CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG CAO TẦN 1.1 Vai trò của thu hoạch năng lượng 1.1 Sự phát triển của khoa học công nghệ Cách mạng công nghiệp lần thứ 4 lan rộng đã tạo ra một làn sóng mới tác động mạnh mẽ tới mọi mặt của đời sống và trên mọi lĩnh vực. Trong đó, ngành viễn thông, một ngành kinh tế - kỹ thuật gắn liền với khoa học công nghệ, là một trong những ngành chịu ảnh hưởng lớn nhất. Do sự phát triển của công nghệ, các gói cước data mạng và internet giá rẻ được triển khai cho từng cá nhân và hộ gia đình làm cho người tiêu dùng có xu hướng lựa chọn liên lạc bằng các công cụ liên lạc miễn phí qua mạng internet thay vì dịch vụ thoại mất phí như trước đây. Đây chính là mảnh đất mới mở ra cho các doanh nghiệp viễn thông nước nhà.
Với lợi thế mạng lưới rộng khắp, cơ sở hạ tầng có sẵn, ngành viễn thông có tiềm năng thực hiện chuyển đổi số sớm nhất, đóng vai trò định hướng cho các ngành khác trong công cuộc thực hiện chuyển đổi số quốc gia. Cuộc cách mạng của 5th Genneration (5G) Thời điểm hiện tại, mạng 4G đã được đưa vào sử dụng, nhưng theo dự đoán của các nhà phân tích, sẽ liên tục xảy ra tình trạng quá tải thông tin. Nguyên nhân được cho rằng là do số lượng người sử dụng các thiết bị di động nói riêng và các thiết bị truy cập mạng internet nói chung đang tăng rất nhanh. Theo nghiên cứu mới nhất của hiệp hội Global System for Mobile Communications (GSMA) là hiệp hội toàn cầu trong lĩnh vực viễn thông di động, chuyên làm việc với các công ty sản xuất thiết bị đầu và cuối để theo dõi sự tăng trưởng của thị trường di động trên toàn thế giới, chỉ trong vòng 6 năm số lượng kết nối di động đã tăng từ 1.5 tỷ kết nối di động vào năm 2014 lên 6 tỷ kết nối di động vào năm 2020.
Chính vì vậy các chuyên gia viễn thông dự đoán 4G sẽ nhanh chóng bị thay thế. Với ưu thế vượt trội về tốc độ truyền dữ liệu, phạm vi kết nối rộng lớn, công suất cực lớn, độ trễ vô 2 cùng nhỏ, nguồn tiêu thụ thấp, 5G sẽ thực hiện được nhiều tính năng mà 4G không thỏa mãn được. Sự khác biệt giữa mô hình tổng thể 4G với 5G đó là nền tảng cho phép. Trong khi 4G sử dụng các nền tảng hiện tại để hỗ trợ cho các dịch vụ và sự nâng cấp tốc độ truyền tải dịch vụ thì 5G cần phải có nền tảng mới để hỗ trợ cho các dịch vụ mới.
Ngoài ra, lớp dịch vụ đổi mới của 5G cũng là minh chứng cho sự khác biệt. Đó là các dịch vụ Internet of Things (IoT), dịch vụ ghi nhận và truyền tải hình ba chiều, dịch vụ y tế từ xa. Sự nâng cấp mới mẻ và toàn diện về dịch vụ phục vụ con người. Sự khác biệt tiếp theo là cơ sở hạ tầng của 4G và 5G.
Cơ sở hạ tầng của 5G sẽ được nâng cấp từ 4G ví dụ: Multiple In, Multiple Out (MIMO), nâng cấp lên Massive MIMO, sự thay đổi cell, dạng sóng mới, truyền thông mới (Device-to- Device (D2D) , multi-RAT…) Mạng 5G được truyền đi với tần số từ 3,5 GHz đến 6 GHz. Đây là lý do tại sao 5G có thể cung cấp cho người dùng tốc độ download lên tới 10Gb/s, gấp 10 lần những gì 4G có thể đạt được. 5G sử dụng dải sóng milimet có tính định hướng đến các ăng-ten, việc định hướng trực tiếp từ sóng đến các đơn vị thu phát cần được thực hiện bởi sóng điện từ ít có khả năng nhiễu xạ xung quanh các vật cản do bước sóng ngắn, nên dễ bị chặn bởi các vật cản lớn hơn nhiều so với bước sóng của nó. Trong môi trường trong phòng làm việc thì tín hiệu bị chặn khoảng 1% đến 2% mỗi lần khi có hoạt động của một đến năm người.
Đối với người dùng, 5G cũng sẽ tối đa hóa chất lượng trải nghiệm của họ với kết nối cả trong nhà và ngoài trời, đồng thời cung cấp kết nối băng thông rộng có chất lượng cao ngay cả trong các điều kiện khó khăn về mạng. Hiệu năng cao của mạng 5G sẽ giúp con người tiếp cận IoT dễ dàng hơn trong tương lai gần. Dịch vụ IoT (Internet of Things) 3 Internet of Things hay IoT, đề cập đến hàng tỷ thiết bị vật lý trên khắp thế giới hiện được kết nối với internet, tất cả đều thu thập và chia sẻ dữ liệu. Nhờ sự xuất hiện của chip máy tính và sự phổ biến của mạng không dây, có thể biến bất cứ thứ gì từ thứ nhỏ như viên thuốc đến thứ lớn như máy bay trở thành một phần của IoT.
Việc kết nối tất cả các đối tượng khác nhau này và thêm các cảm biến vào chúng sẽ tăng thêm mức độ thông minh cho các thiết bị, cho phép chúng giao tiếp dữ liệu mà không cần đến con người. Internet of Things đang làm cho cấu trúc của thế giới xung quanh chúng ta trở nên thông minh hơn và phản ứng nhanh hơn. Dịch vụ IoT Trên thị trường có rất nhiều đối tượng vật lý có thể được chuyển đổi thành thiết bị IoT nếu nó có thể được kết nối với internet để được điều khiển hoặc truyền đạt thông tin. Bóng đèn có thể được bật bằng ứng dụng điện thoại thông minh là thiết bị IoT, cũng như cảm biến chỉnh nhiệt độ thông minh trong văn phòng và tiến xa hơn là những chiếc xe không người lái.
Bản thân một số vật thể có thể chứa nhiều thành phần IoT, chẳng hạn như một động cơ phản lực hiện có hàng nghìn cảm biến thu thập và truyền dữ liệu trở lại để đảm bảo rằng nó đang hoạt động hiệu quả. Ở quy mô lớn hơn nữa, các dự án thành phố thông minh đang tạo ra những 4 khu đô thị an toàn và tiện ích bằng cách sử dụng các cảm biến để giúp chúng ta giám sát an ninh, kiểm soát môi trường và đưa đến những tiện ích trong sinh hoạt. Các thiết bị IoT sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để kết nối và chia sẻ dữ liệu: nhà và văn phòng sẽ sử dụng Wireless Fidelity (WIFI) hoặc Bluetooth Low Energy tiêu chuẩn hoặc thậm chí Ethernet, các thiết bị khác sẽ sử dụng kết nối Long Term Evolution (LTE) hoặc thậm chí là vệ tinh để liên lạc. IoT tạo ra lượng dữ liệu khổng lồ, từ các cảm biến được gắn vào các bộ phận của thiết bị, các cảm biến về thay đổi môi trường hoặc từ cách chúng ta điều khiển bằng cử chỉ và giọng nói.
Điều đó có nghĩa là IoT là một trình điều khiển quan trọng của các dự án phân tích dữ liệu lớn vì nó cho phép các công ty tạo ra các tập dữ liệu lớn và phân tích chúng. Các gã khổng lồ trong nhiều lĩnh vực đã tính đến điều này: Microsoft có bộ Azure IoT của mình, trong khi Amazon Web Services cung cấp một loạt các dịch vụ IoT, cũng như Google có Google Cloud. Trong kỷ nguyên 5G, khi dịch vụ Internet of Things sẽ lan rộng trên toàn xã hội, nơi tất cả các đối tượng được kết nối sẽ xuất hiện. IoT được ứng dụng vào rất nhiều lĩnh vực: Quản lí và lập kế hoạch quản lí đô thị; Quản lí môi trường; Mua sắm thông minh; Phản hồi trong các tình huống khẩn cấp; Quản lí các thiết bị cá nhân; Bảo trì, dự đoán và giám sát hoạt động y tế…v.2 Yêu cầu về việc cung cấp năng lượng và năng lượng sạch.
Các thiết bị được kết nối chạy bằng pin vốn đã tiết kiệm năng lượng và các công nghệ thu hoạch năng lượng mới xuất hiện có thể giúp giảm thiểu việc sử dụng năng lượng hơn nữa hoặc thậm chí làm cho một số thiết bị điện tử công suất thấp không cần phải sử dụng pin. Công nghệ thu năng lượng là quá trình năng lượng được thu gom từ các nguồn trong môi trường, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, gió, nhiệt, chuyển động,…Từ đó cung cấp năng lượng cho một hệ thống. Việc sử dụng năng lượng thu hoạch mang lại những thách thức lớn cho các thiết kế hệ thống: 5 - Thứ nhất: Nguồn năng lượng phải lấy từ môi trường xung quanh. Điều này dẫn đến những thay đổi cơ bản đối với các thiết kế của hệ thống thu hoạch năng lượng không dây.
- Thứ hai: Quá trình thu năng lượng có thể làm thay đổi các đặc tính của tín hiệu và kênh được sử dụng trong thiết kế hệ thống. Tuy vậy, việc sử dụng năng lượng thu hoạch được cũng tạo ra những cơ hội lớn. Nó cho phép các hệ thống không dây hoạt động lâu dài và bền vững. Nhiều hệ thống không dây thông thường có thể được nâng cấp bằng cách thêm chức năng thu hoạch năng lượng để cải thiện tính bền vững của chúng.
Thu hoạch năng lượng không dây là một trong những tiến bộ gần đây nhất trong kỹ thuật truyền thông. Nó đề cập đến bất kỳ hệ thống thông tin liên lạc nào sử dụng các thiết bị được cung cấp năng lượng từ môi trường xung quanh theo cách không có cáp hoặc không cần pin. Phương thức liên lạc mới này có hai lợi ích chính: - Thứ nhất: Các thiết bị liên lạc thông thường dựa vào pin hoặc kết nối nguồn điện cố định để cung cấp năng lượng. Tuy nhiên, tất cả các loại pin đều có tuổi thọ giới hạn, trong khi các kết nối nguồn điện cố định lại không linh hoạt và cơ động.
Thu hoạch năng lượng không dây cung cấp một giải pháp cho hoạt động liên tục lâu dài và linh hoạt của các thiết bị thông tin liên lạc. Cụ thể, giao tiếp không dây thay thế cáp dữ liệu bằng kết nối không dây, trong khi thu hoạch năng lượng nhằm mục đích thay thế cáp nguồn bằng năng lượng thu hoạch không dây. - Thứ hai: Hiệu quả năng lượng là một vấn đề then chốt trong hệ thống truyền thông không dây. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị không dây thông thường sử dụng pin, chẳng hạn như các nút cảm biến hoặc điện thoại di động.
Do tầm quan trọng này, nhiều nghiên cứu đã được tiến hành để cải thiện hiệu quả năng lượng của truyền thông không dây, bao gồm cả truyền thông xanh. Trên thực tế, hầu hết các nghiên cứu về hệ thống thông tin liên lạc hiện đại là về hiệu 6 suất năng lượng hoặc hiệu quả quang phổ của chúng. Do đó, lợi ích chính của việc thu hoạch năng lượng là tăng sự tiện lợi và cải thiện hiệu quả năng lượng trong thông tin liên lạc.