Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin và viễn thông, nhu cầu kết nối và trao đổi thông tin ngày càng tăng cao, đặc biệt với sự bùng nổ của các thiết bị di động thông minh. Theo ước tính, số lượng người dùng thiết bị di động trên toàn cầu đã vượt qua hàng tỷ người, tạo áp lực lớn lên hạ tầng mạng truyền thông. Các thế hệ mạng viễn thông từ 1G đến 4G đã trải qua nhiều cải tiến, tuy nhiên vẫn tồn tại hạn chế về phổ tần và hiệu năng truyền dẫn. Công nghệ đa truy cập không trực giao (NOMA) được đề xuất như một giải pháp cho mạng 5G nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần bằng cách cho phép nhiều người dùng cùng truy cập trên cùng một tài nguyên tần số với các mức công suất khác nhau.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái thông tin kênh (CSI) và kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự (SIC) không lý tưởng lên hiệu năng của mạng hợp tác hai chiều trong ngành Kỹ thuật Điện tử. Mục tiêu chính là xây dựng mô hình hệ thống truyền thông hợp tác hai chiều, phân tích xác suất dừng hệ thống trong môi trường kênh fading Rayleigh với các lỗi ước tính kênh và triệt can nhiễu không hoàn hảo. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi thời gian từ 2018 đến 2020, tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, với mô phỏng trên phần mềm Matlab sử dụng phương pháp Monte Carlo.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu năng mạng truyền thông hợp tác hai chiều, góp phần cải thiện độ tin cậy, bảo mật và hiệu quả sử dụng phổ tần trong các hệ thống viễn thông hiện đại, đặc biệt trong bối cảnh phát triển mạng 5G và các ứng dụng IoT.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Truyền thông vô tuyến: Là nền tảng cho các hệ thống mạng không dây, truyền thông vô tuyến cho phép kết nối linh hoạt nhưng chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như suy hao, nhiễu và tán xạ.

  • Hệ thống truyền thông hợp tác hai chiều: Mạng hợp tác hai chiều cho phép trao đổi thông tin đồng thời giữa hai nút nguồn thông qua một nút chuyển tiếp, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ và độ tin cậy. Mô hình này sử dụng kỹ thuật chuyển tiếp hai chặng (two-hop relaying) với các phương thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF).

  • Kỹ thuật đa truy cập không trực giao (NOMA): Cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng tài nguyên tần số bằng cách phân bổ công suất khác nhau và sử dụng kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự (SIC) để giải mã tín hiệu.

  • Ước tính trạng thái thông tin kênh (CSI): CSI cung cấp thông tin về điều kiện kênh truyền, giúp điều chỉnh công suất và kỹ thuật truyền dẫn. Tuy nhiên, trong thực tế, CSI không hoàn hảo do lỗi ước tính, ảnh hưởng đến hiệu năng hệ thống.

  • Kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự (SIC): SIC được sử dụng để loại bỏ nhiễu từ các tín hiệu khác nhau trong NOMA, tuy nhiên khi SIC không lý tưởng sẽ gây ra lỗi triệt can nhiễu, ảnh hưởng đến hiệu năng giải mã.

Các khái niệm chính bao gồm xác suất dừng hệ thống (Outage Probability), tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SINR), và các tham số kênh fading Rayleigh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập và phân tích các tài liệu khoa học, bài báo chuyên ngành về truyền thông vô tuyến, NOMA, CSI và SIC.

  • Xây dựng mô hình hệ thống: Mô hình mạng hợp tác hai chiều với hai nút nguồn và một nút chuyển tiếp, phân tích xác suất dừng dựa trên các tham số kênh và lỗi ước tính.

  • Phân tích toán học: Phát triển công thức tính xác suất dừng hệ thống trong các trường hợp CSI và SIC không lý tưởng, với các biến số như khoảng cách giữa các nút, hệ số công suất, và hệ số tương quan ước tính kênh.

  • Mô phỏng: Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab sử dụng phương pháp Monte Carlo để kiểm chứng các công thức lý thuyết và đánh giá ảnh hưởng của các tham số hệ thống.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu diễn ra từ tháng 10/2018 đến tháng 3/2020, bao gồm giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, phân tích lý thuyết, mô phỏng và tổng hợp kết quả.

Cỡ mẫu mô phỏng được lựa chọn đủ lớn để đảm bảo độ tin cậy của kết quả, phương pháp chọn mẫu dựa trên các kịch bản thực tế về khoảng cách và điều kiện kênh truyền.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của CSI không lý tưởng lên xác suất dừng hệ thống: Khi hệ số tương quan ước tính kênh ρ giảm từ 1 (lý tưởng) xuống khoảng 0.7, xác suất dừng hệ thống tăng lên khoảng 15-20%, cho thấy lỗi ước tính kênh làm giảm đáng kể hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.

  2. Tác động của SIC không lý tưởng: Trong trường hợp triệt can nhiễu tuần tự không hoàn hảo (ε = 1), xác suất dừng tăng thêm khoảng 10% so với trường hợp SIC lý tưởng (ε = 0), đặc biệt khi công suất phát của các nút nguồn không được điều chỉnh hợp lý.

  3. Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các nút: Khi khoảng cách từ nút nguồn X1 đến nút chuyển tiếp R nhỏ hơn khoảng cách từ X2 đến R (d1 < d2), xác suất dừng hệ thống thấp hơn khoảng 12% so với trường hợp ngược lại (d1 > d2), do công suất phát và điều kiện kênh tốt hơn.

  4. Hiệu quả của mô hình mạng hợp tác hai chiều với NOMA: Mô hình cho thấy khả năng giảm xác suất dừng hệ thống xuống dưới 5% khi các tham số công suất và ước tính kênh được tối ưu, vượt trội so với mạng một chiều truyền thống.

Các kết quả trên được minh họa qua các biểu đồ xác suất dừng theo biến đổi hệ số tương quan ước tính kênh, hệ số công suất, và khoảng cách giữa các nút, cũng như bảng so sánh xác suất dừng trong các trường hợp SIC lý tưởng và không lý tưởng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng xác suất dừng là do lỗi trong ước tính trạng thái thông tin kênh và triệt can nhiễu không hoàn hảo, làm giảm hiệu quả giải mã tín hiệu tại nút chuyển tiếp và các nút nguồn. So với các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào ảnh hưởng riêng lẻ của CSI hoặc SIC, nghiên cứu này kết hợp đồng thời hai yếu tố, cung cấp cái nhìn toàn diện hơn về hiệu năng hệ thống.

Kết quả phù hợp với các báo cáo ngành cho thấy việc cải thiện độ chính xác ước tính kênh và nâng cao hiệu quả triệt can nhiễu là yếu tố then chốt để tối ưu hóa mạng NOMA hợp tác hai chiều. Ngoài ra, việc điều chỉnh công suất phát phù hợp với khoảng cách giữa các nút cũng góp phần giảm thiểu xác suất dừng.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp công thức tính toán xác suất dừng có tính ứng dụng cao, giúp các nhà thiết kế mạng viễn thông đánh giá và tối ưu hệ thống trong điều kiện thực tế có nhiều yếu tố không lý tưởng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Cải thiện kỹ thuật ước tính trạng thái thông tin kênh (CSI): Áp dụng các thuật toán ước tính kênh tiên tiến, như ước tính dựa trên học máy hoặc lọc Kalman, nhằm nâng cao hệ số tương quan ước tính ρ lên gần 1, giảm thiểu lỗi ước tính. Thời gian thực hiện: 12-18 tháng. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp viễn thông.

  2. Nâng cao hiệu quả triệt can nhiễu tuần tự (SIC): Phát triển các giải pháp phần cứng và phần mềm để giảm lỗi triệt can nhiễu ε, ví dụ như cải tiến thuật toán giải mã và tăng cường xử lý tín hiệu. Thời gian thực hiện: 12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất thiết bị và nhóm nghiên cứu kỹ thuật.

  3. Tối ưu hóa công suất phát theo khoảng cách: Xây dựng cơ chế điều chỉnh công suất động dựa trên vị trí và điều kiện kênh để giảm xác suất dừng, đặc biệt trong mạng hợp tác hai chiều. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể thực hiện: các nhà khai thác mạng và nhóm phát triển phần mềm quản lý mạng.

  4. Mở rộng mô hình nghiên cứu cho mạng đa nút và đa chặng: Nghiên cứu ảnh hưởng của CSI và SIC không lý tưởng trong các mạng hợp tác đa chặng và đa người dùng để áp dụng trong các hệ thống phức tạp hơn. Thời gian thực hiện: 18-24 tháng. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học.

Các giải pháp trên cần được phối hợp đồng bộ để đạt hiệu quả tối ưu, đồng thời cần có sự hỗ trợ từ chính sách và đầu tư của các tổ chức liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử và Viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình mạng hợp tác hai chiều, kỹ thuật NOMA, CSI và SIC, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

  2. Kỹ sư phát triển mạng viễn thông: Các kỹ sư có thể áp dụng công thức và mô hình phân tích xác suất dừng để tối ưu hóa thiết kế và vận hành mạng 5G, nâng cao hiệu năng và độ tin cậy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị viễn thông: Thông tin về ảnh hưởng của CSI và SIC không lý tưởng giúp cải tiến thiết bị thu phát, thuật toán giải mã và quản lý công suất, nâng cao chất lượng sản phẩm.

  4. Nhà hoạch định chính sách và quản lý mạng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật, chính sách phát triển hạ tầng mạng phù hợp với xu hướng công nghệ mới, đảm bảo hiệu quả đầu tư và khai thác.

Mỗi nhóm đối tượng có thể sử dụng luận văn như tài liệu tham khảo để nâng cao năng lực chuyên môn, phát triển sản phẩm hoặc hoạch định chiến lược phát triển mạng viễn thông.

Câu hỏi thường gặp

  1. CSI là gì và tại sao nó quan trọng trong mạng hợp tác hai chiều?
    CSI (Channel State Information) là thông tin về trạng thái kênh truyền, giúp điều chỉnh công suất và kỹ thuật truyền dẫn. CSI chính xác giúp giảm xác suất dừng và nâng cao hiệu năng mạng, trong khi CSI không lý tưởng làm giảm chất lượng truyền dẫn.

  2. Kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự (SIC) hoạt động như thế nào trong NOMA?
    SIC giải mã tín hiệu mạnh nhất trước, sau đó loại bỏ tín hiệu này khỏi tín hiệu tổng thể để giải mã các tín hiệu yếu hơn. Quá trình này lặp lại cho đến khi giải mã được tín hiệu mong muốn, giúp nhiều người dùng chia sẻ cùng tài nguyên tần số.

  3. Xác suất dừng hệ thống phản ánh điều gì?
    Xác suất dừng là tỷ lệ hệ thống không thể truyền dữ liệu thành công do tín hiệu bị suy giảm hoặc nhiễu quá mức. Đây là chỉ số quan trọng đánh giá độ tin cậy và hiệu năng của mạng truyền thông.

  4. Làm thế nào để giảm ảnh hưởng của CSI và SIC không lý tưởng?
    Có thể cải thiện bằng cách áp dụng thuật toán ước tính kênh tiên tiến, nâng cao hiệu quả triệt can nhiễu, và điều chỉnh công suất phát phù hợp với điều kiện kênh và vị trí các nút trong mạng.

  5. Mô hình mạng hợp tác hai chiều có ưu điểm gì so với mạng một chiều?
    Mạng hợp tác hai chiều cho phép trao đổi thông tin đồng thời giữa hai nút nguồn, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, giảm thời gian truyền tin và tăng độ tin cậy so với mạng một chiều truyền thống.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng thành công mô hình mạng hợp tác hai chiều kết hợp kỹ thuật NOMA, phân tích ảnh hưởng của CSI và SIC không lý tưởng lên xác suất dừng hệ thống trong môi trường kênh fading Rayleigh.
  • Kết quả mô phỏng cho thấy lỗi ước tính kênh và triệt can nhiễu không hoàn hảo làm tăng xác suất dừng, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu năng mạng.
  • Công thức tính xác suất dừng được phát triển có tính ứng dụng cao, hỗ trợ đánh giá và tối ưu hệ thống trong thực tế.
  • Đề xuất các giải pháp cải thiện kỹ thuật ước tính kênh, nâng cao hiệu quả triệt can nhiễu và tối ưu công suất phát nhằm giảm thiểu xác suất dừng.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo là mở rộng mô hình cho mạng đa chặng và đa người dùng, đồng thời áp dụng các thuật toán học máy để nâng cao hiệu năng mạng.

Để tiếp tục phát triển nghiên cứu, các nhà khoa học và kỹ sư được khuyến khích áp dụng mô hình và kết quả luận văn vào thực tiễn, đồng thời phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả mạng viễn thông trong kỷ nguyên 5G và tương lai.