NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI TRONG HỆ THỐNG ĐA ANTEN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

HUỲNH BÁ CƯỜNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN
THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI
TRONG HỆ THỐNG ĐA ANTEN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng, Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------

HUỲNH BÁ CƯỜNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN
THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI
TRONG HỆ THỐNG ĐA ANTEN

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Tử
Mã số
: 60.52.02.03

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGÔ MINH TRÍ

Đà Nẵng - Năm 2018


i

LỜI CAM ĐOAN
Kính gửi: Hội đồng bảo vệ luận văn tốt nghiệp Khoa Điện tử - Viễn thông, Trường
Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
Tôi tên là: Huỳnh Bá Cường
Hiện là học viên lớp Cao học Kỹ thuật điện tử - Khoá 32 - Khoa Điện tử - Viễn
thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng.
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 công bố trong bất kỳ cơng trình nào
khác.
Tác giả luận văn

Huỳnh Bá Cường


ii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ i
MỤC LỤC ..................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU.................................................................................... v
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................... vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................. vii
DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................viii
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................... 1
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .............................................................................. 1
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................... 1
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...................................................................... 2
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI .................................. 2
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN ................................................................................. 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG SWIPT VÀ KỸ THUẬT TRUYỀN
NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY ................................................................................ 4
1.1. Giới thiệu hệ thống ........................................................................................... 4
1.2. Hệ thống SWIPT .............................................................................................. 5
1.2.1. Chuyển mạch thời gian (TS) ...................................................................... 5
1.2.2. Chia công suất (PS) ................................................................................... 6
1.2.3. Chuyển mạch anten (AS) ........................................................................... 6
1.2.4. Chuyển mạch không gian (SS)................................................................... 6
1.3. Kỹ thuật truyền năng lượng không dây ............................................................. 6
1.3.1. Lịch sử hình thành cơng nghệ WPT ........................................................... 7
1.3.2. Cấu trúc mạng thu năng lượng RF ............................................................. 8
1.4. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị thu năng lượng ............................................. 10
1.5. Nguyên lý truyền năng lượng RF .................................................................... 12
1.6. Đặc điểm và các chỉ số đánh giá thu hoạch năng lượng không dây ................. 14
1.6.1. Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF ......................................... 14
1.6.2. Phạm vi hoạt động ................................................................................... 14
1.6.3. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-DC (PCE) ...................................... 14
1.6.4. Yếu tố cộng hưởng .................................................................................. 15
1.6.5. Độ nhạy ................................................................................................... 15
1.7. Các nguồn RF trong không gian tự do ............................................................ 16
1.7.1. Nguồn RF chuyên dụng ........................................................................... 16

1.7.2. Nguồn RF xung quanh ............................................................................. 16
1.8. Một số ứng dụng của thu năng lượng không dây ............................................. 18
1.8.1. Thu năng lượng RF trong y tế và chăm sóc sức khỏe ............................... 18
1.8.2. Phân tập tần số......................................................................................... 19
1.8.3. Mạng cảm biến không dây (IoT/WSN) .................................................... 19
1.9. Kết luận chương ............................................................................................. 19
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO ...................................... 21
2.1. Giới thiệu chương ........................................................................................... 21
2.2. Tổng quan hệ thống đa kênh truyền MIMO .................................................... 22
2.2.1. Khái niệm về hệ thống MIMO ................................................................. 22
2.2.2. Ưu điểm của kỹ thuật MIMO ................................................................... 23


iii
2.2.3. Khuyết điểm của hệ thống MIMO ........................................................... 24
2.3. MIMO đơn người dùng và MIMO đa người dùng ........................................... 24
2.3.1. MIMO đơn người dùng (SU-MIMO) ....................................................... 24
2.3.2. MIMO đa người dùng (MU-MIMO) ........................................................ 24
2.4. Các kỹ thuật phân tập ..................................................................................... 25
2.4.1. Phân tập thời gian .................................................................................... 26
2.4.2. Phân tập không gian ................................................................................ 27
2.5. Dung lượng và độ lợi trong hệ thống MIMO .................................................. 28
2.5.1. Dung lượng kênh MIMO ......................................................................... 28
2.5.2. Độ lợi trong hệ thống MIMO ................................................................... 28
2.6. Một số khái niệm cơ bản trong MIMO ............................................................ 30
2.6.1. Nhiễu trắng .............................................................................................. 30
2.6.2. Nhiễu xuyên ký hiệu (ISI) ....................................................................... 30
2.6.3. Nhiễu đồng kênh (CCI) ........................................................................... 31
2.6.4. Fading ..................................................................................................... 31
2.6.5. Kỹ thuật định hướng búp sóng (Beamforming) ........................................ 32

2.7. Các kỹ thuật tiền mã hóa cho hệ thống MIMO đa người dùng ........................ 32
2.8. Một số ứng dụng tiêu biểu .............................................................................. 33
2.8.1. Chuẩn 802.11n ........................................................................................ 33
2.8.2. Wimax ..................................................................................................... 34
2.8.3. Công nghệ 4G.......................................................................................... 34
2.9. Kết luận chương ............................................................................................. 34
CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU THÔNG SỐ WMMSE ........ 36
3.1. Giới thiệu chương ........................................................................................... 36
3.2. Mơ hình hệ thống tổng qt hệ thống SWIPT BC MIMO ............................... 37
3.3. Thiết kế bộ thu /phát WMMSE cho hệ thống SWIPT ..................................... 38
3.3.1. Mô hình hệ thống .................................................................................... 38
3.3.2. Phương pháp nhân tử Lagrangian ............................................................ 40
3.3.3. Phương pháp chia đơi Bisection............................................................... 41
3.3.4. Tính tốn tối ưu hệ thống ......................................................................... 43
3.4. Kết luận chương ............................................................................................. 46
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ........................................ 48
4.1. Thiết lập thông số mô phỏng ........................................................................... 48
4.2. Kết quả và đánh giá hiệu suất ......................................................................... 49
4.3. Kết luận chương ............................................................................................. 51
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI ....................................... 52
KẾT LUẬN ........................................................................................................... 52
HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................................................................... 52
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................. 53
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN


iv

TĨM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT TRUYỀN THƠNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI

TRONG HỆ THỐNG ĐA ANTEN
Học viên: Huỳnh Bá Cường. Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử.
Mã số: 60.52.02.03 Khóa: K32. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt – Trong những năm gần đây, người ta nhận thấy rằng các tín hiệu trong tần số vơ tuyến
(Radio Frequence - RF). Ngồi việc truyền thơng tin cịn có thể truyền năng lượng cho các thiết
bị di động trong hệ thống không dây, lĩnh vực này đã thu hút sự chú ý ngày càng tăng của giới
khoa học. Vì lý do này, mạng truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (Simultaneous
Wireless Information and Power Transfer - SWIPT) đã xuất hiện như một công nghệ đầy hứa
hẹn, kết hợp giải mã thông tin (Information Decoding - ID) với các thiết bị thu năng lượng
(Energy Harvesting - EH) để cung cấp cho mạng không dây. Đề tài này khảo sát việc truyền
thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT) trong các mạng MIMO quảng bá nơi
một máy thu năng lượng (EH) và một máy thu giải mã thông tin chia sẻ cùng một nguồn thời
gian và tần số. Đầu tiên, đề tài trình bày tổng quan về hệ thống MIMO và các hệ thống WPT,
các kỹ thuật thu năng lượng bằng sóng RF và các ứng dụng hiện có. Sau đó, đề tài xây dựng
vấn đề sử dụng WMMSE cho SWIPT giúp làm giảm thiểu tổng trọng số MSE của tín hiệu đến
máy thu ID, trong khi việc lưu trữ năng lượng có thể thu được từ tín hiệu của máy thu EH. Tiếp
theo, đề tài đề xuất cấu trúc tiền mã hóa tối ưu của vấn đề và xác định khu vực cân bằng tốt
nhất về năng lượng MSE thông qua việc cập nhật thay thế của bộ tiền mã hóa tuyến tính tại
máy phát với máy thu tuyến tính tại máy thu ID.
Từ khóa – Thu nhận năng lượng, SWIPT, WMMSE, MIMO kênh quảng bá, tiền mã hóa.
TECHNICAL RESEARCH OF SIMULTANEOUS WIRELESS INFORMATION AND
POWER TRANSFER IN MULTI-ANTENNA SYSTEM
Abstract - At present, it is recognized that the signal in radio frequency (RF). In addition to
transmitting information that can transmit energy to mobile devices in wireless systems, the
field has attracted increasing attention from the scientific community. For this reason, the
Simultaneous Wireless Information and Power Transfer (SWIPT) has emerged as a promising
technology, combining Information Decoding (ID) with Energy Harvesting (EH) to provide
wireless. I consider simultaneous wireless information and power transfer (SWIPT) in MIMO
Broadcast networks whereone energy harvesting (EH) user and one information decoding(ID)
user share the same sources of time and frequency. The first, I present the overview of the

MIMO system and WPT systems, RF energy harvesting techniques and existing applications.
Then, I formulate the WMMSE SWIPT problem which minimizes the weighted sum-MSE of
the message signal to the ID user, where assatisfying the requirement on the energy that can be
harvested from the signal at the EH user. Next, I propose the optimal precoder structure of the
problem and identify the best possible MSE- energy tradeoff region through the alternative
update of the linear precoder at the transmitter with the linear receiverat the ID user.
Key words –energy harvesting, SWIPT, WMMSE, MIMO Broadcast, precoding.


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ký hiệu
x; y; N; k
x; y
X; Y
xi
aij
ℂ
AT
AH
A-1
A-T
|| ||
diag(A)
trace(A)
det(A)

Ý nghĩa
In nghiêng, thường hoặc hoa, là các số vô hướng

In đậm, chữ thường là các vector
In đậm, chữ hoa là các ma trận
Phần tử thứ i của vector x
Phần tử hàng i, cột j của ma trận A
Tập hợp các số phức
Chuyển vị của ma trận A
Chuyển vị liên hợp (Hermitian) của ma trận phức A
Nghịch đảo của ma trận vuông A,
Nghịch đảo rồi chuyển vị của ma trận A
Norm p của vector
Đường chéo chính của ma trận A
Trace của ma trận A
Định thức ma trận vuông A


vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Ý nghĩa

AP

Access Point

AS

Antenna Switching

FSPL

Free Space Path Loss

ID

Information Decoding

IoT

Internet of Things

MIMO

Multiple Input, Multiple Output

MIMO BC

MIMO Broadcast

MISO

Multiple Input, Single Output

MRT

Maximum Ratio Transmission

WMMSE

Weighted Minimum Mean Squared Error

PS

Power Splitting

QoS

Quality of Service

RF

Radio Frequency

RFID

Radio-Frequency Identification

SIMO

Single Input, Multiple Output

SISO

Single Input, Single Output

SNR

Signal-to-Noise Ratio

SS

Spatial Switching

SWIPT

Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

TS

Time Switching

UT

User Terminals

AS

Antenna Switching

SS
WPH

Spatial Switching
Wireless Power Harvesting


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Số hiệu
Tên bảng
bảng
1.1
Số liệu thực nghiệm về thu năng lượng bằng sóng RF
1.2
Điện năng tiêu thụ của các thiết bị SoC đã sản xuất
4.1
Thông số mô phỏng hệ thống

Trang
17
18
48


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
Tên hình vẽ
Trang
hình vẽ
1.1
Các kỹ thuật truyền SWIPT trong các miền khác nhau: a) thời gian,
5
b) năng lượng, c) anten và d) không gian; α biểu thị hệ số PS.
1.2
Cấu trúc mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF
9

1.3
Cấu trúc của một hệ thống thu hoạch năng lượng RF
10
1.4
Một số cấu trúc máy thu cơ bản (a) Mạch thu sử dụng đa anten
12
riêng biệt (b) Mạch thu sử dụng chuyển mạch thời gian (c) Mạch
thu chia tách công suất (d) Bộ thu kết hợp.
1.5
Sự phân bố của vùng trường gần và xa trong không gian.
13
2.1
Tổng quan hệ thống MIMO
22
2.2
Mơ hình một hệ thống MIMO
23
2.3
Hệ thống MU-MIMO: MIMO BC
25
2.4
Phân tập theo thời gian.
26
2.5
Các cách phân tập không gian cho hệ thống MIMO.
27
2.6
Kỹ thuật Beamforming.
29
2.7

Ghép kênh không gian giúp tăng tốc độ truyền
29
2.8
Phân tập không gian cải thiện SNR.
30
3.1
Mơ hình truyền thơng tin và năng lượng đồng thời SWIPT
37
3.2
Một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT
38
3.3
Mơ hình một hệ thống MIMO kênh quảng bá cho SWIPT với bộ
38
thu phát.
3.4
Phương pháp chia đơi Bisection
41
4.1
Một mơ hình một hệ thống MIMO BC cho SWIPT với NT=NR=2.
48
4.2
So sánh MSE và tốc độ truyền RATE trong SWIPT MIMO BC
49
4.3
(a)Vùng MSE- Năng lượng (b) Vùng tốc độ thông tin- Năng lượng
50
của phương pháp SWIPT- WMMSE.
4.4
Sự thay đổi giữa tốc độ truyền tín hiệu theo công suất phát

51


1

MỞ ĐẦU

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Trong những năm gần đây, người ta nhận thấy rằng các tín hiệu trong tần số vơ
tuyến (Radio Frequence - RF) ngồi việc truyền thơng tin cịn có thể truyền năng lượng
cho các thiết bị di động trong hệ thống không dây, lĩnh vực này đã thu hút sự chú ý ngày
càng tăng của giới khoa học. Vì lý do này, mạng truyền thông tin và năng lượng vô
tuyến đồng thời (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer - SWIPT) đã
xuất hiện như một công nghệ đầy hứa hẹn, kết hợp với các thiết bị thu năng lượng
(Energy Harvesting - EH) để cung cấp cho mạng không dây. SWIPT cung cấp một ưu
điểm về việc khống chế để đảm bảo yêu cầu về truyền năng lượng và thông tin đồng
thời với giá thành thấp mà không cần thay đổi nhiều phần cứng của máy phát. Kết quả
là, lượng thông tin truyền và năng lượng truyền không thể đạt cực đại đồng thời.
Trong hệ thống SWIPT, thiệt kế máy phát đã được nghiên cứu trong vài năm qua
để tối đa tốc độ giải mã thông tin ở người dùng (Information Decoding - ID) và năng
lượng thu được ở người dùng EH một cách đồng thời. Vấn đề đặt ra là làm thế nào để
tối ưu cho hệ thống SWIPT sử dụng đa anten (Multiple-Input Multiple-Output - MIMO),
để người dùng EH và ID thu được mức năng lượng và thông tin tốt nhất trên cùng một
tài nguyên phổ tần.
Từ những vấn đề nêu trên tôi đề xuất đề tài: “Nghiên cứu kỹ thuật truyền nhận
thông tin và năng lượng đồng thời trong hệ thống đa Anten” để người dùng đồng
thời thu được mức năng lượng và thông tin tốt nhất trong hệ thống SWIPT.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
- Nghiên cứu mơ hình tín hiệu của hệ thống SWIPT.
- Nghiên cứu các thuật toán tối ưu hệ thống giữa máy phát và máy thu.

- Viết chương trình mô phỏng trên Matlab nhằm đánh giá hiệu năng của các thuật
toán tối ưu.
3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
a) Đối tượng nghiên cứu:
- Tìm hiểu mơ hình hệ thống SWIPT sử dụng đa anten MIMO.
- Nghiên cứu các thuật tốn tiền/hậu mã hóa.


2
- Nghiên cứu thuật toán tối ưu cho hệ số WMMSE máy phát.
- Viết chương trình mơ phỏng bằng Matlab.
b) Phạm vi nghiên cứu:
Đề tài sử dụng hệ thống SWIPT để khảo sát và cải thiện chất lượng thu nhận thông
tin trên máy thu ID và năng lượng trên máy thu EH. Ứng dụng các giải pháp tối ưu để
tăng hiệu suất hệ thống.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp thực hiện luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng để
đánh giá hiệu năng của hệ thống:
- Tìm hiểu, phân tích các tài liệu liên quan đến đề tài.
- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, đánh giá ưu, nhược điểm các phương pháp đã
được đề xuất, dựa vào đó đưa ra phương pháp cải thiện chất lượng hệ thống.
- Tìm hiểu các thuật tốn tối ưu có thể áp dụng vào hệ thống SWIPT.
- Nghiên cứu thành phần nhiễu ảnh hưởng đến hệ thống.
- Sử dụng công cụ Matlab để thực hiện mô phỏng hệ thống.
- Đánh giá kết quả đã mơ phỏng của thuật tốn tối ưu hệ thống.
5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời (SWIPT) là một giải
pháp đầy hứa hẹn để tăng thời lượng sử dụng của các thiết bị không dây. Đặc biệt sự
phát triển của công nghệ IoT và mạng cảm biến khơng dây địi hỏi các thiết bị nhỏ gọn
và công suất sử dụng thấp. Bài toán về nguồn năng lượng của các thiết bị này là vấn đề

mà các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển. Việc sử dụng hệ thống SWIPT một
cách tối ưu dự kiến sẽ mang lại một số thay đổi cơ bản trong thiết kế và giải quyết vấn
đề năng lượng cho mạng truyền thông không dây trong tương lai.
6. CẤU TRÚC LUẬN VĂN
Luận văn gồm 4 chương sau đây:
MỞ ĐẦU
Nêu lên được tính cấp thiết, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phương
pháp nghiên cứu và ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SWIPT VÀ KỸ THUẬT TRUYỀN
NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY


3
Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống truyền thơng tin và năng lượng
đồng thời, q trình hình thành công nghệ WPT và các ứng dụng thu năng lượng không
dây.
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO
Trong chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống kênh đa anten phát, đa anten
thu ( kênh truyền MIMO) và một số vấn đề liên quan đến tiền mã hóa trong hệ thống
MIMO.
CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ TỐI ƯU THƠNG SỐ WMMSE
Chương này trình bày mơ hình chung của hệ thống, phương pháp tiền mã hóa tối
ưu trọng số WMMSE, giới thiệu một số phương pháp tối ưu khác nhằm cân bằng vấn
đề truyền tín hiệu và năng lượng được chuyển đổi.
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Mơ phỏng hệ thống dựa theo thuật tốn tối ưu trọng số WMMSE. Để đánh giá
được chất lượng của phương pháp tối ưu WMMSE bằng cách so sánh hiệu suất của hai
tiêu chí thiết kế SWIPT của MIMO BC: WMMSE và tốc độ thông tin.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
Tóm tắt lại kết quả nghiên cứu, đóng góp cũng như hạn chế của đề tài và hướng

nghiên cứu tiếp theo của đề tài.


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

1.1. Giới thiệu hệ thống
Việc thu hoạch năng lượng từ các tín hiệu RF là một giải pháp đầy hứa hẹn để
cung cấp nguồn điện vĩnh viễn và tiết kiệm chi phí cho các mạng khơng dây. So với các
phương pháp thu hoạch năng lượng truyền thống (EH) phụ thuộc vào các nguồn bên
ngoài, như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, thu hoạch năng lượng từ tín hiệu RF
có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dây theo yêu cầu bất cứ lúc nào và
do đó mang lại sự tiện lợi và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các hệ thống không dây.
Hơn thế nữa, cùng với việc áp dụng rộng rãi các kỹ thuật đa anten thu phát (MIMO) và
phủ sóng của các trạm BS trong các hệ thống 5G, có thể truyền tải năng lượng khơng
dây với hiệu quả cao hơn trong tương lai. Bằng cách kết hợp EH với truyền tải thông tin
truyền thống, người ta hi vọng dây kết nối để truyền thông tin và năng lượng cho các
thiết bị di động sẽ bị loại bỏ hoàn tồn trong truyền thơng khơng dây tương lai. Do những
u cầu và tiến bộ kỹ thuật, truyền thông không dây và chuyển đổi năng lượng đồng
thời (SWIPT) là một trong những kỹ thuật chính cho mạng khơng dây 5G và đã gây
được sự quan tâm rộng rãi từ cả giới học thuật lẫn ngành công nghiệp.
Các nghiên cứu tiên phong của SWIPT tập trung vào việc mô tả tốc độ cơ bản và
truyền tải năng lượng với giả định rằng cùng một tín hiệu đồng thời có thể truyền tải
thơng tin và năng lượng. Tuy nhiên, giới hạn bởi các kỹ thuật hiện tại không thể đạt
được sự truyền tải đồng thời thông tin và năng lượng với cùng một tín hiệu trong thực
tế. Do đó, việc đạt được SWIPT chủ yếu phụ thuộc vào kiến trúc của các máy thu phát
và các giao thức hoạt động. Các phương pháp chuyển mạch thời gian (TS) đã được đề
xuất để thực hiện bằng cách thay thế giải mã thông tin và thu hoạch năng lượng theo
cách phân chia theo thời gian. Hoặc một mơ hình phân chia năng lượng (PS), trong đó

tín hiệu thu được chia thành hai phần để thu thập thông tin và lưu trữ năng lượng đồng
thời tại bộ giải mã thông tin và bộ thu năng lượng tách biệt. Trong bài viết này nghiên
cứu một hệ thống phát sóng khơng dây đa đầu vào đầu ra (MIMO) gồm có ba nút, trong
đó một máy thu được năng lượng và một máy thu khác giải mã thông tin riêng biệt, với
tín hiệu được gửi bởi một máy phát thông thường và tất cả máy phát và máy thu có thể


5
được trang bị nhiều anten. 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).
1.2. Hệ thống SWIPT
Các nghiên cứu lý thuyết thông tin ban đầu về SWIPT đã giả định rằng cùng một
tí hiệu có thể truyền tải cả năng lượng và thông tin mà không bị tổn thất, tiết lộ một sự
cân bằng cơ bản giữa thông tin và chuyển đổi năng lượng [1]. Tuy nhiên, việc chuyển
đổi đồng thời này không thể thực hiện được, vì hoạt động thu năng lượng được thực
hiện trong miền RF làm phá hủy nội dung thông tin. Để thực tế đạt được SWIPT, tín
hiệu nhận được phải được chia thành hai phần riêng biệt, một để thu năng lượng và một
để giải mã thông tin. Sau đây, các kỹ thuật đã được đề xuất để đạt được sự phân tách tín
hiệu này trong các miền khác nhau (thời gian, năng lượng, anten, khơng gian) sẽ được
thảo luận.

Hình 1.1: Các kỹ thuật truyền SWIPT trong các miền khác nhau: a) thời gian, b) năng
lượng, c) anten và d) không gian; α biểu thị hệ số PS.
1.2.1. Chuyển mạch thời gian (TS)
Nếu TS được sử dụng, máy thu sẽ chuyển đổi theo thời gian giữa giải mã thông tin
và thu năng lượng [2]. Trong trường hợp này, việc tách tín hiệu được thực hiện trong
miền thời gian và do đó tồn bộ tín hiệu nhận được trong một khe thời gian được sử
dụng để giải mã thông tin hoặc truyền tải điện ở hình 1.1(a). Kỹ thuật TS cho phép thực
hiện phần cứng đơn giản tại máy thu nhưng u cầu đồng bộ hóa thời gian chính xác và

6
lập lịch thông tin/ năng lượng.
1.2.2. Chia công suất (PS)
Kỹ thuật PS đạt được SWIPT bằng cách tách tín hiệu nhận được trong hai luồng
các mức công suất khác nhau sử dụng thành phần PS. Một luồng tín hiệu được gửi đến
mạch chuyển đổi sóng vơ tuyến thành năng lượng và luồng kia được chuyển vào bộ giải
mã thông tin ở hình 1.1(b) [2]. Kỹ thuật PS địi hỏi độ phức tạp của máy thu cao hơn so
với TS và yêu cầu tối ưu hóa hệ số α của PS. Tuy nhiên, nó đạt được SWIPT tức thời,
vì tín hiệu nhận được trong một khe thời gian được sử dụng cho cả giải mã thông tin và
truyền tải năng lượng. Do đó, nó phù hợp hơn cho các ứng dụng có thơng tin quan trọng
hoặc các ràng buộc chậm trễ và gần gũi hơn với lý thuyết thông tin tối ưu.
1.2.3. Chuyển mạch anten (AS)
Thông thường, mảng anten được sử dụng để tạo ra nguồn DC cho hoạt động thiết
bị là đáng tin cậy. Lấy cảm hứng từ phương pháp này, kỹ thuật AS tự động chuyển đổi
từng phần tử anten giữa giải mã / chỉnh lưu để đạt được SWIPT trong phân tập anten ở
hình 1.1(c). Trong sơ đồ AS, anten nhận được chia thành hai nhóm, trong đó một nhóm
được sử dụng để giải mã thơng tin và nhóm khác để thu năng lượng [2]. Kỹ thuật AS
yêu cầu giải pháp tối ưu hóa trong mỗi khung giao tiếp để quyết định việc gán tối ưu các
phần tử anten nhằm giải mã thông tin và thu năng lượng. Đối với kênh relay MIMO giải
mã và chuyển tiếp, nơi nút chuyển tiếp sử dụng năng lượng thu được để truyền lại tín
hiệu nhận được, vấn đề tối ưu hóa được xây dựng và được giải quyết bằng lập trình động
trong [3].
1.2.4. Chuyển mạch khơng gian (SS)
Kỹ thuật SS có thể được áp dụng trong các cấu hình MIMO và đạt được SWIPT
trong phân tập không gian bằng cách khai thác nhiều mức độ tự do (DoF) của kênh can
thiệp [4]. Dựa trên phân tích giá trị số ít (SVD) của kênh MIMO, liên kết truyền thông
được chuyển thành các kênh riêng song song có thể truyền tải thơng tin hoặc năng lượng
ở hình 1.1(d). Tại đầu ra của mỗi kênh riêng có một bộ chuyển đổi đầu ra kênh hoặc để
các mạch giải mã thông thường hoặc mạch sửa chữa. Phân bổ kênh riêng khác nhau là

một vấn đề để tối ưu, đây là một hệ phi tuyến nên việc tối ưu là khó khăn, đặc biệt là
cơng suất tối đa không giới hạn trên mỗi kênh riêng.
1.3. Kỹ thuật truyền năng lượng không dây


7
1.3.1. 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 khơng
dây giúp tránh việc phải lên chi phí và lắp đặt dây cáp điện trong các tòa nhà và cơ sở
hạ tầng. Một trong những thách thức để thực hiện truyền năng lượng không dây là hiệu
quả truyền năng lượng của nó thấp, như là chỉ có một phần nhỏ của năng lượng phát ra
có thể được thu ở thiết bị nhận do mất mát lớn trên đường đi và hiệu quả chuyển đổi DC
thấp của tần số vô tuyến (RF). Ngoài ra, các thiết bị điện tử ban đầu, như thế hệ đầu tiên
của điện thoại di động lại cồng kềnh và bị tiêu thụ điện năng cao. Vì những lý do nêu
trên, truyền điện không dây đã không nhận được nhiều sự chú ý cho đến gần đây, mặc
dù Tesla đã cung cấp một minh chứng thành công với đèn điện chiếu sáng không dây
vào năm 1891.
Trong những năm gần đây, một số lượng đáng kể các nỗ lực nghiên cứu đã được
dành riêng để làm sống lại các tham vọng cũ của truyền điện năng không dây, được thúc
đẩy bởi hai lý do sau đây [6], [7]. Lý do đầu tiên là sự thành công to lớn của mạng cảm
biến không dây (WSNs) đã được áp dụng rộng rãi cho giao thông thông minh, giám sát
môi trường, v.v. Tuy nhiên, hạn chế của WSNs là năng lượng, vì mỗi cảm biến phải
được trang bị một pin mà giới hạn ở một khoảng thời gian trong các trường hợp thực tế
riêng biệt. Việc này gây ra sự tốn kém khi thay thế các pin và các ứng dụng của việc nạp
năng lượng truyền thống (EH) công nghệ dựa trên các nguồn năng lượng tự nhiên là vấn
đề do tính chất liên tục của chúng. Truyền năng lượng 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 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 không dây của một máy đo nhiệt độ và độ ẩm cùng
một màn hình tinh thể lỏng, sử dụng tín hiệu của một kênh truyền hình ở khoảng cách
là 4 km.
Mặc dù các nghiên cứu tổng thể về chủ đề này vẫn còn ở mức sơ khai, tuy nhiên
đã có những kết quả nổi bật được báo cáo trong tài liệu [6], [7]. Trong [6], Varshney lần
đầu tiên đề xuất một hàm dung lượng - năng lượng (capacity-energy) để mô tả sự cân
bằng cơ bản trong việc chuyển giao thông tin và năng lượng đồng thời. Đối với hệ thống


8
đơn anten SISO (một đầu vào và một đầu ra) kênh AWGN với cộng nhiễu biên độ thì
nó đã được hiển thị. Trong đó có sự cân bằng 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 công suất truyền trung bình được thay vào đó, hai mục tiêu trên có thể được
hiển thị cho phù hợp với kênh AWGN SISO với tín hiệu đầu vào Gaussian và do đó sự
cân bằng không quan trọng. Trong [7], Grover và Sahai mở rộng các kênh AWGN anten
chọn lọc tần số với giới hạn cơng suất trung bình, bằng cách này cho thấy một sự cân
bằng cao tồn tại trong phân bổ phổ tần số cho tốc độ truyền tin tối đa so với truyền năng
lượng.
Kỹ thuật thu năng lượng RF hứa hẹn sẽ giúp thay thế nguồn pin hoặc tăng tuổi thọ
của pin trong các thiết bị điện và hệ thống điện năng thấp. Hiện nay, pin chiếm đa số
thiết bị cảm biến từ xa công suất thấp và thiết bị nhúng. Trên thực tế, pin có tuổi thọ hữu
hạn và yêu cầu thay thế định kỳ. Bằng cách áp dụng cơng nghệ thu hoạch năng lượng,
thiết bị có thể tự cung cấp năng lượng cần thiết cho nó hoạt động, từ đó có được tuổi thọ
hoạt động lâu hơn. Như vậy, nhu cầu bảo trì điện sẽ trở nên khơng đáng kể.
Các nguồn năng lượng thu thập từ bên ngoài có sẵn dưới nhiều hình thức như năng
lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng nhiệt, năng lượng điện, động năng, v..v
Trong số đó, năng lượng điện từ phong phú trong khơng gian và có thể được lấy mà
khơng có giới hạn. Sóng điện từ đến từ nhiều nguồn khác nhau như trạm vệ tinh, internet
không dây, đài phát thanh và phát sóng đa phương tiện kỹ thuật số. Hệ thống thu năng

lượng tần số vơ tuyến điện có thể thu nhận và chuyển đổi năng lượng điện từ thành điện
áp một chiều (DC). Các đơn vị chính của một hệ thống thu hoạch năng lượng RF là ăngten và mạch chỉnh lưu cho phép chuyển đổi năng lượng RF hoặc dòng xoay chiều (AC)
thành năng lượng DC.
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. Cơng nghệ này góp phần tạo thuận lợi trong việc hỗ trợ các ứng dụng
với các yêu cầu về chất lượng dịch vụ, nhằm tối ưu hóa tài nguyên băng tần.
1.3.2. Cấu trúc mạng thu năng lượng RF
Một cấu trúc tập trung điển hình của một mạng thu nhận năng lượng sử dụng sóng
RF, như thể hiện trong hình 1.2 có ba thành phần chính, như là các cổng thông tin, các


9
nguồn năng lượng RF và các nút mạng / thiết bị mạng.

Hình 1.2: Cấu trúc mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF
Cổng thơng tin nói chung được gọi là trạm cơ sở (BS), bộ định tuyến không dây
và các trạm lặp. Các nguồn năng lượng RF có thể là máy phát năng lượng RF chuyên
dụng hoặc các nguồn RF xung quanh (ví dụ: tháp truyền hình). Các nút mạng là thiết bị
người dùng giao tiếp với các cổng thông tin. Thông thường, cổng thông tin và các nguồn
năng lượng RF có nguồn cung cấp điện liên tục và cố định, trong khi các nút mạng lấy
năng lượng từ các nguồn RF để hỗ trợ hoạt động của chúng. Trong một số trường hợp,
cổng thông tin và nguồn năng lượng RF có thể giống nhau. Như thể hiện trong hình 1.2,
các đường mũi tên đại diện cho dịng chảy thơng tin, trong khi các đường mũi tên đứt
nét là dòng năng lượng.
Cổng thơng tin có một vùng cung cấp năng lượng và một vùng truyền tải thông tin
được biểu diễn bởi những đường cong đứt trong hình 1.2. Các thiết bị trong vùng cung
cấp năng lượng có thể thu năng lượng RF từ cổng thông tin. Các thiết bị trong vùng
truyền thơng tin có thể giải mã thành cơng các thơng tin truyền từ cổng thơng tin
(gateway). Nói chung, cơng suất hoạt động của thành phần thu năng lượng cao hơn nhiều

10
so với thành phần giải mã thơng tin. Do đó, vùng thu hoạch năng lượng nhỏ hơn vùng
truyền tải thông tin.
1.4. Cấu trúc cơ bản của một thiết bị thu năng lượng
Hình 1.3 giới thiệu cấu trúc của một hệ thống thu hoạch năng lượng RF và các yếu
tố đóng góp vào hiệu suất của tồn bộ hệ thống.

Hình 1.3: Cấu trúc của một hệ thống thu hoạch năng lượng RF
- Applications: Các icationsoạch năng lượng RF thố
- Power management: Gồm thiết bị lưu trữ năng lượng, năng lượng và điện áp đầu ra và có
thể sử dụng hai phương pháp để kiểm soát lưu lượng năng lượng đến, tức là sử dụng
năng lượng thu được và sử dụng năng lượng thu được được lưu trữ. Trong phương pháp
sử dụng năng lượng thu hoạch, năng lượng thu hoạch được sử dụng ngay để cấp nguồn
cho nút mạng. Do đó, để nút mạng hoạt động bình thường, điện năng chuyển đổi phải
liên tục vượt quá nhu cầu năng lượng tối thiểu của nút mạng. Nếu không, nút sẽ bị tắt.
Trong phương pháp sử dụng năng lượng thu được được lưu trữ, nút mạng được trang bị
bộ lưu trữ năng lượng hoặc pin có thể sạc lại để lưu trữ điện đã được chuyển đổi. Bất cứ
khi nào năng lượng thu được cao hơn lượng tiêu thụ của nút, năng lượng dư thừa sẽ
được lưu trữ trong pin để sử dụng trong tương lai.


11
- Rectifier/ Voltage multiplier: Chctifier/ Voltage mu
- Impedance matching netwwork: Một máy thu năng lượng, bao gồm một anten RF,
một bộ kết hợp trở kháng, một hệ số điện áp và một tụ lưu điện, để thu nhận tín hiệu RF
và chuyển đổi chúng thành điện.
- RF generator: Phát năng đi tng thành điệà một tụ lưu
Ở hình 1.4 mơ tả sơ đồ khối cụ thể của một máy thu năng lượng RF. Anten có thể

được thiết kế để hoạt động trên cả hai tần số đơn hoặc nhiều băng tần,trong đó nút mạng
có thể thu thập từ một hoặc nhiều nguồn đồng thời. Tuy nhiên, máy thu năng lượng RF
thường hoạt động trên một dải tần số vì mật độ năng lượng của tín hiệu RF rất đa dạng
về tần số.
Sự kết hợp trở kháng là cách sử dụng một mạch cộng hưởng hoạt động ở tần số
được thiết kế để tối đa hóa việc truyền năng lượng giữa anten và hệ số nhân. Hiệu quả
của việc kết hợp trở kháng cao ở tần số thiết kế. Thành phần chính của hệ số điện áp là
diode của mạch chỉnh lưu, chuyển tín hiệu RF (tín hiệu AC tự nhiên) thành điện áp DC.
Nói chung, hiệu suất chuyển đổi cao hơn có thể đạt được bằng diode với điện áp bên
trong thấp hơn. Các tụ điện đảm bảo để lọc bớt gợn nhiễu năng lượng để tải. Ngoài ra,
khi năng lượng RF khơng có sẵn, tụ điện cũng có thể phục vụ như là một pin dự trữ
trong một thời gian ngắn.
Hiệu suất của máy thu năng lượng RF phụ thuộc vào hiệu quả của anten, độ chính
xác của phối hợp trở kháng của anten và hệ số điện áp, và hiệu suất năng lượng của bộ
nâng áp chuyển đổi tín hiệu RF thu được sang điện áp DC. Đối với cấu trúc nút chung
được giới thiệu ở trên, nút mạng có bộ thu năng lượng RF và bộ thu phát RF riêng biệt.
Do đó, nút có thể thực hiện thu năng lượng và truyền thông dữ liệu đồng thời. Nói cách
khác, cấu trúc này hỗ trợ việc thu năng lượng cả trong dải tần và ngoài dải tần. Trong
thu năng lượng RF trong dải, nút mạng có thể thu được năng lượng RF từ cùng một dải
tần số với tần số truyền dữ liệu. Ngược lại, trong việc thu hoạch năng lượng RF ngoài
dải tần, nút mạng thu thập năng lượng RF từ dải tần số khác với tần số sử dụng cho
truyền thơng dữ liệu. Vì các tín hiệu RF có thể mang năng lượng cũng như thơng tin, về
mặt lý thuyết việc thu năng lượng RF và tiếp nhận thơng tin có thể được thực hiện từ
cùng một đầu vào tín hiệu RF. Đây được gọi là khái niệm truyền thông tin và năng lượng
không dây đồng thời (SWIPT). Khái niệm này cho phép máy thu thông tin và máy thu


12
năng lượng RF chia sẻ cùng một anten hoặc mảng anten. Cấu trúc máy thu tương ứng
cho SWIPT được minh họa trong hình 1.4.

(b)

(a)

(d)

(c)

Hình 1.4: Một số cấu trúc máy thu cơ bản (a) Mạch thu sử dụng đa anten riêng biệt
(b) Mạch thu sử dụng chuyển mạch thời gian (c) Mạch thu chia tách công suất (d) Bộ
thu kết hợp.
1.5. Nguyên lý truyền năng lượng RF
Hiểu được tính chất sóng điện từ là rất quan trọng để thiết kế một hệ thống RF
WPH. Tính chất của sóng điện từ khác nhau theo khoảng cách, tần số và môi trường
truyền dẫn. Tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng, người thiết kế cần lựa chọn các thông
số phù hợp cho sóng điện từ để có được kết quả tốt nhất.
Việc suy hao năng lượng trong không gian tự do (Free-Space Path Loss - FSPL) và
để tính FSPL u cầu thơng tin về độ lợi anten, tần số sóng truyền và khoảng cách
giữa máy phát và máy thu. Các đặc tính này được phân thành hai phần: vùng trường
xa và vùng trường gần. Vùng trường gần được coi là không gian nằm trong khoảng
cách của Fraunhofer và vùng trường xa nằm ngoài khoảng cách của Fraunhofer. Sự
phân bố các vùng trường gần và xa được minh họa trong hình 1.5.


13
Khoảng cách của Fraunhofer được định nghĩa là:

df =
Với

2D 2
λ

(1-1)

là khoảng cách của Fraunhofer, D là kích thước tối đa của đường kính của

anten, và λ là bước sóng của sóng điện từ.

Hình 1.5: Sự phân bố của vùng trường gần và xa trong không gian.
Trong thu nhận năng lượng RF, lượng năng lượng có thể thu được phụ thuộc vào
cơng suất phát, bước sóng của tín hiệu RF và khoảng cách giữa nguồn năng lượng RF
và nút thu hoạch. Công suất RF thu được từ máy phát trong không gian tự do có thể
được tính dựa trên phương trình Friis như sau:

GT GR λ2
PR=PT
(2πd)2 L

(1-2)

Trong đó:
là cơng suất thu được,

là công suất phát.

là độ lợi của anten truyền,

là độ lợi của anten phát (dBi).

là bước sóng điện từ ( = ).
L là tổn hao đường truyền.
Từ công thức trên, FSPL,

cho vùng trường xa có thể được suy luận như sau:


14

PT (4πR)2 (4πfR)2
4
PL = =
=
=
(kR)2
2
2
PR GT GR λ GT GR c GT GR

(1-3)

Hoặc

PL (dB)=20log10 (f)+20log10 (R)+20log10 (

4π
)-GT -GR
c

(1-4)

1.6. Đặc điểm và các chỉ số đánh giá thu hoạch năng lượng không dây
1.6.1. Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF
Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF Không giống như thu hoạch năng
lượng từ các nguồn khác, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió và rung động, thu
năng lượng RF có các đặc điểm sau:
 Các nguồn RF có thể cung cấp khả năng điều khiển và chuyển đổi năng lượng
liên tục qua khoảng cách cho các máy thu hoạch năng lượng RF.
 Trong mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF cố định, năng lượng thu được
có thể dự đốn và tương đối ổn định theo thời gian do khoảng cách cố định.
 Do lượng RF thu được phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn RF, các nút mạng ở
các vị trí khác nhau có thể có sự khác biệt đáng kể về năng lượng RF thu được. Các
nguồn RF chủ yếu có thể được phân thành hai loại, tức là các nguồn RF chuyên dụng và
các nguồn RF xung quanh.
Trong việc đánh giá một hệ thống có nhiều tham số cần được đánh giá, các thông
số này quyết định hiệu suất của một thiết kế WPH. Đánh giá sự thay đổi tùy thuộc vào
các ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, các giá trị quan trọng như hiệu suất, độ nhạy,
khoảng cách hoạt động, công suất đầu ra được định nghĩa là các tiêu chuẩn để so
sánh. Ngoài những đặc điểm này, các yếu tố hỗ trợ sản xuất khác như chi phí thấp, quá
trình chế tạo và sản xuất hàng loạt cũng ảnh hưởng đến các tiêu chí đánh giá hệ thống.
1.6.2. Phạm vi hoạt động
Khoảng cách hoạt động chủ yếu liên quan đến tần số hoạt động. Trong thực tế,
truyền ở tần số cao bị suy hao trong khí quyển nhiều hơn ở tần số thấp, tần số thấp có
khả năng đâm xuyên tốt hơn.
1.6.3. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-DC (PCE)
Đây là tỷ số giữa lượng điện áp vào tải và tải của anten. Nói chung, RF-DC PCE
bao gồm hiệu quả của bộ chỉnh lưu, hệ số nhân, và các yếu tố lưu trữ. PCE có thể được

15
tính tốn đơn giản như là tỷ số cơng suất phát đến tải với công suất thu được. Việc truyền
tải RF trong không gian tự do được biểu diễn như sau.

ηPCE =

Pload
Preceive

(1-5)

Trong đó tải Pload là cơng suất phát đến tải và Preceive là năng lượng thu được tại
anten. Các yếu tố xác định giá trị của PCE bao gồm các tham số ký sinh, rò rỉ trong các
mạch, các cấu trúc thiết kế, và ngưỡng phi tuyến của các thành phần điện.
1.6.4. Yếu tố cộng hưởng
Yếu tố cộng hưởng Q thường được định nghĩa là một giá trị mô tả sự cộng hưởng
với băng thông cộng hưởng. Trong các mạch điện, hệ số Q đại diện cho mức điện áp
tăng lên khi hệ thống cộng hưởng ở tần số cộng hưởng. Từ khái niệm này, phương trình
của hệ số Q có thể được biểu diễn dưới dạng cơng thức dưới đây:

Q = 2π

ă

ă

ượ

ượ

ê

đượ

ư
ê

ữ
ỗ

ỳ

ℎ ặ Q=

(1-6)

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

=

(1-7)

=

Trong đó R là điện trở nối tiếp của tụ điện và R L là điện trở nối tiếp của điện

dẫn. Từ các phương trình của Q và Q , chúng ta lưu ý rằng thành phần điện trở là nguyên
nhân của sự tiêu hao năng lượng. Ngoài ra, trong một mạch điện, mất năng lượng có thể
được giảm bằng cách thêm các thành phần phản ứng như tụ điện hoặc cuộn cảm và giảm
thiểu các thành phần điện trở. Kể từ khi có Q cao là một thơng số trong việc thiết kế các
hệ thống WPH.
1.6.5. Độ nhạy
Độ nhạy của một hệ thống WPH được định nghĩa là công suất tối thiểu để hệ thống
có thể hoạt động. Độ nhạy được định lượng như sau: