- TỐI ƯU HÓA HIỆU NĂNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN ĐỒNG THỜI. - THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU. - CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG TIN VÀ NĂNG LƯỢNG ĐỒNG THỜI. - 1.2 Hệ thống SWIPT. - 1.3.1 Các đặc điểm của kỹ thuật thu năng lượng RF. - 1.3.3 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-DC (PCE) ...10. - 1.4 Một số ứng dụng của thu năng lượng VÔ TUYẾN ...10. - 1.4.1 Thu năng lượng RF trong y tế và chăm sóc sức khỏe...10. - CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN VÀ KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA………11. - 2.2 Tổng quan hệ thống đa kênh truyền MIMO ...11. - 2.2.1 Khái niệm về hệ thống MIMO ...11. - 2.2.3 Khuyết điểm của hệ thống MIMO...11. - CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU THU CHO HỆ THỐNG SWIPT..12. - 3.2 Thiết kế bộ thu/phát MMSE cho hệ thống SWIPT ...12. - 3.2.1 Mô hình hệ thống ...12. - CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ BẢO MẬT CHO HỆ THỐNG SWIPT. - 4.2 Mô hình hệ thống ...15. - THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 1. - Thông tin chung:. - Tên đề tài: Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến đồng thời. - Mục tiêu 1: Xây dựng mô hình truyền thông tin và năng lượng đồng thời trong thông tin vô tuyến.. - Mục tiêu 2: Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống.. - Gần đây, truyền thông tin và năng lượng đồng thời SWIPT (simultaneous wireless information and power transfer) đã thu hút được sự quan tâm ngày càng tăng của các nhà nghiên cứu, trong đó, tín hiệu vô tuyến cùng tần số được sử dụng để truyền cả thông tin lẫn năng lượng. - Khác với truyền thông vô tuyến truyền thống, hệ thống SWIPT tích hợp bộ thu năng lượng với các thiết bị truyền thông, cho phép các thiết bị vô tuyến vừa giải mã được thông tin vừa chuyển đổi tín hiệu vô tuyến nhận được thành năng lượng phục vụ trực tiếp cho nhu cầu của nó. - Trong SWIPT, khi bộ phát gửi tín hiệu đến bộ nhận giải mã thông tin thì bộ thu năng lượng thu năng lượng từ các tín hiệu này. - Do đó, thiết bị thu năng lượng dễ dàng nghe trộm thông tin. - Vấn đề đặt ra là làm thế nào để trao đổi thông tin được với người nhận thông tin trong khi giảm thiểu việc nghe lén các máy thu năng lượng.. - Trong những năm qua, đã có những công trình nghiên cứu đáng kể về các giải pháp tiền mã hóa trong các mạng truyền thông không dây để tối đa hóa tốc độ ở người sử dụng giải mã thông tin và thu hoạch năng lượng cùng một lúc. - Một trong những bài toán được đặt ra đối với các thiết bị truyền thông vô tuyến là nguồn năng lượng cung cấp để hoạt động. - Tính di động của thiết bị càng cao, vấn đề năng lượng cảng trở nên cấp bách.. - Trong những năm gần đây, người ta đã nhận ra rằng tín hiệu truyền thông vô tuyến có thể được sử dụng đồng thời truyền tải năng lượng cho các thiết bị có khả năng thu thập năng lượng vô tuyến để tự cung cấp năng lượng cho sự hoạt động của chính nó.. - Vì lý do này, kỹ thuật truyền tải thông tin và năng lượng đồng thời SWIPT (simultaneous wireless information and power transfer) đã xuất hiện như là các công nghệ đầy hứa hẹn kết hợp với các thiết bị thu hoạch năng lượng EH (energy harvesting) để cung cấp mạng năng lượng một cách thuận lợi trong mạng thông tin vô tuyến [1], [2].. - Cụ thể, các thuật toán khác nhau đã được khai thác và đề xuất trong các mạng đa anten như giao thoa [3], chuyển tiếp [4], và kênh quảng bá (đường xuống) [5] [6] để tối đa hóa tốc độ sử dụng và năng lượng thu hoạch ở người sử dụng đồng thời.. - Ngoài các giải pháp an toàn và “xanh” hơn nhằm tái tạo năng lượng từ môi trường như khai thác phong, nhiệt năng thì việc khai thác tín hiệu tần số vô tuyến là một nguồn năng lượng mới trong việc tiết kiệm năng lượng.. - Kỹ thuật truyền công suất không dây WPT (wireless power transfer) hay viết ngắn hơn là công suất không dây bao hàm việc truyền năng lượng điện từ nguồn công. - Nói chung, WPT hoạt động được thông qua hiệu ứng cảm ứng điện từ trường gần “near-field” vói khoảng cách ngắn (dưới 1 m) như của các thiết bị nhận dạng tần số vô tuyến RFID (radio-frequency identification) hay bức xạ điện từ trường xa “far-field” ở dạng vi-ba hay laze cho khoảng cách xa (vài hm) như trong các ứng dụng truyền năng lượng từ các vệ tinh năng lượng mặt trời đến trái đất hay vũ trụ. - Điều này là không đáng ngạc nhiên vì đây là hai dòng công việc với những mục tiêu nghiên cứu rất khác nhau: WIT là tối đa hóa khả năng truyền tải thông tin của các kênh vô tuyến phụ thuộc vào các tác nhân gây suy yếu như fading và nhiễu, trong khi WPT là tối đa hóa việc hiệu quả truyền tải năng lượng (được định nghĩa là tỷ số giữa năng lượng thu hoạch và lưu trữ ở bên thu để tiêu thụ so với bên phát) trong môi trường vô tuyến. - Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng các mục tiêu thiết kế giữa WPI và WIT phải được cân đối theo quỹ năng lượng bên phát cho trước, tối đa hoá công suất tín hiệu bên thu (cho WPT) cũng như tối đa hoá dung lượng kênh (cho WIT) đối với nhiễu thu.. - Hiệu năng hệ thống trong kỹ thuật truyền thông tin và năng lượng đồng thời.. - CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG SWIPT VÀ KỸ THUẬT TRUYỀN NĂNG LƯỢNG KHÔNG DÂY. - Trong chương này trình bày tổng quan về hệ thống truyền thông tin và năng lượng đồng thời, quá trình hình thành công nghệ SWIPT và các ứng dụng thu năng lượng không dây.. - CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO. - TỐI ƯU HÓA CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU THU CHO HỆ THỐNG SWIPT. - Chương này trình bày mô hình chung của hệ thống, đề xuất phương pháp tiền mã hóa tối ưu trọng số WMMSE để có được tín hiệu thu tốt nhất dưới ràng buộc công suất phát và năng lượng thu hoạch tối thiểu.. - CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ BẢO MẬT CHO HỆ THỐNG SWIPT. - Chương này đề xuất một thiết kế bảo mật thông tin đơn giản cho hệ thống truyền thông tin và năng lượng đồng thời với cấu hình một bộ phát, một bộ thu thông tin và một bộ thu hoạch năng lượng vô tuyến. - Thiết kế tối ưu dưới các tràng buộc công suất phát và năng lượng thu hoạch tối thiểu nhằm đảm bảo hạn chế tối đa thông tin bị nghe lén từ bộ thu hoạch năng lượng.. - Việc thu hoạch năng lượng từ các tín hiệu RF là một giải pháp đầy hứa hẹn để cung cấp nguồn điện vĩnh viễn và tiết kiệm chi phí cho các mạng không dây. - So với các phương pháp thu hoạch năng lượng truyền thống (EH) phụ thuộc vào các nguồn bên ngoài, như năng lượng mặt trời và năng lượng gió, thu hoạch năng lượng từ tín hiệu RF có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị không dây theo yêu cầu bất cứ lúc nào và do đó mang lại sự tiện lợi và đảm bảo chất lượng dịch vụ cho các hệ thống không dây.. - Hơn thế nữa, cùng với việc áp dụng rộng rãi các kỹ thuật đa anten thu phát (MIMO) và phủ sóng của các trạm BS trong các hệ thống 5G, có thể truyền tải năng lượng không dây với hiệu quả cao hơn trong tương lai. - Bằng cách kết hợp EH với truyền tải thông tin truyền thống, người ta hi vọng dây kết nối để truyền thông tin và năng lượng cho các thiết bị di động sẽ bị loại bỏ hoàn toàn trong truyền thông không dây tương lai. - Do những yêu cầu và tiến bộ kỹ thuật, truyền thông không dây và chuyển đổi năng lượng đồng thời (SWIPT) là một trong những kỹ thuật chính cho mạng không dây 5G và đã gây được sự quan tâm rộng rãi từ cả giới học thuật lẫn ngành công nghiệp.. - Các nghiên cứu tiên phong của SWIPT tập trung vào việc mô tả tốc độ cơ bản và truyền tải năng lượng với giả định rằng cùng một tín hiệu đồng thời có thể truyền tải thông tin và năng lượng. - Tuy nhiên, giới hạn bởi các kỹ thuật hiện tại không thể đạt được sự truyền tải đồng thời thông tin và năng lượng với cùng một tín hiệu trong thực tế. - Các phương pháp chuyển mạch thời gian (TS) đã được đề xuất để thực hiện bằng cách thay thế giải mã thông tin và thu hoạch năng lượng theo cách phân chia theo thời gian. - Hoặc một mô hình phân chia năng lượng (PS), trong đó tín hiệu thu được chia thành hai phần để thu thập thông tin và lưu trữ năng lượng đồng thời tại bộ giải mã thông tin và bộ thu năng lượng tách biệt. - Nội dung chương này sẽ trình bày tổng quan về hệ thống truyền thông tin và năng lượng đồng thời SWIPT, đặc điểm thu hoạch năng lượng và phạm vi ứng dụng của SWIPT.. - 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. - Không giống như thu hoạch năng lượng từ các nguồn khác, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió và rung động, thu năng lượng RF có các đặc điểm sau:. - Các nguồn RF có thể cung cấp khả năng điều khiển và chuyển đổi năng lượng liên tục qua khoảng cách cho các máy thu hoạch năng lượng RF.. - Trong mạng thu nhận năng lượng bằng sóng RF cố định, năng lượng thu được có thể dự đoán và tương đối ổn định theo thời gian do khoảng cách cố định.. - Do lượng RF thu được phụ thuộc vào khoảng cách từ nguồn RF, các nút mạng ở các vị trí khác nhau có thể có sự khác biệt đáng kể về năng lượng RF thu được. - 1.3.3 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF-DC (PCE) 1.3.4 Yếu tố cộng hưởng. - 1.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN 1.4.1 Thu năng lượng RF trong y tế và chăm sóc sức khỏe. - Từ đây có cái nhìn tổng quan về hệ thống SWIPT.. - Đó là những thuộc tính làm cho sóng điện từ RF trở thành một nguồn năng lượng thay thế để thay thế pin trong nhiều ứng dụng. - Đặc biệt, việc thu hoạch năng lượng RF hỗ trợ các thiết bị y tế, chăm sóc sức khỏe năng lượng thấp và tạo điều kiện phát triển WSNs và IoT bằng cách cung cấp tính di động khi sử dụng. - Ngoài ra, tiến bộ trong việc tích hợp mạch thu năng lượng RF vào công nghệ CMOS tạo ra một SoC hoàn toàn không dây.. - Mặc dù công nghệ này vẫn còn nhiều vấn đề, vượt qua những thách thức này có thể dẫn ngành năng lượng mới bước đến một kỷ nguyên mới của năng lượng sạch và bền vững.. - CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA ANTEN VÀ KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA. - 2.2 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐA KÊNH TRUYỀN MIMO 2.2.1 Khái niệm về hệ thống MIMO. - 2.2.2 Ưu điểm của kỹ thuật MIMO 2.2.3 Khuyết điểm của hệ thống MIMO. - Việc ứng dụng MIMO vào thông tin vô tuyến đã được triển khai ứng dụng và đề xuất cho các hệ thống 3G trở đi. - Với các phương pháp tiền mã hóa, công nghệ MIMO có thể được sử dụng rất hữu ích trong các hệ thống thông tin liên lạc không dây. - CHƯƠNG 3 TỐI ƯU HÓA CHẤT LƯỢNG TÍN HIỆU THU CHO HỆ THỐNG SWIPT. - Truyền năng lượng không