễn và tiết kiệm chi phí cho các mạng không dây So với các phương pháp thu hoạch năng lượng truyền thống (EH) phụ thuộc vào các nguồn bên ngoài, như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, thu hoạch năng lượng từ tín hiệu RF

có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dây theo yêu cầu bất cứ lúc nào và

do đó mang lại sự tiện lợi và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các hệ thống không dây Hơn thế nữa, cùng với việc áp dụng rộng rãi các kỹ thuật đa anten thu phát (MIMO) và phủ sóng của các trạm BS trong các hệ thống 5G, có thể truyền tải năng lượng không dây với hiệu quả cao hơn trong 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 và năng lượng cho các thiết bị di động sẽ bị loại bỏ hoàn toàn trong truyền thông không dây tương lai Do những yêu cầu và tiến bộ kỹ thuật, truyền thông không dây và chuyển đổi năng lượng đồng thời (SWIPT) là một trong những kỹ thuật chính cho mạng không dây 5G và đã gây được sự quan tâm rộng rãi từ cả giới học thuật lẫn ngành công nghiệp

Các nghiên cứu tiên phong của SWIPT tập trung vào việc mô tả tốc độ cơ bản và truyền tải năng lượng với giả định rằng cùng một tín hiệu đồng thời có thể truyền tải thông tin và năng lượng Tuy nhiên, giới hạn bởi các kỹ thuật hiện tại không thể đạt được sự truyền tải đồng thời thông tin và năng lượng với cùng một tín hiệu trong thực

tế Do đó, việc đạt được SWIPT chủ yếu phụ thuộc vào kiến trúc của các máy thu phát

và các giao thức hoạt động Các phương pháp chuyển mạch thời gian (TS) đã được đề xuất để thực hiện bằng cách thay thế giải mã thông tin và thu hoạch năng lượng theo cách phân chia theo thời gian Hoặc một mô hình phân chia năng lượng (PS), trong đó tín hiệu thu được chia thành hai phần để thu thập thông tin và lưu trữ năng lượng đồng thời tại bộ giải mã thông tin và bộ thu năng lượng tách biệt Trong bài viết này nghiên cứu một hệ thống phát sóng không dây đa đầu vào đầu ra (MIMO) gồm có ba nút, trong

đó một máy thu được năng lượng và một máy thu khác giải mã thông tin riêng biệt, với tín hiệu được gửi bởi một máy phát thông thường và tất cả máy phát và máy thu có thể

được trang bị nhiều anten Nội dung chương này sẽ trình bày tổng quan về các mạng không dây với khả năng thu nhận năng lượng sử dụng RF (WPT)

1.2 Hệ thống SWIPT

Các nghiên cứu lý thuyết thông tin ban đầu về SWIPT đã giả định rằng cùng một

tí hiệu có thể truyền tải cả năng lượng và thông tin mà không bị tổn thất, tiết lộ một sự cân bằng cơ bản giữa thông tin và chuyển đổi năng lượng [1] Tuy nhiên, việc chuyển đổi đồng thời này không thể thực hiện được, vì hoạt động thu năng lượng được thực hiện trong miền RF làm phá hủy nội dung thông tin Để thực tế đạt được SWIPT, tín hiệu nhận được phải được chia thành hai phần riêng biệt, một để thu năng lượng và một

để giải mã thông tin Sau đây, các kỹ thuật đã được đề xuất để đạt được sự phân tách tín hiệu này trong các miền khác nhau (thời gian, năng lượng, anten, không gian) sẽ được thảo luận

Hình 1.1: Các kỹ thuật truyền SWIPT trong các miền khác nhau: a) thời gian, b) năng

lượng, c) anten và d) không gian; α biểu thị hệ số PS

1.2.1 Chuyển mạch thời gian (TS)

Nếu TS được sử dụng, máy thu sẽ chuyển đổi theo thời gian giữa giải mã thông tin

và thu năng lượng [2] Trong trường hợp này, việc tách tín hiệu được thực hiện trong miền thời gian và do đó toàn bộ tín hiệu nhận được trong một khe thời gian được sử dụng để giải mã thông tin hoặc truyền tải điện ở hình 1.1(a) Kỹ thuật TS cho phép thực hiện phần cứng đơn giản tại máy thu nhưng yêu cầu đồng bộ hóa thời gian chính xác và

lập lịch thông tin/ năng lượng

1.2.2 Chia công suất (PS)

Kỹ thuật PS đạt được SWIPT bằng cách tách tín hiệu nhận được trong hai luồng các mức công suất khác nhau sử dụng thành phần PS Một luồng tín hiệu được gửi đến mạch chuyển đổi sóng vô tuyến thành năng lượng và luồng kia được chuyển vào bộ giải

mã thông tin ở hình 1.1(b) [2] Kỹ thuật PS đòi hỏi độ phức tạp của máy thu cao hơn so với TS và yêu cầu tối ưu hóa hệ số α của PS Tuy nhiên, nó đạt được SWIPT tức thời,

vì tín hiệu nhận được trong một khe thời gian được sử dụng cho cả giải mã thông tin và truyền tải năng lượng Do đó, nó phù hợp hơn cho các ứng dụng có thông tin quan trọng hoặc các ràng buộc chậm trễ và gần gũi hơn với lý thuyết thông tin tối ưu

1.2.3 Chuyển mạch anten (AS)

Thông thường, mảng anten được sử dụng để tạo ra nguồn DC cho hoạt động thiết

bị là đáng tin cậy Lấy cảm hứng từ phương pháp này, kỹ thuật AS tự động chuyển đổi từng phần tử anten giữa giải mã / chỉnh lưu để đạt được SWIPT trong phân tập anten ở hình 1.1(c) Trong sơ đồ AS, anten nhận được chia thành hai nhóm, trong đó một nhóm được sử dụng để giải mã thông tin và nhóm khác để thu năng lượng [2] Kỹ thuật AS yêu cầu giải pháp tối ưu hóa trong mỗi khung giao tiếp để quyết định việc gán tối ưu các phần tử anten nhằm giải mã thông tin và thu năng lượng Đối với kênh relay MIMO giải

mã và chuyển tiếp, nơi nút chuyển tiếp sử dụng năng lượng thu được để truyền lại tín hiệu nhận được, vấn đề tối ưu hóa được xây dựng và được giải quyết bằng lập trình động trong [3]

1.2.4 Chuyển mạch không gian (SS)

Kỹ thuật SS có thể được áp dụng trong các cấu hình MIMO và đạt được SWIPT trong phân tập không gian bằng cách khai thác nhiều mức độ tự do (DoF) của kênh can thiệp [4] Dựa trên phân tích giá trị số ít (SVD) của kênh MIMO, liên kết truyền thông được chuyển thành các kênh riêng song song có thể truyền tải thông tin hoặc năng lượng

ở hình 1.1(d) Tại đầu ra của mỗi kênh riêng có một bộ chuyển đổi đầu ra kênh hoặc để các mạch giải mã thông thường hoặc mạch sửa chữa Phân bổ kênh riêng khác nhau là một vấn đề để tối ưu, đây là một hệ phi tuyến nên việc tối ưu là khó khăn, đặc biệt là công suất tối đa không giới hạn trên mỗi kênh riêng

1.3 Kỹ thuật truyền năng lượng không dây

1.3.1 Lịch sử hình thành công nghệ WPT

Truyền năng lượng không dây là một khái niệm ban đầu được hình thành bởi Nikola Tesla vào những năm 1890, năng lượng được truyền từ một nguồn năng lượng đến một đích đến trong môi trường không dây Việc sử dụng truyền năng lượng không dây giúp tránh việc phải lên chi phí và lắp đặt dây cáp điện trong các tòa nhà và cơ sở

hạ tầng Một trong những thách thức để thực hiện truyền năng lượng không dây là hiệu quả truyền năng lượng của nó thấp, như là chỉ có một phần nhỏ của năng lượng phát ra

có thể được thu ở thiết bị nhận do mất mát lớn trên đường đi và hiệu quả chuyển đổi DC thấp của tần số vô tuyến (RF) Ngoài ra, các thiết bị điện tử ban đầu, như thế hệ đầu tiên của điện thoại di động lại cồng kềnh và bị tiêu thụ điện năng cao Vì những lý do nêu trên, truyền điện không dây đã không nhận được nhiều sự chú ý cho đến gần đây, mặc

dù Tesla đã cung cấp một minh chứng thành công với đèn điện chiếu sáng không dây vào năm 1891

Trong những năm gần đây, một số lượng đáng kể các nỗ lực nghiên cứu đã được dành riêng để làm sống lại các tham vọng cũ của truyền điện năng không dây, được thúc đẩy bởi hai lý do sau đây [6], [7] Lý do đầu tiên là sự thành công to lớn của mạng cảm biến không dây (WSNs) đã được áp dụng rộng rãi cho giao thông thông minh, giám sát môi trường, v.v Tuy nhiên, hạn chế của WSNs là năng lượng, vì mỗi cảm biến phải được trang bị một pin mà giới hạn ở một khoảng thời gian trong các trường hợp thực tế riêng biệt Việc này gây ra sự tốn kém khi thay thế các pin và các ứng dụng của việc nạp năng lượng truyền thống (EH) công nghệ dựa trên các nguồn năng lượng tự nhiên là vấn

đề do tính chất liên tục của chúng Truyền năng lượng không dây có thể được sử dụng như là một thay thế đầy hứa hẹn cho việc tăng tuổi thọ của WSNs Lý do thứ hai là việc

sử dụng rộng rãi hiện nay của các thiết bị năng lượng thấp mà có thể được sạc không dây Ví dụ, Intel đã chứng minh sạc không dây của một máy đo nhiệt độ và độ ẩm cùng

một màn hình tinh thể lỏng, sử dụng tín hiệu của một kênh truyền hình ở khoảng cách

là 4 km

Mặc dù các nghiên cứu tổng thể về chủ đề này vẫn còn ở mức sơ khai, tuy nhiên

đã có những kết quả nổi bật được báo cáo trong tài liệu [6], [7] Trong [6], Varshney lần đầu tiên đề xuất một hàm dung lượng - năng lượng (capacity-energy) để mô tả sự cân bằng cơ bản trong việc chuyển giao thông tin và năng lượng đồng thời Đối với hệ thống

đơn anten SISO (một đầu vào và một đầu ra) kênh AWGN với cộng nhiễu biên độ thì

nó đã được hiển thị Trong đó có sự cân bằng không quan trọng trong việc tối đa hóa tốc

độ truyền tin so với truyền tải năng lượng bằng cách tối ưu hóa sự phân bố đầu vào Tuy nhiên, nếu công suất truyền trung bình được thay vào đó, hai mục tiêu trên có thể được hiển thị cho phù hợp với kênh AWGN SISO với tín hiệu đầu vào Gaussian và do đó sự cân bằng không quan trọng Trong [7], Grover và Sahai mở rộng các kênh AWGN anten chọn lọc tần số với giới hạn công suất trung bình, bằng cách này cho thấy một sự cân bằng cao tồn tại trong phân bổ phổ tần số cho tốc độ truyền tin tối đa so với truyền năng lượng

Kỹ thuật thu năng lượng RF hứa hẹn sẽ giúp thay thế nguồn pin hoặc tăng tuổi thọ của pin trong các thiết bị điện và hệ thống điện năng thấp Hiện nay, pin chiếm đa số thiết bị cảm biến từ xa công suất thấp và thiết bị nhúng Trên thực tế, pin có tuổi thọ hữu hạn và yêu cầu thay thế định kỳ Bằng cách áp dụng công nghệ thu hoạch năng lượng, thiết bị có thể tự cung cấp năng lượng cần thiết cho nó hoạt động, từ đó có được tuổi thọ hoạt động lâu hơn Như vậy, nhu cầu bảo trì điện sẽ trở nên không đáng kể

Các nguồn năng lượng thu thập từ bên ngoài có sẵn dưới nhiều hình thức như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nhiệt, năng lượng điện, động năng, v v Trong số đó, năng lượng điện từ phong phú trong không gian và có thể được lấy mà không có giới hạn Sóng điện từ đến từ nhiều nguồn khác nhau như trạm vệ tinh, internet không dây, đài phát thanh và phát sóng đa phương tiện kỹ thuật số Hệ thống thu năng lượng tần số vô tuyến điện có thể thu nhận và chuyển đổi năng lượng điện từ thành điện

áp một chiều (DC) Các đơn vị chính của một hệ thống thu hoạch năng lượng RF là ten và mạch chỉnh lưu cho phép chuyển đổi năng lượng RF hoặc dòng xoay chiều (AC) thành năng lượng DC

ăng-Kỹ thuật truyền năng lượng (energy harvesting) sử dụng tần số vô tuyến điện (RF) gần đây đã trở thành các phương pháp thay thế để cấp nguồn cho các mạng không dây thế hệ tiếp theo Công nghệ này góp phần tạo thuận lợi trong việc hỗ trợ các ứng dụng với các yêu cầu về chất lượng dịch vụ, nhằm tối ưu hóa tài nguyên băng tần

1.3.2 Cấu trúc mạng thu năng lượng RF

Một cấu trúc tập trung điển hình của một mạng thu nhận năng lượng sử dụng sóng

RF, như thể hiện trong hình 1.2 có ba thành phần chính, như là các cổng thông tin, các

nguồn năng lượng RF và các nút mạng / thiết bị mạng

Hình 1.2: Cấu trúc mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF

Cổng thông tin nói chung được gọi là trạm cơ sở (BS), bộ định tuyến không dây

và các trạm lặp Các nguồn năng lượng RF có thể là máy phát năng lượng RF chuyên dụng hoặc các nguồn RF xung quanh (ví dụ: tháp truyền hình) Các nút mạng là thiết bị người dùng giao tiếp với các cổng thông tin Thông thường, cổng thông tin và các nguồn năng lượng RF có nguồn cung cấp điện liên tục và cố định, trong khi các nút mạng lấy năng lượng từ các nguồn RF để hỗ trợ hoạt động của chúng Trong một số trường hợp, cổng thông tin và nguồn năng lượng RF có thể giống nhau Như thể hiện trong hình 1.2, các đường mũi tên đại diện cho dòng chảy thông tin, trong khi các đường mũi tên đứt nét là dòng năng lượng

Cổng thông tin có một vùng cung cấp năng lượng và một vùng truyền tải thông tin được biểu diễn bởi những đường cong đứt trong hình 1.2 Các thiết bị trong vùng cung cấp năng lượng có thể thu năng lượng RF từ cổng thông tin Các thiết bị trong vùng truyền thông tin có thể giải mã thành công các thông tin truyền từ cổng thông tin (gateway) Nói chung, công suất hoạt động của thành phần thu năng lượng cao hơn nhiều

so với thành phần giải mã thông tin Do đó, vùng thu hoạch năng lượng nhỏ hơn vùng truyền tải thông tin

1.4 Cấu trúc cơ bản của một thiết bị thu năng lượng

Hình 1.3 giới thiệu cấu trúc của một hệ thống thu hoạch năng lượng RF và các yếu

tố đóng góp vào hiệu suất của toàn bộ hệ thống

Hình 1.3: Cấu trúc của một hệ thống thu hoạch năng lượng RF

- Applications: Các icationsoạch năng lượng RF thố

- Power management: Gồm thiết bị lưu trữ năng lượng, năng lượng và điện áp đầu ra và có

thể sử dụng hai phương pháp để kiểm soát lưu lượng năng lượng đến, tức là sử dụng năng lượng thu được và sử dụng năng lượng thu được được lưu trữ Trong phương pháp

sử dụng năng lượng thu hoạch, năng lượng thu hoạch được sử dụng ngay để cấp nguồn cho nút mạng Do đó, để nút mạng hoạt động bình thường, điện năng chuyển đổi phải liên tục vượt quá nhu cầu năng lượng tối thiểu của nút mạng Nếu không, nút sẽ bị tắt Trong phương pháp sử dụng năng lượng thu được được lưu trữ, nút mạng được trang bị

bộ lưu trữ năng lượng hoặc pin có thể sạc lại để lưu trữ điện đã được chuyển đổi Bất cứ khi nào năng lượng thu được cao hơn lượng tiêu thụ của nút, năng lượng dư thừa sẽ được lưu trữ trong pin để sử dụng trong tương lai

- Rectifier/ Voltage multiplier: Chctifier/ Voltage mu

- Impedance matching netwwork: Một máy thu năng lượng, bao gồm một anten RF,

một bộ kết hợp trở kháng, một hệ số điện áp và một tụ lưu điện, để thu nhận tín hiệu RF

và chuyển đổi chúng thành điện

- RF generator: Phát năng đi tng thành điệà một tụ lưu

Ở hình 1.4 mô tả sơ đồ khối cụ thể của một máy thu năng lượng RF Anten có thể được thiết kế để hoạt động trên cả hai tần số đơn hoặc nhiều băng tần,trong đó nút mạng

có thể thu thập từ một hoặc nhiều nguồn đồng thời Tuy nhiên, máy thu năng lượng RF thường hoạt động trên một dải tần số vì mật độ năng lượng của tín hiệu RF rất đa dạng

về tần số

Sự kết hợp trở kháng là cách sử dụng một mạch cộng hưởng hoạt động ở tần số được thiết kế để tối đa hóa việc truyền năng lượng giữa anten và hệ số nhân Hiệu quả của việc kết hợp trở kháng cao ở tần số thiết kế Thành phần chính của hệ số điện áp là diode của mạch chỉnh lưu, chuyển tín hiệu RF (tín hiệu AC tự nhiên) thành điện áp DC Nói chung, hiệu suất chuyển đổi cao hơn có thể đạt được bằng diode với điện áp bên trong thấp hơn Các tụ điện đảm bảo để lọc bớt gợn nhiễu năng lượng để tải Ngoài ra, khi năng lượng RF không có sẵn, tụ điện cũng có thể phục vụ như là một pin dự trữ trong một thời gian ngắn

