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 HĨA
CHO HỆ THỐNG TRUYỀN THƠNG 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
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.


ii

MỤC LỤC
Lời cam đoan .................................................................................................................. i
Mục lục ...........................................................................................................................ii
Tóm tắt luận văn ................................................................................................... vi
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ...................................................................... v
Danh mục các bảng ...................................................................................................... vi
Danh mục các hình ......................................................................................................vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài................................................................................. 1
2. Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 2
4. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................................................... 3
6. Cấu trúc của luận văn .................................................................................... 3

Chương 1. HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO .............................................. 5
1.1. Giới thiệu chương: ...................................................................................... 5
1.2. Tổng quan hệ thống MIMO........................................................................ 5
1.2.1. Khái niệm về hệ thống MIMO: ........................................................... 5
1.2.2. MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng .............................. 6
1.2.2.1. MIMO đơn người dùng (SU -MIMO) .......................................... 6
1.2.2.2. MIMO đa người dùng (MU-MIMO) ............................................ 6
1.2.3. Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO...................................... 7
1.2.3.1. Phân tập thời gian.......................................................................... 8
1.2.3.2. Phân tập tần số .............................................................................. 9
1.2.3.3. Phân tập không gian ...................................................................... 9
1.2.4. Dung lượng và độ lợi trong hệ thống MIMO .................................... 10
1.2.4.1. Dung lượng kênh MIMO ............................................................ 10
1.2.4.2. Độ lợi trong 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 2. 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 của một mạng thu năng lượng sử dụng sóng RF ....................... 16


iii

2.4. Mơ hình truyền năng lượng RF ................................................................ 20
2.5. Các kỹ thuật thu năng lượng RF............................................................... 21
2.5.1. Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng 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 hiện có của thu năng lượng bằng sóng RF........................ 23
2.7. Kết luận chương ....................................................................................... 24
Chương 3. MƠ HÌNH HỆ THỐNG SWIPT TRÊN MIMO BC ..................... 26
3.1. Giới thiệu chương ..................................................................................... 26
3.2. Mơ hình hệ thống SWIPT BC MIMO. ..................................................... 26
3.2.1. Mơ hình hệ thống ............................................................................... 27
3.2.2. Máy thu EH và ID không đồng thời .................................................. 28
3.2.3. Máy thu EH và ID cùng 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 4. MƠ PHỎNG THUẬT TỐN WMMSE CHO HỆ THỐNG
SWIPT ......................................................................................................................... 36
4.1. Giới thiệu chương: .................................................................................... 36
4.2. Thiết kế bộ 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 phỏng và 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 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 :60520203 Khóa:31. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt –Hiện nay, phương thức “truyền thông xanh” nhận được sự quan tâm đáng kể
cùng với các mối quan tâm về môi trường. Truyền thông tin và năng lượng không dây đồng
thời (SWIPT) là một trong các giải pháp đầy hứa hẹn có thể đáp ứng các mối quan tâm đó.
SWIPT giúp làm tăng tuổi thọ của các nút không dây và do đó làm giảm bớt nhược điểm về
hiện tượng nút cổ chai năng lượng của các mạng không dây. Đây là một giải pháp thay thế
cho các kỹ thuật truyền năng lượng thông thường, SWIPT dựa trên việc sử dụng các tín hiệu
RF, và có thể mang lại một số thay đổi cơ bản trong các mạng truyền thông 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.
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 về thu năng lượng bằng sóng RF
Các thơng số hệ thống của mơ hình mơ phỏng

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 trong kênh truyền MIMO
Cấu trúc thông thường của một mạng thu nhận năng lượng
bằng sóng RF
Cấu trúc máy thu thiết kế cho máy thu thơng tin năng
lượng bằng sóng RF
Một mạng khơng dây có truyền cả thơng tin và năng lượng
Một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT
Thiết kế chuyển mạch thời gian với máy thu EH và ID đồng vị
Hoạt động của máy thu có / khơng có bộ tách công suất (năng
lượng thu được do nhiễu của máy thu bị bỏ qua cho máy thu
EH).
Mơ hình một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT với
bộ thu phát tuyến tính.
Mơ hình một hệ thống MIMO BC cho SWIPT với NT=NR=2.
So sánh 2 phương pháp tổng MSE –Rate trong SWIPT MIMO
BC với E = 12Emax
So sánh kết quả khi thực hiện bằng phương pháp phân đôi
khối elip
Vùng MSE-năng lượng của 2 phương pháp MIMO BC SWIPT
Vùng tốc độ truyền tin - năng lượng của 2 phương pháp
MIMO BC SWIPT
So sánh sự thay đổi MSE với công suất tại máy phát
Sự thay đổi giữa tốc độ truyền tín hiệu theo công suất phát

5
7

8
10
11
12
12
14
16
19
26
27
33
34

37
42
43
44
44
45
45
46


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, “truyền thông xanh” đã nhận được sự quan tâm đáng kể cùng
với các mối quan tâm về môi trường. Cụ thể, các mạng di động tiêu thụ trên toàn

thế giới khoảng 60 tỷ kWh / năm. 80% năng lượng trong mạng di động được
tiêu thụ bởi các trạm gốc (BS) sản xuất ra hơn một trăm triệu tấn carbon dioxide
mỗi năm. Những con số này dự kiến sẽ tăng gấp đôi vào năm 2020 nếu khơng
có hành động tiếp theo. Các mạng không dây sử dụng năng lượng không tự
nhiên, chẳng hạn như các mạng cảm biến, thường được cung cấp bởi pin có thời
gian hoạt động hạn chế. Mặc dù Thay thế hoặc nạp lại pin có thể kéo dài tuổi thọ
của mạng đến một mức độ nào đó, nó thường phải chịu chi phí cao và khơng
tiện lợi, có thể gây nguy hiểm (ví dụ như trong mơi trường độc hại) hoặc thậm
chí khơng thể thực hiện được (ví dụ như đối với cảm biến được gắn cố định
trong cấu trúc tòa nhà hoặc bên trong cơ thể con người). Cách thuận tiện và an
toàn hơn, cũng như là cách thay thế "xanh" hơn là thu trực tiếp năng lượng từ
môi trường, việc này cung cấp năng lượng vĩnh viễn cho các thiết bị khơng dây.
Ngồi các nguồn năng lượng thông thường khác như năng lượng mặt trời và gió,
thì các tín hiệu tần số vơ tuyến ở mơi trường xung quanh thiết bị (RF) có thể là
một nguồn mới khả thi để thu năng lượng. Việc thu năng lượng dựa trên các tin
hiệu RF thường thích hợp cho các ứng dụng năng lượng thấp (ví dụ như các
mạng cảm biến), nhưng cũng có thể được áp dụng cho các kịch bản với mức tiêu
hao năng lượng lớn hơn nếu thực hiện truyền tải không dây chuyên dụng. Mặt
khác, các tín hiệu RF mang năng lượng có thể đồng thời được sử dụng như một
phương tiện để truyền thông tin, truyền thông tin và năng lượng không dây đồng
thời (SWIPT) trở thành một lĩnh vực nghiên cứu mới thú vị thu hút sự chú ý
ngày càng tăng.
Thông tin không dây và truyền công suất đồng thời (SWIPT) là một giải
pháp đầy hứa hẹn để tăng tuổi thọ các node khơng 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 vơ 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 mơ
hình sử dụng kỹ thuật tiền mã hóa sử dụng WMMSE cho hệ thống SWIPT

2

MIMO BC. Mơ 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 vơ tuyến (RF) của nó trên các cảm biến cần
phải được xạc 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).
- 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 mơ hình hệ thống SWIPT trong MIMO BC.
- Đề xuất thiết lập mơ hình hệ thống SWIPT trong MIMO bằng phương
pháp tối thiểu trọng số MSE
- Thiết lập,tính tốn và tối ưu mơ 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 cơng nghệ anten thông minh mà cụ thể là công
nghệ đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO).
- Đánh giá ưu nhược điểm về ngun lý hoạt động của mơ 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.


3

- Áp dụng các phương pháp tiền mã hóa vào mơ 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 đẩy hứa hẹn để tăng tuổi thọ các node khơng 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 năng lượng truyền thống, SWIPT dựa trên
việc sử dụng các tín hiệu tần số vơ 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
cơng nghệ anten thơng 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:

CHƯƠNG 1: HỆ THỐNG KÊNH TRUYỀN MIMO.
Trong chương này trình bày tơng quan về hệ thống kênh truyền MIMO và
các kỹ thuật xử lý đa anten được sử dụng trong hệ thống MIMO.
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN NĂNG LƯỢNG
KHƠNG DÂY.
Chương này trình bày tổng quan về hệ thống mạng truyền năng lượng
khơng dây (WPT) nói chung, và hệ thống truyền năng lượng và tín hiệu khơng
dây đồng thời (SWIPT) nói riêng. Chương này trình bày lịch sử hình thành cơng
nghệ WPT và các nghiên cứu cũng như các kết quả đã được ứng dụng thực
nghiệm. Trình bày các đề xuất về thiết kế một hệ thống WPT trong thực tế.
CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH HỆ THỐNG SWIPT TRÊN MIMO BC.
Chương này trình bày hệ thống SWIPT trên MIMO BC kênh quảng bá với
mơ hình giả định nút (node) cơ bản. Chương này xây dựng các phương pháp tiền
mã hóa, cho các trường hợp cụ thể được đặt ra nhằm làm tối ưu hệ thống, giúp


4

giải quyết được vấn đề cân bằng về tốc độ truyền tín hiệu và năng lượng chuyển
giao được.
CHƯƠNG 4. MƠ PHỎNG THUẬT TOÁN WMMSE CHO HỆ THỐNG
SWIPT.
Chương này đề ra giải pháp tiền mã hóa bằng phương pháp trọng số
WMMSE. Phương pháp này nhằm tối ưu các kết quả đã được có trong trình bày
ở chương 3 nhằm đạt được hiệu suất truyền tín hiệu trên năng lượng chuyển giao
tốt nhất. Các kết quả so sánh sẽ giúp em đánh giá được mức độ hiệu quả của
phương pháp đề xuất so với trước đây.


5

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 địi 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 khơng 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 khơng dây, trong một số hệ
thống viễn thơng 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

Hình 1.1. Tổng quan hệ thống MIMO


6

Kỹ thuật MIMO (MIMO technique) trong truyền thông là kỹ thuật sử dụng
nhiều anten phát và nhiều anten thu để truyền dữ liệu.
 Ưu điểm của MIMO:
- Tăng độ phân tập của kênh truyền pha-đinh (fading), do đó có thể giảm
xác suất lỗi.
- Tăng dung lượng của kênh truyền do đó có thể tăng được tốc độ dữ liệu.

 Tuy nhiên chi phí cho thiết bị phần cứng cao hơn nhiều (do sử dụng
nhiều anten phát và thu), cùng với giải thuật xử lý tín hiệu phức tạp hơn.
Vào năm 1984, Jack Winters thuộc phịng 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 cơng trình về MIMO dựa tên những
nghiên cứu của Winters.
Từ năm 1986 tới năm 1995, các cơng 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 vơ tuyến va
chạm các vật cản đã tạo ra các kênh truyền ảo riêng rẻ trong hệ thống MIMO, từ
đó Greg Raleigh đã cơng bố kết quả và chỉ ra rằng hiện tượng đa đường là yếu
tố giúp tăng dung lượng kênh truyền.
1.2.2. MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng
1.2.2.1 . 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:
𝜌max(𝑁𝑇 , 𝑁𝑟 )
𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝜌𝑁𝑟 ) ≤ 𝐶 ≤ min(𝑁𝑇 , 𝑁𝑟 ) × 𝑙𝑜𝑔2 (1 +
) (1-1)
𝑁𝑇
 Với C dung lượng kênh truyền.
 𝑁𝑇 là số anten phát, 𝑁𝑟 là số anten thu.
 𝜌 : tỉ số cơng 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
(i.i.d). 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.
1.2.2.2 . MIMO đa người dùng (MU-MIMO)

Công nghệ MIMO đa người dùng (MU-MIMO), về cơ bản khác với SUMIMO bằng cách chia sẻ không gian của kênh cho các người dùng khác nhau


7

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).

Hình 1.2. Hệ thống MU-MIMO: MIMO BC
1.2.3. Các kỹ thuật phân tập trong hệ thống MIMO
Trong các hệ thống thông tin vô tuyến di động, các kỹ thuật phân tập được
sử dụng rộng rãi nhằm giảm ảnh hưởng của pha-đinh đa đường và cải thiện độ
tin cậy của truyền dẫn mà không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng
thông. Kỹ thuật phân tập dựa trên các mơ hình mà ở đó tại bộ thu sẽ nhận được
các bản sao chép của tín hiệu phát, tất cả các sóng mang sẽ có cùng một thông
tin nhưng sự tương quan về pha-đinh thống kê là rất nhỏ. Ý tưởng cơ bản của
phân tập là ở chỗ, nếu hai hoặc nhiều mẫu độc lập của tín hiệu được đưa tới và
các mẫu đó bị ảnh hưởng của pha-đinh là độc lập với nhau, có nghĩa là trong số
chúng, có những tín hiệu bị ảnh hưởng nhiều trong khi các mẫu khác bị ảnh
hưởng ít hơn. Điều đó có nghĩa là khả năng của các mẫu đồng thời chịu ảnh
hưởng của pha-đinh dưới một mức cho trước là thấp hơn nhiều so với khả năng
một vài mẫu độc lập nằm dưới mức đó. Do vậy, bằng cách kết hợp một cách


8

thích hợp các mẫu khác nhau sẽ dẫn tới giảm ảnh hưởng của pha-đinh 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 trình bày, các kỹ thuật phân tập được phân chia thành phân tập thời gian,
tần số và phân tập không gian.
1.2.3.1. Phân tập thời gian
Phân tập theo thời gian là tín hiệu được truyền đi ở những thời điểm khác
nhau và có thể thu được qua mã hóa và xen kênh. Xét hai trường hợp: truyền ký
tự liên tiếp và dùng xen kênh khi độ lợi kênh truyền rất nhỏ.

ht

t
Không xen kênh
Từ mã X0

Từ mã X1

Từ mã X2

Từ mã X3

Xen kênh

Hình 1.3. Phân tập theo thời gian
Từ hình vẽ ta thấy rằng: từ mã X2 bị triệt tiêu bởi pha-đinh nếu không dùng
bộ xen kênh, nếu dùng bộ xen kênh thì mỗi từ mã chỉ mất một ký tự và tơi có thể
phục hồi lại từ 3 ký tự ít bị ảnh hưởng bởi pha-đinh.
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 pha-đinh 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 pha-đinh.
1
𝑐
(1-2)
=
𝑓𝑐 𝑣 + 𝑓𝑐


9

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 khơng mã hóa.Trong truyền
thơng 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 pha-đinh
độc lập ở ngõ vào bộ giải mã. Vì tốn thời gian cho bộ xen kênh dẫn đến độ trễ
giải mã, kỹ thuật này thường hiệu quả trong môi trường pha-đinh nhanh, ở đó
thời gian nhất quán của kênh truyền nhỏ. Đối với kênh truyền pha-đinh chậm
nếu xen kênh quá nhiều thì có thể dẫn đến gây trễ đáng kể.
1.2.3.2 . 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
pha-đinh một cách độc lập. Khoảng cách giữa các tần số phải lớn hơn vài lần
băng thông nhất quán để đảm bảo rằng pha-đinh trên các tần số khác nhau là
không tương quan với nhau. Trong truyền thông di động, máy phát thường được
truyền đến các phiên bản của tín hiệu cho máy 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, trải 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.
1.2.3.3 . Phân tập khơng gian
Phân tập khơng gian cịn gọi là phân tập anten .Phân tập không gian được
sử dụng phổ biến trong truyền thơng khơng dây dùng sóng viba. Phân tập khơng
gian sử dụng nhiều anten hoặc anten mảng được sắp xếp trong khơng gian tại
phía phát hoặc phía thu. Các anten được phân chia ở những khoảng cách đủ lớn,
sao cho tín hiệu khơng tương quan với nhau.
u cầu về khoảng cách giữa các anten tùy thuộc vào độ cao của anten,
mơi trường và tần số 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 thơng khơng dây tốc độ cao trong tương lai.


10

Hình 1.4. Các cách phân tập khơng 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
pha-đinh đa đường.
1.2.4. Dung lượng và độ lợi trong hệ thống MIMO
1.2.4.1. 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:
bits
(1-3)
C = W𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝜌) [
]
s
Trong đó:
W : băng tần của kênh truyền (Hz)
𝜌 : tỉ số cơng suất tín hiệu trên nhiễu (SNR)


11

Đối với kênh truyền cố định, dung lượng kênh truyền MIMO có thể biểu
điễn tổng quát như sau:
𝐶𝑀𝐼𝑀𝑂
𝜌
𝑏𝑖𝑡𝑠
𝑊 𝑙𝑜𝑔2 det (𝐼𝑟 +
𝐻𝐻𝐻 ) [
𝑛ế𝑢 𝑁𝑟 < 𝑁𝑇
]
(1-4)
𝑁𝑇

𝑠
=
𝜌 𝐻
𝑏𝑖𝑡𝑠
𝑊 𝑙𝑜𝑔2 det (𝐼𝑟 +
𝐻 𝐻) [
] 𝑛ế𝑢 𝑁𝑟 ≥ 𝑁𝑇
{
𝑁𝑇
𝑠
H là ma trận các đặc tính kênh truyền như thơng tin về độ lớn, về pha của
đường truyền giữa 𝑁𝑇 anten phát và 𝑁𝑟 là số anten thu.
Trong thực tế do các tác động của pha-đinh, kênh truyền biến động theo
thời gian và thường được mơ phỏng hóa bằng các biến số ngẫu nhiên tuân theo
phân bố Rayleigh. Dung lượng kênh truyền được xác định:
̅̅̅̅̅̅̅̅
𝐶𝑀𝐼𝑀𝑂
𝜌
𝑏𝑖𝑡𝑠
𝐸𝐻 {𝑊𝑙𝑜𝑔2 det (𝐼𝑟 +
𝐻𝐻𝐻 )} [
𝑛ế𝑢 𝑁𝑟 < 𝑁𝑇
]
(1-5)
𝑁𝑇
𝑠
=
𝜌 𝐻
𝑏𝑖𝑡𝑠
𝐸𝐻 {𝑊𝑙𝑜𝑔2 det (𝐼𝑟 +

𝐻 𝐻)} [
] 𝑛ế𝑢 𝑁𝑟 ≥ 𝑁𝑇
{
𝑁𝑇
𝑠
1.2.4.2 . Độ lợi trong hệ thống MIMO
Beamforming giúp hệ thống tập trung năng lượng bức xạ theo hướng mong
muốn giúp tăng hiệu quả công suất, giảm can nhiễu và tránh được can nhiễu tới
từ các hướng không mong muốn, từ đó giúp cải thiện chất lượng kênh truyền và
tăng độ bao phủ của hệ thống. Để có thể thực hiện beamforming, khoảng cách
giữa các anten trong hệ thống MIMO thường nhỏ hơn bước sóng 𝜆 (thơng
thường là 𝜆/2), beamforming thường được thực hiện trong mơi trường ít tán xạ.
Khi môi trường tán xạ mạnh, hệ thống MIMO có thể cung cấp độ lợi ghép kênh
khơng gian và độ lợi phân tập.

TX

RX

Hình 1.5. Kỹ thuật beamforming


12

1.2.4.3 . Độ lợi ghép kênh khơng gian (spatial multiplexing)

TX

RX

Hình 1.6. Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền
Tận dụng các kênh truyền song song có được từ đa anten tại phía phát và
phía thu trong hệ thống MIMO, các tín hiệu sẽ được phát độc lập và đồng thời ra
các anten ( hình 1.6), nhằm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần tăng
công suất phát hay tăng băng thông hệ thống.
1.2.4.4 . Độ lợi phân tập (spatial diversity)

TX

RX

Hình 1.7. Phân tập khơng gian giúp cải thiện SNR
Trong truyền dẫn vơ tuyến, mức tín hiệu ln thay đổi, bị pha-đinh liên tục
theo không gian, thời gian và tần số, khiến cho tín hiệu tại nơi thu khơng ổn
định, việc phân tập cung cấp cho các bộ thu các bản sao tín hiệu giống nhau qua
các kênh truyền Pha-đinh khác nhau (hình1.7), bộ thu có thể lựa chọn hay kết
hợp hay kết hợp các bản sao tín hiệu này để giảm thiểu tốc độ sai bit BER,


13

chống pha-đinh qua đó tăng độ tin cậy của hệ thống. Để cực đại độ lợi phân tập,
giảm BER và chống lại pha-đinh, thuật toán STBC (Space-Time Block Code) và
STTC (Space-Time Trellis Code) được áp dụng.
Thực tế, để hệ thống có dung lượng cao, BER thấp, chống được pha-đinh,
thì phải có sự tương quan giữa độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh trong việc
thiết kế hệ thống.
1.3 . Các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO đa người dùng
Trong MIMO đa người dùng, một máy phát đa anten truyền thông đồng
thời với nhiều máy thu (mỗi máy có một hoặc nhiều anten). Đây được gọi là truy

cập nhiều phân vùng không gian (SDMA). Từ quan điểm thực hiện, thuật tốn
tiền mã hóa (precoding ) cho các hệ thống SDMA có thể được chia thành các
loại tiền mã hóa (precoding ) tuyến tính và phi tuyến. Các thuật toán giúp cải
thiện chất lượng là phi tuyến, nhưng các phương pháp tiền mã hóa (precoding )
tuyến tính thường đạt được hiệu quả phù hợp với độ phức tạp thấp hơn nhiều.
Các kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính bao gồm tỷ sốtruyền cực đại (MRT), tiền mã
hóa Zero-Force (ZF), và truyền tiền mã hóa Wiener. Ngồi ra cịn có các kỹ
thuật tiền mã hóa được thiết kế với hồi tiếp tốc độ thấp về thông tin trạng thái
kênh, với mẫu ngẫu nhiên beamforming. Tiền mã hóa phi tuyến được thiết kế
dựa trên khái niệm “dirty paper coding”(DPC), cho thấy rằng bất kỳ nhiễu nào
được biết đến ở máy phát có thể được loại bỏ mà khơng ảnh hưởng tài nguyên
vô tuyến khi áp dụng kỹ thuật tối ưu tiền mã hóa cho việc truyền tín hiệu.
Vì một hệ thống đa người dùng không thể đồng thời tối đa hóa hiệu suất
cho tất cả người dùng. Điều này có thể được xem như là một vấn đề tối ưu hóa
đa mục tiêu, trong đó mỗi mục tiêu tương ứng với tối đa hóa cơng suất của một
trong những máy thu. Cách thơng thường để đơn giản hóa vấn đề này là chọn
một chức năng tiện ích hệ thống. Ví dụ, tổng trọng số chất lượng, trong đó trọng
số tương ứng với các máy thu ưu tiên được lựa chọn chủ quan bởi hệ thống. Hơn
nữa, có thể có nhiều máy thu hơn luồng dữ liệu, yêu cầu một thuật tốn lập lịch
trình để quyết định máy thu cần phục vụ tại một thời điểm nhất định.


14

Hình 1.8. Sử dụng phương pháp tiền mã hóa trong kênh truyền MIMO
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, nhằm làm tăng tốc độ
truyền. Với các phương pháp tiền mã hóa, cơng nghệ MIMO có thể được sử
dụng rất hữu ích trong các hệ thống thơng tin liên lạc khơng dây. MIMO vẫn

đang cịn có thể phát triển khi kết hợp với những công nghệ khác để tạo ra
những đột phá mới trong công nghệ, nhằm làm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao
của con người trong thơng tin liên lạc, giao lưu văn hóa…
MIMO đã tạo ra những ưu thế mới cho các ứng dụng không dây nói chung,
tạo thế mạnh cho cơng 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.


15

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 khơng dây thế hệ tiếp theo. Vì cơng nghệ mới này cho phép bổ sung năng
lượng thuận tiện hơn cho các thiết bị không dây. 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. Nội dung chương này sẽ trình bày tổng
quan về các mạng khơng dây với khả năng thu nhận năng lượng sử dụng RF
(WPT).
2.2 . Lịch sử hình thành cơng nghệ WPT
Truyền năng lượng khơng 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 cho làm sống lại các tham vọng cũ của truyền điện năng không
dây, được thúc đẩy bởi hai lý do sau đây [16], [23]. 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, vv. 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 khơng 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


16

việc sử dụng rộng rãi hiện nay của các thiết bị năng lượng thấp mà có thể được
sạc khơng dây. Ví dụ, Intel đã chứng minh sạc khơng 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 [3].
Mặc dù các nghiên cứu tổng thể về chủ đề này vẫn cịn ở mức sơ khai, tuy
nhiên đã có những kết quả nổi bật được báo cáo trong tài liệu [16], [23]. Trong
[16], Varshney lần đầu tiên đề xuất một hàm dung lượng - năng lượng (capacityenergy) 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 hay 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 khơng 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 cơng
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 [23], Grover và Sahai mở rộng các kênh
AWGN anten chọn lọc tần số với giới hạn cơng suất trung bình bằng cách cho
thấy một sự cân bằng cao tồn tại trong phân bổ phổ tần cho tốc độ truyền tin tối
đa so với truyền năng lượng.
2.3 . Cấu trúc của một mạng thu năng lượng sử dụng sóng RF

Hình 2.1. Cấu trúc thơng thường của một mạng thu nhận năng lượng bằng
sóng RF