Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu giải pháp phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến" do nghiên cứu sinh Nguyễn Anh Tuấn thực hiện tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông (chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông, mã số 9.08), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo và TS. Trương Trung Kiên, hoàn thành năm 2020.

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| THÔNG TIN TỔNG QUAN LUẬN ÁN                                                       |
+----------------------+------------------------------------------------------------+
| Tác giả              | Nguyễn Anh Tuấn                                            |
| Cơ sở đào tạo        | Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông                    |
| Ngành / Mã số        | Kỹ thuật viễn thông / 9.08                                 |
| Người hướng dẫn      | 1. PGS.TS. Võ Nguyễn Quốc Bảo, 2. TS. Trương Trung Kiên    |
| Năm hoàn thành       | 2020                                                       |
+----------------------+------------------------------------------------------------+

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Kỹ thuật thu thập năng lượng (Energy Harvesting - EH) từ tần số vô tuyến (Radio Frequency - RF) được xem là giải pháp khả thi nhằm hiện thực hóa mạng thông tin "năng lượng xanh", giải quyết bài toán giới hạn nguồn pin cho các thiết bị di động, cảm biến và Internet vạn vật (IoT). So với nguồn năng lượng tự nhiên (mặt trời, gió, địa nhiệt) phụ thuộc thời tiết hoặc kỹ thuật truyền năng lượng trường gần bị giới hạn cự ly, kỹ thuật thu thập năng lượng RF trường xa cho phép truyền và nạp năng lượng linh hoạt. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi và năng lượng thu thập qua kênh truyền fading vô tuyến thường thấp, khiến cự ly và vùng phủ sóng bị thu hẹp đáng kể.

Để giải quyết vấn đề trên, kỹ thuật truyền thông chuyển tiếp (relay) và truyền thông hợp tác được kết hợp nhằm mở rộng vùng phủ. Mặc dù vậy, các nghiên cứu trước đây bộc lộ nhiều khoảng trống lý thuyết:

  • Đa số nghiên cứu giả định thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo (CSI lý tưởng), chưa phản ánh đúng điều kiện kênh truyền ước lượng không hoàn hảo trong thực tế.
  • Các công thức đánh giá hiệu năng hệ thống (xác suất dừng - Outage Probability) chủ yếu tồn tại dưới dạng xấp xỉ ở vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao (dựa trên hàm BesselK), gây sai số lớn ở vùng SNR thấp; hoặc chỉ biểu diễn dưới dạng chuỗi vô hạn mà chưa có dạng đóng tường minh.
  • Thiếu các mô hình phân tích toàn diện khi tích hợp đồng thời kỹ thuật đa anten (MIMO), truyền song công (Full-Duplex) có xét đến can nhiễu nội dôi dư (RSI), kênh tổng quát Nakagami-$m$, cũng như cơ chế thu thập năng lượng linh hoạt trong mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio).

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Xây dựng các mô hình toán học và thiết lập biểu thức dạng đóng (closed-form expression) tường minh cho tham số xác suất dừng hệ thống ($OP$) trong các cấu hình mạng vô tuyến chuyển tiếp một chiều, hai chiều và mạng vô tuyến nhận thức có tích hợp kỹ thuật thu thập năng lượng RF.
  2. Đề xuất các kỹ thuật phân tích và xấp xỉ giải tích mới nhằm khắc phục sai số của các phương pháp truyền thống ở vùng SNR thấp và trung bình.
  3. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số mạng và kênh truyền (hệ số fading $m$, hệ số phân chia thời gian $\alpha$, hệ số phân chia công suất $\rho$, công suất nguồn ngoài, mức can nhiễu, vị trí các nút) nhằm xác định giá trị tối ưu nâng cao hiệu năng hệ thống.

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 ba cấu hình: chuyển tiếp một chiều (chuyển tiếp gia tăng, đa anten, song công), chuyển tiếp hai chiều (kênh Rayleigh và Nakagami-$m$), và hệ thống vô tuyến nhận thức thứ cấp. Nguồn năng lượng thu thập gồm nguồn nội tại từ tín hiệu thông tin hoặc nguồn năng lượng ổn định chuyên dụng bên ngoài (Power Beacon - PB).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Tầng vật lý (Physical Layer) theo mô hình tham chiếu OSI.
    • Tiêu chí đánh giá hiệu năng cốt lõi: Xác suất dừng hệ thống ($OP$ - Outage Probability).
    • Mô hình kênh truyền fading: Fading Rayleigh, fading Nakagami-$m$, can nhiễu tự thân trong truyền song công, kỹ thuật phân tập không gian MIMO (TAS/MRC).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế

Luận án đã tổng hợp các hướng nghiên cứu tiêu biểu về kỹ thuật thu thập năng lượng RF trên thế giới và tại Việt Nam:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| CÁC NHÓM NGHIÊN CỨU TIÊU BIỂU ĐƯỢC TỔNG QUAN                                      |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| Nhóm tác giả quốc tế     | Hướng nghiên cứu chính                                 |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| Rui Zhang et al. [16]    | Nghiên cứu cơ bản về truyền thông tin và năng lượng   |
| (ĐH Quốc gia Singapore)  | đồng thời (SWIPT).                                     |
| I. Krikidis et al. [26]  | Beamforming, truyền thông hợp tác, chuyển tiếp đơn/    |
| (Đại học Cyprus)         | song công, tối ưu hóa tỷ lệ thời gian thu thập.        |
| Aylin Yener et al. [28]  | Chính sách thích ứng cho hệ thống thu thập năng lượng  |
| (Pennsylvania State Univ)| trên kênh fading.                                      |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| Nhóm tác giả trong nước  | Hướng nghiên cứu chính                                 |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+
| GS. Trần Xuân Nam [30-32]| Kỹ thuật MIMO và các biến thể ứng dụng.               |
| PGS. Hồ Văn Khương[33-37]| Truyền thông hợp tác và vô tuyến nhận thức.            |
| TS. Hà Hoàng Kha [38-40] | Tối ưu hóa hiệu năng hệ thống truyền thông hợp tác.    |
| TS. Trương Trung Kiên    | MIMO và mạng vô tuyến cộng tác.                        |
| [47-49]                  |                                                        |
| PGS. Võ Nguyễn Quốc Bảo, | Truyền thông hợp tác, vô tuyến nhận thức, bảo mật tầng |
| TS. Trần Trung Duy[50-57]| vật lý và hệ thống thu thập năng lượng.                |
+--------------------------+--------------------------------------------------------+

