Tổng quan nghiên cứu

Lưu lượng dữ liệu di động trong kỷ nguyên mạng 5G và 6G đang tăng trưởng bùng nổ với tốc độ ước tính hơn 40% mỗi năm, tạo áp lực khổng lồ lên hiệu quả sử dụng phổ tần và mức độ tiêu thụ năng lượng của các thiết bị đầu cuối. Trong bối cảnh đó, mạng đa truy cập phi trực giao kết hợp thu thập năng lượng không dây nổi lên như một giải pháp đột phá. Đề tài luận văn thạc sĩ "Đánh giá hiệu năng của mạng đa truy cập phi trực giao có thu thập năng lượng với thông tin kênh truyền shadowed fading κ-μ không hoàn hảo và khiếm khuyết phần cứng", mã số chuyên ngành 8520208, được thực hiện bởi tác giả Phạm Hoàng Lai dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Hồ Văn Khương tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, hoàn thành vào ngày 18/12/2023 và bảo vệ chính thức ngày 05/01/2024.

Vấn đề cốt lõi mà công trình tập trung giải quyết là đánh giá định lượng sự suy giảm chất lượng truyền thông khi triển khai hệ thống trong môi trường thực tế, nơi đồng thời tồn tại 4 rào cản kỹ thuật: đặc tính phi tuyến của mạch thu năng lượng, kênh truyền fading kết hợp che khuất phức tạp, lỗi ước lượng kênh và nhiễu méo do khiếm khuyết phần cứng. Mục tiêu nghiên cứu cụ thể là thiết lập các biểu thức giải tích tường minh cho xác suất dừng và thông lượng của các người dùng, đồng thời tối ưu hóa các tham số để loại bỏ triệt để tình trạng mất liên lạc. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp nâng cao thông lượng mạng viễn thông lên hơn 30%, đồng thời cải thiện độ tin cậy kết nối cho hàng triệu thiết bị Internet vạn vật trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên hệ thống lý thuyết viễn thông hiện đại gồm 3 trụ cột chính:

Thứ nhất là kỹ thuật đa truy cập phi trực giao miền công suất, cho phép trạm phát thông tin phục vụ đồng thời bộ thu xa và bộ thu gần trên cùng một kênh tần số thông qua kỹ thuật mã hóa xếp chồng và tách tín hiệu bằng phương pháp khử can nhiễu liên tiếp với hệ số phân bổ công suất cho người dùng xa luôn lớn hơn 0,5. Thứ hai là cơ chế truyền thông tin và cung cấp năng lượng không dây đồng thời dựa trên kiến trúc phân chia thời gian gồm 2 giai đoạn: giai đoạn đầu thu thập năng lượng vô tuyến trong khoảng thời gian xác định và giai đoạn sau truyền dữ liệu. Đặc biệt, mạch thu năng lượng được mô hình hóa theo dạng phi tuyến với mức công suất bão hòa thực tế thay vì giả định tuyến tính đơn giản.

Thứ ba là mô hình kênh truyền tổng quát shadowed fading κ-μ với các tham số đặc trưng cho tỷ số công suất thành phần chiếm ưu thế κ, số lượng cụm đa đường μ và mức độ nghiêm trọng của hiện tượng che khuất m, kết hợp với suy hao đường truyền theo khoảng cách có số mũ suy hao từ 2,0 đến 4,0. Cuối cùng, nghiên cứu tích hợp hai yếu tố thực tế gồm khiếm khuyết phần cứng với hệ số méo tín hiệu nằm trong khoảng 0,08 đến 0,175 theo tiêu chuẩn 3GPP LTE và thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo với phương sai sai số ước lượng tỉ lệ nghịch với tỉ số tín hiệu trên nhiễu trung bình.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích toán học giải tích kết hợp mô phỏng số học Monte Carlo trên phần mềm MATLAB. Nguồn dữ liệu kiểm chứng được tạo lập thông qua 1.000.000 chu kỳ truyền ngẫu nhiên độc lập (cỡ mẫu 10^6 lần lặp), đảm bảo sai số thống kê dưới 0,5% và độ tin cậy khoa học đạt 99%. Phương pháp chọn mẫu áp dụng phân phối độc lập cùng phân bố cho các kênh truyền giữa trạm phát năng lượng trang bị N anten và trạm phát thông tin.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích giải tích là để tìm ra công thức đóng tường minh giúp việc tính toán hiệu năng diễn ra nhanh chóng, trong khi mô phỏng Monte Carlo đóng vai trò đối chứng thực nghiệm chuẩn xác. Để giải quyết các tích phân phi tuyến phức tạp trong biểu thức xác suất dừng, tác giả đã khai thác kỹ thuật tích phân cầu phương Gauss-Chebyshev với 3.000 điểm nút tính toán, mang lại độ chính xác cao với sai số nhỏ hơn 10^-5. Toàn bộ quá trình nghiên cứu được triển khai chặt chẽ từ ngày 04/09/2023 đến ngày 18/12/2023.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, khiếm khuyết phần cứng và thông tin kênh truyền không hoàn hảo làm suy giảm nghiêm trọng độ tin cậy mạng. Cụ thể, khi hệ số khiếm khuyết phần cứng tăng từ 0,05 lên 0,15, xác suất dừng của bộ thu xa tăng hơn 45%, khiến thông lượng hệ thống suy giảm khoảng 28% đến 35% trong vùng công suất phát trung bình từ 15 dBm đến 25 dBm.

Thứ hai, tính phi tuyến của mạch thu năng lượng tạo ra hiện tượng bão hòa công suất rõ rệt. Khi công suất phát của trạm năng lượng vượt quá ngưỡng 30 dBm, thông lượng của toàn mạng không thể tăng tuyến tính mà tiệm cận về một giới hạn trên cố định do mạch thu đạt mức bão hòa.

Thứ ba, việc lựa chọn hệ số phân chia thời gian ở mức 0,35 và hệ số phân bổ công suất cho bộ thu xa ở mức 0,8 giúp tối ưu hóa tổng thông lượng, đồng thời duy trì xác suất dừng của cả hai người dùng ở mức an toàn dưới 10^-2.

Thứ tư, sơ đồ mạng đa truy cập phi trực giao có thu thập năng lượng đạt hiệu năng vượt trội hoàn toàn so với sơ đồ đa truy cập trực giao truyền thống, mang lại mức tăng trưởng thông lượng từ 25% đến 40% trong cùng điều kiện kênh truyền và cấu hình phần cứng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm hiệu năng là do các méo dạng phần cứng đóng vai trò như nguồn nhiễu cộng bổ sung, gây can nhiễu trực tiếp lên quá trình giải mã tín hiệu và làm giảm tỉ số tín hiệu trên can nhiễu cộng nhiễu. So với các nghiên cứu trước đây chỉ khảo sát các kênh fading đơn giản như Rayleigh hoặc Nakagami-m, mô hình shadowed fading κ-μ trong luận văn phản ánh chính xác tác động đồng thời của tán xạ đa đường và vật cản trong môi trường đô thị.

Về mặt biểu diễn dữ liệu, các kết quả được thể hiện trực quan qua các họ đường cong trên đồ thị thông lượng theo công suất phát, đồ thị xác suất dừng theo ngưỡng tốc độ truyền và biểu đồ phân tích độ nhạy theo số lượng anten. Điểm nhấn quan trọng là nghiên cứu đã xác lập được biểu thức toán học xác định ngưỡng tốc độ truyền tối đa R0u. Nếu tốc độ truyền yêu cầu vượt quá ngưỡng này, hệ thống sẽ rơi vào trạng thái dừng hoạt động hoàn toàn với xác suất bằng 1 bất kể công suất phát cao đến mức nào.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm ứng dụng hiệu quả kiến trúc mạng vào thực tiễn, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị kỹ thuật trọng tâm:

  1. Thiết lập ngưỡng tốc độ truyền mục tiêu an toàn: Khuyến nghị các kỹ sư vô tuyến cấu hình tốc độ truyền dữ liệu không vượt quá ngưỡng chặn trên R0u (thường duy trì dưới 1,8 bps/Hz), nhằm loại bỏ hoàn toàn nguy cơ dừng hoạt động hệ thống, thực hiện ngay trong bước thiết kế giao thức mạng ban đầu.
  2. Tối ưu hóa động hệ số phân chia thời gian và công suất: Đề xuất các đơn vị vận hành tích hợp thuật toán tự động điều chỉnh hệ số thời gian thu năng lượng trong dải 0,30 đến 0,40 và hệ số công suất người dùng xa từ 0,75 đến 0,85, giúp nâng cao thông lượng tổng thể thêm 20% đến 30%, cập nhật theo thời gian thực mỗi 100 mili-giây.
  3. Nâng cấp số lượng anten phát tại trạm năng lượng: Đề xuất các nhà mạng viễn thông nâng số lượng anten tại trạm năng lượng từ 1 lên 4 hoặc 8 anten, giúp tăng hiệu suất truyền năng lượng không dây lên gấp 2 đến 3 lần, triển khai trong lộ trình nâng cấp hạ tầng mạng 6 đến 12 tháng tới.
  4. Triển khai thuật toán bù trừ khiếm khuyết phần cứng: Khuyến nghị các nhà sản xuất thiết bị vô tuyến tích hợp vi mạch cân bằng pha và thuật toán ước lượng kênh tự thích nghi nhằm kiểm soát hệ số méo phần cứng dưới mức 0,08, bảo đảm tiến trình khử can nhiễu liên tiếp đạt độ chính xác trên 95%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn cung cấp nguồn tư liệu học thuật và kỹ thuật giá trị cao cho 4 nhóm đối tượng:

  1. Kỹ sư thiết kế và tối ưu mạng viễn thông 5G và 6G: Khai thác các công thức giải tích dạng đóng để tính toán nhanh xác suất dừng và thông lượng mà không cần mô phỏng phức tạp, phục vụ công tác quy hoạch trạm phát sóng và phân bổ tài nguyên.
  2. Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Viễn thông: Sử dụng khung lý thuyết kênh truyền shadowed fading κ-μ và phương pháp tích phân Gauss-Chebyshev làm tài liệu tham khảo chuẩn mực để mở rộng nghiên cứu sang các hệ thống đa ăng-ten quy mô lớn.
  3. Doanh nghiệp nghiên cứu và phát triển thiết bị IoT tự cấp nguồn: Ứng dụng mô hình thu thập năng lượng phi tuyến để tối ưu hóa mạch thu RF cho cảm biến không dây, giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị từ 3 năm lên hơn 10 năm trong các ứng dụng đô thị thông minh.
  4. Cơ quan quản lý và tiêu chuẩn hóa viễn thông: Tham khảo các phân tích thực nghiệm về tác động của khiếm khuyết phần cứng và hiệu quả sử dụng phổ tần để xây dựng các quy chuẩn kỹ thuật cho thiết bị vô tuyến băng rộng.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cần phải áp dụng mô hình thu thập năng lượng phi tuyến thay vì mô hình tuyến tính? Trong thực tế, các mạch thu gom năng lượng chứa các linh kiện bán dẫn như diode nắn dòng và tụ điện có giới hạn dòng bão hòa. Mô hình phi tuyến mô tả chính xác ngưỡng công suất bão hòa thực tế, ngăn ngừa sai số ước tính năng lượng lên tới 30% so với mô hình tuyến tính lý tưởng.

Kênh truyền shadowed fading κ-μ mang lại lợi thế gì so với các mô hình truyền thống? Mô hình κ-μ là phân bố bao quát, có thể suy biến về các phân bố quen thuộc như Rayleigh, Rice, Nakagami-m khi thay đổi tham số. Kênh này mô phỏng đồng thời cả hiện tượng fading đa đường lẫn hiện tượng che khuất, phản ánh chân thực môi trường truyền sóng phức tạp.

Khiếm khuyết phần cứng ảnh hưởng tiêu cực như thế nào đến mạng NOMA? Khiếm khuyết phần cứng tạo ra nguồn nhiễu méo tỷ lệ thuận với công suất phát, làm suy giảm tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Điều này gây khó khăn nghiêm trọng cho bộ thu gần trong việc loại bỏ can nhiễu từ tín hiệu của người dùng xa, làm tăng xác suất dừng lên hơn 40%.

Làm thế nào để hệ thống tránh được hiện tượng dừng hoạt động hoàn toàn? Hệ thống hoàn toàn có thể tránh hiện tượng dừng hoạt động bằng cách kiểm soát tốc độ truyền mục tiêu nằm dưới ngưỡng chặn trên R0u. Ngưỡng này được tính toán chính xác dựa trên mức độ khiếm khuyết phần cứng và các hệ số phân bổ tài nguyên của mạng.

Vì sao mạng NOMA lại vượt trội hơn mạng đa truy cập trực giao thông thường? Mạng NOMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ đồng thời toàn bộ băng thông và thời gian truyền dẫn thông qua phân chia miền công suất. Nhờ đó, hiệu quả sử dụng phổ tần và thông lượng tổng thể của mạng NOMA cao hơn từ 25% đến 40% so với kỹ thuật truyền thống.

Kết luận

  • Luận văn đã thiết lập thành công mô hình mạng đa truy cập phi trực giao có thu thập năng lượng toàn diện, tích hợp đầy đủ 4 yếu tố thực tế gồm tính phi tuyến mạch thu, kênh truyền shadowed fading κ-μ, thông tin kênh không hoàn hảo và khiếm khuyết phần cứng.
  • Đưa ra các biểu thức giải tích dạng đóng tường minh cho xác suất dừng và thông lượng, đạt độ chính xác gần như tuyệt đối với sai số dưới 10^-5 thông qua tích phân Gauss-Chebyshev với 3.000 điểm nút và 1.000.000 mẫu mô phỏng Monte Carlo.
  • Xác định chính xác giới hạn trên của tốc độ truyền mục tiêu, cung cấp giải pháp triệt để giúp hệ thống ngăn chặn hoàn toàn nguy cơ dừng hoạt động.
  • Chứng minh tính ưu việt của sơ đồ NOMA với thông lượng vượt trội hơn từ 25% đến 40% so với sơ đồ OMA truyền thống trong mọi kịch bản khảo sát.
  • Định hướng nghiên cứu tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới là mở rộng mô hình sang hệ thống đa ăng-ten MIMO kết hợp bề mặt phản xạ thông minh và phân bổ tài nguyên thông minh bằng trí tuệ nhân tạo.

Các nhà khoa học, kỹ sư và độc giả quan tâm đến việc phát triển mạng viễn thông thế hệ mới có thể tiếp cận toàn văn luận văn thạc sĩ tại Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh để tham khảo chi tiết toàn bộ các chứng minh toán học và thuật toán tối ưu.