Hiệu suất của máy thu năng lượng RF phụ thuộc vào hiệu quả của anten, độ chính xác của phối hợp trở kháng của anten và hệ số điện áp, và hiệu suất năng lượng của bộ nâng áp chuyển đổi tín hiệu RF thu được sang điện áp DC Đối với cấu trúc nút chung được giới thiệu ở trên, nút mạng có bộ thu năng lượng RF và bộ thu phát RF riêng biệt

Do đó, nút có thể thực hiện thu năng lượng và truyền thông dữ liệu đồng thời Nói cách khác, cấu trúc này hỗ trợ việc thu năng lượng cả trong dải tần và ngoài dải tần Trong thu năng lượng RF trong dải, nút mạng có thể thu được năng lượng RF từ cùng một dải tần số với tần số truyền dữ liệu Ngược lại, trong việc thu hoạch năng lượng RF ngoài dải tần, nút mạng thu thập năng lượng RF từ dải tần số khác với tần số sử dụng cho truyền thông dữ liệu Vì các tín hiệu RF có thể mang năng lượng cũng như thông tin, về mặt lý thuyết việc thu năng lượng RF và tiếp nhận thông tin có thể được thực hiện từ cùng một đầu vào tín hiệu RF Đây được gọi là khái niệm truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) Khái niệm này cho phép máy thu thông tin và máy thu

năng lượng RF chia sẻ cùng một anten hoặc mảng anten Cấu trúc máy thu tương ứng cho SWIPT được minh họa trong hình 1.4

Hình 1.4: Một số cấu trúc máy thu cơ bản (a) Mạch thu sử dụng đa anten 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 Nguyên lý truyền năng lượng RF

Hiểu được tính chất sóng điện từ là rất quan trọng để thiết kế một hệ thống RF WPH Tính chất của sóng điện từ khác nhau theo khoảng cách, tần số và môi trường truyền dẫn Tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng, người thiết kế cần lựa chọn các thông

số phù hợp cho sóng điện từ để có được kết quả tốt nhất

Việc suy hao năng lượng trong không gian tự do (Free-Space Path Loss - FSPL) và

để tính FSPL yêu cầu thông tin về độ lợi anten, tần số sóng truyền và khoảng cách giữa máy phát và máy thu Các đặc tính này được phân thành hai phần: vùng trường

xa và vùng trường gần Vùng trường gần được coi là không gian nằm trong khoảng cách của Fraunhofer và vùng trường xa nằm ngoài khoảng cách của Fraunhofer Sự phân bố các vùng trường gần và xa được minh họa trong hình 1.5

Khoảng cách của Fraunhofer được định nghĩa là:

2 f

Hình 1.5: Sự phân bố của vùng trường gần và xa trong không gian

Trong thu nhận năng lượng RF, lượng năng lượng có thể thu được phụ thuộc vào công suất phát, bước sóng của tín hiệu RF và khoảng cách giữa nguồn năng lượng RF

và nút thu hoạch Công suất RF thu được từ máy phát trong không gian tự do có thể được tính dựa trên phương trình Friis như sau:

là công suất thu được, là công suất phát

là độ lợi của anten truyền, là độ lợi của anten phát (dBi)

là bước sóng điện từ ( = )

L là tổn hao đường truyền

Từ công thức trên, FSPL, cho vùng trường xa có thể được suy luận như sau:

2 2

2 T

1.6 Đặc điểm và các chỉ số đánh giá thu hoạch năng lượng không dây

1.6.1 Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF

Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF Không giống như thu hoạch năng lượng từ các nguồn khác, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió và rung động, thu năng lượng RF có các đặc điểm sau:

 Các nguồn RF có thể cung cấp khả năng điều khiển và chuyển đổi năng lượng liên tục qua khoảng cách cho các máy thu hoạch năng lượng RF

 Trong mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF cố định, năng lượng thu được

có thể dự đoán và tương đối ổn định theo thời gian do khoảng cách cố định

 Do lượng RF thu được phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn RF, các nút mạng ở các vị trí khác nhau có thể có sự khác biệt đáng kể về năng lượng RF thu được Các nguồn RF chủ yếu có thể được phân thành hai loại, tức là các nguồn RF chuyên dụng và các nguồn RF xung quanh

Trong việc đánh giá một hệ thống có nhiều tham số cần được đánh giá, các thông

số này quyết định hiệu suất của một thiết kế WPH Đánh giá sự thay đổi tùy thuộc vào các ứng dụng khác nhau Tuy nhiên, các giá trị quan trọng như hiệu suất, độ nhạy, khoảng cách hoạt động, công suất đầu ra được định nghĩa là các tiêu chuẩn để so sánh Ngoài những đặc điểm này, các yếu tố hỗ trợ sản xuất khác như chi phí thấp, quá trình chế tạo và sản xuất hàng loạt cũng ảnh hưởng đến các tiêu chí đánh giá hệ thống

1.6.2 Phạm vi hoạt động

Khoảng cách hoạt động chủ yếu liên quan đến tần số hoạt động Trong thực tế, truyền ở tần số cao bị suy hao trong khí quyển nhiều hơn ở tần số thấp, tần số thấp có khả năng đâm xuyên tốt hơn

1.6.3 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-DC (PCE)

Đây là tỷ số giữa lượng điện áp vào tải và tải của anten Nói chung, RF-DC PCE bao gồm hiệu quả của bộ chỉnh lưu, hệ số nhân, và các yếu tố lưu trữ PCE có thể được

tính toán đơn giản như là tỷ số công suất phát đến tải với công suất thu được Việc truyền tải RF trong không gian tự do được biểu diễn như sau

load PCE

receive

P

Trong đó tải Ploadlà công suất phát đến tải vàPreceive là năng lượng thu được tại

anten Các yếu tố xác định giá trị của PCE bao gồm các tham số ký sinh, rò rỉ trong các mạch, các cấu trúc thiết kế, và ngưỡng phi tuyến của các thành phần điện

1.6.4 Yếu tố cộng hưởng

Yếu tố cộng hưởng Q thường được định nghĩa là một giá trị mô tả sự cộng hưởng với băng thông cộng hưởng Trong các mạch điện, hệ số Q đại diện cho mức điện áp tăng lên khi hệ thống cộng hưởng ở tần số cộng hưởng Từ khái niệm này, phương trình của hệ số Q có thể được biểu diễn dưới dạng công thức dưới đây:

Q = 2π ă ượ đượ ư ữ

Từ phương trình trên, giả sử rằng Q cao đi kèm với một băng thông cộng hưởng hẹp, nhưng điện áp cao đạt được thu được ở cộng hưởng Hơn nữa, phương trình này cũng chỉ ra rằng các yếu tố Q là tỷ lệ nghịch với năng lượng tiêu thụ Các yếu tố Q cụ thể cho tụ điện C và cuộn cảm L tại tần số ω được cho bởi

Hệ số điện cảm Q : Q = =

Trong đó R là điện trở nối tiếp của tụ điện và R L là điện trở nối tiếp của điện dẫn Từ các phương trình của Q và Q , chúng ta lưu ý rằng thành phần điện trở là nguyên nhân của sự tiêu hao năng lượng Ngoài ra, trong một mạch điện, mất năng lượng có thể được giảm bằng cách thêm các thành phần phản ứng như tụ điện hoặc cuộn cảm và giảm thiểu các thành phần điện trở Kể từ khi có Q cao là một thông số trong việc thiết kế các

hệ thống WPH

1.6.5 Độ nhạy

Độ nhạy của một hệ thống WPH được định nghĩa là công suất tối thiểu để hệ thống

có thể hoạt động Độ nhạy được định lượng như sau:

Độ nhạy(dB m) = 10 log (1-8) Trong đó P là công suất tối thiểu mà hệ thống có thể hoạt động Điện áp ngưỡng của công nghệ CMOS ảnh hưởng đến độ nhạy Một CMOS có ngưỡng thấp hơn sẽ giúp

độ nhạy cao hơn nhưng sẽ có dòng điện rò rỉ nhiều hơn, làm giảm hiệu quả tổng thể

1.7 Các nguồn RF trong không gian tự do

1.7.1 Nguồn RF chuyên dụng

Nguồn RF chuyên dụng Các nguồn RF chuyên dụng có thể được triển khai để cung cấp năng lượng cho các nút mạng khi cung cấp năng lượng dự đoán được là cần thiết Các nguồn RF chuyên dụng có thể sử dụng các dải tần ISM không cấp phép để truyền năng lượng RF Máy phát tín hiệu Powercaster hoạt động trên 915 MHz với công suất 1W hoặc 3W truyền tải là một ví dụ về nguồn RF chuyên dụng đã được thương mại hóa Tuy nhiên, việc triển khai các nguồn RF chuyên dụng có thể gây ra chi phí cao cho mạng

Hơn nữa, công suất đầu ra của nguồn RF phải bị hạn chế bởi các quy định về ISM nói chung do an toàn và sức khỏe của các bức xạ RF Ví dụ, trong băng tần 900 MHz, ngưỡng tối đa là 4W Ngay cả ở mức cao nhất này, công suất thu được ở khoảng cách vừa phải là 20m sẽ giảm xuống chỉ còn 10μW Do hạn chế này, cần phải triển khai nhiều nguồn RF chuyên dụng để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng Do quá trình thu hoạch năng lượng RF với các nguồn RF chuyên dụng có thể bị kiểm soát hoàn toàn, nên chỉ phù hợp để hỗ trợ các ứng dụng với các ràng buộc về QoS

1.7.2 Nguồn RF xung quanh

Bảng 1.1 cho thấy lượng năng lượng RF thu được từ các nguồn khác nhau từ thử nghiệm Chúng ta có thể thấy rõ rằng mức thu năng lượng thay đổi đáng kể tùy thuộc vào công suất nguồn và khoảng cách Thông thường, lượng năng lượng thu được là ở mức W, đủ để cung cấp cho các thiết bị công suất nhỏ Các nguồn RF xung quanh đề cập đến các thiết bị phát RF không được thiết kế chuyên biệt cho việc truyền năng lượng

RF Năng lượng RF này cơ bản là chưa dùng tới

Bảng 1.1: Số liệu thực nghiệm về thu năng lượng bằng sóng RF

suất

Tần số (MHz)

Khoảng cách

Mức năng lượng thu được

Công suất truyền tải của các nguồn RF xung quanh thay đổi đáng kể, từ khoảng

10 W cho tháp truyền hình, đến khoảng 10 W cho các hệ thống di động và RFID, đến khoảng 0,1 W cho các thiết bị truyền thông di động và các hệ thống WiFi Các nguồn

RF xung quanh có thể được phân loại thành các nguồn RF tĩnh và động

1.7.2.1 Nguồn RF tĩnh xung quanh

Nguồn RF tĩnh xung quanh là các máy phát phát ra với công suất tương đối ổn định theo thời gian, chẳng hạn như tháp truyền hình và đài phát thanh Mặc dù các nguồn

RF tĩnh xung quanh có thể cung cấp năng lượng RF dự đoán, có thể có các biến động dài hạn và ngắn hạn do lịch trình dịch vụ (ví dụ: TV và radio) và pha-đinh Thông thường, mật độ công suất của các nguồn RF xung quanh ở các dải tần số khác nhau là nhỏ Do đó, một anten độ lợi cao cho tất cả các dải tần số là bắt buộc Hơn nữa, chỉnh lưu cũng phải được thiết kế cho phổ băng rộng Trong [19], việc phân tích hiệu suất của một cảm biến được cung cấp bởi các nguồn RF tĩnh xung quanh được thực hiện bằng phương pháp tiếp cận hình học ngẫu nhiên Một phát hiện thú vị là khi sự phân bố các nguồn RF xung quanh biểu hiện sự đẩy mạnh hơn, có thể đạt được mức thu hoạch năng lượng RF lớn hơn ở bộ cảm biến

