Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong các hệ thống thông tin di động từ thế hệ thứ nhất (1G) đến thế hệ thứ tư (4G), kỹ thuật đa truy cập trực giao (OMA) như đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA), đa truy cập phân chia theo mã (CDMA), đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) và điều chế đa sóng mang trực giao (OFDM) đã bộc lộ những giới hạn về hiệu suất phổ, dung lượng phục vụ, độ trễ và hiệu quả năng lượng trước sự gia tăng số lượng thiết bị kết nối. Đa truy cập không trực giao (NOMA) miền công suất cho phép nhiều thiết bị người dùng chia sẻ đồng thời cùng tài nguyên tần số và thời gian thông qua cơ chế mã hóa xếp chồng (SC) ở phía phát và loại bỏ can nhiễu liên tiếp (SIC) ở phía thu, phân bổ công suất cao hơn cho người dùng có điều kiện kênh kém hơn nhằm duy trì tính công bằng.

Tuy nhiên, trong các mạng truyền thông không dây, vấn đề cung cấp năng lượng và duy trì thời gian hoạt động của các nút mạng, đặc biệt là các trạm chuyển tiếp, là rào cản kỹ thuật lớn do hạn chế từ dung lượng pin. Kỹ thuật truyền năng lượng và thông tin không dây đồng thời (SWIPT) cho phép thu thập năng lượng (EH) từ tín hiệu tần số vô tuyến (RF) sẵn có để duy trì hoạt động giải mã và chuyển tiếp (DF). Mặc dù các nghiên cứu trước đây đã bắt đầu tích hợp SWIPT vào NOMA hợp tác (C-NOMA), phần lớn các công bố mới chỉ dừng lại ở việc tính toán xác suất dừng hoặc thông lượng trong những điều kiện đơn giản. Khoảng trống nghiên cứu tồn tại ở việc thiếu vắng các phân tích toàn diện về hiệu suất năng lượng (EE), sự tương tác của hệ thống tham số vật lý đa dạng (thời gian thực hiện EH, tỷ số chia công suất, khoảng cách hình học, suy hao đường truyền), hiệu năng ở vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao, cũng như sự so sánh giữa kịch bản có và không có liên kết trực tiếp trong điều kiện triệt nhiễu liên tiếp hoàn hảo và không hoàn hảo.

Mục tiêu, câu hỏi và giả thuyết nghiên cứu

Mục tiêu cốt lõi của luận án là phân tích, đánh giá và tối ưu hóa hiệu năng của hệ thống NOMA chuyển tiếp hợp tác tích hợp SWIPT bằng phương pháp giải tích toán học và mô phỏng số. Luận án đặt ra các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được đánh số theo văn bản như sau:

  1. Xây dựng mô hình hệ thống gồm một trạm phát (BS/S) và hai thiết bị người dùng: người dùng gần ($D_1$) đóng vai trò trạm chuyển tiếp hỗ trợ thu thập năng lượng và chuyển tiếp thông tin đến người dùng xa ($D_2$) qua giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF).
  2. Ứng dụng các giao thức chuyển tiếp phân bổ công suất (PSR) và chuyển tiếp chuyển mạch thời gian (TSR) trong cơ chế SWIPT NOMA; khảo sát hệ thống dưới hai phương thức truyền dẫn: truyền giới hạn trễ (DLT) và truyền chấp nhận trễ (DTT).
  3. Thiết lập các biểu thức toán học tường minh (closed-form expressions) để xác định bốn chỉ số hiệu năng cơ bản: xác suất dừng (OP), thông lượng (throughput), tốc độ trung bình (ergodic rate) và hiệu suất năng lượng (EE).
  4. Khảo sát hai kịch bản truyền dẫn thực tế: trường hợp thứ nhất có vật cản che khuất hoàn toàn liên kết trực tiếp giữa S và $D_2$; trường hợp thứ hai không có vật cản, tồn tại đồng thời liên kết trực tiếp và liên kết qua chuyển tiếp.
  5. Đánh giá định lượng tác động của các tham số hệ thống gồm: thời gian thực hiện EH ($\alpha$), tỷ số chia công suất ($\beta$), hiệu suất chuyển đổi năng lượng ($\eta$), tốc độ dữ liệu nguồn ($R_1, R_2$), khoảng cách giữa các nút ($d$), hệ số suy hao đường truyền ($m$), và sai số triệt nhiễu trong điều kiện SIC không hoàn hảo (imperfect SIC).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kỹ thuật đa truy cập không trực giao (NOMA), giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF), kỹ thuật thu thập năng lượng và truyền thông tin không dây đồng thời (SWIPT), các giao thức chuyển tiếp phân chia theo công suất (PSR) và chuyển tiếp phân chia theo thời gian (TSR).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Mô hình mạng chuyển tiếp hợp tác bán song công (Half-Duplex - HD) gồm một trạm cơ sở (S) và hai thiết bị người dùng ($D_1, D_2$), trong đó $D_1$ thực hiện cả chức năng thu thập năng lượng và xử lý thông tin.
    • Kênh truyền không dây chịu ảnh hưởng của pha đinh Rayleigh và suy hao đường truyền theo khoảng cách.
    • Xét hai trường hợp hình học mạng: có vật cản giữa nguồn và đích xa (chỉ có liên kết gián tiếp) và không có vật cản giữa nguồn và đích xa (tồn tại đồng thời liên kết trực tiếp và liên kết gián tiếp).
    • Nghiên cứu được hoàn thành tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, công bố vào tháng 7 năm 2023.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước mà tác giả điểm lại

Tác giả đã tổng hợp các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các kỹ thuật NOMA, chuyển tiếp hợp tác và thu thập năng lượng:

  • Hướng nghiên cứu về NOMA trong mạng thế hệ mới: Nhóm nghiên cứu tại Đại học Middlesex [1]-[2] tập trung vào hiệu quả năng lượng của hệ thống NOMA trong mạng H-CRAN và cảm nhận phổ trong mạng vô tuyến nhận thức. Nhóm nghiên cứu tại Đại học Manchester [3] khảo sát NOMA hợp tác, thuật toán lựa chọn chuyển tiếp kết hợp thu thập năng lượng (EH). Tại Việt Nam, hướng nghiên cứu về NOMA được triển khai tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM [4], Đại học Bách Khoa TP.HCM [5], Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông Cơ sở TP.HCM [6] và một số cơ sở khác [7].
  • Hướng nghiên cứu về SWIPT kết hợp C-NOMA: Ding và cộng sự [31], [89] chứng minh hiệu quả năng lượng và vùng phủ sóng vượt trội của SWIPT C-NOMA so với OMA. Tác giả trong [93] chỉ ra rằng trạm chuyển tiếp SWIPT C-NOMA cải thiện độ tin cậy dữ liệu cho người dùng yếu. Các giao thức PSR và TSR được phân tích tại [29], [94]. Công trình [95] tính toán biểu thức gần đúng và tường minh cho OP và tổng thông lượng. Công trình [96] đề xuất hai giao thức CNOMA SWIPT-PS và CNOMA-SWIPT-TS, chứng minh hiệu năng cao hơn OMA và công trình [97]. Nghiên cứu [90] khảo sát SWIPT C-NOMA và tối ưu hóa hệ số chia công suất PS. Nghiên cứu [98] khảo sát PSR cho C-NOMA, chỉ ra khả năng giảm OP cho người dùng mạnh so với [99]. Nghiên cứu [100] chứng minh hiệu năng của giao thức TSR đề xuất cao hơn giao thức TSR thông thường.
  • Hướng nghiên cứu về liên kết trực tiếp trong mạng chuyển tiếp NOMA: Trong các mô hình chuyển tiếp thông thường, nút xa chỉ nhận tín hiệu từ trạm chuyển tiếp do có chướng ngại vật [100]-[105]. Khi không có chướng ngại vật, nút xa có thể nhận tín hiệu từ cả trạm gốc và trạm chuyển tiếp [53], [106]-[108]. Công trình [106] đề xuất cơ chế DF động cho đường xuống. Công trình [109] đề xuất ba cơ chế chuyển tiếp hợp tác DF. Các công trình [110], [111] khảo sát hệ thống C-NOMA DF có liên kết trực tiếp kết hợp kỹ thuật giải mã MRC và giải mã đơn tín hiệu. Công trình [112] thiết lập giao thức cho phép trạm cơ sở chuyển đổi linh hoạt giữa phương thức trực tiếp và gián tiếp. Công trình [77] phân tích xác suất dừng của hệ thống SWIPT NOMA dựa trên DF kép có đường truyền trực tiếp. Các công trình [113]-[115] nghiên cứu kỹ thuật thu thập năng lượng trong OFDMA và khảo sát toàn diện về SWIPT/WPT cho mạng 5G.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù các công bố [85], [89], [93], [95]-[100] đã phân tích xác suất dừng và thông lượng của hệ thống C-NOMA kết hợp SWIPT, các khía cạnh sau vẫn chưa được giải quyết đầy đủ:

  • Đánh giá chỉ số hiệu suất năng lượng (EE) toàn diện cho hệ thống bán song công HD NOMA.
  • Phân tích đồng thời và so sánh trực tiếp giữa hai giao thức PSR và TSR trên cùng một hệ thống mạng vô tuyến năng lượng không dây chuyển tiếp hợp tác (CRWPN).
  • Dẫn xuất các biểu thức toán học tường minh cho OP và tốc độ trung bình ở vùng SNR cao.
  • Khảo sát sự đánh đổi hiệu năng khi xuất hiện đồng thời liên kết trực tiếp và liên kết chuyển tiếp dưới ảnh hưởng của hiện tượng triệt can nhiễu liên tiếp không hoàn hảo (imperfect SIC).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết, khái niệm và khung phân tích

  • Đa truy cập không trực giao miền công suất (Power-domain NOMA): Phục vụ nhiều người dùng trên cùng tài nguyên tần số - thời gian bằng cách phân bổ mức công suất khác nhau dựa trên điều kiện kênh truyền. Nút có kênh truyền kém hơn được phân bổ hệ số công suất lớn hơn ($a_2 > a_1$ với $a_1 + a_2 = 1$).
  • Mã hóa xếp chồng (Superposition Coding - SC) và Triệt nhiễu liên tiếp (SIC): Phía phát phát tín hiệu tổng hợp $x = \sqrt{a_1 P_S}x_1 + \sqrt{a_2 P_S}x_2$. Phía thu $D_1$ (người dùng mạnh) thực hiện SIC: giải mã tín hiệu $x_2$ của người dùng yếu trước, sau đó loại bỏ thành phần $x_2$ để giải mã tín hiệu $x_1$ của chính mình. Tại $D_2$ (người dùng yếu), tín hiệu $x_1$ được xem như nhiễu và $D_2$ giải mã trực tiếp tín hiệu $x_2$. Luận án khảo sát cả hai trạng thái: Perfect SIC và Imperfect SIC (với thông số nhiễu dư do sai số giải mã $\kappa$).
  • Cơ chế SWIPT và cấu trúc bộ thu tại trạm chuyển tiếp: Luận án áp dụng kỹ thuật truyền năng lượng trường xa từ sóng RF vô tuyến. Quá trình thu thập năng lượng và xử lý thông tin tại trạm chuyển tiếp bán song công $D_1$ được mô hình hóa qua hai giao thức:
    • Giao thức PSR (Power Splitting-Based Relaying): Tín hiệu thu được chia thành hai luồng theo hệ số chia công suất $\beta \in (0, 1)$; phần công suất $\beta$ dùng cho mạch thu thập năng lượng (EH), phần công suất $(1-\beta)$ dùng cho mạch xử lý thông tin (IP). Năng lượng thu được dùng để cấp nguồn cho trạm phát lại tín hiệu đã giải mã với công suất $P_r$.
    • Giao thức TSR (Time Switching-Based Relaying): Toàn bộ chu kỳ truyền $T$ được chia theo thời gian; khoảng thời gian $\alpha T$ dành riêng cho việc thu thập năng lượng, khoảng thời gian $(1-\alpha)T$ còn lại được chia đôi cho việc truyền dữ liệu từ S đến $D_1$ và từ $D_1$ đến $D_2$.
  • Mô hình kênh truyền và ký hiệu toán học: Các kênh truyền từ S đến $D_1$ ($h_1$), từ $D_1$ đến $D_2$ ($h_2$) và từ S đến $D_2$ ($h_0$) tuân theo phân phối pha đinh Rayleigh, độ lợi kênh $|h_i|^2$ là biến ngẫu nhiên hàm mũ với giá trị kỳ vọng $E[|h_i|^2] = \Omega_i$ ($i \in {0, 1, 2}$). Nhiễu tại các nút là nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN) với mật độ công suất $N_0$. Tỷ số tín hiệu trên nhiễu phát được xác định là $\rho = \frac{P_S}{N_0}$.
  • Các hàm giải tích đặc biệt: Để giải các tích phân xác suất, luận án sử dụng hàm tích phân mũ $Ei(x) = -\int_{-x}^{\infty} \frac{e^{-t}}{t}dt$ và hàm Bessel mở rộng bậc 1 của dạng thứ hai $K_1(x)$.
Tham số / Ký hiệu Ý nghĩa vật lý / Định nghĩa toán học
$h_0, h_1, h_2$ Hệ số kênh phức của các chặng $S \to D_2$, $S \to D_1$, và $D_1 \to D_2$
$|h_0|^2, |h_1|^2, |h_2|^2$ Độ lợi công suất kênh truyền tương ứng
$\Omega_0, \Omega_1, \Omega_2$ Kỳ vọng của độ lợi công suất kênh truyền ($E[|h_i|^2]$)
$P_S, P_r$ Công suất phát tại trạm gốc S và công suất phát tại trạm chuyển tiếp $D_1$
$N_0$ Mật độ công suất nhiễu Gaussian trắng cộng (AWGN)
$\rho = P_S / N_0$ Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) phát
$a_1, a_2$ Hệ số phân bổ công suất NOMA ($a_1 + a_2 = 1, a_2 > a_1$)
$\beta$ Tỷ số chia công suất cho khối EH trong giao thức PSR
$\alpha$ Hệ số phân chia thời gian cho khối EH trong giao thức TSR
$\eta$ Hiệu suất chuyển đổi năng lượng của mạch thu thập năng lượng RF
$R_1, R_2$ Tốc độ truyền mục tiêu của tín hiệu $x_1$ và $x_2$
$m$ Hệ số mũ suy hao đường truyền (path loss exponent)
$\kappa$ Mức độ can nhiễu dư trong trường hợp Imperfect SIC

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp phương pháp giải tích toán học lý thuyết và phương pháp mô phỏng số:

  • Phương pháp giải tích: Thiết lập hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân phối tích lũy (CDF) của tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR/SNR) tại các nút thu; khai triển tích phân ngẫu nhiên chứa hàm mũ để suy ra các biểu thức toán học tường minh dạng đóng cho OP, thông lượng, tốc độ trung bình và EE.
  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng chương trình mô phỏng số dựa trên phương pháp Monte Carlo để kiểm chứng độ chính xác của các công thức giải tích đã dẫn xuất, đồng thời so sánh định lượng hiệu năng giữa NOMA với OMA, giữa PSR với TSR, và giữa các cấu hình đường truyền trực tiếp / gián tiếp.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương 1 trình bày bối cảnh phát triển của các thế hệ mạng không dây, nêu rõ tính cấp thiết của việc kết hợp NOMA và SWIPT nhằm giải quyết tình trạng khan hiếm phổ tần và thiếu hụt năng lượng tại các trạm chuyển tiếp. Chương này xác định mục đích nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu là các giao thức PSR, TSR, DF trong SWIPT NOMA; phạm vi nghiên cứu gồm mạng hai chặng bán song công; hướng tiếp cận giải tích kết hợp mô phỏng; tóm tắt ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn; phân chia cấu trúc toàn bộ luận án thành 6 chương.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 cung cấp hệ thống lý thuyết nền tảng cho toàn bộ luận án:

  • Phân loại kỹ thuật NOMA (NOMA hợp tác và NOMA không hợp tác), chi tiết hóa NOMA đường xuống phân chia theo công suất, nguyên lý mã hóa chồng tại trạm phát và triệt nhiễu liên tiếp (SIC) tại thiết bị người dùng.
  • Trình bày kỹ thuật truyền năng lượng không dây, phân biệt truyền năng lượng trường gần (cảm ứng từ, cộng hưởng từ) và truyền năng lượng trường xa qua bức xạ sóng RF. Bảng 2.1 so sánh các kỹ thuật truyền năng lượng không dây. Phân tích ba phương thức vận hành bảo toàn năng lượng gồm truyền năng lượng không dây (WET), truyền thông dựa trên năng lượng thu thập (WPC) và truyền năng lượng và thông tin không dây đồng thời (SWIPT).
  • Chi tiết hóa kiến trúc bộ thu phân bổ công suất (PS) và bộ thu chuyển mạch thời gian (TS) tại trạm chuyển tiếp.
  • Giới thiệu mô hình mạng đa truy cập trực giao (OMA) đóng vai trò hệ thống quy chuẩn để đối sánh hiệu năng.
  • Thiết lập cơ sở toán học gồm hàm tích phân mũ $Ei(\cdot)$, hàm Bessel mở rộng bậc 1 của dạng thứ hai $K_1(\cdot)$, các công thức tính tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR/SINR), và định nghĩa bốn tiêu chuẩn đánh giá hiệu năng: xác suất dừng (OP), thông lượng cho phương thức DLT, tốc độ trung bình cho phương thức DTT, và hiệu suất năng lượng (EE).

Chương 3: Mô hình hệ thống

Chương 3 thiết lập chi tiết hai mô hình mạng SWIPT NOMA hợp tác gồm một trạm phát S và hai thiết bị người dùng $D_1, D_2$:

  • Trường hợp thứ nhất (Có vật cản giữa trạm gốc và nút đích): Nút $D_2$ ở xa nguồn phát và bị ngăn cách bởi vật cản, không thể thiết lập liên kết trực tiếp với S. Tín hiệu từ S bắt buộc phải truyền qua nút chuyển tiếp $D_1$. Luận án xây dựng quy trình thu thập năng lượng và xử lý thông tin tại $D_1$:
    • Đối với giao thức PSR: Công suất thu thập được tại $D_1$ là $P_r = \frac{\eta \beta P_S |h_1|^2}{(d_1)^m}$. Tín hiệu còn lại được giải mã bằng SIC, sau đó $D_1$ phát lại tín hiệu $x_2$ cho $D_2$ bằng công suất $P_r$.
    • Đối với giao thức TSR: Trong khoảng thời gian $\alpha T$, $D_1$ thu thập năng lượng với công suất tích lũy được $P_r = \frac{2 \eta \alpha P_S |h_1|^2}{(1-\alpha)(d_1)^m}$, sau đó dùng năng lượng này để giải mã và chuyển tiếp tín hiệu trong thời gian còn lại.
  • Trường hợp thứ hai (Không có vật cản giữa trạm gốc và nút đích): Thiết bị người dùng $D_2$ nhận được tín hiệu qua cả hai đường: liên kết trực tiếp $S \to D_2$ và liên kết chuyển tiếp $S \to D_1 \to D_2$. Luận án thiết lập phương trình tín hiệu thu và công thức SNR tương ứng cho từng liên kết, xác định cơ chế giải mã và kết hợp thông tin tại $D_2$.

Chương 4: Phân tích hiệu năng

Chương 4 dẫn xuất các biểu thức toán học tường minh cho các chỉ số hiệu năng:

  • Phân tích hiệu năng trường hợp 1 (chỉ có liên kết chuyển tiếp):
    • Xác suất dừng (OP) tại $D_1$ và $D_2$: Thiết lập biểu thức giải tích dạng đóng chứa hàm Bessel $K_1$ cho cả hai giao thức PSR và TSR.
    • Thông lượng đối với phương thức truyền giới hạn trễ (DLT): $Throughput = (1 - OP_1)R_1 + (1 - OP_2)R_2$.
    • Tốc độ trung bình đối với phương thức truyền chấp nhận trễ (DTT): Tích hợp hàm giải tích $Ei$ trên miền phân phối SNR tức thời.
    • Phân tích điều kiện triệt can nhiễu liên tiếp không hoàn hảo (Imperfect SIC) tại $D_1$ thông qua việc bổ sung thông số can nhiễu dư $\kappa$ vào mẫu số của biểu thức SINR giải mã tín hiệu $x_1$.
  • Phân tích hiệu năng trường hợp 2 (kết hợp liên kết chuyển tiếp và liên kết trực tiếp):
    • Dẫn xuất biểu thức xác suất dừng tại $D_1$, tại $D_2$ cho riêng liên kết chuyển tiếp, và xác suất dừng tổng hợp tại $D_2$ khi có sự hỗ trợ của liên kết trực tiếp.
    • Tính toán thông lượng cho phương thức DLT và tốc độ trung bình cho phương thức DTT.
    • Dẫn xuất biểu thức toán học tường minh cho hiệu suất năng lượng (EE), định nghĩa bằng tỷ số giữa tổng dữ liệu truyền thành công trên tổng năng lượng tiêu thụ của toàn mạng.

Chương 5: Kết quả thực hiện

Chương 5 trình bày kết quả mô phỏng số và so sánh đối chiếu với các biểu thức giải tích lý thuyết:

  • Đối với trường hợp 1:
    • Đường cong mô phỏng hoàn toàn trùng khớp với các đường biểu diễn giải tích toán học, khẳng định tính chính xác của các công thức đã dẫn xuất. So sánh với công trình đối sánh [85] cho thấy kết quả nghiên cứu nhất quán.
    • Hiệu năng hệ thống NOMA vượt trội so với OMA trên cả ba chỉ số OP, thông lượng và tốc độ trung bình.
    • Khi so sánh giữa hai giao thức, TSR đạt thông lượng và tốc độ trung bình cao hơn PSR, trong khi PSR đạt hiệu suất năng lượng (EE) cao hơn TSR.
    • Khảo sát tham số: Khi hệ số suy hao đường truyền $m$ hoặc khoảng cách $d$ tăng lên, OP tăng đáng kể do suy hao công suất; sự tồn tại của sai số can nhiễu dư $\kappa$ trong điều kiện imperfect SIC làm xuất hiện mức sàn xác suất dừng (error floor) tại vùng SNR cao ở nút $D_1$.
  • Đối với trường hợp 2:
    • Mô hình NOMA có liên kết trực tiếp đạt xác suất dừng thấp hơn rõ rệt, đồng thời thông lượng, tốc độ trung bình và EE đều cao hơn so với mô hình chỉ có liên kết qua chuyển tiếp và hệ thống OMA.
    • Đánh giá sự biến thiên của hiệu năng theo hệ số chia công suất $\beta$, chỉ ra điểm cực trị tồn tại để tối ưu hóa đồng thời giữa năng lượng thu thập và khả năng giải mã thông tin.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 đúc kết toàn bộ các kết quả đạt được của luận án, khẳng định việc hoàn thành các mục tiêu nghiên cứu đề ra, và xác định các hướng mở rộng nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về lý luận và thực tiễn

Căn cứ theo văn bản luận án, các đóng góp mới của tác giả bao gồm:

  1. Ứng dụng thành công hai giao thức PSR và TSR vào mạng SWIPT NOMA chuyển tiếp hợp tác: Tích hợp cơ chế thu thập năng lượng RF tự duy trì hoạt động cho trạm chuyển tiếp bán song công giải mã và chuyển tiếp (DF), giải quyết mâu thuẫn giữa nhu cầu kéo dài tuổi thọ thiết bị và tình trạng cạn kiệt pin trong mạng vô tuyến.
  2. Dẫn xuất hệ thống biểu thức giải tích dạng đóng tường minh: Luận án đã giải và cung cấp các công thức toán học tường minh của xác suất dừng (OP), thông lượng (DLT), tốc độ trung bình (DTT) và hiệu suất năng lượng (EE) cho cả giao thức PSR và TSR. Các biểu thức này cho phép đánh giá trực tiếp hiệu năng hệ thống mà không cần dựa vào các thuật toán mô phỏng lặp tốn kém thời gian.
  3. Phân tích toàn diện hiệu năng vùng SNR cao và sai số SIC: Đánh giá định lượng tác động của hiện tượng triệt can nhiễu không hoàn hảo (imperfect SIC) với hệ số nhiễu dư $\kappa$, chứng minh sự xuất hiện của ngưỡng dừng sàn ở dải công suất phát lớn.
  4. Xác lập mô hình kết hợp liên kết trực tiếp: Xây dựng mô hình toán học và chứng minh bằng dữ liệu mô phỏng rằng việc khai thác đồng thời liên kết trực tiếp và liên kết chuyển tiếp hợp tác mang lại hiệu năng cao hơn cấu hình chỉ có chuyển tiếp gián tiếp và vượt trội so với cơ chế đa truy cập trực giao OMA.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Lựa chọn giao thức phù hợp với mục tiêu thiết kế: Đối với các mạng ưu tiên tối đa hóa tốc độ dữ liệu và thông lượng truyền dẫn, giao thức TSR là giải pháp ưu tiên; đối với các mạng yêu cầu tối ưu hóa mức tiêu thụ năng lượng và hiệu suất sử dụng nguồn, giao thức PSR mang lại hiệu quả cao hơn.
  • Tận dụng liên kết trực tiếp: Trong quy hoạch mạng thực tế, cần thiết kế cấu hình thu nhận tín hiệu đa đường nhằm kết hợp liên kết trực tiếp từ trạm gốc với liên kết chuyển tiếp để giảm thiểu xác suất dừng tại các nút biên mạng.
  • Thiết lập tham số cân bằng: Cần căn cứ vào khoảng cách hình học và hệ số suy hao đường truyền để điều chỉnh linh hoạt tỷ số chia công suất $\beta$ (trong PSR) và tỷ số thời gian $\alpha$ (trong TSR), nhằm đạt trạng thái cân bằng giữa năng lượng thu thập và chất lượng xử lý tín hiệu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

Dựa trên phạm vi và nội dung trình bày trong văn bản:

  • Mô hình nghiên cứu giới hạn ở quy mô hai thiết bị người dùng và một trạm chuyển tiếp đơn ăng-ten (SISO), hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex), chưa giải quyết trọn vẹn vấn đề suy giảm hiệu suất phổ thời gian do phải chia đôi khe truyền dẫn.
  • Kênh truyền quy ước theo mô hình pha đinh Rayleigh, chưa mở rộng sang các môi trường pha đinh tổng quát hơn như Rician hoặc Nakagami-$m$.
  • Mạch thu thập năng lượng được giả định tuyến tính với hiệu suất chuyển đổi $\eta$ cố định, chưa xét đến các hiệu ứng bão hòa phi tuyến thực tế của đi-ốt chỉnh lưu RF.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Luận án chỉ rõ các hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo tại Chương 6:

  • Mở rộng nghiên cứu sang hệ thống chuyển tiếp hoạt động ở chế độ song công toàn phần (Full-Duplex - FD) nhằm khắc phục tổn thất hiệu suất phổ của chế độ bán song công.
  • Nghiên cứu mô hình mạng đa chuyển tiếp, áp dụng các giải thuật chọn lựa trạm chuyển tiếp tối ưu để nâng cao độ lợi phân tập không gian.
  • Khảo sát hệ thống NOMA hợp tác thu thập năng lượng trong các cấu trúc mạng phức tạp hơn như mạng vô tuyến nhận thức, mạng truy cập vô tuyến đám mây không đồng nhất (H-CRAN), mạng truyền thông xe cộ (V2V) và truyền thông máy - máy (M2M).

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử và Kỹ thuật Viễn thông: Là tài liệu tham khảo trong việc xây dựng khung toán học giải tích, phương pháp tính toán tích phân ngẫu nhiên chứa các hàm giải tích chuyên dụng ($Ei$, $K_1$), và quy trình mô phỏng hệ thống truyền thông số trên máy tính.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu: Cung cấp tài liệu giảng dạy chuyên sâu về các kỹ thuật đa truy cập phi trực giao, cơ chế SWIPT, và lý thuyết truyền thông hợp tác trong mạng 5G và thế hệ tiếp theo.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống mạng vô tuyến và IoT: Cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế các nút cảm biến tự cấp nguồn, tối ưu hóa hệ số phân chia công suất và thời gian trong các mạng cảm biến không dây (WSN) và mạng vô tuyến công nghiệp.

Các phần có giá trị tham khảo nổi bật

  • Chương 2 và Chương 3: Hệ thống hóa chi tiết các mô hình toán học của bộ thu PSR, TSR và các phương trình tín hiệu trong mạng NOMA đường xuống.
  • Chương 4: Các bước dẫn xuất toán học tường minh cho bốn chỉ số hiệu năng (OP, Throughput, Ergodic Rate, EE) là nguồn công thức dạng đóng có thể áp dụng trực tiếp cho các bài toán phân tích liên quan.
  • Chương 5: Tập hợp các đồ thị mô phỏng đối sánh định lượng phản ánh tác động của các tham số vật lý ($m, d, \kappa, \beta, \alpha$) đối với hiệu năng hệ thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Trạm chuyển tiếp $D_1$ thực hiện thu thập năng lượng và chuyển tiếp tín hiệu theo nguyên lý nào?

Tại trạm chuyển tiếp $D_1$, quá trình hoạt động diễn ra theo hai giai đoạn dựa trên cơ chế SWIPT và giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF). Ở giai đoạn đầu, $D_1$ nhận tín hiệu từ trạm gốc S và chia tách tín hiệu thành hai phần: một phần đưa vào mạch chỉnh lưu để thu thập năng lượng (EH) lưu trữ vào pin hoặc tụ, phần còn lại đưa vào bộ xử lý thông tin (IP). $D_1$ áp dụng kỹ thuật SIC để giải mã tín hiệu $x_2$ của người dùng xa $D_2$. Ở giai đoạn tiếp theo, $D_1$ sử dụng toàn bộ năng lượng đã thu thập được từ sóng RF phát tín hiệu $x_2$ đã giải mã đến $D_2$ ở chế độ bán song công.

2. Sự khác biệt về hiệu năng giữa hai giao thức PSR và TSR được kết luận như thế nào?

Kết quả phân tích giải tích và mô phỏng số tại Chương 5 chỉ ra sự đánh đổi rõ ràng giữa hai giao thức:

  • Giao thức TSR (chuyển mạch thời gian): Đạt thông lượng (throughput) và tốc độ trung bình (ergodic rate) cao hơn giao thức PSR.
  • Giao thức PSR (phân chia công suất): Đạt chỉ số hiệu suất năng lượng (EE) cao hơn giao thức TSR trong cùng điều kiện khảo sát.

3. Việc có thêm liên kết trực tiếp (Trường hợp 2) mang lại ưu thế gì so với mô hình chỉ có liên kết chuyển tiếp (Trường hợp 1)?

Trong trường hợp không có vật cản, nút đích xa $D_2$ nhận tín hiệu từ cả trạm gốc S và trạm chuyển tiếp $D_1$. Kết quả nghiên cứu chứng minh rằng cấu hình có liên kết trực tiếp giúp giảm đáng kể xác suất dừng (OP), nâng cao thông lượng tổng, cải thiện tốc độ trung bình và tăng hiệu suất năng lượng toàn mạng so với cấu hình chỉ dựa vào liên kết chuyển tiếp gián tiếp.

4. Hiện tượng triệt can nhiễu liên tiếp không hoàn hảo (Imperfect SIC) ảnh hưởng ra sao đến hiệu năng hệ thống?

Khi quá trình SIC tại trạm chuyển tiếp $D_1$ không hoàn hảo, một phần công suất của tín hiệu $x_2$ vẫn còn tồn dư dưới dạng can nhiễu (biểu thị qua tham số sai số $\kappa$). Điều này làm suy giảm tỷ số SINR khi giải mã tín hiệu $x_1$, dẫn đến việc xác suất dừng (OP) tại $D_1$ xuất hiện một ngưỡng sàn lỗi (error floor) tại vùng SNR cao, làm cho hiệu năng dừng không thể giảm thêm dù công suất phát của trạm gốc tiếp tục tăng.

5. Hai phương thức truyền DLT và DTT được sử dụng tương ứng với các tiêu chuẩn đánh giá hiệu năng nào?

  • Phương thức truyền giới hạn trễ (DLT - Delay Limited Transmission): Tốc độ phát của nguồn được giữ cố định ở các mức mục tiêu ($R_1, R_2$), hiệu năng hệ thống được đánh giá thông qua chỉ số thông lượng (Throughput), phụ thuộc trực tiếp vào xác suất dừng tại các nút.
  • Phương thức truyền chấp nhận trễ (DTT - Delay Tolerant Transmission): Tốc độ phát của nguồn thay đổi linh hoạt theo trạng thái kênh truyền thực tế, hiệu năng hệ thống được đánh giá thông qua chỉ số tốc độ trung bình (Ergodic Rate).

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Trần Quý Hữu đã tích hợp thành công kỹ thuật đa truy cập không trực giao (NOMA), cơ chế truyền năng lượng và thông tin không dây đồng thời (SWIPT) và giao thức chuyển tiếp giải mã và chuyển tiếp (DF) trong mạng vô tuyến bán song công. Nghiên cứu đã dẫn xuất thành công các biểu thức toán học tường minh dạng đóng cho bốn chỉ số hiệu năng cốt lõi gồm xác suất dừng, thông lượng, tốc độ trung bình và hiệu suất năng lượng cho hai giao thức PSR và TSR dưới hai kịch bản kênh truyền có và không có liên kết trực tiếp. Các kết quả mô phỏng số đã khẳng định tính chính xác của mô hình lý thuyết, chứng minh tính ưu việt của NOMA so với OMA, đồng thời làm rõ sự đánh đổi kỹ thuật giữa thông lượng của giao thức TSR và hiệu suất năng lượng của giao thức PSR, tạo cơ sở dữ liệu khoa học cho việc tối ưu hóa tham số mạng vô tuyến năng lượng thấp trong tương lai.