Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thu thập và tái sử dụng năng lượng là định hướng nghiên cứu nhằm hiện thực hóa khái niệm "năng lượng xanh" trong lĩnh vực viễn thông. Các giải pháp thu thập năng lượng tự nhiên từ môi trường xung quanh như năng lượng mặt trời, gió, thủy triều hoặc địa nhiệt tuy có trữ lượng lớn nhưng đòi hỏi hệ thống thu thập phức tạp và tính ổn định phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên. Do đó, các kỹ thuật này gặp nhiều rào cản khi ứng dụng vào hệ thống thông tin di động, nơi các thiết bị có kích thước nhỏ gọn và năng lực xử lý bị giới hạn.

Để giải quyết vấn đề cung cấp năng lượng cho các thiết bị thông tin vô tuyến thế hệ mới (như mạng 5G, mạng cảm biến không dây, Internet vạn vật - IoT), hướng nghiên cứu thu thập năng lượng từ tần số vô tuyến (Radio Frequency Energy Harvesting - RF-EH) truyền trường xa đã được chú ý. Công nghệ này cho phép máy phát truyền đồng thời năng lượng vô tuyến và tín hiệu thông tin (SWIPT/WPT). Tuy nhiên, năng lượng thu thập được qua kênh truyền fading vô tuyến thường rất nhỏ do suy hao đường truyền lớn, dẫn đến vùng phủ sóng của mạng bị hạn chế.

Để mở rộng vùng phủ sóng và nâng cao chất lượng truyền dẫn, kỹ thuật chuyển tiếp (relay), truyền thông hợp tác, kỹ thuật đa anten (MIMO), truyền song công (Full-Duplex) và mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) đã được kết hợp với kỹ thuật thu thập năng lượng. Dù vậy, các nghiên cứu trước đó bộc lộ một số khoảng trống khoa học:

  1. Đa số nghiên cứu giả định thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) là hoàn hảo, chưa phản ánh đúng sai số trong quá trình ước lượng kênh thực tế.
  2. Việc phân tích xác suất dừng (Outage Probability - OP) ở dạng tường minh (dạng đóng) còn hạn chế; nhiều công trình chỉ dừng lại ở dạng chuỗi vô hạn hoặc sử dụng phép xấp xỉ dựa trên hàm BesselK của Nasir (vốn chỉ chính xác ở vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao và gây sai lệch lớn ở vùng SNR thấp hoặc trung bình).
  3. Thiếu các phân tích trên mô hình kênh tổng quát Nakagami-m cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều có nguồn cấp năng lượng ngoài (Power Beacon - PB).
  4. Các giải pháp thu thập năng lượng trong mạng vô tuyến nhận thức chưa xem xét đầy đủ cơ chế thu thập linh hoạt kết hợp từ nguồn ngoài và máy phát sơ cấp dưới ràng buộc can nhiễu nghiêm ngặt.

Mục tiêu và câu hỏi nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là nghiên cứu, xây dựng mô hình toán học, phân tích và đánh giá hiệu năng của các hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp và vô tuyến nhận thức có tích hợp kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến; từ đó đề xuất các giải pháp giải tích mới và tìm kiếm các tham số tối ưu nhằm nâng cao chất lượng truyền dẫn.

Các nhiệm vụ và mục tiêu cụ thể được xác định như sau:

  1. Xây dựng mô hình toán học và thiết lập công thức dạng đóng của xác suất dừng cho hệ thống chuyển tiếp một chiều trong điều kiện kênh truyền ước lượng không hoàn hảo với hai giao thức phân chia theo thời gian (TS) và phân chia theo công suất (PS).
  2. Phân tích hiệu năng hệ thống chuyển tiếp một chiều đa anten (TAS/MRC), đề xuất kỹ thuật xấp xỉ mới dựa trên chuỗi hàm mũ cho vùng SNR thấp và trung bình.
  3. Đánh giá hiệu năng hệ thống chuyển tiếp một chiều song công (Full-Duplex) trên kênh Nakagami-m có tính đến ảnh hưởng của tự nhiễu và loại bỏ tự nhiễu (SIC).
  4. Xây dựng công thức giải tích dạng tường minh cho xác suất dừng của hệ thống chuyển tiếp hai chiều giải mã và chuyển tiếp (DF) có nguồn năng lượng ngoài (PB) trên kênh fading Rayleigh và Nakagami-m.
  5. Thiết lập mô hình giải tích đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng linh hoạt từ nguồn ngoài PB và máy phát sơ cấp PT dưới ràng buộc ngưỡng nhiễu cho phép $I_p$ tại máy thu sơ cấp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến, tập trung vào: hệ thống vô tuyến chuyển tiếp một chiều, hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hai chiều và hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức; kỹ thuật thu năng lượng từ tín hiệu nội tại của mạng hoặc từ nguồn năng lượng ngoài (Power Beacon).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Lớp vật lý (Physical Layer) theo mô hình tham chiếu kết nối các hệ thống mở OSI.
    • Thông số đánh giá chất lượng: Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability - OP).
    • Mô hình kênh truyền: Kênh fading Rayleigh, kênh fading Nakagami-m, kênh truyền song công có nhiễu dôi dư (RSI), kỹ thuật đa anten MIMO.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu liên quan

Kỹ thuật truyền năng lượng vô tuyến có nguồn gốc từ các ý tưởng của Nikola Tesla [9]. Các nghiên cứu tiếp theo đã phát triển mô hình cho phép truyền đồng thời thông tin và năng lượng vô tuyến [5]. Zhou [12] đã đề xuất các mô hình cụ thể cho máy thu vô tuyến tích hợp bộ thu thập năng lượng. L. Xiao [14] đã công bố sơ đồ khối kiến trúc phần cứng máy thu RF-EH và khảo sát thông số thực nghiệm của các nguồn phát vô tuyến chuyên dụng.

Trên thế giới, các nhóm nghiên cứu tiêu biểu bao gồm:

  • Nhóm nghiên cứu của Rui Zhang (Đại học Quốc gia Singapore - NUS) với các đóng góp nền tảng về truyền năng lượng vô tuyến và xử lý tín hiệu [16].
  • Nhóm của I. Krikidis (Đại học Cyprus) khảo sát kỹ thuật định hình búp sóng (beamforming), truyền thông hợp tác, chuyển tiếp đơn công/song công và xác định tỷ lệ thời gian tối ưu cho việc nạp năng lượng và chuyển tiếp dữ liệu [26].
  • Nhóm của Aylin Yener (Đại học Bang Pennsylvania - Hoa Kỳ) nghiên cứu các chính sách thích ứng cho hệ thống thu thập năng lượng trên kênh fading [28].

Tại Việt Nam, các hướng nghiên cứu liên quan được triển khai bởi:

  • GS. Trần Xuân Nam: Nghiên cứu về kỹ thuật MIMO và các ứng dụng [30]-[32].
  • PGS. Hồ Văn Khương: Nghiên cứu hệ thống truyền thông hợp tác và vô tuyến nhận thức [33]-[37].
  • TS. Hà Hoàng Kha: Nghiên cứu bài toán tối ưu hóa hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác [38]-[40].
  • TS. Trương Trung Kiên: Nghiên cứu kỹ thuật MIMO và hệ thống vô tuyến cộng tác [47]-[49].
  • Nhóm của PGS. Võ Nguyễn Quốc Bảo và TS. Trần Trung Duy: Nghiên cứu truyền thông hợp tác, truyền thông chuyển tiếp, vô tuyến nhận thức, bảo mật lớp vật lý và hệ thống thu thập năng lượng vô tuyến [50]-[57].

Đánh giá các công trình đi trước và khoảng trống khoa học

Khi khảo sát các công trình cụ thể, luận án chỉ ra các giới hạn kỹ thuật:

  • Năm 2016, nghiên cứu của các tác giả [67] khảo sát mạng chuyển tiếp sử dụng năng lượng thu thập nhưng chưa tìm ra biểu thức dạng đóng của OP. Nghiên cứu [68] chỉ biểu diễn OP dưới dạng chuỗi vô hạn và giả định kênh truyền lý tưởng.
  • Năm 2017, nghiên cứu [75] đề xuất giao thức truyền trên mô hình thu thập ngẫu nhiên cho mạng hai chiều; nghiên cứu [76] phân tích hệ thống chuyển tiếp hai chiều DF 3 pha thời gian nhưng chưa đưa ra biểu thức dạng tường minh của xác suất dừng toàn hệ thống trên kênh Nakagami-m.
  • Năm 2018, các nghiên cứu [84], [85] tích hợp kỹ thuật chuyển tiếp song công với thu thập năng lượng từ một nguồn chính nhưng chưa giải quyết triệt để ảnh hưởng của tự nhiễu dôi dư (RSI).
  • Phương pháp phân tích hiệu năng truyền thống của Nasir và cộng sự [72] sử dụng phép xấp xỉ hàm BesselK tại vùng SNR cao. Phương pháp này xuất hiện độ sai lệch lớn khi hệ thống hoạt động ở vùng SNR thấp hoặc trung bình, đặc biệt khi các chặng truyền dẫn có độ suy hao không đối xứng.

Vị trí của luận án là lấp đầy các khoảng trống trên bằng cách phát triển các mô hình giải tích mới, dẫn xuất các biểu thức toán học dạng đóng cho xác suất dừng trong các điều kiện thực tế (kênh truyền ước lượng không hoàn hảo, đa anten, song công, kênh Nakagami-m và mạng nhận thức đa nguồn năng lượng).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Truyền thông hợp tác (Cooperative Communication): Dựa trên khái niệm do Laneman (MIT, 2002) [13] đề xuất, cho phép các thiết bị đơn anten chia sẻ anten ảo để tạo độ lợi phân tập không gian tương đương hệ thống MIMO mà không làm tăng kích thước vật lý của thiết bị cầm tay.
  • Mô hình kênh truyền Nakagami-m: Mô hình kênh truyền sóng tổng quát với tham số fading $m \ge 0.5$. Hàm mật độ phân bố xác suất (PDF) của biên độ suy hao kênh $|h|$ được biểu diễn: $$f_{|h|}(x) = \frac{2m^m x^{2m-1}}{\Omega^m \Gamma(m)} \exp\left(-\frac{mx^2}{\Omega}\right), \quad x \ge 0$$ với $\Omega = E{|h|^2}$ là công suất trung bình, $\Gamma(\cdot)$ là hàm Gamma. Khi $m=1$, kênh trở thành kênh fading Rayleigh; khi $m = \frac{(k+1)^2}{2k+1}$, kênh tương đương kênh fading Rice với hệ số $k$.
  • Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability - OP): Định nghĩa qua xác suất tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời $\gamma_R$ tại đầu vào máy thu thấp hơn ngưỡng giải mã $\gamma_{th}$: $$\text{OP} = \Pr(\gamma_R < \gamma_{th}) = \int_0^{\gamma_{th}} f_{\gamma_R}(\gamma) d\gamma$$
  • Kiến trúc vật lý máy thu RF-EH: Gồm anten thu nhận dải tần xác định, mạch phối hợp trở kháng (Impedance Matching), mạch chỉnh lưu (Voltage Multiplier) sử dụng đi-ốt chuyển đổi AC sang DC, tụ điện (Capacitor) ổn định dòng điện, mạch quản lý và khối lưu trữ năng lượng cấp nguồn cho chip xử lý công suất thấp [14].
  • Giao thức thu nhận năng lượng:
    • Phân chia theo thời gian (TS): Chu kỳ $T$ được chia thành khoảng thời gian $\alpha T$ dành cho việc thu thập năng lượng và $(1-\alpha)T$ chia đôi cho pha thu tín hiệu và pha chuyển tiếp dữ liệu ($0 \le \alpha \le 1$).
    • Phân chia theo công suất (PS): Tín hiệu nhận được trong nửa chu kỳ đầu $T/2$ được tách thành phần công suất $\rho P$ cho bộ thu thập năng lượng và $(1-\rho)P$ cho bộ xử lý thông tin ($0 \le \rho \le 1$).

Số liệu thực nghiệm về nguồn phát vô tuyến

Bảng số liệu tổng hợp các đặc tính nguồn phát RF được sử dụng làm cơ sở tham chiếu trong luận án [14]:

Loại nguồn phát RF Tần số hoạt động Công suất phát Cự ly truyền dẫn Tốc độ thu nhận năng lượng
Máy phát Powercaster (chuyên dụng) 915 MHz 4 W 15 m 5,5 $\mu\text{W}$
Máy phát RFID (băng tần 866–868 MHz) 868 MHz 1,78 W 25 m 2,3 $\mu\text{W}$
Máy phát truyền hình thương mại 680 MHz 960 kW 4,1 km 60 $\mu\text{W}$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp ba phương pháp nghiên cứu:

  1. Phương pháp phân tích thống kê: Xây dựng hàm mật độ xác suất (PDF), hàm phân bố tích lũy (CDF) của SNR chặng và toàn hệ thống; sử dụng các công cụ giải tích tích phân, hàm Bessel sửa đổi ($I_0, K_1, \text{BesselK}$), hàm Gamma hoàn chỉnh và không hoàn chỉnh ($\Gamma, \gamma$), biểu thức khai triển chuỗi để dẫn xuất công thức dạng đóng (closed-form expression) cho xác suất dừng.
  2. Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo: Lập trình các thuật toán mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab, tạo các biến ngẫu nhiên kênh truyền fading và tính toán thống kê để đối soát với kết quả giải tích lý thuyết.
  3. Phương pháp so sánh, đối chiếu: So khớp kết quả đạt được với các công trình chuẩn tắc đã công bố (mô hình truyền trực tiếp DT, kỹ thuật xấp xỉ của Nasir [72], kỹ thuật định thời của Bletsas [69]).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan những vấn đề chung

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức nền tảng và thiết lập cơ sở lý thuyết phục vụ cho toàn bộ luận án:

  • Trình bày mô hình hệ thống chuyển tiếp một nút và nhiều nút; phân tích hiện tượng suy giảm hiệu suất phổ tần khi dùng nhiều nút chuyển tiếp và giới thiệu kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp để duy trì độ lợi phân tập.
  • Thiết lập mô hình toán học kênh truyền Nakagami-m và công thức xác suất dừng hệ thống theo dung lượng Shannon.
  • Phân loại ba kiến trúc mạng WPT và RF-EH: (a) Máy phát chuyên dụng truyền năng lượng cho các nút mạng; (b) Máy phát truyền đồng thời dữ liệu và năng lượng; (c) Máy phát truyền dữ liệu nội mạng đồng thời cấp năng lượng cho mạng vô tuyến khác.
  • Chi tiết hóa cấu trúc phần cứng máy thu RF-EH và dẫn xuất biểu thức năng lượng thu thập $E_h$ cùng công suất phát $P_R$ cho hai giao thức TS và PS:
    • Giao thức TS: $$E_h = \eta \frac{P_S |h_{SR}|^2}{d_1^l} \alpha T, \quad P_R = \frac{2\eta P_S |h_{SR}|^2}{(1-\alpha)d_1^l}$$
    • Giao thức PS: $$E_h = \eta \frac{P_S |h_{SR}|^2}{d_1^l} \frac{T}{2}, \quad P_R = \eta \rho \frac{P_S |h_{SR}|^2}{d_1^l}$$ với $\eta$ là hiệu suất chuyển đổi năng lượng ($0 \le \eta \le 1$), $d_1$ là khoảng cách và $l$ là hệ số suy hao đường truyền.
  • Tổng kết tình hình nghiên cứu trong nước và quốc tế, xác định các hạn chế hiện hữu và nêu bật định hướng nghiên cứu của luận án.

Chương 2: Phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến chuyển tiếp một chiều sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng

Chương 2 tập trung phân tích hệ thống chuyển tiếp một chiều qua ba mô hình kỹ thuật cụ thể:

Mô hình 1: Chuyển tiếp truyền gia tăng với kênh truyền ước lượng không hoàn hảo

  • Mô hình hệ thống: Gồm một nút nguồn $S$, một nút đích $D$ và $N$ nút chuyển tiếp thu gom năng lượng $R_1, \dots, R_N$. Áp dụng kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần (Partial Relay Selection) theo độ trễ định thời Bletsas. Kênh truyền giữa $S$ và $R_m$ được mô hình hóa có sai số ước lượng: $$h_{SRm} = \rho_e \hat{h}{SRm} + \sqrt{1 - \rho_e^2} \epsilon$$ với $\rho_e$ là hệ số tương quan thể hiện độ chính xác của quá trình ước lượng kênh và $\epsilon \sim \mathcal{CN}(0, \sigma^2{SRm})$.
  • Kết quả giải tích: Luận án dẫn xuất hàm PDF kết hợp của $\gamma_{SRb}$ và biểu thức dạng đóng của xác suất dừng cho cả hai giao thức TS và PS dựa trên hàm Bessel điều chỉnh loại hai $\text{BesselK}(1, \cdot)$.
  • Kết quả mô phỏng và khảo sát (kênh Rayleigh, $\Omega_{SD}=1, \Omega_{SR}=2, \Omega_{RD}=3, R=1\text{ bit/s/Hz}, \rho_e=0.8$):
    • Tăng số nút chuyển tiếp từ 1 đến 3 giúp cải thiện rõ rệt xác suất dừng hệ thống, dù tốc độ cải thiện giảm dần khi số nút tăng.
    • Kỹ thuật truyền gia tăng đề xuất vượt trội so với truyền trực tiếp (DT) tại vùng SNR trung bình và cao (hệ thống TS vượt trội hơn DT từ mốc xấp xỉ 12 dB; hệ thống PS vượt trội hơn từ mốc xấp xỉ 14 dB).
    • Xác định giá trị hệ số tối ưu độc lập với SNR: $\alpha^* \approx 0{,}21$ (với hệ thống TS) và $\rho^* \approx 0{,}59$ (với hệ thống PS). Tại các giá trị tối ưu này, hiệu năng xác suất dừng của hệ thống TS và PS là hoàn toàn tương đương.

Mô hình 2: Chuyển tiếp đa anten (TAS/MRC)

  • Mô hình hệ thống: Nút nguồn $S$ trang bị $N_S$ anten áp dụng kỹ thuật chọn anten phát tốt nhất (TAS), nút đích $D$ trang bị $N_D$ anten sử dụng kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại (MRC), nút chuyển tiếp $R$ trang bị 1 anten hoạt động theo giao thức TS 3 pha bán song công.
  • Phương pháp xấp xỉ mới: Thay vì dùng phương pháp xấp xỉ BesselK của Nasir [72] (vốn chỉ đúng tại cận SNR vô cùng lớn và gây sai số lớn ở vùng SNR thấp), tác giả đề xuất kỹ thuật giải tích dựa trên khai triển chuỗi hàm mũ để tính tích phân biên xác suất dừng: $$\Phi(a, b) = \Pr(\gamma_1 \ge a, \gamma_1 \gamma_2 \ge b)$$
  • Kết quả đối soát mô phỏng chứng minh kỹ thuật xấp xỉ đề xuất cho độ trùng khít cao với đường mô phỏng Monte-Carlo trên toàn bộ dải SNR từ thấp đến cao.

Mô hình 3: Chuyển tiếp song công (Full-Duplex)

  • Nút chuyển tiếp $R$ trang bị 2 anten cho phép thu và phát đồng thời trên cùng dải tần, sử dụng nguồn cấp năng lượng ngoài (PB).
  • Phân tích và thiết lập công thức xác suất dừng trên kênh Nakagami-m; đánh giá tác động của kỹ thuật loại bỏ tự nhiễu (SIC) và lượng tự nhiễu dôi dư (RSI) tới hiệu năng hệ thống khi tham số $m$ và SNR thay đổi.

Chương 3: Phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống vô tuyến chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến

Chương 3 mở rộng phân tích sang mô hình chuyển tiếp hai chiều 3 nút ($S_1 \leftrightarrow R \leftrightarrow S_2$) sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF với sự hỗ trợ của trạm phát năng lượng ngoài chuyên dụng (PB):

  • Thiết lập mô hình toán học trên kênh fading Rayleigh và kênh tổng quát Nakagami-m.
  • Dẫn xuất biểu thức giải tích dạng tường minh cho xác suất dừng toàn hệ thống theo công suất phát của trạm năng lượng $P_{PB}$, vị trí đặt nguồn PB, vị trí tương đối của nút chuyển tiếp $R$, hệ số thời gian $\alpha$, tham số fading $m$ và mức SNR.
  • Đánh giá định lượng cho thấy việc tối ưu hóa vị trí đặt PB gần nút chuyển tiếp $R$ và tối ưu hệ số phân chia thời gian $\alpha$ làm giảm đáng kể xác suất dừng của hệ thống trên kênh Nakagami-m so với kênh Rayleigh truyền thống.

Chương 4: Phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến

Chương 4 nghiên cứu mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) kết hợp kỹ thuật thu gom năng lượng:

  • Mô hình hệ thống: Nút nguồn của mạng thứ cấp (Secondary Network) thu thập năng lượng linh hoạt từ nguồn ngoài ổn định PB và/hoặc từ máy phát sơ cấp (PT) có công suất lớn của mạng sơ cấp (Primary Network).
  • Ràng buộc hệ thống: Quá trình truyền tin của mạng thứ cấp phải đảm bảo mức can nhiễu gây ra tại máy thu sơ cấp (PU) không vượt quá ngưỡng cho phép $I_p$.
  • Đóng góp giải tích: Xây dựng mô hình toán học giải quyết bài toán can nhiễu tương hỗ phức tạp giữa hai mạng; thiết lập công thức tường minh tính xác suất dừng của mạng thứ cấp theo các biến số: công suất $P_T$, $P_{PB}$, ngưỡng can nhiễu $I_p\text{ (dB)}$, hệ số $\alpha$, cùng tọa độ vị trí của các nút PB và PT.
  • Toàn bộ các công thức giải tích được kiểm chứng bằng mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm Matlab, khẳng định tính chính xác của phương pháp phân tích đề xuất.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và phương pháp giải tích

  1. Dẫn xuất thành công các biểu thức dạng đóng của xác suất dừng (OP): Luận án đã tìm ra các biểu thức giải tích tường minh cho nhiều cấu hình mạng phức tạp mà trước đó chưa có lời giải dạng đóng (kênh truyền có sai số ước lượng $\rho_e$, hệ thống chuyển tiếp song công có nhiễu dôi dư, hệ thống hai chiều trên kênh Nakagami-m và mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng đa nguồn).
  2. Đề xuất kỹ thuật xấp xỉ giải tích mới: Xây dựng phương pháp xấp xỉ dựa trên khai triển chuỗi hàm mũ thay thế cho kỹ thuật xấp xỉ BesselK truyền thống của Nasir [72], nâng cao độ chính xác khi đánh giá hiệu năng hệ thống đa anten ở vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu trung bình và thấp.

Đóng góp về mặt kỹ thuật và thực tiễn thiết kế

  1. Xác định các thông số tối ưu hệ thống:
    • Trong hệ thống chuyển tiếp một chiều truyền gia tăng, luận án chỉ ra hệ số phân chia thời gian tối ưu $\alpha^* \approx 0{,}21$ và hệ số phân chia công suất tối ưu $\rho^* \approx 0{,}59$ có đặc tính độc lập với SNR.
    • Chứng minh hiệu năng của hai giao thức TS và PS đạt mức tương đương nhau khi các hệ số được thiết lập tại điểm tối ưu.
  2. Đề xuất giải pháp phối hợp nguồn năng lượng: Đưa ra giải pháp thu gom năng lượng linh hoạt kết hợp giữa nguồn phát chuyên dụng (PB) và máy phát sơ cấp (PT), cung cấp cơ sở tính toán để tối ưu hóa vị trí hình học của các trạm phát năng lượng và nút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức dưới điều kiện khống chế nhiễu $I_p$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu ở lớp vật lý (Physical Layer) với chỉ số đánh giá hiệu năng cốt lõi là xác suất dừng hệ thống (Outage Probability); chưa mở rộng đánh giá đầy đủ các chỉ số khác như tỷ lệ lỗi bit (BER), tỷ lệ lỗi symbol (SER) hay hiệu suất phổ tần (SE) trên toàn bộ các mô hình.
  • Các mô hình toán học dựa trên giả định kênh fading khối (block fading) và mô hình suy hao kênh chuẩn tắc, chưa xét đến các hiệu ứng phi tuyến tính phức tạp của mạch thu thập năng lượng RF trong điều kiện phần cứng thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Mở rộng bài toán phân tích hiệu năng sang các chỉ số chất lượng khác như dung lượng công thái (Ergodic Capacity), tỷ lệ lỗi bit (BER/SER) và độ trễ truyền dẫn.
  2. Nghiên cứu tích hợp kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến với các công nghệ vô tuyến tiên tiến khác như bề mặt phản xạ thông minh (RIS), đa truy nhập phi trực giao (NOMA), và truyền thông bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security).
  3. Đánh giá hệ thống với các mô hình phần cứng thu gom năng lượng phi tuyến tính thực tế và các kịch bản nút mạng di động.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và nhà nghiên cứu chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông: Luận án cung cấp hệ thống phương pháp luận toán học chi tiết, các kỹ thuật tích phân xác suất và dẫn xuất biểu thức dạng đóng trong phân tích hiệu năng lớp vật lý của mạng vô tuyến thu thập năng lượng.
  • Đối với giảng viên và cơ sở đào tạo: Tài liệu là nguồn tham khảo học thuật về các chuyên đề truyền thông hợp tác, hệ thống MIMO ảo, kỹ thuật truyền gia tăng, truyền song công và vô tuyến nhận thức.
  • Đối với kỹ sư thiết kế và quy hoạch mạng viễn thông: Cung cấp các công thức định lượng và chỉ dẫn thiết kế giúp lựa chọn vị trí lắp đặt trạm phát năng lượng (Power Beacon), cấu hình tỷ lệ phân chia thời gian/công suất ($\alpha, \rho$) và kiểm soát mức can nhiễu $I_p$ trong các hệ thống IoT và mạng thông tin di động thế hệ mới.

Câu hỏi thường gặp

1. Sự khác nhau căn bản giữa hai giao thức thu thập năng lượng TS và PS trong mạng chuyển tiếp là gì?

Giao thức phân chia theo thời gian (TS) thực hiện thu thập năng lượng và chuyển tiếp dữ liệu một cách tuần tự theo các khe thời gian riêng biệt: nút chuyển tiếp dành thời gian $\alpha T$ để thu nạp năng lượng, sau đó dành $(1-\alpha)T/2$ để nhận dữ liệu và $(1-\alpha)T/2$ để chuyển tiếp. Trong khi đó, giao thức phân chia theo công suất (PS) tiếp nhận tín hiệu và năng lượng đồng thời: trong nửa chu kỳ đầu $T/2$, nút chuyển tiếp trích $\rho P$ công suất tín hiệu cho bộ thu thập năng lượng và $(1-\rho)P$ cho việc xử lý thông tin, toàn bộ năng lượng thu nạp được dùng để chuyển tiếp tin ở nửa chu kỳ sau.

2. Kỹ thuật xấp xỉ đề xuất cho hệ thống đa anten trong Chương 2 giải quyết nhược điểm gì của phương pháp truyền thống do Nasir đề xuất?

Phương pháp xấp xỉ của Nasir và cộng sự [72] dựa trên hàm BesselK chỉ chính xác ở vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) rất cao và phù hợp cho mạng đơn anten. Khi áp dụng cho vùng SNR thấp hoặc trung bình, đặc biệt khi các chặng truyền dẫn không đối xứng, phương pháp này tạo ra độ sai lệch lớn. Luận án đã đề xuất kỹ thuật xấp xỉ mới dựa trên khai triển chuỗi hàm mũ, cho phép tính toán chính xác xác suất dừng hệ thống đa anten trên toàn bộ dải SNR.

3. Trong hệ thống chuyển tiếp một chiều truyền gia tăng, hệ số $\alpha$ và $\rho$ tối ưu có phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) không?

Kết quả khảo sát giải tích và mô phỏng số trong Chương 2 chứng minh rằng hệ số phân chia thời gian tối ưu $\alpha^* \approx 0{,}21$ của hệ thống TS và hệ số phân chia công suất tối ưu $\rho^* \approx 0{,}59$ của hệ thống PS là các đại lượng độc lập với tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Ngoài ra, tại các điểm tối ưu này, hiệu năng xác suất dừng của hệ thống TS và PS đạt giá trị tương đương nhau.

4. Vai trò của nguồn phát năng lượng ngoài (Power Beacon - PB) trong các mô hình nghiên cứu của luận án là gì?

Trạm phát năng lượng ngoài (PB) đóng vai trò là nguồn phát sóng vô tuyến chuyên dụng, ổn định và có công suất lớn để truyền năng lượng trường xa cho các nút mạng bị giới hạn về pin hoặc nguồn điện trực tiếp. Nguồn PB giúp mở rộng vùng phủ sóng, duy trì hoạt động truyền dẫn liên tục cho nút chuyển tiếp trong hệ thống hai chiều/song công và cung cấp thêm năng lượng cho mạng thứ cấp trong hệ thống vô tuyến nhận thức.

5. Ràng buộc mức can nhiễu $I_p$ trong mạng vô tuyến nhận thức ảnh hưởng như thế nào đến phân tích hiệu năng của mạng thứ cấp?

Ngưỡng $I_p$ là mức can nhiễu tối đa cho phép tại đầu vào máy thu sơ cấp (PU). Ràng buộc này giới hạn công suất phát tối đa của các nút mạng thứ cấp, buộc hệ thống thứ cấp phải tự điều chỉnh công suất truyền dẫn dựa trên kênh can nhiễu. Điều này làm cho việc thiết lập hàm phân bố xác suất kết hợp của SNR và dẫn xuất công thức xác suất dừng của hệ thống thứ cấp trở nên phức tạp hơn, đòi hỏi các kỹ thuật giải tích tích phân chuyên biệt được xây dựng trong Chương 4.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Anh Tuấn đã giải quyết trọn vẹn bài toán phân tích và đánh giá hiệu năng lớp vật lý của các hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp một chiều, hai chiều, song công và vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến. Tác giả đã xây dựng thành công các biểu thức dạng đóng cho xác suất dừng hệ thống trong các điều kiện kênh truyền thực tế như kênh ước lượng không hoàn hảo, kênh đa anten và kênh tổng quát Nakagami-m. Đồng thời, luận án đã đề xuất phương pháp xấp xỉ giải tích mới khắc phục hạn chế của các nghiên cứu đi trước và xác định các tham số cấu hình tối ưu giúp nâng cao hiệu năng hệ thống. Toàn bộ các kết quả lý thuyết đều được đối soát và kiểm chứng chính xác thông qua mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm Matlab.