1.7.2.2 Nguồn RF động xung quanh

Nguồn RF động xung quanh là các thiết bị phát RF hoạt động theo định kỳ hoặc

sử dụng công suất truyền tải thay đổi theo thời gian (ví dụ: điểm truy cập WiFi và máy thu được cấp phép trong mạng vô tuyến nhận thức) Thu năng lượng RF từ các nguồn

RF xung quanh động lực phải thích nghi và có thể tìm kiếm các khả năng thu năng lượng

một cách thông minh ở một dải tần số nhất định Nghiên cứu trong [20] là một ví dụ về thu năng lượng từ các nguồn RF động xung quanh trong một mạng vô tuyến nhận thức Một máy thu phụ có thể thu thập năng lượng RF từ những người dùng truyền tải gần đó

và có thể truyền dữ liệu khi máy thu chính hoặc những máy thu chính ở gần đó không hoạt động

1.8 Một số ứng dụng của thu năng lượng không dây

1.8.1 Thu năng lượng RF trong y tế và chăm sóc sức khỏe

Để triển khai WPH trong thế giới thực, tốc độ tiêu thụ điện của thiết bị phải thấp hơn năng lượng thu hoạch được Do công suất thu được không ổn định và khó tiên đoán nên cần phải có một module lưu trữ năng lượng để tăng cường tính nhất quán của

nó Nếu WPH được tích hợp vào thiết bị như một hệ thống trên chip, tổng kích cỡ của

hệ thống sẽ giảm đáng kể

Bảng 1.2: Điện năng tiêu thụ của các thiết bị SoC đã sản xuất

Ref Cảm biến Điện áp hoạt

động (V)

Công suất chip (μW) Kích thước (mm)

[15] Neural, ECG, EMG, EEG 1 500 2,5 × 1

Bảng 1.2 trình bày hiệu suất của một số hệ thống giám sát sức khỏe trên chip (SoCs) Phần lớn các chip có ưu điểm của kích thước nhỏ, cung cấp điện áp thấp và tiêu thụ điện năng thấp được áp dụng để được tích hợp với công nghệ WPH Hệ thống xử lý tín hiệu sinh học không dây đầu tiên trên chip đã được giới thiệu [8] Hệ thống này có thể giám sát các tín hiệu sinh học khác nhau thông qua điện tim đồ (ECG), điện cơ

(EMG) và điện não đồ (EEG) Tổng kích cỡ của chip là 8,25 Chip này chỉ tiêu thụ 19μW để đo nhịp tim Module nguồn của hệ thống bao gồm một RF WPH được hỗ trợ bởi một máy thu điệu từ nhiệt, cung cấp cùng một điện áp là 1,35 V

1.8.2 Phân tập tần số

Trong phân tập tần số, sử dụng các thành phần tần số khác nhau để phát cùng một thông tin Các tần số cần được phân chia để đảm bảo bị ảnh hưởng của Fading một cách độc lập Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần băng thông nhất quán để đảm bảo rằng Fading trên các tần số khác nhau là không tương quan với nhau Trong truyền thông di động, các phiên bản của tín hiệu phát thường được cung cấp cho nơi thu ở dạng

dư thừa trong miền tần số còn được gọi là trải phổ, ví dụ như trải phổ trực tiếp, điều chế

đa sóng mang và nhảy tần

Kỹ thuật trải phổ rất hiệu quả khi băng thông nhất quán của kênh truyền nhỏ Tuy nhiên, khi băng thông nhất quán của kênh truyền lớn hơn băng thông trải phổ, trễ đa đường sẽ nhỏ hơn chu kỳ của tín hiệu Trong trường hợp này, trải phổ là không hiệu quả

để cung cấp phân tập tần số Phân tập tần số gây ra sự tổn hao hiệu suất băng thông tùy thuộc vào sự dư thừa thông tin trong cùng băng tần số

1.8.3 Mạng cảm biến không dây (IoT/WSN)

Cùng với sự phát triển của công nghệ, mạng cảm biến không dây đã được phổ biến rộng rãi trong những năm gần đây Lĩnh vực này đã đạt được một số mốc quan trọng và vẫn đang phát triển hơn nữa Các ứng dụng WSN phổ biến rộng rãi từ nhà thông minh,

y tế cho ngành công nghiệp và quân sự Ngoài các vấn đề về độ tin cậy cảm biến, giao thức truyền thông, và các dịch vụ mạng, năng lượng là mối quan tâm quan trọng trong WSN [16] Các nút cảm biến của WSNs là các thiết bị công suất thấp và ứng dụng WPH

để bổ sung năng lượng là hai hướng để tối đa hóa tuổi thọ mạng Gần đây, một số nghiên cứu đã được thực hiện để tìm các phương pháp tiếp cận được tối ưu hóa cho WSNs điện bao gồm cả thu hoạch năng lượng RF [17,18]

1.9 Kết luận chương

Chương này tóm tắt hệ thống SWIPT với các các kỹ thuật đã được đề xuất để đạt được sự phân tách tín hiệu này trong các miền khác nhau như: thời gian, năng lượng, anten, không gian Từ đây có cái nhìn tổng quang về hệ thống SWIPT

Giới thiệu các công nghệ thu hoạch năng lượng RF trong những năm gần

đây Công nghệ này sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc thay thế pin trong tương lai gần Một số ứng dụng thu hoạch năng lượng RF đã được thực tế thực hiện

Các sóng điện từ RF là vô hại, phong phú trong không gian, và có thể xâm nhập qua các mô mềm Đó là những thuộc tính làm cho sóng điện từ RF trở thành một nguồn năng lượng thay thế để thay thế pin trong nhiều ứng dụng Đặc biệt, việc thu hoạch năng lượng RF hỗ trợ các thiết bị y tế, chăm sóc sức khỏe năng lượng thấp và tạo điều kiện phát triển WSNs và IoT bằng cách cung cấp tính di động khi sử dụng Ngoài ra, tiến bộ trong việc tích hợp mạch thu năng lượng RF vào công nghệ CMOS tạo ra một SoC hoàn toàn không dây

Bên cạnh những thành tựu tiến bộ trong những năm gần đây, vẫn còn rất nhiều vấn

để cần tối ưu hóa công nghệ thu năng lượng RF như tăng phạm vi hoạt động, giảm tổn thất truyền tải, tối ưu hoá PCE và giảm thiểu kích cỡ hệ thống là mục tiêu của nghiên cứu thu năng lượng RF Hơn nữa, nghiên cứu tập trung vào các môi trường làm việc khắc nghiệt cho RF WPH như điều kiện cấy ghép hoặc vùng dưới nước đang thu hút nhiều sự quan tâm để mở rộng khả năng của công nghệ này Một quy trình sản xuất và đóng gói tốt với chi phí và hiệu quả sản xuất là cần thiết để làm cho công nghệ này phát triển mạnh trong tương lai

Tóm lại, công nghệ RF WPH đang dần trở thành hiện thực Mặc dù công nghệ này vẫn còn nhiều vấn đề, vượt qua những thách thức này có thể dẫn ngành năng lượng mới bước đến một kỷ nguyên mới của năng lượng sạch và bền vững

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO

2.1 Giới thiệu chương

Ngày nay, cùng với sự phát triển của xã hội thông tin, nhu cầu về thông tin mọi lúc mọi nơi đang ngày càng trở nên cần thiết và có những đòi hỏi khắt khe hơn về chất lượng, ổn định và sự linh hoạt để tối đa hóa trải nghiệm của người dùng Từ những nhu cầu đơn giản về thông tin thoại hay điện báo ban đầu, đến nay nhu cầu truy cập và trao đổi các nguồn thông tin đa phương tiện, hình ảnh video chất lượng cao đang ngày càng trở nên bức thiết Bên cạnh nhu cầu về tốc độ truy cập, tính di động cho phép truy cập mọi lúc, mọi nơi cũng là một yêu cầu không thể thiếu Các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 đang được triển khai sử dụng công nghệ WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access) kết hợp với giao thức truy cập tốc độ cao HSPDA (High Speed Downlink Protocol Access) cho phép download dữ liệu với tốc độ lên tới 14.4 Mbps Tuy nhiên, đối với các dịch vụ truyền hình trực tuyến tốc độ cao, nhu cầu truy cập tốc độ hàng trăm Mbps, thậm chí lên tới Gbps, vẫn còn là một thách thức đòi hỏi phải có đầu tư nghiên cứu nhiều hơn nữa Để đáp ứng được yêu cầu truyền dữ liệu tốc

độ cao ở thế hệ thứ 4 của thông tin vô tuyến di động, thì các hệ thống truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple Input Multiple Output) đang là một ứng cử viên triển vọng nhất

Các hệ thống đa anten đã được ứng dụng và triển khai thành công cho các mạng truy cập không dây băng rộng (ví dụ MIMO-Wifi, MIMO-UMTS, LTE, WiMAX…) nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của tốc độ dữ liệu truyền tin cùng với

sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị thu nhận tín hiệu không dây, trong một số hệ thống viễn thông hiện tại và trong tương lai So với các hệ thống một anten duy nhất, dung lượng của hệ thống đa anten bao gồm anten phát và anten thu được tăng lên

mà không cần phải tăng công suất phát và trải rộng thêm phổ tần Chương 2 sẽ trình bày tổng quan về hệ thống kênh đa anten phát, đa anten thu ( kênh truyền MIMO) và một số vấn đề liên quan đến tiền mã hóa trong hệ thống MIMO

2.2 Tổng quan hệ thống đa kênh truyền MIMO

2.2.1 Khái niệm về hệ thống MIMO

Kỹ thuật MIMO (Multi input – Multi output) trong truyền thông là kỹ thuật sử dụng nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu

- Năm 1984, Jack Winters thuộc phòng thí nghiệm Bell đã xin cấp bằng sáng chế

về việc sử dụng đa anten trong hệ thống vô tuyến Năm 1985, Jack Salz đã xuất bản công trình về MIMO dựa trên những nghiên cứu của Winters

- Từ năm 1986 tới năm 1995, các công trình nghiên cứu về MIMO liên tục được công bố

- Năm 1996, trong khi đang nghiên cứu tại đại học Stanford, Greg Raleigh và VK Jones đã khám phá ra hiện tượng phản xạ đa đường do sóng vô tuyến va chạm các vật cản đã tạo ra các kênh truyền ảo riêng rẻ trong hệ thống MIMO, từ đó Greg Raleigh đã công bố kết quả và chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu tố giúp tăng dung lượng kênh truyền

Hình 2.1: Tổng quan hệ thống MIMO

Hệ thống MIMO nhiều đầu vào nhiều đầu ra là các hệ thống truyền dẫn vô tuyến

sử dụng đồng thời nhiều anten ở bộ phát và bộ thu như biểu diễn trên hình 2.2 Chuỗi

tín hiệu phát 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 (STE: Space-Time Encoder) Tín hiệu sau khi được mã hóa không gian-thời gian x được phát đi nhờ anten phát Bộ thu sử dụng phân tập thu với anten thu Kênh tổng hợp giữa bộ phát (TX) và bộ thu (RX) có

và đầu ra, được gọi là kênh vô tuyến MIMO x

Quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống MIMO được biểu diễn như sau:

2.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO

 Tăng độ lợi mảng, làm tăng tỉ số tín hiệu trên nhiễu, từ đó làm tăng khoảng cách

truyền dẫn mà không cần tăng công suất phát

 Tăng độ lợi phân tập: làm giảm hiện tượng fading thông qua việc sử dụng hệ thống anten phân tập, nâng cao chất lượng hệ thống

 Tăng hiệu quả phổ: bằng cách sử dụng ghép kênh không gian

 Tăng dung lượng kênh mà không cần tăng công suất phát và băng thông

2.2.3 Khuyết điểm của hệ thống MIMO

 Tăng độ phức tạp trong xử lí tín hiệu phát và thu

 Kích thước của thiết bị di động tăng lên

 Nhiễu đồng kênh: do sử dụng nhiều anten truyền dữ liệu với cùng một băng tần

 Nhiễu liên kênh: do nhiều người dùng sử dụng cùng hệ thống MIMO

2.3 MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng

2.3.1 MIMO đơn người dùng (SU-MIMO)

Hệ thống MIMO truyền thống là MIMO điểm-điểm hay MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) Tốc độ đạt được của hệ thống MIMO đơn người dùng là:

T

max N ,N log N C min N ,N log

- Với C dung lượng kênh truyền

- N là số anten phát, T N là số anten thu R

-  tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR)

Giới hạn dưới đạt được trong trường hợp ma trận kênh là hạng 1, hay đường truyền

là đường truyền thẳng (LOS) Giới hạn trên đạt được trong trường hợp thuận lợi nhất khi ma trận kênh là biến ngẫu nhiên độc lập và phân bố đồng đều Với điều kiện đường truyền thuận lợi và một tỷ số SNR cao thì tốc độ có thể đạt được tỷ lệ tuyến tính với số nhỏ hơn trong số anten phát và số anten thu

2.3.2 MIMO đa người dùng (MU-MIMO)

Công nghệ MIMO đa người dùng (MU-MIMO), về cơ bản khác với SU-MIMO bằng cách chia sẻ không gian của kênh cho các người dùng khác nhau cùng lúc, bằng cách tác động sâu hơn vào giao thức đa truy nhập MU-MIMO có thể được chia thành hai loại: kênh MIMO quảng bá (MIMO Broadcast Channel hay MIMO BC) cho đường xuống; và kênh MIMO đa truy nhập (MIMO Multiple Access Channel hay MIMO

MAC) cho đường lên Trong đề tài chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống MIMO kênh quảng

bá (MIMO Broadcast Channel hay MIMO BC)

bị nằm dưới mức đó Do vậy, bằng cách kết hợp một cách thích hợp các mẫu khác nhau

sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của Fading và do đó tăng độ tin cậy của việc phát tín hiệu Một số phương pháp phân tập được sử dụng để có được chất lượng như mong muốn tương ứng với phạm vi phân tập được giới thiệu, các kỹ thuật phân tập được phân lớp thành phân tập thời gian, tần số và phân tập không gian

2.4.1 Phân tập thời gian

Phân tập theo thời gian có thể thu được qua mã hóa và xen kênh Sau đây ta sẽ

so sánh hai trường hợp: truyền ký tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ

Hình 2.4: Phân tập theo thời gian

Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã x2 bị triệt tiêu bởi Fading nếu không dùng bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và ta có thể phục hồi lại từ

3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi Fading

Phân tập thời gian có thể đạt được bằng cách truyền dữ liệu giống nhau qua những khe thời gian khác nhau, tại nơi thu các tín hiệu Fading không tương quan với nhau Khoảng cách thời gian yêu cầu ít nhất bằng thời gian nhất quán của kênh truyền hoặc nghịch đảo của tốc độ Fading

v

=

Mã điều khiển lỗi thường được sử dụng trong hệ thống truyền thông để cung cấp

độ lợi mã (coding gain) so với hệ thống không mã hóa Trong truyền thông di động, mã điều khiển lỗi kết hợp với xen kênh để đạt được sự phân tập thời gian Trong trường hợp này, các phiên bản của tín hiệu phát đến nơi thu dưới dạng dư thừa trong miền thời gian Khoảng thời gian lặp lại các phiên bản của tín hiệu phát được quy định bởi thời gian xen kênh để thu được Fading độc lập ở ngõ vào bộ giải mã Vì tốn nhiều thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến trì hoãn việc giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường

Fading nhanh, ở đó thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ Đối với kênh truyền Fading chậm nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến trì hoãn đáng kể

2.4.2 Phân tập không gian

Phân tập không gian còn gọi là phân tập anten Phân tập không gian được sử dụng phổ biến trong truyền thông không dây dùng sóng viba Phân tập không gian sử dụng nhiều anten hoặc chuỗi array được sắp xếp trong không gian tại phía phát hoặc phía thu Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn, sao cho tín hiệu không tương quan với nhau

Yêu cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten, môi trường lan truyền và tần số làm việc Khoảng cách điển hình khoảng vài bước sóng là đủ để các tín hiệu không tương quan với nhau Trong phân tập không gian, các phiên bản của tín hiệu phát được truyền đến nơi thu tạo nên sự dư thừa trong miền không gian Không giống như phân tập thời gian và tần số, phân tập không gian không làm giảm hiệu suất băng thông Đặc tính này rất quan trọng trong truyền thông không dây tốc độ cao trong tương lai

Hình 2.5: Các cách phân tập không gian cho hệ thống MIMO

Tùy thuộc vào việc sử dụng một hoặc nhiều anten hoặc ở nơi phát hoặc nơi thu mà người ta chia phân tập không gian thành bốn loại:

- Không sử dụng phân tập không gian (hệ thống SISO)

- Phân tập anten phát (hệ thống MISO)

- Phân tập anten thu (hệ thống SIMO)

- Phân tập anten phát và thu (hệ thống MIMO)

Trong phân tập anten thu, nhiều anten được sử dụng ở nơi thu để nhận các phiên bản của tín hiệu phát một cách độc lập Các phiên bản của tín hiệu phát được kết hợp một cách hoàn hảo để tăng SNR của tín hiệu thu và làm giảm bớt Fading đa đường

2.5 Dung lượng và độ lợi trong hệ thống MIMO

2.5.1 Dung lượng kênh MIMO

Dung lượng kênh truyền là tốc độ có thể truyền dẫn tối đa với một xác suất lỗi tương đối nhỏ nào đó Dung lượng của một kênh truyền chịu ảnh hưởng của tạp âm nhiễu cộng trắng Gauss:

W: băng tần của kênh truyền (Hz)

: tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR)

Đối với kênh truyền cố định, dung lượng kênh truyền MIMO có thể biểu diễn tổng quát như sau:

H là ma trận các đặc tính kênh truyền như thông tin về độ lớn, về pha của đường truyền

giữa anten phát và anten thu

Trong thực tế do các tác động của Fading, kênh truyền biến động theo thời gian

và thường được mô phỏng bằng các biến số ngẫu nhiên tuân theo phân bố Rayleigh Dung lượng kênh truyền được xác định: