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
TRONG 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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng – Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS. BÙI THỊ MINH TÚ

Phản biện 1: PGS.TS. TĂNG TẤN CHIẾN
Phản biện 2: TS. ĐỖ HỒNG TUẤN

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện tử họp tại Trường Đại học Bách khoa
vào ngày 15 tháng 07 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng, tại trường Đại học Bách
khoa - ĐHĐN.
- Thư viện Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường Đại học Bách khoa –
ĐHĐN.


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Thông tin không dây và truyền công suất đồng thời (SWIPT) là
một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng tuổi thọ các node không dây và do
đó giảm được hạn chế về mặt năng lượng của mạng không dây là các
nút cổ chai năng lượng. Để thay thế cho kỹ thuật cung cấp năng
lượng truyền thống, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu tần số
vô tuyến, và hy vọng sẽ mang lại một số thay đổi cơ bản cho thiết kế
mạng thông tin liên lạc không dây. Đề tài này tập trung vào các ứng
dụng tiền mã hóa trong hệ thống SWIPT, cụ thể là thiết kế và xây
dựng mô hình sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa sử dụng WMMSE cho hệ
thống SWIPT MIMO BC. Mô hình này khác biệt với phương pháp
tiền mã hóa trước đó là xem xét vấn đề tối ưu điểm cân bằng giữa
tốc độ truyền và năng lượng bằng cách làm giảm tổng trọng số MSE.
Mặt khác việc sử dụng các công nghệ đa anten giúp cải thiện hiệu
quả năng lượng của việc truyền năng lượng không dây đáng kể. Ví
dụ, MIMO có thể được sử dụng để tăng tuổi thọ của mạng cảm biến,
trong đó một trung tâm dữ liệu thống nhất được trang bị với nhiều
anten mà nó có thể tập trung năng lượng sóng vô tuyến (RF) của nó
trên các cảm biến cần phải được sạc pin không dây, dẫn đến nhiều
hơn giải pháp năng lượng hiệu quả hơn cho một máy phát đơn anten.
Việc áp dụng các công nghệ đa anten để SWIPT mở ra nhiều khả
năng mới thú vị, nhưng cũng mang lại một số thách thức đối với việc

cải thiện hiệu suất phổ và năng lượng trong các hệ thống không dây
2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu hệ thống truyền thông tin & năng lượng không
dây đồng thời (SWIPT).


2
- Nghiên cứu và đề xuất các thuật toán nâng cao độ cân đối
giữa hiệu suất cung cấp năng lượng và chất lượng truyền tín hiệu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Kiến thức tổng quan về hệ thống MIMO
- Kiến thức tổng quan về hệ thống WPT và các ứng dụng hiện.
- Thiết lập mô hình hệ thống SWIPT trong MIMO BC.
- Đề xuất thiết lập mô hình hệ thống SWIPT trong MIMO
bằng phương pháp tối thiểu trọng số MSE
- Thiết lập, tính toán và tối ưu mô hình hệ thống SWIPT.
- Đánh giá kết quả thực hiện, đề xuất hướng phát triển đề tài.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Tìm hiểu về hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô
tuyến đồng thời.
- Tìm hiểu nghiên cứu về công nghệ anten thông minh mà cụ
thể là công nghệ đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO).
- Đánh giá ưu nhược điểm về nguyên lý hoạt động của mô
hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời.
- Đề xuất các giải pháp tiền mã hóa giúp nâng cao hiệu suất
nhận năng lượng và thông tin của máy thu.
- Áp dụng các phương pháp tiền mã hóa vào mô hình hệ thống
SWIPT trong MIMO BC bằng phần mềm Matlab. Dựa vào kết quả
đạt được, đánh giá chất lượng của phương pháp đề xuất so với
phương pháp trước đó.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT)
là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng tuổi thọ các node không dây và
do đó giảm được sự hạn chế về mặt năng lượng của mạng không dây
là các nút cổ chai năng lượng. Để thay thế cho kỹ thuật khai thác


3
năng lượng truyền thống, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu
tần số vô tuyến, và hy vọng sẽ mang lại một số thay đổi cơ bản cho
thiết kế mạng thông tin liên lạc không dây. Đề tài này tập trung vào
các ứng dụng của công nghệ anten thông minh tiên tiến cho SWIPT,
bao gồm nhiều đầu vào nhiều đầu ra (MIMO) và các kỹ thuật tiền mã
hóa. Những công nghệ anten thông minh có khả năng cải thiện đáng
kể hiệu quả năng lượng và cũng có hiệu quả quang phổ của SWIPT.
Topo mạng khác nhau được phân tích nghiên cứu, cùng với một số
giải pháp tiền mã hóa triển vọng để đạt được một sự cân bằng giữa
hiệu năng và độ phức tạp của hệ thống.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo, luận văn
gồm có 4 chương:


4
Chương 1. HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO
1.1 . Giới thiệu chương
Ngày nay, cùng với các nhu cầu về liên lạc, công việc cũng
như giải trí của con người càng ngày càng 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. 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 𝑁𝑇 anten phát và 𝑁𝑟 anten thu được tăng lên mà không cần
phải tăng công suất phát và trải rộng thêm phổ tần. Chương 1 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.
1.2 . Tổng quan hệ thống MIMO
1.2.1 . Khái niệm về hệ thống MIMO
1.2.2 . MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng
1.2.2.1 . MIMO đơn người dùng (SU-MIMO)
1.2.2.2 . MIMO đa người dùng (MU-MIMO)


5

Hình 1.1Hệ thống MU-MIMO: MIMO BC
1.2.3 . Các kỹ thuật phân tập trong 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 và độ lợi trong hệ thống MIMO
1.2.4.1 . Dung lượng kênh MIMO

bits
C = W𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝜌) [

]
s

(1-1)

1.2.4.2 . Độ lợi trong hệ thống MIMO

1.2.4.3 . Độ lợi ghép kênh không gian (spatial multiplexing)
1.2.4.4 . Độ lợi phân tập (spatial diversity)
1.3 . Các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO đa người dùng
1.4 . Kết luận chương
Chương này đã chỉ ra rằng MIMO là các hệ thống truyền dẫn
vô tuyến sử dụng đồng thời nhiều anten ở máy phát và máy thu,


6
nhằm làm tăng tốc độ truyền.Với các phương pháp tiền mã hóa,công
nghệ MIMO có thể được sử dụng rất hữu ích trong các hệ thống
thông tin liên lạc không dây. MIMO vẫn đang còn có thể phát triển
khi kết hợp với những công nghệ khác để tạo ra những đột phá mới
trong công nghệ, nhàm làm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của con
người trong thông tin liên lạc, giao lưu văn hóa…
MIMO đã tạo ra những ưu thế mới cho các ứng dụngkhông
dây nói chung, tạo thế mạnh cho công nghệ này phát triển mạnh mẽ
phục vụ ngày càng cao những nhu cầu về giải trí, truyền tải đa
phương tiện…. Trong tương lai, hệ thống MIMO sẽ được sử dụng
rộng rãi và nâng cao hơn nữa để mang đến chất lượng tốt nhất cho
người sử dụng.

7

Chương 2. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
KHÔNG DÂY
2.1. Giới thiệu chương
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. Vì công nghệ
mới này cho phép bổ sung năng lượng thuận tiện hơn cho các thiết bị
không dây. Công nghệ nàygóp 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.Nội dung chương này sẽ trình bày tổng quan về
các mạng không dây với khả năng thu nhận năng lượngsử dụng RF
(WPT).
2.2. Lịch sử hình thành công nghệ WPT
2.3. Cấu trúc của một mạng thu năng lượng sử dụng sóng RF

2.4. Mô hình truyền năng lượng RF
Công suất RF thu được từ máy phát trong không gian tự do có
thể được tính dựa trên phương trình Friis [17] như sau:
𝐺𝑇 𝐺𝑅 𝜆2
𝑃𝑅 = 𝑃𝑇
(4𝜋𝑑)2 𝐿
2.5 . Các kỹ thuật thu năng lượng RF
2.5.1 . Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF
2.5.2 . Nguồn RF chuyên dụng
2.5.3 . Nguồn RF xung quanh

(2-1)

8
Bảng 2.1Số liệu thực nghiệm về thu năng lượng bằng sóng RF
Mức
Công
Loại nguồn

suất
nguồn

Tần số Khoảng
(MHz) cách

năng
lượng
thu
được

Máy phát Isotropic [26]

4W

902-928 15 m

5.5W

Máy phát Isotropic [27]

1.78 W

868

25 m

2.3W

Máy phát Isotropic [28]

1.78 W

868

27 m

2W

3W

915

5m

189W

3W

915

11 m

1W

Máy phát Powercaster
TX91501 [29]
Máy phát Powercaster
TX91501 [29]
KING-TV Tower [02]