dây (WPT) là một giải pháp mới đầy hứa hẹn cung cấp nguồn năng lượng thuận tiện và liên tục cho mạng không dây. - Vì các tín hiệu vô tuyến có thể mang năng lượng cũng như thông tin cùng một lúc cho nên chương này tập trung nghiên cứu về truyền thông tin và năng lượng không dây đồng thời (SWIPT). - Cụ thể, chương này trình bày mô hình tổng quát hệ thống SWIPT BC MIMO với máy thu, phát sóng vô tuyến đa ngõ vào đa ngõ ra (MIMO) gồm có ba nút, trong đó một máy thu 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 đều được trang bị hệ thống đa anten. - 3.2 THIẾT KẾ BỘ THU/PHÁT MMSE CHO HỆ THỐNG SWIPT 3.2.1 Mô hình hệ thống. - Trước tiên, chúng tôi giới thiệu 02 biến không âm λ và μ được kết hợp lần lượt với các ràng buộc năng lượng thu hoạch tối thiểu và công suất phát tối đa trong (P3).. - Hình 3.1 Miền MSE-năng lượng thu hoạch (M-E) và miền tốc độ - năng lượng thu hoạch (R-E) với = 100. - Hình 3.2 So sánh năng lượng thu hoạch theo công suất phát khi. - Thuật toán tối ưu được đề xuất để thiết kế các ma trận tiền – hậu mã hoá theo MMSE với ràng buộc thu thu thập năng lượng tại máy thu EH và công suất phát tối đa tại máy phát. - Như đã giới thiệu trong các phần trước, SWIPT là kỹ thuật đầy hứa hẹn khi sử dụng tín hiệu cùng tần số sóng vô tuyến để truyền vừa thông tin lẫn năng lượng. - Trong các hệ thống thông tin di động tiên tiến (5G) hoặc mạng cảm biến không dây IoT, các thiết bị yêu cầu năng lượng được cung cấp một cách liên tục đồng thời phải có khả năng di động, việc sử dụng nguồn pin, accu lớn là không khả thi thì SWIPT là giải pháp cứu cánh [27], [28]. - Khác với cách thức truyền thông vô tuyến truyền thống, SWIPT tích hợp bộ thu giải mã thông tin ID với bộ thu năng lượng EH để có thể giải mã thông tin hoặc chuyển đổi tín hiệu sóng vô tuyến thành năng lượng khi cần thiết [29].. - Trong SWIPT, bên phát gởi thông tin cho các bộ thu giải mã thông tin ID, còn các bộ thu EH thu hoạch năng lượng cũng từ các tín hiệu này. - Trong [32], các tác giả nghiên cứu tính bảo mật cho hệ thống MIMO SWIPT bằng cách tối đa hóa tốc độ bảo mật dưới ràng buộc công suất phát tối đa và năng lượng thu hoạch tối thiểu.. - Động cơ của đề tài là nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn bảo mật cho hệ thống SWIPT đa anten gồm 2 bộ thu ID và EH. - 4.2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG. - và là ma trận đường chéo với các thành phần được tối ưu để thỏa mãn ràng buộc tối thiểu năng lượng thu hoạch. - Chương này nghiên cứu kỹ thuật thiết kế tiền mã hóa để bảo mật thông tin cho hệ thống truyền dẫn MIMO SWIPT. - Do việc sử dụng chung tần số cho truyền thông lẫn thu hoạch năng lượng nên các bộ thu EH có thể dễ dàng nghe lén thông tin từ bên phát cho các bộ thu ID, lúc này, tỷ lệ bảo mật thông tin hệ thống là rất thấp. - Chính vì vậy, chương này đã đề xuất giải thuật thiết kế các hệ thống truyền dẫn sao cho tỷ lệ bảo mật tối ưu với ràng buộc công suất phát tại bộ phát và giới hạn thu hoạch năng lượng tại bộ thu EH. - Đề tài đã nghiên cứu tổng quan về lý thuyết của hệ thống truyền thông tin và năng lương đồng thời (SWIPT). - Kỹ thuật tiền mã hóa tuyến tính được nghiên cứu để có thể áp dụng trong hệ thống SWIPT. - Từ đó đề xuất thuật toán thiết kế các bộ thu / phát cho hệ thống SWIPT theo tiêu chí WMMSE. - Ngoài ra, đề tài cũng đã đề xuất được phương án thiết kế bảo mật cho hệ thống SWIPT dưới các ràng buộc công suất phát và năng lượng thu hoạch tối thiểu.
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt