Chương 1 giới thiệu tổng quan về luận văn. Chương 2 của luận văn sẽ trình bày cơ sở lý thuyết về kênh truyền vô tuyến, tổng quan truyền năng lượng vô tuyến, truyền thông tin và năng lượng vô tuyến, MIMO và các công trình nghiên cứu liên quan. Chương 3 sẽ trình bày về toán tối ưu, mô hình hệ thống MUMIMO- CR-SWIPT, thuật toán PSO và áp dụng để tìm ma trận tiền mã hóa tối ưu. Chương thứ 4 sẽ trình bày các kết quả mô phỏng bằng phần mềm Matlab.
Từ đó, đánh giá về tính khả thi của mô hình cũng như sự hiệu quả của thuật toán. Chương 5 sẽ tóm tắt lại kết quả nghiên cứu, đồng thời đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo của luận án. 4 CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN THÔNG TIN VÔ TUYẾN, VÔ TUYẾN NHẬN THỨC VÀ THU THẬP NĂNG LƢỢNG VÔ TUYẾN Trong chương này, các lý thuyết về đặc tính của kênh truyền vô tuyến, những kỹ thuật sẽ được áp dụng trong luận văn cũng như những nghiên cứu tương ứng trong thời gian gần đây sẽ được giới thiệu để cung cấp cái nhìn tổng quát.1 Kênh truyền vô tuyến Ngày nay, các phương tiện thông tin được chia thành hai phương pháp cơ bản, đó là thông tin vô tuyến và thông tin hữu tuyến. Trong đó, mạng thông tin vô tuyến đóng vai trò quan trọng bởi tính tiện lợi.
Trong mạng thông tin vô tuyến ngoài phần nguồn phát và nguồn thu thì kênh truyền là một trong các thành phần quan trọng nhất và có cấu trúc tương đối phức tạp bởi nó chịu nhiều ảnh hưởng từ môi trường, thời tiết,… 2.1 Khái niệm về hệ thống thông tin vô tuyến Hình 2.1 là cấu trúc đơn giản của một hệ thống thông tin vô tuyến. Đầu tiên, nguồn tin được mã hóa nguồn để giảm thiểu các thông tin dư thừa và mã hóa kênh để chống lại các lỗi do kênh truyền gây ra. Tại máy thu, tín hiệu nhận được sẽ trải qua các quá trình ngược lại so với phía phát. Kết quả là tín hiệu được giải mã và thu lại tại phía thu và chất lượng tín hiệu thu được phụ thuộc vào kênh truyền, các phương pháp mã hóa, điều chế và ghép kênh.
Nguồn Mã hoá nguồn Mã hoá kênh Điều chế, ghép thông tin kênh Kênh vô tuyến Thông tin Giải mã hoá Giải mã hoá kênh Giải điều chế, đích nguồn giải ghép kênh Hình 2.1: Mô hình hệ thống thông tin vô tuyến. 5 Khác với kênh truyền hữu tuyến với các đặc điểm ổn định và có thể dự đoán được, các kênh truyền vô tuyến là hoàn toàn ngẫu nhiên và không dễ dàng phân tích. Dựa vào các đặc tính gây ra biến đổi của tín hiệu trên kênh truyền, ngoài ba hiệu ứng suy hao (Path Loss), che khuất (Shadowing) và đa đường (Multipath) thì thông tin còn chịu ảnh hưởng của hiệu ứng Doppler, …. Chính vì vậy, yêu cầu cơ bản là nắm vững các đặc tính kênh truyền vô tuyến để có thể lựa chọn các cấu trúc của hệ thống, kích thước của các thành phần và thông số tối ưu của hệ thống.2: Ảnh hưởng của kênh truyền đến tín hiệu.2 Các hiện tƣợng ảnh hƣởng đến chất lƣợng kênh truyền vô tuyến 2.1 Suy hao trên kênh truyền Suy hao (Path Loss) là sự suy giảm mật độ công suất của sóng truyền dẫn vô tuyến khi lan truyền thông qua một môi trường trên một khoảng cách.
- Mô hình suy hao trong không gian tự do Suy hao không gian tự do là hiện tượng tín hiệu phát bị suy hao vì năng lượng được phát tán xung quanh anten phát. Tín hiệu đến máy thu theo tầm nhìn thẳng (Line of Sight, LoS). Tỷ số công suất tín hiệu thu và phát trong môi trường tự do là: 2 Pr Gl (2.1) Pt 4 d Với Gl là tích số của độ lợi anten phát và anten thu, là bước sóng của tín hiệu, d là khoảng cách từ phía thu đến phía phát. Công suất tín hiệu thu được biểu diễn dưới dạng dBm: 6 Pr dBm PdBm t 10log10 (Gl ) 20logl ( ) 20log10 (4 ) 20log10 (d ) (2.2) Và suy hao của môi trường tự do: Pt Gl 2 PL dB 10 log10 10 log10 Pr (4 d )2 (2.3) - Mô hình suy hao đơn giản.
Khi cần phân tích tổng quan về thiết kế hệ thống, ta có thể sử dụng một mô hình gần đúng để dự đoán các tổn hao từ số liệu tham chiếu. Mô hình đó gọi là mô hình suy hao đơn giản. Công suất tín hiệu thu trong mô hình suy hao đơn giản được biểu diễn: d0 Pr PK t d (2.4) Hay được biểu diễn dưới dạng dB: d Pr dBm Pt dBm K dB 10 log10 d0 (2.5) Gl 2 Trong đó, K 10 log10 là hằng số đơn vị phụ thuộc vào đặc tính anten và (4 d )2 suy hao kênh truyền trung bình, d 0 là khoảng cách tham chiếu cho trường xa của anten, là hệ số mũ suy hao. Ta có bảng tóm tắt các giá trị của hệ số mũ suy hao trong một số môi trường khác truyền khác nhau (Bảng 2.1: Hệ số mũ suy hao tiêu biểu trong các môi trường truyền Môi trường Khoảng giá trị Macrocells thành thị 3.5 Microcells thành thị 2.5 Tòa nhà (Nhiều tầng) 2-6 Cửa hàng 1.3 Nhà 3 7 - Mô hình tia Suy hao trong không gian tự do ít chính xác vì hiếm khi có trường hợp mà máy thu chỉ nhận được một tia truyền thẳng LoS từ máy phát mà chịu tác động của các hiện tượng tán xạ, nhiễu xạ, phản xạ.
Tuy nhiên, để đơn giản hóa, sử dụng mô hình tia, trong đó giả định một số lượng cố định các mặt phản xạ với vị trí xác định và sử dụng các phương trình hình học để mô tả kênh truyền. Mô hình 2 tia Mô hình 2 tia xây dựng gồm 1 tia LoS và 1 tia phản xạ mặt đất như minh họa trong Hình 2.3: Mô hình 2 tia Mô hình này dùng khi không có chướng ngại vật giữa anten phát và thu; mặt đất coi là phẳng và dẫn điện tốt đối với sóng điện từ. Tín hiệu phản xạ được minh họa bởi hai phân đoạn x và x ' trong Hình 2. Công suất tín hiệu thu được của mô hình 2 tia đối với tín hiệu băng hẹp là: 2 Gl R Gr e 2 j 2 ( x x ' l )/ Pr Pt 4 l x x' (2.8) Với mô hình trong Hình 2.3 với giá trị đủ lớn, ta có các xấp xỉ Gl Gr ,1 e x x(x 1) và R 1.
Thay các xấp xỉ và (2.6) ta có công suất thu được tính như sau: 8 2 2 Gl 4 ht hr 2 Gl ht hr Pr P Pt 4 d d t 2 d (2.9) Hoặc ở dạng dB Pr dBm Pt dBm 10log10 (Gl ) 20log10 (ht hr ) 40log10 (d ) (2.10) Mô hình 10 tia (Dielectric Canyon) Khi đưa vào môi trường đô thị, sẽ có vô số các đường phản xạ từ mặt đường và các toà nhà, hoặc phản xạ qua lại giữa các tòa nhà trước khi đến vị trí của các anten thu. Tuy nhiên, để đơn giản ta bỏ qua các tín hiệu với công suất nhỏ không đáng kể.4 mô tả mô hình 10 tia kết hợp tia LoS và các tia phản xạ từ mặt đất (GR), tia phản xạ một lần trên tường (SW), hai lần phản xạ trên tường (DW), ba lần phản xạ trên tường (TW), kết hợp phản xạ trên tường và mặt đường (WG) và (GW).4: Mô hình 10 tia Với tín hiệu băng hẹp, công suất tín hiệu thu được là: 2 2 j 2 ( xi xi l )/ ' Gl 9 R i Gxi e Pr Pt 4 l i 1 xi xi' (2.11) - Mô hình suy hao từ dữ liệu thực tế. Trong thực tế, để đơn giản hóa, người ta sẽ khảo sát các đặc điểm chung của các môi trường để đưa ra mô hình phù hợp. Một số mô hình suy hao thực tế phổ biến và có tính ứng dụng cao như: mô hình Okumura, mô hình Hata, mô hình Cost 231 Mô hình Okumura được áp dụng để tính cường độ tín hiệu trong dải 150MHz†1920Mz tại khu vực đô thị.
Mô hình áp dụng tính toán tại các điểm trong phạm vi 1km†100km và chiều cao anten trạm BTS là 30m†1000m. 9 Mô hình Hata áp dụng để tính cường độ tín hiệu trong dải 150MHz†1500MHz. Chiều cao anten trạm BTS từ 30†200m, độ cao anten thu từ 1†10m. Mô hình áp dụng tính toán tại các điểm trong phạm vi 1km†100km Mô hình COST 231 là mở rộng của mô hình Hata cho phép tính toán cường độ tín hiệu trong dải 1,5GHz†2GHz tại các điểm trong khoảng 1km†20km.2 Hiệu ứng che khuất (Shadowing) Nguyên nhân che khuất là do các chướng ngại vật tương đối lớn trên đường truyền của tín hiệu vô tuyến (như núi, đồi, các toà nhà cao tầng,…) làm cho biên độ tín hiệu bị suy giảm.
Hiệu ứng che khuất là một quá trình ngẫu nhiên theo phân bố Gauss. Khi kết hợp suy hao và hiệu ứng bóng, công suất tín hiệu phía thu nhận được sự thay đổi theo một hàm ngẫu nhiên theo công thức: d Pr dBm Pt dBm K dB 10 log10 dB d0 (2.12) Sự kết hợp suy hao và hiệu ứng bóng được minh họa trong Hình 2.5: Ảnh hưởng của suy hao và hiệu ứng bóng đến vùng phủ cell Trong đó dB là biến ngẫu nhiên do ảnh hưởng bởi hiệu ứng bóng và có phân bố log-normal dạng: 1 ( dB dB )2 p( dB ) exp 2 dB 2 2 dB (2.13) Với dB là trung bình của dB 10log10 ( ) và dB là độ lệch chuẩn của dB 10 2.3 Hiệu ứng đa đƣờng Hiệu ứng đa đường (Multipath propagation) là hiện tượng sóng đến máy thu là tập hợp các sóng đến từ hướng khác nhau bởi sự phản xạ, khúc xạ, tán xạ từ các toà nhà, cây cối và các vật thể khác (Hình 2. Tín hiệu đến máy thu bao gồm đường truyền thẳng LoS và các đường truyền không thẳng NLoS. Tùy vào pha của các tín hiệu NLoS đến máy thu mà công suất tín hiệu tổng tại máy thu có thể tăng hoặc giảm.