Đánh giá hiệu năng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến trong hệ thống mimo đa người dùng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------

LÊ QUANG PHAN AN

ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG
LƯỢNG VÔ TUYẾN TRONG HỆ THỐNG MIMO ĐA
NGƯỜI DÙNG

PERFORMANCE EVALUATION OF WIRELESS
INFORMATION AND POWER TRANSFER MU-MIMO
SYSTEMS
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2019


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. HÀ HOÀNG KHA

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM
ngày . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. ............................................................
2. ............................................................
3. ............................................................
4. ............................................................
5. ............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ QUANG PHAN AN .................................MSHV:1670518 ..............
Ngày, tháng, năm sinh: 05/12/1993 ...........................................Nơi sinh: Bình Thuận .....
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông ........................................... Mã số : 60 52 02 08 ......
I. TÊN ĐỀ TÀI:
Tên Tiếng Việt : Đánh giá hiệu năng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến trong hệ

thống MIMO đa người dùng.
Tên Tiếng Anh : Performance evaluation of wireless information and power transfer MU-

MIMO systems

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ: Xây dựng mơ hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến sử
dụng kỹ thuật MU-MIMO ; Áp dụng các thuật toán tối ưu để nâng cao hiệu năng của hệ
thống; Xây dựng chương trình mơ phỏng để đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền
thông tin và năng lượng vô tuyến.
2. Các kết quả dự kiến : Khảo sát các công nghệ truyền thông tin và năng lượng vô tuyến ;
Xây dựng mô hình tốn học của hệ thống MIMO đa người dùng sử dụng kỹ thuật
truyền năng lương và thông tin vô tuyến ; Đề xuất giải thuật tối ưu hiệu năng hệ thống;
Chương trình mơ phỏng đánh giá hiệu năng của hệ thống. Xác định các chỉ số độ ẩm,
hàm lượng lipid tổng và hàm lượng protein tổng của sản phẩm lạp xưởng.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 19/07/2018
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 31/12/2018
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS. Hà Hoàng Kha

Tp. HCM, ngày 06 tháng 07 năm 2018
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy hướng dẫn luận
văn của mình PGS.TS. Hà Hồng Kha. Trong quá trình thực hiện luận văn, thầy
là người đã nhiệt tình hỗ trợ, chỉ dẫn giúp tơi củng cố kiến thức đồng thời chỉ ra

những vấn đề cốt lõi giúp tơi có định hướng đúng đắn để hồn thành luận văn.
Tiếp đến, tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô đã và đang dạy tại
trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM và đặc biệt là các thầy cô ở Bộ Môn Viễn
Thông đã giúp tôi xây dựng được kiến thức nền tảng, là cơ sở để tôi thực hiện
được luận văn này.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã hết
sức giúp đỡ, quan tâm, động viên để tôi có điều kiện thuận lợi để thực hiện luận
văn này.

Xin chân thành cảm ơn!

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2018
LÊ QUANG PHAN AN

i


GVHD: PGS.TS.Hà Hồng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

TĨM TẮT
Ngày nay, số lượng trạm gốc và thiết bị vô tuyến trong các hệ thống thơng
tin vơ tuyến đang tăng nhanh chóng. Điều đó đồng nghĩa với việc tổng mức tiêu
thụ năng lượng điện của các hệ thống này cũng tăng lên tương ứng. Đây là một
thách thức lớn cho sự phát triển ổn định và bền vững của các hệ thống thông tin
vô tuyến. Mặt khác, trong các hệ thống thông tin vơ tuyến ngày nay, việc duy trì
năng lượng để đảm bảo sự hoạt động liên tục của các thiết bị vô tuyến cũng là một
trong những thách thức cần giải quyết. Kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến đã
được nghiên cứu và được đánh giá là một trong những giải pháp tiềm năng để giải

quyết các thách thức kể trên. “Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến” là một
hướng nghiên cứu mới, ứng dụng các kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến. Đây
cũng là một hướng nghiên cứu được quan tâm bởi nhiều nhà khoa học và tổ chức
khoa học trong thời gian gần đây.
Luận văn tập trung thiết kế khối tiền mã hóa tại trạm gốc để tối ưu dung lượng
kênh và năng lượng thu thập trong đường xuống của mơ hình truyền thơng tin và
năng lượng vô tuyến trong hệ thống MIMO đa người dùng. Hai bài toán được xem
xét trong luận văn là: Tối đa hóa tổng dung lượng kênh và tổng năng lượng thu
thập trong hệ thống với điều kiện ràng buộc về cơng suất phát tại trạm gốc (Bài
tốn 1); Tối đa hóa tổng dung lượng kênh với điều kiện ràng buộc về công suất
phát tại trạm gốc và mức năng lượng tối thiểu thu thập được tại mỗi người dùng
trong hệ thống (Bài toán 2). Các bài toán tối ưu này thường là bài tốn tối ưu phi
tuyến, khơng lồi nên rất khó để có thể đưa ra lời giải chính xác. Do đó, luận văn
phát triển một thuật tốn tối ưu ngẫu nhiên phù hợp để giải quyết bài tốn phức tạp
này, đó là thuật tốn tối ưu bầy đàn. Cuối cùng, luận văn thực hiện các mô phỏng
với số liệu cụ thể để kiểm chứng và đánh giá hiệu năng truyền thông tin và năng
lượng vô tuyến trong hệ thống MIMO đa người dùng.

ii


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

ABSTRACT
In recent years, the number of base stations and wireless communications
devices has explosively increased. Thus this results in an increase in the
consumption of electricity respectively. This is a major challenge for the stable and
sustainable development of wireless communications systems. On the other hand,

maintaining energy to guarantee the uninterrupted operation of wireless
communications devices in modern wireless systems is one of the major challenges
need to be addressed. Wireless Information Power Transfer (WIPT) has been
recently studied as one of the potential solutions to address these challenges.
In this thesis, we investigate the downlink Multiuser – Multiple-Input
Multiple-Output (MU-MIMO) WIPT system. We consider two problems: the first
problem is the maximization of the sum-rate and energy harvesting subject to the
transmitted power constraint at the Base Station (BS), and the second problem is
the sum rate maximization subject to both the energy harvesting constraint at each
user and the transmitted power constraint at BS. The design problems are to find
the optimal precoding matrices at BS. However, such design problems are
typically nonlinear and nonconvex optimizations and, thus, they are quite hard to
obtain analytical solutions. Therefore, we develop an efficient stochastic
optimization algorithm to solve these problems – Particle Swarm Optimization
(PSO). Numerical simulations are conducted to validate the performance of
wireless information and power transfer in the MU-MIMO system.

iii


GVHD: PGS.TS.Hà Hồng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi, do PGS.TS Hà
Hồng Kha hướng dẫn.
Các lý thuyết, thơng số được trình bày trong luận văn được trích dẫn từ các
tài liệu khoa học được công bố bởi các tổ chức uy tín. Các kết quả mơ phỏng được
trình bày trong luận văn là kết quả trung thực và do tơi thực hiện.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2018
Lê Quang Phan An

iv


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Từ tiếng anh

Từ tiếng Việt

ICT

Information and Communications
Technology

Công nghệ thông tin và
truyền thông

EH

Energy Harvesting

Thu thập năng lượng

RF

Radio Frequency

Tần số vô tuyến

MIMO

Multiple Input Multiple Output

Đa ngõ vào đa ngõ ra

MU-MIMO

Multiuser – MIMO

MIMO đa người dùng

WIPT

Wireless Information and Power
Transfer

Truyền thông tin và
năng lượng vô tuyến

MISO

Multiple Input Single Output

Đa ngõ vào Đơn ngõ ra

AP

Access Point

Điểm truy cập

H-AP

Hybrid – Access Point

Điểm truy cập kết hợp

WPCN

Wireless Powered Communications
Network
Simultaneous Wireless Information
and Power Transfer

Mạng truyền thông
năng lượng vô tuyến
Truyền thông tin và
năng lượng vô tuyến
đồng thời
Nhận dạng qua tần số
vô tuyến

SWIPT

RFID

Radio Frequency Identification

WPT

Wireless Power Transfer

Truyền năng lượng vô
tuyến

RF-EHNs

Radio Frequency – Energy
Harvesting Networks

Mạng thu thập năng
lượng vô tuyến

SISO

Single Input Single Output

BS

Base station

Đơn ngõ vào đơn ngõ

ra
Trạm gốc

MS

Mobile station

Trạm di động

PSO

Particle Swarm Optimization

Tối ưu bầy đàn

SI

Swarm Intelligence

Trí tuệ bầy đàn

i.i.d

Independent and Identically

Đồng nhất độc lập

v

GVHD: PGS.TS.Hà Hồng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1 Tổng lượng điện tiêu thụ và khí CO2 phát thải của ngành ICT.............. 1
Hình 2.1 Sơ đồ khối một bộ thu năng lượng RF cơ bản ........................................ 6
Hình 2.2 Mơ hình hệ thống truyền thơng tin và năng lượng vơ tuyến ................... 8
Hình 2.3 Các cấu trúc của bộ thu SWIPT: (a) Chuyển mạch thời gian; (b) Chia
công suất; (c) Chuyển mạch anten .......................................................... 8
Hình 3.1 Các khối cơ bản của hệ thống thông tin vô tuyến ................................. 15
Hình 3.2 Mơ hình 2 tia ......................................................................................... 17
Hình 3.3 Mơ hình 10 tia ....................................................................................... 19
Hình 3.4 Ảnh hưởng của suy hao và hiệu ứng bóng đến vùng phủ cell .............. 22
Hình 3.5 Hiệu ứng đa đường của kênh truyền vơ tuyến ...................................... 23
Hình 3.6 Đáp ứng kênh truyền đa đường ............................................................. 23
Hình 3.7 Power Delay Profile .............................................................................. 24
Hình 3.8 Phân loại fading..................................................................................... 25
Hình 3.9 Hệ thống MIMO cơ bản ........................................................................ 25
Hình 3.10 Kênh truyền MIMO............................................................................. 26
Hình 3.11 Tiền mã hóa tại máy phát và shaping tại máy thu ............................... 29
Hình 3.12 Phân rã song song kênh MIMO .......................................................... 30
Hình 3.13 Giải thuật water filling ........................................................................ 33
Hình 3.14 Hệ thống WIPT MU-MIMO ............................................................... 38
Hình 4.1 Cực trị địa phương và cực trị tồn cục .................................................. 42
Hình 4.2 Sự thay đổi vị trí của các cá thể trong PSO .......................................... 45
Hình 5.1 Sự hội tụ của thuật toán PSO với bài toán (4.8).................................... 59
Hình 5.2 Sự tương nhượng giữa tổng dung lượng kênh và năng lượng thu thập
trong hệ thống WIPT MU – MIMO ..................................................... 60
Hình 5.3 Sự hội tụ của thuật tốn PSO với bài tốn (4.17).................................. 61

Hình 5.4 Ảnh hưởng của công suất phát tại BS đến tổng dung lượng hệ thống.. 62

vi


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1 Dữ liệu thí nghiệm RF-EH ................................................................... 11
Bảng 3.1 Hệ số mũ suy hao tiêu biểu trong các môi trường truyền ..................... 21
Bảng 3.2 Bảng tóm tắt thơng số hệ thống WIPT MU-MIMO ............................. 40

vii


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 ................................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1
1.1

Lý do chọn đề tài ........................................................................................ 1

1.2

Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................. 3

1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................ 3

1.4

Phương pháp nghiên cứu .......................................................................... 3

1.5

Cấu trúc luận văn....................................................................................... 4

CHƯƠNG 2 ................................................................................................................... 5
TỔNG QUAN ................................................................................................................ 5
2.1

Truyền năng lượng vô tuyến ..................................................................... 5

2.2

Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến ............................................... 7

2.3

Tình hình nghiên cứu ............................................................................... 10

2.4

Kết luận ..................................................................................................... 13

CHƯƠNG 3 ................................................................................................................. 14
MƠ HÌNH TRUYỀN THƠNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
TRONG HỆ THỐNG MIMO ĐA NGƯỜI DÙNG ............................................ 14
3.1

Kênh truyền vô tuyến .............................................................................. 14

3.1.1 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến .................................................... 14
3.1.2 Những vấn đề cơ bản của kênh truyền vô tuyến ......................................... 15
3.1.3 Các hiện tượng ảnh hưởng đến chất lượng kênh truyền vô tuyến .......... 16
3.1.3.1 Suy hao trên kênh truyền .............................................................................. 16
3.1.3.2 Hiệu ứng bóng ................................................................................................. 21
3.1.3.3 Hiệu ứng đa đường ......................................................................................... 22

viii


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

3.2

HVTH: Lê Quang Phan An

Tổng quan về hệ thống MIMO ............................................................... 25

3.2.1 Giới thiệu tổng quan MIMO ............................................................................. 25
3.2.2 Tín hiệu và mơ hình kênh truyền ..................................................................... 26

3.2.3 Phân rã song song kênh MIMO ....................................................................... 27
3.2.4 Dung lượng kênh MIMO ................................................................................... 31
3.2.4.1 Kênh tĩnh ............................................................................................................ 31
3.2.4.2 Kênh fading ....................................................................................................... 35
3.3

Mơ hình truyền thơng tin và năng lượng vô tuyến trong hệ thống
MIMO đa người dùng ............................................................................. 37

3.4

Kết luận ..................................................................................................... 40

CHƯƠNG 4 ................................................................................................................. 41
TỐI ƯU DUNG LƯỢNG KÊNH VÀ NĂNG LƯỢNG THU THẬP BẰNG
GIẢI THUẬT TỐI ƯU BẦY ĐÀN ......................................................................... 41
4.1

Bài toán tối ưu .......................................................................................... 41

4.2

Phân loại bài toán tối ưu.......................................................................... 42

4.3

Tối ưu bầy đàn – PSO .............................................................................. 44

4.3.1 Tổng quan PSO..................................................................................................... 44
4.3.2 Thuật toán PSO..................................................................................................... 44

4.4

PSO với điều kiện ràng buộc................................................................... 46

4.5

Áp dung PSO vào mơ hình truyền thông tin và năng lượng vô tuyến 48

4.5.1 Bài toán tối ưu tổng dung lượng kênh và tổng năng lượng thu thập tại
các người dùng trong hệ thống với điều kiện ràng buộc về công suất
phát tại BS (Bài toán 1) ...................................................................................... 48
4.5.1.1 Tối ưu tổng dung lượng kênh với điều kiện ràng buộc về công suất
phát tại BS (Xác định Rref).......................................................................... 48
4.5.1.2 Tối ưu tổng năng lượng thu thập tại các người dùng với điều kiện
ràng buộc về công suất phát tại BS (Xác định Eref) ............................. 50
4.5.1.3 Tối ưu tổng dung lượng kênh và năng lượng thu thập tại các người
dùng với điều kiện ràng buộc về công suất phát tại BS ....................... 52

ix


GVHD: PGS.TS.Hà Hồng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

4.5.2 Bài tốn tối ưu tổng dung lượng kênh trong hệ thống với điều kiện ràng
buộc về công suất phát của BS và năng lượng tối thiểu cần thu thập tại
mỗi người dùng (Bài toán 2) ............................................................................. 54
4.6

Kết luận ..................................................................................................... 57

CHƯƠNG 5 ................................................................................................................. 58
KẾT QUẢ MƠ PHỎNG ........................................................................................... 58
5.1

Các kết quả mơ phỏng ............................................................................. 58

5.1.1 Bài toán 1 ............................................................................................................... 58
5.1.2 Bài toán 2 ............................................................................................................... 60
5.2

Kết luận ..................................................................................................... 62

CHƯƠNG 6 ................................................................................................................. 63
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................. 63
6.1

Kết luận ..................................................................................................... 63

6.2

Hướng phát triển ...................................................................................... 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 65

x


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

CHƯƠNG 1
MỞ ĐẦU
1.1

Lý do chọn đề tài
Theo thống kê trong [1], trong năm 2015, tổng lượng điện mà ngành công

nghệ thông tin – truyền thơng (Information Communications Technology – ICT)
trên tồn thế giới tiêu thụ ước tính khoảng 242 TWh, chiếm khoảng 1.15% tổng
mức cung cấp điện toàn cầu. Cũng trong [1], ngành ICT trên tồn thế giới thải ra
mơi trường khoảng 169 triệu tấn CO2 trong năm 2015, tương đương 0.34% tổng
lượng CO2 thải ra trên tồn cầu. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp tối ưu hiệu
suất năng lượng trong mạng thông tin truyền thông không chỉ mang lại những lợi
ích về kinh tế mà cịn mang lại lợi ích xã hội bằng việc ngăn chặn sự biến đổi khí
hậu tồn cầu.

Hình 1.1 Tổng lượng điện tiêu thụ và khí CO2 phát thải của ngành ICT [1]
Mặt khác, đối với một số hệ thống thông tin vô tuyến như: mạng cảm biến
quy mô lớn, mạng cảm biến trong cơ thể… các thiết bị vô tuyến phần lớn vẫn sử
dụng nguồn năng lượng chính từ pin. Tuy nhiên, trong một số hệ thống, khả năng
sạc hoặc thay thế pin tốn rất nhiều chi phí và thậm chí khơng khả thi trong nhiều
trường hợp nên hệ thống thường có tuổi thọ ngắn, chi phí để vận hành và xây dựng
lại hệ thống rất tốn kém.

1

GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

Từ những phân tích trên, u cầu đặt ra là cần có một giải pháp cho việc nâng
cao hiệu suất năng lượng, kéo dài tuổi thọ hệ thống. Giải pháp thu thập năng lượng
(Energy Harvesting – EH) từ môi trường xung quanh được xem như một giải pháp
tiềm năng có thể đáp ứng được yêu cầu trên. Với sự phát triển của khoa học kỹ
thuật ngày nay, con người đã có thể thu thập năng lượng từ những nguồn năng
lượng tự nhiên vĩnh cửu như năng lượng mặt trời, năng lượng gió …, tuy nhiên
các nguồn năng lượng này có nhược điểm rất lớn là phụ thuộc vào vị trí địa lý, thời
gian hay thời tiết. Với những nhược điểm đó, những nguồn năng lượng nói trên
nhìn chung khơng phù hợp để cung cấp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến trong
các hệ thống thông tin vô tuyến. Không giống như những nguồn năng lượng tự
nhiên, năng lượng sóng tần số vơ tuyến (Radio Frequency – RF) khơng có những
nhược điểm kể trên và có thể ln có sẵn theo u cầu. Do đó, năng lượng RF có
thể trở thành một nguồn năng lượng khả thi để cung cấp cho các thiết bị vô tuyến
trong hệ thống thông tin vô tuyến, đặc biệt phù hợp những thiết bị vô tuyến tiêu
thụ công suất thấp (ví dụ: các cảm biến trong mạng cảm biến vô tuyến).
Truyền thông tin và năng lượng vô tuyến là mơ hình sử dụng cơng nghệ
truyền năng lượng RF để có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị vơ tuyến. So
với mơ hình thơng tin vơ tuyến truyền thống, mơ hình này vượt trội hơn về các
khía cạnh: hiệu suất năng lượng, giảm chi phí vận hành và bảo trì hệ thống, tăng
tuổi thọ hệ thống. Tuy nhiên, các thiết kế và ứng dụng của mơ hình này đang gặp
phải một số hạn chế như: hiệu suất giảm đáng kể khi truyền qua khoảng cách lớn
hay tính chất phức tạp do truyền thông tin và năng lượng trong cùng một mạng.
Tuy nhiên, với những công nghệ được phát triển trong tương lai như: small cell,
mm-wave, vô tuyến nhận thức, quản lý can nhiễu… thì những hạn chế trên hồn
tồn có thể được khắc phục.
Vì lý do đó, người thực hiện luận văn quyết định thực hiện đề tài nghiên cứu

“Đánh giá hiệu năng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến trong hệ thống
MIMO đa người dùng”. Đây là hướng nghiên cứu được quan tâm trong cộng đồng
khoa học trong thời gian gần đây, và tiếp tục là hướng nghiên cứu hứa hẹn trong
thời gian tới.
2


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

1.2

HVTH: Lê Quang Phan An

Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận văn bao gồm các điểm cơ bản sau:


Xây dựng mơ hình hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến
sử dụng kỹ thuật MIMO đa người dùng.



Áp dụng các thuật toán tối ưu để nâng cao hiệu năng của hệ thống.



Xây dựng chương trình mơ phỏng để đánh giá hiệu năng của hệ thống
truyền thông tin và năng lượng vô tuyến.

1.3

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ thực hiện luận văn, hệ thống truyền thông tin và năng lượng

vô tuyến được xây dựng dựa trên kỹ thuật MU-MIMO. Các tham số đặc trưng của
hệ thống sử dụng trong tính toán được đối chiếu, so sánh với các tài liệu khoa học
được cơng bố bởi các tổ chức uy tín.
Để thực hiện mục tiêu tối ưu dung lượng truyền tin và năng lượng thu thập
trong hệ thống WIPT MU-MIMO, người thực hiện đề tài tập trung vào thiết kế kỹ
thuật tiền mã hóa tại phía máy phát. Các thuật tốn tối ưu được kiểm chứng qua
các kết quả mô phỏng.
Các kết quả thu được từ q trình tính tốn và mơ phỏng, ngồi giá trị phục
vụ cho những nghiên cứu và đánh giá sâu hơn cịn có thể được tham khảo để xây
dựng hệ thống trong thực tế. Tuy nhiên, để áp dụng vào thực tế còn phụ thuộc vào
nhiều yêu cầu về nền tảng kỹ thuật, công nghệ, điều kiện thời gian, đáp ứng công
nghiệp, và điều kiện kinh tế - xã hội.

1.4

Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn trong luận văn là áp dụng lý thuyết

đã được nghiên cứu, kiểm chứng trong các tài liệu khoa học được cơng bố bởi các
tổ chức uy tín để xây dựng mơ hình, cơng thức tính tốn, và phát triển thuật tốn
tối ưu. Kết quả sẽ được mơ phỏng bằng phần mềm MATLAB trên máy tính để
đánh giá tính khả thi của mơ hình đã xây dựng và thuật toán đã phát triển.

3

GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

1.5

HVTH: Lê Quang Phan An

Cấu trúc luận văn
Nội dung của luận văn bao gồm 6 chương. Chương thứ 2 của luận văn sẽ

trình bày tổng quan truyền năng lượng vô tuyến, truyền thông tin và năng lượng
vô tuyến và các cơng trình nghiên cứu liên quan. Cơ sở lý thuyết về kênh truyền
vô tuyến, kỹ thuật MIMO sẽ được trình bày ở chương 3. Cũng trong chương này,
luận văn sẽ trình bày về mơ hình hệ thống WIPT MU-MIMO, áp dụng các lý thuyết
về kênh truyền, MIMO để đưa ra các biểu thức tính tốn về tổng dung lượng kênh
và năng lượng thu thập trong hệ thống. Chương thứ 4 trình bày cơ bản về lý thuyết
tối ưu, thuật toán tối ưu bầy đàn, thuật toán tối ưu bầy đàn với điều kiện ràng buộc.
Từ đó, áp dụng thuật toán tối ưu bầy đàn để giải quyết hai bài tốn tối ưu rút ra từ
mơ hình hệ thống WIPT MU – MIMO được xây dựng ở chương 3. Chương thứ 5
sẽ trình bày các kết quả mơ phỏng bằng phần mềm MATLAB. Các kết quả mô
phỏng sẽ được phân tích, nhận xét. Từ đó, đánh giá về tính khả thi của mơ hình
WIPT MU – MIMO cũng như sự hiệu quả của thuật toán tối ưu bầy đàn. Chương
6 sẽ tóm tắt lại kết quả nghiên cứu, đồng thời đề ra hướng phát triển trong tương
lai của luận văn.

4


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

CHƯƠNG 2
TỔNG QUAN
Chương này trình bày tổng quan về truyền thơng tin và năng lượng vô tuyến
(WIPT), đồng thời khảo sát một số cơng trình nghiên cứu liên quan để cung cấp
cái nhìn tồn cảnh về WIPT.

2.1

Truyền năng lượng vơ tuyến
Truyền năng lượng RF vơ tuyến là q trình chuyển tải năng lượng RF từ

một bộ phát đến các thiết bị thu vô tuyến bằng cách tận dụng các đặc tính bức xạ
trường xa của sóng điện từ [2]. Truyền năng lượng RF có tính chất đặc trưng là
cơng suất thấp và khoảng cách lớn, do đó rất phù hợp cho việc cung cấp năng
lượng cho số lượng lớn thiết bị đầu cuối có cơng suất tiêu thụ thấp và phân bố
trong một vùng không gian rộng [3].
Mặc dù kỹ thuật truyền năng lượng RF vô tuyến chỉ mới được nghiên cứu
mạnh mẽ vài năm gần đây, nhưng thực ra nó đã được phát triển từ cuối thế kỷ XIX
bởi Nikola Tesla. Để hiện thực hóa truyền năng lượng RF, thiết bị thu phải được
tích hợp một module là “Bộ thu năng lượng RF” (Hình 2.1). Một “Bộ thu năng
lượng RF” bao gồm các thành phần cơ bản sau: anten thu (hoặc mảng anten thu),
mạch phối hợp trở kháng, mạch chuyển đổi RF-to-DC [4]. Anten có thể được thiết
kế hoạt động trong một hoặc nhiều dãi tần số khác nhau. Mạch phối hợp trở kháng
là một mạch cộng hưởng hoạt động tại tần số thiết kế để tối ưu công suất truyền
giữa anten và mạch chuyển đổi RF-to-DC. Cuối cùng, mạch chuyển đổi RF-to-DC
sử dụng một mạch chỉnh lưu để chuyển đổi tín hiệu RF thành điện áp DC có thể
cung cấp trực tiếp cho tải hoặc để tích trữ vào một bộ dự trữ năng lượng. Hiệu suất
chuyển đổi của bộ thu năng lượng RF phụ thuộc vào sự phối hợp trở kháng giữa
anten với mạch chuyển đổi RF-to-DC và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của

mạch RF-to-DC. Trong truyền năng lượng RF, lượng năng lượng thu thập được có
thể được tính tốn dựa trên phương trình Friss [5]

5


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

EH  PT  GT  P L  GR   

(2.1)

với PT là công suất phát, GT là độ lợi anten phát, P L là suy hao đường truyền, GR
là độ lợi anten thu,  là hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-to-DC và  là thời
gian truyền.
Sóng điện từ

Ăn ten thu

Mạch Phối
hợp trở kháng

Mạch chuyển
đổi RF-DC

Tải hoặc lưu trữ

Hình 2.1 Sơ đồ khối một bộ thu năng lượng RF cơ bản

Ngồi truyền năng lượng RF, có hai loại cơng nghệ truyền năng lượng vô
tuyến mang tên là ghép cảm ứng và ghép cộng hưởng từ. Ghép cảm ứng [6] dựa
trên nguyên tắc ghép từ trường, truyền năng lượng giữa hai cuộn dây được điều
chỉnh cùng tần số. Ghép cảm ứng hiện đang được áp dụng trong nhiều ứng dụng
thực tế như: Sạc điện thoại không dây, thiết bị cấy ghép trong y tế. Tuy nhiên, do
cảm ứng từ sẽ bị giảm đáng kể khi tăng khoảng cách nên ghép cảm ứng thường
chỉ hoạt động trong phạm vi vài centimet [7]. Ghép cộng hưởng từ [8] lợi dụng các
tính chất cộng hưởng từ để tạo ra và truyền năng lượng giữa hai khung cộng hưởng,
nó có thể hoạt động trong phạm vi vài mét. Tuy nhiên, ghép cộng hưởng từ yêu
cầu sự liên kết chặt chẽ giữa các khung cộng hưởng tại bộ thu và bộ phát để đảm
bảo được hiệu suất cao. Cả hai cách tiếp cận này đều là kỹ thuật tryền năng lượng
vơ tuyến ở trường gần, có mật độ công suất và hiệu suất chuyển đổi cao. Vì vậy,
so với truyền năng lượng RF, hai cách tiếp cận này nhìn chung khơng phù hợp để
cung cấp năng lượng cho các thiết bị trong hệ thống thông tin vô tuyến.

6


GVHD: PGS.TS.Hà Hồng Kha

2.2

HVTH: Lê Quang Phan An

Truyền thơng tin và năng lượng vô tuyến
Trong các hệ thống thông tin vơ tuyến truyền thống, tín hiệu RF được sử

dụng với vai trị chính là mơi trường để mang thơng tin. Mới đây, Varshey [9] đề
xuất khái niệm về việc sử dụng tín hiệu RF khơng chỉ để truyền tải thơng tin mà
còn truyền tải năng lượng trong cùng một mạng. Điều này đã mở ra một hướng

nghiên cứu mới là “truyền thông tin và năng lượng vô tuyến”. Trong hệ thống này,
các thiết bị vơ tuyến có thể thu thập năng lượng từ các tín hiệu RF được phát ra
bởi các máy phát và sử dụng năng lượng thu thập được để xử lý hoặc truyền tải
thông tin. Các thiết bị vô tuyến sẽ không bị gián đoạn do hết pin. Hơn nữa, hệ
thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến được kỳ vọng sẽ đạt được hiệu suất
mạng cao hơn, chi phí bảo trì thấp hơn và linh hoạt hơn so với hệ thống thông tin
vô tuyến truyền thống.
Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến gồm hai chế độ hoạt động
chính được minh họa trong Hình 2.2. Trong chế độ thứ nhất, Hybrid – Access Point
(H-AP) truyền năng lượng đến Terminal 1 trong đường xuống, sau đó Terminal 1
sử dụng năng lượng thu thập được từ đường xuống để truyền thông tin đến H-AP
trong đường lên. Chế độ hoạt đồng này gọi là mạng truyền thông năng lượng vô
tuyến (Wireless Powered Communication Network – WPCN). Chế độ thứ 2 được
minh họa bởi Terminal 2 trong Hình 2.2, H-AP có thể truyền thơng tin và năng
lượng trong cùng một tín hiệu RF trong đường xuống. Chế độ hoạt động này được
gọi là truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (Simultaneous Wireless
Information and Power Transfer – SWIPT). Trong SWIPT, bộ thu cần thực hiện
cả việc giải mã thông tin và thu thập năng lượng trong đường xuống với cùng một
tín hiệu nhận được. Một bộ thu SWIPT lý tưởng được giả định là có khả năng thu
thập năng lượng và giải mã thông tin từ cùng một tín hiệu RF. Tuy nhiên, điều này
là khơng đạt được trong thực tế. Để có thực hiện SWIPT trong thực tế, tín hiệu thu
được chia thành hai luồng riêng biệt: một cho thu thập năng lượng và một cho giải
mã thông tin. Một vài cấu trúc bộ thu thực tế cho SWIPT như chuyển mạch thời

7


GVHD: PGS.TS.Hà Hồng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

gian, chia cơng suất, chuyển mạch anten đã được đề xuất trong các nghiên cứu liên
quan [10][11]. Hình 2.3 mơ tả một số cấu trúc của bộ thu SWIPT.

Terminal 1

H-AP

Terminal 2

Truyền năng lượng

Truyền thơng tin

Hình 2.2 Mơ hình hệ thống truyền thơng tin và năng lượng vô tuyến
Thu thập năng
lượng

1 

Thu thập năng
lượng



Giải mã thơng
tin

Bộ chia
cơng suất

Giải mã thơng
tin

(b)
(a)

Thu thập năng
lượng

Giải mã thơng
tin

(c)

Hình 2.3 Các cấu trúc của bộ thu SWIPT: (a) Chuyển mạch thời gian; (b) Chia
công suất; (c) Chuyển mạch anten

8


GVHD: PGS.TS.Hà Hồng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

Bên cạnh đó, việc thiết kế hệ thống SWIPT cho các mạng vô tuyến khác nhau đang
được quan tâm trong thời gian gần đây. SWIPT cho kênh truyền quảng bá MIMO
và kênh truyền can nhiễu MISO được thiết kế và đánh giá trong [9] và [12]. Thuật
toán cấp phát tài nguyên cho SWIPT trong hệ thống vô tuyến băng rộng được
nghiên cứu trong [13].

Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đã có nhiều ứng dụng trong
thực tế [14]. Ứng dụng được áp dụng rộng rãi nhất của kỹ thuật này là mạng cảm
biến vô tuyến nơi mà mỗi nút cảm biến đều được tích hợp một bộ thu thập năng
lượng để cung cấp năng lượng cho nó. Loại ứng dụng này đã được triển khai thành
công bởi Powercast Corp [15]. Theo đó, máy phát năng lượng liên tục gửi tín hiệu
RF tại tần số 915 MHz và bộ thu thập năng lượng trong nút cảm biến chuyển đổi
tín hiệu RF thành điện áp DC để cấp nguồn cho việc truyền nhận thông tin từ nút
cảm biến đến AP tại tần số 2.4 GHz. Một ứng dụng khác cũng được áp dụng rộng
rãi đó là Radio Frequency Identification (RFID), được sử dụng rộng rãi trong
truyền thông, nhận dạng, theo dõi và quản lý tồn kho... [16]. Với những phát triển
của hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến hiện nay, kỹ thuật RFID
truyền thống đã phát triển từ dạng thẻ thụ động sang thẻ thông minh với những
chức năng mới như cảm biến, xử lý dữ liệu trên thẻ, quản lý năng lượng thông
minh. Kỹ thuật truyên thông tin và năng lượng vơ tuyến cũng có thể áp dụng trong
các lĩnh vực y tế (VD: mạng cơ thể không dây [17]).
Vì tính chất suy hao cao khi tăng khoảng cách của tín hiệu RF, hệ thống
truyền thơng tin và năng lượng vô tuyến hiện tại chỉ được áp dụng cho các mạng
vô tuyến với các thiết bị tiêu thụ cơng suất rất thấp ví dụ như cảm biến, thẻ RFID.
Tuy nhiên, với những tiến bộ trong truyền thông vô tuyến như small cells [18] và
milimetter wave [19], kích thước của một cell sẽ giảm đáng kể và khoảng cách
giao tiếp giữa các nút cũng sẽ được giảm tương ứng. Đối với khoảng cách truyền
ngắn trong mạng tế bào tương lai, tác động của suy hao truyền dẫn khơng cịn quá
lớn và hiệu suất thu thập năng lượng sẽ được tăng đáng kể nhờ áp dụng kỹ thuật
beamforming [20], hệ thống massive MIMO [21]. Hơn nữa, công suất hoạt động

9


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

của các thiết bị vơ tuyến sẽ tiếp tục giảm nên có thể thấy kỹ thuật truyền thông tin
và năng lượng vô tuyến sẽ đóng vai trị quan trọng trong rất nhiều hệ thống thương
mại hay cơng nghiệp trong tương lai.

2.3

Tình hình nghiên cứu
Thời gian gần dây, các đề tài về truyền thông tin và năng lượng vô tuyến

được nhiều nhà khoa học và các tổ chức khoa học uy tín tập trung nghiên cứu và
đạt được một số thành tựu nhất định.
Bài báo [22] giới thiệu lý thuyết cơ bản của 3 công nghệ truyền năng lượng
vô tuyến (WPT) là ghép cảm ứng, ghép cộng hưởng từ và bức xạ sóng điện từ đồng
thời phân tích các ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của các công nghệ WPT
tương ứng. Chủ đề nghiên cứu chính của bài báo [22] là cải thiện hiệu suất và
khoảng cách truyền, đồng thời thiết kế mơ hình WPT với nhiều bộ thu phát. Thực
hiện phân tích, đánh giá, phân loại các kỹ thuật WPT hiện đại cùng với những ứng
dụng tương ứng. Cuối cùng là thảo luận về hướng phát triển trong tương lai.
Bài báo [23] đã trình bày về tình hình phát triển hiện nay của công nghệ WPT
và tập trung vào phương pháp đo công suất năng lượng thu thập được của công
nghệ này. Các tác giả đã thảo luận cũng như triển khai thành cơng một mơ hình
thử nghiệm của hệ thống đo lường linh hoạt và tin cậy trong WPT.
Các tác giả trong [24] đã thực hiện nghiên cứu về đồ thị bức xạ cường độ
trường để thu thập năng lượng RF cho các ứng dụng tiêu thụ công suất thấp
(khoảng vài micro-watt). [24] cũng đã trình bày các kết quả đạt được của mơ hình
thu thập năng lượng với các thiết kế anten, các thiết kế bộ thu thập năng lượng và
phương án triển khai khác nhau. Trong đó, các loại anten như anten lưỡng cực,
anten đẳng hướng và anten xoắn ốc đã được sử dụng để đánh giá khả năng thu thập

năng lượng của mỗi loại. Theo đó, các tác giả đã chỉ ra được rằng, anten đẳng
hướng được xác định là anten phù hợp nhất cho các ứng dụng thu thập năng lượng
RF. Ngồi ra thì các ứng dụng thực tế của các hệ thống thu thập năng lượng cũng
được trình bày.
10


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

Bài báo [25] đã khảo sát và tổng hợp dữ liệu của các thí nghiệm thu thập năng
lượng RF gần đây và thể hiện trong Bảng 2.1
Bảng 2.1 Dữ liệu thí nghiệm RF-EH [25]

Nguồn phát

Công
suất
phát

Tần số

Khoảng cách

Năng
lượng
thu thập

(W)

(MHz)

(M)

( W )

Bộ phát RF đẳng hướng

4

902-928

15

5.5

Bộ phát RF đẳng hướng

1.78

868

25

2.3

Bộ phát RF đẳng hướng

1.78

868

27

2

Bộ phát TX 91501 Powercaster

3

915

5

189

Bộ phát TX 91501 Powercaster

3

915

11

1

960,000

674-680

4,100

60

Tháp King-TV

Bài báo [26] đã cung cấp các đánh giá bao quát về tình hình nghiên cứu các
mạng vơ tuyến có khả năng thu thập năng lượng RF (RF-EHNs). Đầu tiên, các tác
giả trình bày tổng quan về RF-EHNs bao gồm kiến trúc hệ thống, kỹ thuật thu thập
năng lượng RF và những ứng dụng hiện hữu. Sau đó, bài báo trình bày các vấn đề
nền tảng trong thiết kế cũng như trong triển khai các mạch hiện đại. Các tác giả
cũng phân tích, đánh giá các giao thức truyền thông được thiết kế đặc biệt cho RFEHNs theo các kiểu mạng khác nhau như mạng đơn trạm, mạng đa anten, mạng
chuyển tiếp và mạng vô tuyến nhận thức. Cuối cùng, bài báo cung cấp một vài
hướng phát triển của đề tài trong tương lai.
Trong bài báo [27], các tác giả đã cung cấp kiến thức tổng quan về các hệ
thống truyền năng thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT). Đặc biệt,
các tác giả tập trung phân tích, đánh giá về triển khai phần cứng của các mạch
anten chỉnh lưu, các kỹ thuật thực tế để có thể đạt được SWIPT trong miền thời
gian, miền công suất, miền anten và miền khơng gian. Bài báo cũng thảo luận
những lợi ích của việc tích hợp các cơng nghệ SWIPT trong các mạng truyền thông
hiện đại trong bối cảnh phân bổ tài nguyên và mạng vô tuyến nhận thức hợp tác.

11


GVHD: PGS.TS.Hà Hoàng Kha

HVTH: Lê Quang Phan An

Bài báo [28] tập trung vào việc áp dụng công nghệ anten thông minh tiên tiến
như kỹ thuật đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO) và kỹ thuật chuyển tiếp vào SWIPT.
Những công nghệ anten thơng minh này có khả năng cải thiện đáng kể hiệu suất
năng lượng cũng như là hiệu suất sử dụng phổ trong SWIPT. Những giao thức
mạng đơn người dùng và đa người dùng cũng đã được xem xét, cùng với một vài
giải pháp khả thi để đạt được sự tương nhượng giữa hiệu năng và độ phức tạp của
hệ thống. Ngoài ra, bài báo cũng thảo luận về chi tiết về những thách thức trong
các nghiên cứu về thiết kế hệ thống SWIPT.
Bài viết [29] đã xem xét các vấn đề về bảo mật trong các kịch bản SWIPT
khác nhau, với trọng tâm là thảo luận về những thách thức và cơ hội tương ứng
trong việc triển khai SWIPT. Hơn nữa, các tác giả cung cấp một khảo sát về nhiều
kỹ thuật bảo mật lớp vật lý để cải thiện khả năng bảo mật. Đặc biệt, bài báo cũng
đề xuất sử dụng kỹ thuật massive MIMO để nâng cao hiệu suất truyền năng lượng
và truyền thông tin an toàn đồng thời. Cuối cùng, bài báo đề xuất một vài hướng
nghiên cứu tiềm năng để nâng cao tính bảo mật trong các hệ thống SWIPT.
Các tác giả trong [30] đã cung cấp thông tin tổng quan về các mô hình mạng
truyền thơng năng lượng (WPCN) cơ bản và các kỹ thuật nâng cao hiệu năng tương
ứng để có thể xây dựng một WPCN hiệu quả. Các tác giả cũng thực hiện so sánh
với các mạng truyền thông sử dụng năng lượng từ pin và mạng truyền thông thu
thập năng lượng vĩnh cửu từ môi trường, họ đã chỉ ra rằng WPCN cải thiện đáng
kể về băng thông cũng như độ tin cậy cho mạng. Mặc dù các kỹ thuật được sử
dụng trong WPCN cũng tương tự như trong các mạng truyền thơng vơ tuyến truyền
thống nhưng do việc tích hợp truyền năng lượng trong hệ thống nên yêu cầu phải
hệ thống có thiết kế phức tạp hơn nhiều.
Bài báo [31] nghiên cứu về tối ưu hiệu suất năng lượng trong WPCN thông
qua việc phối hợp giữa phân bổ thời gian và kiểm sốt năng lượng, đồng thời tính
đến năng lượng pin ban đầu của mỗi người dùng. Đầu tiên các tác giả nghiên cứu
về vấn đề tối ưu hiệu suất năng lượng trong WPCN mà khơng có bất kỳ ràng buộc
nào về chất lượng dịch vụ. Họ đã cho thấy bài toán tối ưu hiệu suất năng lượng

12