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 thông (Information Communications Technology – ICT) trên toàn 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 toàn thế giới thải ra môi trường khoảng 169 triệu tấn CO2 trong năm 2015, tương đương 0.34% tổng lượng CO2 thải ra trên toàn 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 còn mang lại lợi ích xã hội bằng việc ngăn chặn sự biến đổi khí hậu toàn cầu.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 không 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.Hà Hoàng Kha HVTH: Lê Quang Phan An Từ những phân tích trên, yêu 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 không 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 vô tuyến (Radio Frequency – RF) không có những nhược điểm kể trên và có thể luôn có sẵn theo yêu 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 mô hình sử dụng công nghệ truyền năng lượng RF để có thể cung cấp năng lượng cho các thiết bị vô tuyến. So với mô hình thông tin vô tuyến truyền thống, mô 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 mô 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 hoàn toàn 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.Hà Hoàng Kha HVTH: Lê Quang Phan An 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận văn bao gồm các điểm cơ bản sau: Xây dựng mô 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 mô phỏng để đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông tin và năng lượng vô tuyến.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 công 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 toán tối ưu được kiểm chứng qua các kết quả mô phỏng.
Các kết quả thu được từ quá trình tính toán và mô phỏng, ngoài giá trị phục vụ cho những nghiên cứu và đánh giá sâu hơn còn 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.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 công bố bởi các tổ chức uy tín để xây dựng mô hình, công thức tính toán, và phát triển thuật toán tối ưu. Kết quả sẽ được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB trên máy tính để đánh giá tính khả thi của mô hình đã xây dựng và thuật toán đã phát triển.Hà Hoàng Kha HVTH: Lê Quang Phan An 1.5 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 công 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 mô hình hệ thống WIPT MU-MIMO, áp dụng các lý thuyết về kênh truyền, MIMO để đưa ra các biểu thức tính toán 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 toán tối ưu rút ra từ mô hình hệ thống WIPT MU – MIMO được xây dựng ở chương 3.
Chương thứ 5 sẽ trình bày các kết quả mô 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 mô 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.Hà Hoàng Kha HVTH: Lê Quang Phan An CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN Chương này trình bày tổng quan về truyền thông tin và năng lượng vô tuyến (WIPT), đồng thời khảo sát một số công trình nghiên cứu liên quan để cung cấp cái nhìn toàn cảnh về WIPT.1 Truyền năng lượng vô tuyến Truyền năng lượng RF vô tuyến là quá 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 công 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 công 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. 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 toán dựa trên phương trình Friss [5] 5 GVHD: PGS.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 Mạch chuyển Tải hoặc lưu trữ hợp trở kháng đổi RF-DC Hình 2.1 Sơ đồ khối một bộ thu năng lượng RF cơ bản Ngoài truyền năng lượng RF, có hai loại công 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.