Điểm lại các công trình trực tiếp và khoảng trống giải quyết

  • Mạng chuyển tiếp một chiều: Nghiên cứu [67] khảo sát nút chuyển tiếp thu thập năng lượng nhưng chưa đưa ra biểu thức dạng đóng của $OP$. Nghiên cứu [68] đưa ra kết quả dưới dạng chuỗi vô hạn và giả định kênh hoàn hảo. Phương pháp xấp xỉ phổ biến của Nasir và cộng sự [72] dựa trên hàm BesselK bị tăng sai lệch nhanh ở vùng SNR thấp và cấu hình chặng không đối xứng. Luận án giải quyết bằng cách thiết lập công thức dạng đóng trong điều kiện kênh ước lượng không hoàn hảo và đề xuất phương pháp xấp xỉ chuỗi mới cho hệ thống đa anten.
  • Mạng chuyển tiếp hai chiều: Nghiên cứu [75], [76] phân tích hệ thống chuyển tiếp hai chiều ba pha nhưng chưa có biểu thức giải tích tường minh cho xác suất dừng toàn hệ thống và chưa xét kênh Nakagami-$m$. Luận án bổ sung phân tích dạng đóng trên kênh Rayleigh và Nakagami-$m$ với nguồn phát năng lượng chuyên dụng (PB).
  • Mạng chuyển tiếp song công và nhận thức: Các nghiên cứu [84], [85] chưa xử lý triệt để ảnh hưởng của can nhiễu nội dôi dư (RSI). Các nghiên cứu vô tuyến nhận thức chưa xét bài toán phối hợp linh hoạt hai nguồn năng lượng (từ PB ngoài và từ máy phát sơ cấp PT công suất lớn). Luận án xây dựng mô hình giải tích tích hợp xử lý can nhiễu và tìm lời giải tường minh cho các trường hợp này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Mô hình kênh truyền Nakagami-$m$: Mô tả kênh truyền fading đa đường tổng quát với hàm mật độ phân bố xác suất (PDF) của biên độ đáp ứng xung $|h|$: $$f_{|h|}(x) = \frac{2m^m x^{2m-1}}{\Omega^m \Gamma(m)} \exp\left(-\frac{mx^2}{\Omega}\right), \quad x \ge 0$$ trong đó $\Omega = E{|h|^2}$, $\Gamma(\cdot)$ là hàm Gamma hoàn chỉnh, $m$ là tham số fading ($m \ge 1/2$). Khi $m = 1$, kênh trở thành kênh Rayleigh; khi $m = \frac{(k+1)^2}{2k+1}$, kênh tương đương fading Rice với hệ số $k$.
  • Xác suất dừng hệ thống ($OP$): Được xác định dựa trên dung lượng Shannon và tốc độ dữ liệu mong muốn $R_0$, là xác suất SNR tức thời tại đầu vào máy thu $\gamma_R$ thấp hơn ngưỡng $\gamma_{th}$: $$OP = \Pr(\gamma_R < \gamma_{th}) = \int_0^{\gamma_{th}} f_{\gamma_R}(\gamma) d\gamma$$
  • Giao thức thu thập năng lượng:
    • Giao thức phân chia theo thời gian (Time Switching - TS): Chu kỳ $T$ chia thành khoảng thời gian $\alpha T$ dành cho thu thập năng lượng và $(1-\alpha)T/2$ cho mỗi pha truyền tin ($0 < \alpha < 1$).
    • Giao thức phân chia theo công suất (Power Splitting - PS): Nút thu tách công suất tín hiệu nhận được thành tỷ lệ $\rho$ cho khối thu thập năng lượng và $(1-\rho)$ cho khối giải điều chế thông tin ($0 < \rho < 1$).
  • Kỹ thuật lớp vật lý: Chuyển tiếp giải mã và chuyển tiếp (DF - Decode-and-Forward), lựa chọn anten phát tốt nhất (TAS), kết hợp tỷ số cực đại tại nút thu (MRC), lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần (Partial Relay Selection), truyền gia tăng (Incremental Relaying), truyền song công (Full-Duplex) kết hợp loại bỏ can nhiễu nội (SIC).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu định lượng - giải tích toán học kết hợp kiểm chứng mô phỏng số:

  1. Phương pháp phân tích thống kê: Xây dựng mô hình toán, xác định các hàm phân bố tích lũy (CDF) và hàm mật độ xác suất (PDF) của tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời tại các nút thu; khai triển giải tích (chuỗi lũy thừa, nhị thức Newton, tích phân hàm Bessel) để dẫn xuất biểu thức dạng đóng tường minh cho xác suất dừng.
  2. Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo: Xây dựng chương trình mô phỏng trên nền tảng phần mềm MATLAB để kiểm tra tính chính xác của các biểu thức toán học đã thiết lập dưới các điều kiện tham số mạng khác nhau.
  3. Phương pháp so sánh, đối chiếu: Đối chiếu kết quả phân tích với mô hình truyền trực tiếp (Direct Transmission - DT) và các phương pháp xấp xỉ truyền thống (Nasir et al.) để khẳng định tính chính xác và ưu thế của giải pháp đề xuất.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu được trích xuất từ các kịch bản mô phỏng số trên MATLAB với các thông số cấu hình cụ thể: tốc độ truyền mong muốn ($R_0 = 1$ bit/s/Hz), hiệu suất chuyển đổi năng lượng ($\eta = 0.7 - 0.8$), hệ số suy hao đường truyền ($l = 3$), các mức công suất phát $P_S, P_{PB}, P_T$, mức can nhiễu $I_p$, và số lượng anten $N_S, N_D$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan những vấn đề chung

Chương này hệ thống hóa các kiến thức nền tảng và cơ sở vật lý của kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến:

  • Hệ thống vô tuyến chuyển tiếp: Trình bày nguyên lý hệ thống một nút chuyển tiếp và nhiều nút chuyển tiếp; phân tích ưu điểm mở rộng vùng phủ sóng và hạn chế giảm hiệu suất phổ khi số nút chuyển tiếp tăng, từ đó nêu bật vai trò của kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp.
  • Mô hình kênh truyền Nakagami-$m$ và xác suất dừng: Trình bày công thức giải tích của hàm PDF, hàm CDF của độ lợi kênh truyền $|h|^2$ và định nghĩa toán học của tham số $OP$.
  • Kiến trúc máy thu và nguồn năng lượng vô tuyến: Mô tả sơ đồ khối máy thu năng lượng RF bao gồm anten, mạch phối hợp trở kháng (Impedance matching), mạch chỉnh lưu (Voltage multiplier) dùng đi-ốt chuyển đổi RF sang DC, tụ điện ổn định dòng và khối quản lý năng lượng.
+-----------------------------------------------------------------------------------+
| TỔNG HỢP NĂNG LƯỢNG THU THẬP TỪ CÁC NGUỒN PHÁT RF ĐẶC TRƯNG [14]                  |
+--------------------------+----------+------------+------------+-------------------+
| Loại nguồn phát          | Tần số   | Công suất  | Cự ly      | Tỷ lệ công suất   |
|                          |          | phát       | khoảng cách| thu thập được     |
+--------------------------+----------+------------+------------+-------------------+
| Máy phát đẳng hướng      | 915 MHz  | 4 W        | 15 m       | 5,5 µW            |
| Băng tần RFID            | 868 MHz  | 1,78 W     | 25 m       | 2,3 µW            |
| Máy phát truyền hình     | 680 MHz  | 960 kW     | 4,1 km     | 60 µW             |
| Nguồn chuyên dụng        | 915 MHz  | 1 - 3 W    | Cố định    | Cung cấp liên tục |
| (Powercaster)            |          |            |            | thương mại hóa    |
+--------------------------+----------+------------+------------+-------------------+
  • Giao thức TS và PS: Trình bày biểu thức năng lượng thu thập $E_h$ và công suất phát chuyển tiếp $P_R$ tương ứng cho hai giao thức TS ($P_R = \frac{2\eta P_S |h_{SR}|^2}{(1-\alpha) d_1^l}$) và PS ($P_R = \frac{\rho \eta P_S |h_{SR}|^2}{d_1^l}$).

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 ba mô hình hệ thống chuyển tiếp một chiều hai chặng:

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| BA MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP MỘT CHIỀU ĐƯỢC NGHIÊN CỨU TRONG CHƯƠNG 2          |
+------------------+-----------------------------+----------------------------------+
| Mô hình          | Đặc điểm cấu hình           | Kỹ thuật & Kênh truyền           |
+------------------+-----------------------------+----------------------------------+
| Mô hình 1 (2.2)  | Kênh ước lượng không hoàn   | - Lựa chọn nút từng phần (PRS)   |
|                  | hảo ($\rho \ne 1$), N relay | - Truyền gia tăng (Incremental)  |
|                  | đơn anten, TS và PS         | - Fading Rayleigh                |
+------------------+-----------------------------+----------------------------------+
| Mô hình 2 (2.3)  | Nguồn $N_S$ anten, đích     | - Lựa chọn anten phát (TAS)      |
|                  | $N_D$ anten, relay đơn anten| - Kết hợp tỷ số cực đại (MRC)    |
|                  |                             | - Fading Rayleigh, xấp xỉ mới    |
+------------------+-----------------------------+----------------------------------+
| Mô hình 3 (2.4)  | Relay song công (Full-      | - Tự loại trừ can nhiễu (SIC)    |
|                  | Duplex), nguồn PB bên ngoài | - Xét can nhiễu dôi dư (RSI)     |
|                  |                             | - Kênh Fading Nakagami-$m$       |
+------------------+-----------------------------+----------------------------------+

1. Hệ thống với kênh truyền ước lượng không hoàn hảo

Hệ số kênh thực tế liên hệ với hệ số ước lượng qua $h_{SR_m} = \rho \hat{h}_{SR_m} + \sqrt{1-\rho^2}\epsilon$. Tác giả thiết lập công thức dạng đóng tính $OP$ cho cả giao thức TS và PS kết hợp hàm Bessel điều chỉnh loại hai $\text{BesselK}(\cdot)$.

  • Kết quả khảo sát: Mô hình truyền gia tăng đề xuất hoạt động vượt trội so với truyền trực tiếp (DT) tại vùng SNR trung bình và cao (mô hình TS và PS vượt DT lần lượt từ các ngưỡng xấp xỉ 12 dB và 14 dB).
  • Tối ưu hóa tham số: Giá trị tối ưu của hệ số phân chia thời gian $\alpha \approx 0.21$ và hệ số phân chia công suất $\rho \approx 0.59$ là không phụ thuộc vào giá trị SNR của hệ thống. Tại các giá trị tối ưu này, hiệu năng của hai giao thức TS và PS là hoàn toàn tương đương nhau.

2. Hệ thống sử dụng kỹ thuật đa anten (TAS/MRC)

Nút nguồn trang bị $N_S$ anten áp dụng kỹ thuật TAS, nút đích trang bị $N_D$ anten áp dụng kỹ thuật MRC.

  • Tác giả chỉ ra hạn chế của phương pháp xấp xỉ Nasir truyền thống (chỉ chính xác ở vùng SNR cao) và đề xuất kỹ thuật xấp xỉ mới dựa trên khai triển chuỗi hàm mũ, cho kết quả xấp xỉ trùng khít với mô phỏng Monte-Carlo trên toàn bộ dải SNR từ thấp đến cao.
  • Tăng số lượng anten tại nguồn ($N_S$) hoặc tại đích ($N_D$) làm giảm đáng kể xác suất dừng của hệ thống.

3. Hệ thống chuyển tiếp một chiều song công (Full-Duplex)

Nút chuyển tiếp trang bị 2 anten cho phép thu và phát đồng thời trên cùng dải tần, được cấp nguồn từ trạm phát năng lượng PB bên ngoài và chịu ảnh hưởng của can nhiễu nội dôi dư (RSI) sau khi thực hiện SIC.

  • Biểu thức dạng tường minh của $OP$ được dẫn xuất trên kênh Nakagami-$m$. Kết quả khảo sát chỉ ra rằng cải thiện hiệu quả loại bỏ can nhiễu SIC đóng vai trò quyết định đến việc giảm sàn lỗi (error floor) và xác suất dừng của hệ thống song công.

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 bài toán cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều (Two-Way Relaying) gồm hai nút người dùng trao đổi dữ liệu qua một nút chuyển tiếp hỗ trợ (DF) dưới sự cấp nguồn của một trạm phát năng lượng ngoài (Power Beacon - PB):

  • Phân tích trên kênh fading Rayleigh và Nakagami-$m$: Xây dựng mô hình toán học và biểu thức dạng đóng của $OP$ toàn hệ thống.
  • Khảo sát tham số:
    • Xác suất dừng $OP$ giảm mạnh khi công suất phát của trạm năng lượng $P_{PB}$ tăng lên.
    • Vị trí hình học của PB và nút chuyển tiếp $R$ có ảnh hưởng lớn: đặt PB và $R$ gần trung điểm giữa hai nút người dùng mang lại hiệu năng tối ưu nhất.
    • Phân tích độ nhạy của hệ số fading $m$: khi tham số $m$ tăng (kênh truyền ít suy hao fading hơn), hiệu năng hệ thống được cải thiện rõ rệt, khẳng định tính tổng quát của mô hình so với các nghiên cứu chỉ xét kênh Rayleigh ($m=1$).

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 khảo sát mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) dạng chia sẻ phổ tần (underlay), trong đó nút phát thứ cấp thu thập năng lượng từ hai nguồn: trạm năng lượng ngoài (PB) và máy phát sơ cấp (Primary Transmitter - PT) có công suất lớn.

  • Điều kiện ràng buộc: Nút phát thứ cấp phải điều chỉnh công suất để mức can nhiễu gây ra tại máy thu sơ cấp (Primary User - PU) không vượt quá ngưỡng cho phép $I_p$.
  • Dẫn xuất giải tích: Luận án đề xuất phương pháp giải tích mới xử lý can nhiễu chéo phức tạp giữa mạng sơ cấp và thứ cấp, thiết lập công thức dạng đóng tính $OP$ cho mạng thứ cấp.
  • Kết quả: Hiệu năng mạng thứ cấp cải thiện rõ rệt khi ngưỡng can nhiễu $I_p$ tăng, công suất $P_T, P_{PB}$ tăng, đồng thời xác lập vị trí tối ưu của trạm PB để giảm thiểu xác suất dừng.

Kết quả và những đóng góp mới

+-----------------------------------------------------------------------------------+
| TỔNG HỢP CÁC ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN                                             |
+----------------------+------------------------------------------------------------+
| Nhóm đóng góp        | Nội dung chi tiết đã được công bố                          |
+----------------------+------------------------------------------------------------+
| Đóng góp lý luận     | 1. Dẫn xuất các biểu thức dạng đóng (closed-form) tường    |
| & Phương pháp toán   |    minh cho xác suất dừng ($OP$) của các hệ thống phức tạp:|
|                      |    kênh ước lượng không hoàn hảo, hệ thống TAS/MRC, chuyển |
|                      |    tiếp song công (Full-Duplex), chuyển tiếp hai chiều và  |
|                      |    vô tuyến nhận thức đa nguồn năng lượng trên kênh        |
|                      |    Rayleigh và Nakagami-$m$.                               |
|                      | 2. Đề xuất kỹ thuật xấp xỉ giải tích mới dựa trên khai     |
|                      |    triển chuỗi hàm mũ, khắc phục sai số lớn ở vùng SNR    |
|                      |    thấp của phương pháp xấp xỉ BesselK truyền thống.       |
+----------------------+------------------------------------------------------------+
| Đóng góp thực tiễn   | 1. Xác định giá trị tối ưu của hệ số thời gian             |
| & Thiết kế hệ thống  |    $\alpha \approx 0.21$ và công suất $\rho \approx 0.59$  |
|                      |    không phụ thuộc SNR cho hệ thống chuyển tiếp gia tăng. |
|                      | 2. Cung cấp cơ sở tính toán định lượng về vị trí đặt trạm  |
|                      |    năng lượng PB, cấu hình anten và khống chế can nhiễu   |
|                      |    cho các mạng IoT, 5G/B5G tự cấp nguồn.                  |
+----------------------+------------------------------------------------------------+

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Trong thiết kế mạng chuyển tiếp gia tăng có thu thập năng lượng, nên áp dụng hệ số phân chia cố định ($\alpha \approx 0.21$ đối với TS hoặc $\rho \approx 0.59$ đối với PS) để đạt hiệu năng tối ưu mà không cần mạch đo thích ứng SNR phức tạp.
  • Khi triển khai hệ thống có giới hạn kích thước ở nút chuyển tiếp, nên kết hợp phân tập anten phát (TAS) tại nút nguồn và phân tập kết hợp (MRC) tại nút đích để bù đắp suy hao năng lượng.
  • Trong mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng, cần bố trí trạm PB chuyên dụng tại các vị trí cân bằng khoảng cách giữa mạng sơ cấp và thứ cấp nhằm tối ưu hóa việc nạp năng lượng mà không vi phạm ngưỡng can nhiễu $I_p$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu tập trung chủ yếu ở tầng vật lý (Physical layer) của mô hình OSI, chưa khảo sát các giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC) và định tuyến mạng.
  • Trong mô hình nhiều nút chuyển tiếp, một số phân tích giả định các nút trong cùng nhóm (cluster) có khoảng cách xấp xỉ nhau tới nút nguồn.
  • Kỹ thuật chuyển tiếp tập trung vào phương thức giải mã và chuyển tiếp (DF); chưa mở rộng chi tiết cho phương thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF) trong toàn bộ các cấu hình.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng phân tích hiệu năng hệ thống lên các tầng mạng cao hơn (tầng MAC, tầng mạng), đánh giá các tham số như độ trễ truyền gói và thông lượng toàn mạng.
  • Nghiên cứu mô hình kênh truyền phức tạp và đa dạng hơn như kênh fading Rician, kênh $\kappa$-$\mu$, $\eta$-$\mu$ hoặc các kịch bản mạng chuyển tiếp đa chặng quy mô lớn.
  • Xây dựng mô hình thử nghiệm phần cứng thực tế để đối chiếu kết quả đo kiểm thực nghiệm với mô hình lý thuyết và mô phỏng số.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu phục vụ trực tiếp cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông: Tham khảo phương pháp xây dựng mô hình toán học giải tích, kỹ thuật khai triển chuỗi và dẫn xuất biểu thức dạng đóng của xác suất dừng trên kênh fading Rayleigh và Nakagami-$m$. Đặc biệt, nội dung kỹ thuật xấp xỉ mới trong Chương 2 là tài liệu hữu ích để thay thế các phương pháp xấp xỉ truyền thống.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống và chuyên gia hoạch định mạng vô tuyến: Tham khảo các kết quả khảo sát tham số định lượng (tỷ lệ $\alpha$, $\rho$, vị trí trạm PB, số lượng anten, ngưỡng can nhiễu $I_p$) để ứng dụng vào việc thiết kế cấu hình mạng cảm biến IoT không dây, mạng 5G/B5G và các hệ thống vô tuyến tiết kiệm năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

1. Năng lượng thu thập từ các nguồn phát sóng RF trong thực tế đạt mức công suất bao nhiêu ở các khoảng cách cụ thể?

Theo số liệu khảo sát tại Chương 1 (dẫn từ [14]), tỷ lệ công suất thu thập năng lượng vô tuyến phụ thuộc vào khoảng cách và công suất nguồn phát:

  • Máy phát đẳng hướng 915 MHz công suất 4 W ở cự ly 15 m thu được 5,5 µW.
  • Máy phát băng tần RFID 868 MHz công suất 1,78 W ở cự ly 25 m thu được 2,3 µW.
  • Máy phát truyền hình công suất 960 kW (tần số 680 MHz) ở cự ly 4,1 km thu được 60 µW.
  • Nguồn RF chuyên dụng thương mại như Powercaster (915 MHz) cung cấp công suất phát từ 1 W đến 3 W.

2. Trong hệ thống chuyển tiếp một chiều với kênh ước lượng không hoàn hảo, giá trị tối ưu của hệ số thời gian $\alpha$ và hệ số công suất $\rho$ là bao nhiêu?

Kết quả phân tích giải tích và mô phỏng số tại Chương 2 chứng minh rằng:

  • Giá trị tối ưu của hệ số phân chia thời gian $\alpha$ xấp xỉ bằng 0,21.
  • Giá trị tối ưu của hệ số phân chia công suất $\rho$ xấp xỉ bằng 0,59.
  • Hai giá trị tối ưu này mang tính chất độc lập, hoàn toàn không phụ thuộc vào tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của hệ thống.

3. Kỹ thuật xấp xỉ của Nasir và cộng sự gặp nhược điểm gì và tác giả đã giải quyết ra sao?

Phương pháp xấp xỉ truyền thống của Nasir et al. [72] dựa trên hàm BesselK chỉ phù hợp ở vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao và áp dụng cho mạng nút đơn anten; phương pháp này có sai số tăng rất nhanh ở vùng SNR thấp hoặc khi các chặng truyền không đối xứng. Luận án đã đề xuất kỹ thuật xấp xỉ giải tích mới dựa trên khai triển chuỗi hàm mũ, cho phép đánh giá chính xác xác suất dừng hệ thống đa anten (TAS/MRC) trên toàn bộ dải SNR từ thấp đến cao, đạt độ trùng khít với mô phỏng Monte-Carlo.

4. Hệ thống vô tuyến nhận thức trong Chương 4 thu thập năng lượng từ đâu và khống chế can nhiễu qua tham số nào?

Hệ thống vô tuyến nhận thức trong Chương 4 thu thập năng lượng linh hoạt từ hai nguồn: trạm năng lượng chuyên dụng bên ngoài (Power Beacon - PB) và máy phát công suất lớn của mạng sơ cấp (Primary Transmitter - PT). Để đảm bảo không ảnh hưởng đến hoạt động của mạng sơ cấp, hệ thống thứ cấp phải khống chế công suất phát sao cho mức can nhiễu tại máy thu sơ cấp (PU) không vượt quá mức ngưỡng can nhiễu tối đa cho phép, ký hiệu là $I_p$.

5. Hiệu năng giữa hai giao thức thu thập năng lượng TS và PS trong hệ thống chuyển tiếp gia tăng ở Chương 2 khác nhau như thế nào?

Khi hệ số phân chia thời gian $\alpha$ và hệ số phân chia công suất $\rho$ được thiết lập ở giá trị tối ưu tương ứng ($\alpha \approx 0.21$ và $\rho \approx 0.59$), xác suất dừng ($OP$) của hệ thống sử dụng giao thức TS và hệ thống sử dụng giao thức PS trong cùng điều kiện kênh truyền là hoàn toàn tương đương nhau. Cả hai giao thức đều thể hiện ưu thế vượt trội so với truyền trực tiếp ở vùng SNR trung bình và cao (tương ứng từ 12 dB đối với TS và 14 dB đối với PS).

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 tầng vật lý cho các cấu hình hệ thống vô tuyến thế hệ mới có tích hợp kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến. Bằng phương pháp giải tích thống kê kết hợp kiểm chứng mô phỏng Monte-Carlo, công trình đã thiết lập thành công các biểu thức dạng đóng tường minh cho xác suất dừng hệ thống trên các mô hình kênh fading Rayleigh và Nakagami-$m$, khắc phục được các hạn chế về sai số giải tích ở vùng SNR thấp của các nghiên cứu trước đây. Các kết quả khảo sát tham số và đề xuất giá trị tối ưu trong luận án cung cấp cơ sở khoa học và định lượng quan trọng cho việc thiết kế, tối ưu hóa các hệ thống mạng truyền thông không dây xanh và mạng Internet vạn vật (IoT) trong thực tiễn.