960 kW 674-680 4.1 km

60W

2.5.3.1 . Nguồn RF tĩnh xung quanh
2.5.3.2 . Nguồn RF động xung quanh
2.6 . Các ứng dụng hiện có của thu năng lượng bằng sóng RF
2.7 . Kết luận chương
Với các nghiên cứu và thử nghiệm thành công bước đầu trong
thực tế, công nghệ truyền năng lượng bằng sóng RF hứa hẹn sẽ góp
phần đem lại nhiều đột phá về công nghệ khi giải quyết được nút thắt
về năng lượng cho các lĩnh vực công nghệ hiện tại.
Tóm lại, với sự phát triển bùng nổ của IoT và mạng cảm biến
không dây, các hệ thống truyền năng lượng không dây bằng sóng RF
đã tạo được sự quan tâm đặc biệt. Công nghệ này giúp giải quyết
được vấn đề nan giải của các mạng cảm biến không dây cũng như các
thiết bị y sinh về mặt năng lượng và kích thước thiết bị…


9

Chương 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG SWIPT TRÊN

MIMO BC
3.1 . Giới thiệu chương
Truyền năng lượng không dây (WPT) là một giải pháp mới
đầy hứa hẹn cung cấp nguồn năng lượng thuận tiện và liên tục cho
mạng không dây.Trong thực tế, WPT có thể thực hiện được bằng các
công nghệ khác nhau như ghép nối cuộn cảm, ghép nối cộng hưởng
từ và bức xạ điện từ (EM) cho các ứng dụng ngắn / trung bình /
dài.Chương này chỉ trình bày về tín hiệu EM hoặc sóng vô tuyến nói
riêng được sử dụng cho WPT. Vì các tín hiệu vô tuyến có thể mang
năng lượng cũng như thông tin cùng một lúc cho nên chương này tập
trung nghiên cứu về truyền thông tin và năng lượng không dây đồng
thời (SWIPT). Cụ thể, chương này trình bày một hệ thống phát sóng
không dây nhiều ngõ ra, nhiều ngõ vào (MIMO) gồm có ba nút, trong
đó một máy thu 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.
Hai kịch bản được kiểm tra, trong đó bộ thu nhận thông tin và
bộ thu năng lượng tách ra và xem như các kênh MIMO là khác nhau
từ máy phát, hoặc đồng vị trí và xem kênh MIMO giống hệt nhau từ
máy phát. Đối với trường hợp của máy thu tách rời, phương pháp
truyền tải tối ưu được trình bày nhằm đem lại sự cân bằng giữa tốc độ
truyền tối đa và năng lượng thu được, được đặc trưng bởi ranh giới
của một vùng được gọi là Tốc độ truyền – Năng lượng thu được
(R-E). Đối với trường hợp của máy thu nhận đồng vị, ta thấy một
giới hạn bên ngoài cho khu vực R-E có thể đạt được do hạn chế của


10
máy thu năng lượng thực tế vẫn chưa có khả năng trực tiếp giải mã

thông tin.
3.2. Mô hình hệ thống SWIPT BC MIMO.

Hình 3.1Một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT
3.2.1 . Mô hình hệ thống
𝑸 = ℰ[‖𝐆𝑥(𝑛)‖2 ]

(3-1)

3.2.2 . Máy thu EH và ID không đồng thời
Từ (3-1) ta có 𝑄 = 𝑡𝑟 (𝐺𝑆𝐺 𝐻 ) với ζ = 1, vấn đề thiết kế nói
trên có thể được mô hình hóa như sau:
max 𝑄 ≔ 𝑡𝑟 (𝐺𝑆𝐺 𝐻 )
𝑆

𝑠. 𝑡. 𝑡𝑟(𝑆) ≤ 𝑃, 𝑆 ≥ 0

(P1)

Xét với đường dẫn MIMO từ máy phát đến máy thu ID mà
không có sự hiện diện của bất kỳ máy thu EH. Giả sử rằng bộ mã
Gaussian tối ưu ở máy phát, tức là x (n) ~ CN (0, S), có thể thu được
hiệp phương sai truyền dẫn S để tối đa hóa tốc độ truyền qua kênh
MIMO này bằng cách giải quyết vấn đề sau:
max 𝑅: = 𝑙𝑜𝑔2 |𝐼 + 𝐻𝑆𝐻 𝐻 |
𝑆

𝑠. 𝑡.

𝑡𝑟(𝑆) ≤ 𝑃, 𝑆 ≥ 0

𝑝𝑖 = (𝜐 −

1 +
) , 𝑖 = 1, … , 𝑇2
ℎ𝑖

(P2)
(3-2)


11
𝑇

2
Với 𝜐 là hằng số “mực nước” (water level) để ∑𝑖=1
𝑝𝑖 = 𝑃.

3.2.3 . Máy thu EH và ID cùng thu đồng thời
Vì vấn đề (P3) là hàm lồi và đáp ứng được điều kiện Slater
[15] và có thể được giải quyết bằng phương pháp đối ngẫu Lagrange.
Do đó, hai biến số kép không âm, λ và μ, liên quan đến việc giới hạn
năng lượng thu và công suất truyền trong (P3). Giải pháp tối ưu cho
vấn đề (P3) đó là các giải pháp tối ưu kép
3.2.3.1 . Các máy thu tách biệt
Định lý 3.1: Giải pháp tối ưu cho bài toán (P3) có dạng sau:
̃𝚲
̃𝑽
̃ 𝐻 𝑨−1⁄2
𝑺∗ = 𝑨−1⁄2 𝑽

(3-3)
Từ định lý 3.1, tốc độ truyền tối đa đối với vấn đề (P3)
𝑇2
là:𝑅 ∗ = log 2 |1 + 𝐻𝑆 ∗ 𝐻 𝐻 | = ∑𝑖=1
log 2 (1 + ℎ̃𝑖 𝑝̃𝑖 ).
Hệ quả 3.1: Trong trường hợp kênh MISO từ máy phát đến
máy thu ID, tức là, 𝐻 ≡ ℎ𝐻 , giải pháp tối ưu cho bài toán (P3) tối
giãn dưới dạng sau:

+
1
1
𝑺∗ = 𝑨−1 𝒉 ( −1⁄2 2 − −1⁄2 4 ) 𝒉𝐻 𝑨−1
‖𝑨
‖𝑨
𝒉‖
𝒉‖

(3-4)

Định lý 3.2: Trong trường hợp các kênh MISO từ máy phát
đến cả máy thu ID và EH, tức là 𝑯 ≡ 𝒉𝐻 , và 𝑮 ≡ 𝒈𝐻 , giải pháp tối
ưu cho bài toán (P3) có thể được biểu diễn bằng 𝑺∗ = 𝑷𝒗𝒗𝐻
3.2.3.2 . Các máy thu đồng vị
a) Ràng buộc về hiệu suất bên ngoài
Hệ quả 3.2: Trong trường hợp máy thu EH và ID đồng vị với
G=H , giải pháp tối ưu của vấn đề (P3) có dạng: 𝑺∗ = 𝑽𝐻 𝚺𝑽𝐻
𝐻 tại
𝚺 = 𝑑𝑖𝑎𝑔(𝑝̂1 , 𝑝̂2 , … , 𝑝̂ 𝑇2 ) với các phần tử thu được dựa theo giải pháp
phân bố năng lượng WF:

12
1
1 +
𝑝̂𝑖 = ( ∗
− ) , 𝑖 = 1, … , 𝑇2
𝜇 − 𝜆∗ ℎ𝑖 ℎ𝑖

(3-5)

Với 𝜇 ∗ > 𝜆∗ ℎ1 . Tốc độ truyền tối đa tương ứng là 𝑅 ∗ =

2
∑𝑇𝑖=1
log 2 (1 + ℎ𝑖 𝑝̂𝑖 )

b) Chuyển mạch thời gian (Time switching )

Hình 3.2Thiết kế chuyển mạch thời gian với máy thu EH và ID
đồng vị

 Giới hạn công suất cố định:
 Giới hạn công suất linh hoạt:
c) Chia tách công suất (Power Splitting)

(a) Máy thu đồng vị với bộ tách công suất


13

(b) Máy thu ID không có bộ tách công suất
Hình 3.3. Hoạt động của máy thu có / không có bộ tách công suất (năng
lượng thu được do nhiễu của máy thu bị bỏ qua cho máy thu EH).
3.3 . Kết luận chương
Chương này đã trình bày về các giới hạn về hiệu suất của
SWIPT trong hệ thống MIMO BC. Với một thiết kế 3 nút đơn giản,
chương này đã trình bày một số vấn đề cơ bản về cân băng R-E trong
hệ thống MIMO để tối đa hóa hiệu năng của việc truyền thông tin và
năng lượng đồng thời đó là:
 Đã xây dựng được mô hình truyền sóng cho SWIPT trong hệ
thống MIMO BC với mô hình 3 nút cơ bản.
 Đã chỉ ra được những vấn đề cơ bản trong các trường hợp cụ
thể như thu nhận tín hiệu và năng lượng đồng thời và không đồng
thời.
 Đã trình bày được các định lý, các điều kiện ràng buộc để
xây dựng các ma trận tiền mã hóa nhằm truyền thiết lập được vùng
tối ưu giữa tốc độ truyền tín hiệu và năng lượng truyền với bài toán
tối ưu kép tuy còn khá phức tạp trong tính toán. Vấn đề này sẽ được
đề xuất giải quyết trong chương tiếp theo.


14

Chương 4. MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN WMMSE CHO
HỆ THỐNG SWIPT
4.1 . Giới thiệu chương
Như đã trình bày trong chương 3, trong các hệ thống SWIPT,
vấn đề thiết kế máy phát hiệu quả đã được nghiên cứu tích cực trong
vài năm qua như trong tài liệu tham khảo số [3] - [7] và các tài liệu

tham khảo kèm theo khác. Ví dụ, các phương pháp“ beamforming ”
khác nhau đã được đề xuất trong các mạng đa anten như nhiễu [3],
trạm lặp( relaying ) [4], và kênh quảng bá (BC) [5] [6] để tối đa hóa
tốc độ ở máy thu giải mã thông tin (ID) và năng lượng thu được ở
máy thu năng lượng (EH)một cách đồng thời. Trong tài chương 3 em
đã mô tả đầy đủ vùng cân bằng tỷ lệ năng lượng bằng cách đề xuất kỹ
thuật tiền mã hóa tối ưu cho hai đầu ra BC SWIPT có nhiều anten
phát và nhiều anten thu (MIMO), trong đó một đầu ra là thu năng
lượng(EH) và một đầu ra thu tín hiệu (ID) chia sẻ cùng một tài
nguyên phổ tần.
Mặc dù các thiết kế dựa trên tốc độ truyền thông tin như vậy
có thể hữu ích cho việc đánh giá hiệu suất của hệ thống, nhưng nó
khó có thể thực hiện được trong thực tế do độ phức tạp mã hoá và
giải mã cao. Nhằm làm đơn giản hóa vấn đề, em đề xuấtxét thông số
bình phương trung bình lỗi tối thiểu (MMSE) giống như cho các
mạng truyền thông thông thường nơi mà việc truyền tín hiệu là mối
quan tâm duy nhất [8]-[9]. Tuy nhiên, không có nghiên cứu nào trước
đó về vấn đề máy thu tuyến tính trong các hệ thống SWIPT.
Nội dung chương này phát triển một phương pháp thiết kế mới
của máy phát và máy thu ID theo MMSE cho MIMO BC SWIPT, với
máy thu EH và máy thu ID được tách riêng, và xác định vùng cân
bằng tối ưu nhất về MSE và năng lượng. Để có được một xử lý theo


15
hướng tối ưu hơn về hiệu năng lỗi, em xây dựng một hệ thống
SWIPT MMSE (WMMSE) có sử dụng trọng số làm giảm thiểu các
tổng trọng số lỗi cho máy thu ID trong khi vẫn đáp ứng được giới hạn
EH đã xác định trước cho máy thu EH. Vì hàm không lồi nên sẽ gây
ra những khó khăn hơn trong việc tính toán bằng trọng số so với

trường hợp thông thường. Để giải quyết vấn đề, trước tiên em tập
trung vào phía máy phát cho riêng máy thu ID và đưa ra giải pháp là
một dạng bán kín mà có thể tính toán được bằng các phương pháp
phân đôi (bisection) đơn giản. Khi máy thu ID có một anten đơn, thì
búp sóng tối ưu được tạo ra từ phương pháp tiền mã hóa cho em thấy
tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) tối đa tương ứng với tốc độ truyền tin
tối đa trong [7]. Đặc biệt thú vị khi giải pháp đề xuất có thể đạt được
bằng phương pháp phân đôi (bisection) đơn giản, trong khi thiết kế
trước đó vẫn cần phải tính toán bằng phương pháp “elipsoid” phức
tạp để đi đến cùng một điểm.
4.2. Thiết kế bộ thu /phát WMMSE cho hệ thống SWIPT
4.2.1 . Mô hình hệ thống

Hình 4.1. Mô hình một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT
với bộ thu phát tuyến tính.


16
Bây giờ xét trường hợp cả 2 máy thu EH và ID cùng tồn tại.
Khi đó, vùng MSE -năng lượng có thể đạt được là
ℛ𝑀,𝐸 ≜
{(𝑀, 𝐸): 𝑀 ≥ 𝑇𝑟(𝑾𝓔[𝒆𝒆𝑯 ]), 𝑬 ≤ 𝑇𝑟(𝐅 H 𝐆H 𝐆𝐅), Tr[𝐅𝐅 𝐇 ] ≤ 𝐏𝐓 },
và mỗi điểm ranh giới của R có thể đạt được bằng cách giải
quyết vấn đề tối ưu hoá SWIPT-WMMSE sau:
min 𝑇𝑟(𝑾𝓔[𝒆𝒆𝑯 ])
𝛾,𝐹,𝐿

(

s. 𝑡 𝑇𝑟(𝐅 𝐆 𝐆𝐅) ≥ 𝐄̅, Tr[𝐅𝐅

H H

𝐇]

≤ 𝐏𝐓

4-3)

với𝐄𝐼𝐷 ≤ 𝐄̅ ≤ 𝑬𝑚𝑎𝑥 .
4.2.2 . Tính toán tối ưu hệ thống
Tiến hành tối ưu hệ thống bằng cách giải quyết bài toán (4-3)
dựa trên các điều kiện Karush-Kuhn Tucker (KKT). Sử dụng biểu
thức e và các giả định, chúng ta xây dựng hàm Lagrangian như sau:
ℒ(𝜆, 𝜇, 𝛾, 𝑭, 𝑳) = 𝑇𝑟 (𝑾(𝛾 −1 𝐋𝐇𝐅
𝐻

− 𝐈𝑁𝑆 )(𝛾 −1 𝐋𝐇𝐅 − 𝐈𝑁𝑆 ) )
+ 𝑇𝑟(𝛾 −2 𝐖𝐋𝐋𝐇 )

(4-1)

− 𝜆(𝑻𝒓(𝐅 H 𝐆H 𝐆𝐅) − 𝐄̅)
+ 𝜇(Tr[𝐅𝐅 𝐇 ] − 𝐏𝐓 )
Ta giải các điều kiện KKT để có được các điều kiện cần thiết
cho việc tối ưu:
𝐋𝐇𝐅𝐅 H 𝐇F + 𝐋 = 𝛾𝐅 𝐇 𝐇 𝐇

(4-2)

𝐇 𝐋 𝐖𝐋𝐇𝐅 − 𝜆̅𝐆𝐻 𝐆𝐅 + 𝜇̅ 𝐅 = 𝛾𝐇 𝐇 𝐋𝑯 𝐖

(4-3)

𝑯 𝑯
H

H 𝑯

𝑯

H

H 𝑯

𝑇𝑟(𝐖𝐋𝐇𝐅𝐅 𝐇 𝐋 + 𝐖𝐋𝐋 ) = 𝛾𝑇𝑟(𝐅 𝐇 𝐋 𝐖)

(4-4)

𝜆 ≥ 0; 𝜇 ≥ 0; 𝑇𝑟(𝐅 𝐆 𝐆𝐅) ≥ 𝐄̅; Tr[𝐅𝐅 𝐇 ] ≤ 𝐏𝐓

(4-5)

H H


17
𝜇̅ (Tr[𝐅𝐅 𝐇 ] − 𝐏𝐓 ) = 0

(4-6)

𝜆̅(𝑇𝑟(𝐅 H 𝐆H 𝐆𝐅) − 𝐄̅) = 0

(4-7)

Với 𝜆̅ ≜ 𝜆𝛾 2 , 𝜇̅ ≜ 𝜇𝛾 2 và các phương trình từ (4-5) đến (4-7)
là các kết quả suy ra từ các điều kiện cho bằng “0” của các đạo hàm
theo các biến.
 Định lý 4-1: Khi L được cho tùy ý, các kết quả của bài toán
(4-3) được tính bởi:
−𝟏
𝐅̂ = 𝛾̂𝐅̅(𝜆̅) = 𝛾̂(𝐘 − 𝜆̅𝐙) 𝐇 𝑯 𝐋𝑯 𝐖,

(4-11)

Từ các phương trình điều kiện KKT (4-6),(4-7),(4-8) ta được :
𝛾𝑇𝑟(𝐅 H 𝐇H 𝐋𝑯 𝐖) = 𝑇𝑟(𝐅 𝑯 𝐇 𝑯 𝐋𝑯 𝐖𝐋𝐇𝐅 − 𝜆̅𝐅 𝑯 𝐆𝐻 𝐆𝐅 + 𝜇̅ 𝐅 𝑯 𝐅)
= 𝑇𝑟(𝐅 𝑯 𝐇 𝑯 𝐋𝑯 𝐖𝐋𝐇𝐅 − 𝜆̅𝐄̅ + 𝜇̅ 𝐏𝐓 )
= 𝑇𝑟(𝐖𝐋𝐇𝐅𝐅 H 𝐇H 𝐋𝑯 ) + 𝑇𝑟(𝐖𝐋𝐋𝑯 )
Đồng nhất 2 vế sau của biểu thức trên suy ra được: 𝜇̅ =
̅
𝜆𝐄̅+𝑇𝑟(𝐖𝐋𝐋𝑯 )
𝐏𝐓

> 0.

̅ ) trở thành hàm 1 biến J(𝝀̅).
Từ đây, hàm tối ưu 2 biến J(𝝀̅, 𝝁
̅
 Kết luận 4-1:𝝀 tối ưu có giá trị trên dải0 ≤ 𝜆̅ < 1⁄𝒌.
 Kết luận 4-2:J(x) là một hàm đơn điệu tăng trong khoảng

0 ≤ 𝒙 < 1⁄𝒌và lim𝑥→1⁄𝑘 𝐉(x) > 0.
 Định lý 4-2: Khi 𝛾 và F được đưa ra, giải pháp của vấn đề
(4-3) được biểu diễn bằng
̂ = 𝛾𝐅𝐻 𝐇 𝐻 (𝐇𝐅𝐅 𝑯 𝐇𝑯 + 𝐈𝑵 )−1
𝐋
𝑻
Lưu đồ thuật toán phương pháp tối ưu WMMSE:
For j=1:N_loop
𝑯

1/2

Khởi tạo 𝐅̅𝑗 và 𝛾𝑗 = (𝐏𝐓 ⁄Tr (𝐅̅𝒋 𝐅̅𝒋 ))

(4-8)


18
repeat
Tính 𝐋𝑗 từ công thức (4-13) với 𝐅̅𝑗 và 𝛾𝑗 .
Cập nhật 𝐅𝑗 = 𝛾𝑗 𝐅̅𝑗 sử dụng công thức (4-11) với 𝐋𝑗 đã có.
until 𝐅𝑗 đạt giá trị hội tụ.
end for
Lựa chọn kết quả tốt nhất {𝐅𝑗 , 𝐋𝑗 |𝑗 = 1, … , 𝑵𝐺 } để cho ra tổng
MMSE tối thiểu.
Mô phỏng và kết quả:

4.3

Bảng 4.1 Các thông số hệ thống của mô hình mô phỏng

Mật độ phổ công
suất của nhiễu
Hiệu suất chuyển
đổi năng lượng

-100dBm/Hz

50%(=0.5)

Hệ số suy giảm tín
hiệu đường
truyền (Pathloss

3

exponent)
Băng thông tín
hiệu
Khoảng cách: Tx
– máy thu ID
Khoảng cách: Tx
– máy thu EH

10 MHz
𝑑ℎ (𝑚)
𝑑𝑔 (𝑚)


19
randn(‘state’,𝜃)

Kênh truyền

̃=
𝐇

𝑟𝑎𝑛𝑑𝑛(𝑁𝐼𝐷 , 𝑁𝑇 ) + 𝑗 ∗ 𝑟𝑎𝑛𝑑𝑛(𝑁𝐼𝐷 , 𝑁𝑇 )
;
𝑠𝑞𝑟𝑡(2)

̃=
𝐆

𝑟𝑎𝑛𝑑𝑛(𝑁𝐸𝐻 , 𝑁𝑇 ) + 𝑗 ∗ 𝑟𝑎𝑛𝑑𝑛(𝑁𝐸𝐻 , 𝑁𝑇 )
𝑠𝑞𝑟𝑡(2)
(a)

0.3
X: 9
Y: 0.1251

MSE

0.2
0.1
0

SWIPT-WMMSE
-0.1

0

5

10

15

0

5

10

15

20
Sô vòng lap
(b)

25

SWIPT-RATE
30

35

40

Rate(bps/Hz)

20
15
10
5
SWIPT-WMMSE
0

20
Sô vòng lap

25

SWIPT-RATE
30

35

40

Hình 4.3. So sánh 2 phương pháp tổng MSE –Rate trong SWIPT
̅ = 1⁄2 𝑬𝑚𝑎𝑥
MIMO BC với 𝑬
(a)
0.7892
Bisection

Ellipsoid

35

MSE

0.7892
0.7892
0.7892
0.7892

0

5

10

15

20
Sô vòng lap
(b)

25

30

Bisection

Ellipsoid

0

5

10

15

20
Sô vòng lap

25

35

40

Rate(bps/Hz)

13.9476

13.9476

13.9476

13.9476

30

40

Hình 4.4. So sánh kết quả khi thực hiện bằng phương pháp phân đôi
khối elip

20
(a)
140

120

Energy(uW)

100

80

60

40

20
SWIPT-WMMSE
SWIPT-RATE
0

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5
MSE

0.6

0.7

0.8

0.9

1

Hình 4.5. Vùng MSE-năng lượng của 2 phương pháp MIMO BC
SWIPT
(b)
140

120

Energy(uW)

100

80

60

40

20
SWIPT-WMMSE
0

0

5

10

SWIPT-RATE
15
Rate(bps/Hz)

20

25

30

Hình 4.6. Vùng tốc độ truyền tin - năng lượng của 2 phương pháp
MIMO BC SWIPT


21
RATE.
1

10

WMMSE
SWIPT RATE

0

MSE

10

-1

10

-2

10

5

10

15

20

25

30

PT(dBm)

Hình 4.2. So sánh sự thay đôiỉ MSE với công suất tại máy phát
35
WMMSE
SWIPT RATE

30

Rate(bps/Hz)

25

20

15

10

5

0

0

5

10

15
PT(dBm)

20

25

30

Hình 4.3. Sự thay đổi giữa tốc độ truyền tín hiệu theo công suất phát
4.4 . Kết luận chương
Chương này đã nghiên cứu thiết kế bộ thu phát tuyến tính hiệu
quả cho các hệ thống SWIPT của MIMO BC làm giảm thiểu tổng


22
trọng sốMSE của máy thu ID trong khi vẫn đáp ứng được thu năng
lượng của máy thu EH.
Đầu tiên, chương này đã thiết lập được một cấu trúc tiền mã
hóa tối ưu dưới dạng khép kín, có thể thu được bằng các phương
pháp phân đôi (bisection) đơn giản.
Thứ hai, chương này đề nghị thay thế quá trình cập nhật để có
được các giải pháp WMMSE chung với máy thu ID. Mặc dù hàm cần
giải quyết là một hàm không lồi, nó được quan sát từ các kết quả mô
phỏng rằng giải pháp của em với nhiều điểm ban đầu tiếp cận khu
vực cân bằng tốt nhất có thể MSE-năng lượng.


23

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Kết luận
Với các kết quả đạt được, đề tài đã chỉ ra được các nội dung cơ
bản sau:

 Đã trình bày khái quát được các đặc điểm, các kỹ thuật tiền
mã hóa của hệ thống MIMO BC.

 Đã trình bày được khái quát các đặc điểm cũng như các
ứng dụng của WPT nói chung và SWIPT nói riêng.

 Đã xây dựng được mô hình SWIPT trong hệ thống MIMO
BC với 3 điểm cơ bản, đồng thời xây dựng được các định lý nhằm
tạo ra các điều kiện ràng buộc cho việc tìm ra điểm tiếp cận điểm tối
ưu trong cân bằng giữa tốc độ truyền và năng lượng .

 Đã đề xuất và xây dựng được mô hình với các thông số tối
ưu cho hệ thống bằng phương pháp WMMSE có sử dụng trọng số.
Phương pháp này làm giảm tổng MSE, giúp cải thiện tốc độ truyền
tín hiệu rõ rệt.

 Mặt khác mô hình WMMSE cũng đã thiết lập được cấu
trúc tiền mã hóa tối ưu dưới dạng khép kín dưới dạng tối ưu đơn biến
và có thể dễ dàng tính được bằng phương pháp phân đôi đơn giản.

 Mặc dù hàm giải quyết là 1 hàm không lồi, và bài toán giải
quyết cho 1 hàm lồi, tuy nhiên kết quả mô phỏng đã cho ra nhiều
điểm ban đầu tiếp cận tốt nhất có thể khu vực cân bằng của vùng tốc
độ truyền – năng lượng.

Hướng phát triển đề tài
Do hạn chế về thời gian, có rất nhiều vấn đề quan trọng được
nêu ra trong luận văn này và để lại nhiều hướng phát triển cho luận
văn, một số được nêu bật như sau: