Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Thu thập và tái sử dụng năng lượng là giải pháp kỹ thuật hướng tới mục tiêu "năng lượng xanh" trong các hệ thống truyền thông. Các nguồn năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời, gió, thủy triều hoặc địa nhiệt tuy dồi dào nhưng đòi hỏi kỹ thuật thu thập phức tạp, tính ổn định phụ thuộc vào điều kiện môi trường, do đó khó tích hợp vào các thiết bị vô tuyến di động có kích thước và năng lực xử lý bị giới hạn. Phương thức truyền năng lượng vô tuyến trường gần (như sạc không dây cảm ứng) bị hạn chế nghiêm ngặt về cự ly hoạt động, không đáp ứng được yêu cầu của các thiết bị y tế cấy ghép trên cơ thể, thiết bị di động hay thiết bị chuyên dụng phục vụ an ninh, quốc phòng.

Kỹ thuật thu thập năng lượng từ tần số vô tuyến (Radio Frequency Energy Harvesting - RF EH) cho phép các thiết bị thu nhận năng lượng từ sóng điện từ để duy trì hoạt động truyền thông. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi và năng lượng thu thập được qua kênh truyền fading vô tuyến thường thấp, khiến vùng phủ sóng của mạng bị thu hẹp đáng kể. Để khắc phục nhược điểm này, kỹ thuật truyền thông chuyển tiếp (relay) và truyền thông hợp tác được ứng dụng nhằm mở rộng cự ly truyền dẫn và nâng cao chất lượng mạng.

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định bao gồm:

  • Các nghiên cứu về hệ thống chuyển tiếp một chiều thu thập năng lượng phần lớn giả định kênh truyền hoàn hảo (biết đầy đủ thông tin trạng thái kênh truyền - CSI). Việc khảo sát hệ thống dưới điều kiện kênh truyền ước lượng không hoàn hảo, tích hợp kỹ thuật đa ăng ten (MIMO) và kỹ thuật truyền song công (Full-Duplex) có tính đến can nhiễu tự thân còn thiếu các biểu thức giải tích dạng đóng (closed-form).
  • Kỹ thuật xấp xỉ xác suất dừng truyền thống do Nasir và cộng sự đề xuất chỉ áp dụng cho vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao dựa trên hàm BesselK, dẫn đến sai lệch lớn ở vùng SNR thấp và trung bình hoặc trong các cấu hình chặng truyền không đối xứng.
  • Các phân tích hiệu năng của hệ thống chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng chủ yếu dừng lại ở mô hình kênh fading Rayleigh, thiếu tính tổng quát so với kênh Nakagami-$m$, đồng thời một số công trình chỉ biểu diễn kết quả dưới dạng chuỗi vô hạn.
  • Trong hệ thống vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio), việc kết hợp linh hoạt việc thu thập năng lượng từ nguồn phát chuyên dụng bên ngoài (Power Beacon - PB) và nguồn phát công suất lớn của mạng sơ cấp (Primary Transmitter - PT) chưa được phân tích toàn diện khi có sự ràng buộc về mức can nhiễu lên máy thu sơ cấp.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Xây dựng mô hình toán học và phân tích hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp một chiều thu thập năng lượng trong ba điều kiện: kênh truyền ước lượng không hoàn hảo kết hợp truyền gia tăng, hệ thống đa ăng ten (MIMO) áp dụng kỹ thuật lựa chọn ăng ten phát (TAS) và kết hợp tỷ số cực đại (MRC), và hệ thống chuyển tiếp song công có nguồn cấp năng lượng ngoài (PB).
  2. Thiết lập phương pháp giải tích mới nhằm xác định biểu thức dạng đóng của xác suất dừng hệ thống (Outage Probability - OP) trên kênh fading Rayleigh và Nakagami-$m$, khắc phục hạn chế của các phương pháp xấp xỉ trước đây.
  3. Phân tích, đánh giá hiệu năng hệ thống chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng từ nguồn ngoài trên kênh Nakagami-$m$, xác định các giá trị tham số tối ưu nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống.
  4. Đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng linh hoạt từ nguồn ngoài PB và máy phát sơ cấp PT, giải quyết bài toán ảnh hưởng can nhiễu giữa mạng sơ cấp và mạng thứ cấp.

Câu hỏi và giả thuyết nghiên cứu

  1. Câu hỏi 1: Làm thế nào để thiết lập biểu thức toán học dạng đóng cho xác suất dừng của hệ thống chuyển tiếp một chiều truyền gia tăng khi thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) không hoàn hảo?
  2. Câu hỏi 2: Phương pháp xấp xỉ nào có thể thay thế kỹ thuật xấp xỉ Nasir để đánh giá chính xác xác suất dừng ở vùng SNR thấp và trung bình cho hệ thống chuyển tiếp đa ăng ten?
  3. Câu hỏi 3: Mức độ ảnh hưởng của tham số fading $m$, vị trí của nguồn năng lượng PB, vị trí nút chuyển tiếp R và hệ số phân chia thời gian $\alpha$ đến xác suất dừng của hệ thống chuyển tiếp hai chiều trên kênh Nakagami-$m$ như thế nào?
  4. Câu hỏi 4: Mạng vô tuyến nhận thức thứ cấp đạt được hiệu năng ra sao khi thu thập năng lượng đồng thời từ nguồn ngoài PB và máy phát sơ cấp PT dưới ngưỡng can nhiễu tối đa 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, bao gồm: hệ thống chuyển tiếp một chiều, hệ thống chuyển tiếp hai chiều và hệ thống vô tuyến nhận thức; cơ chế thu thập năng lượng từ tín hiệu thông tin nội tại hoặc từ nguồn năng lượng chuyên dụng bên ngoài.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Tầng giao thức: Tập trung vào lớp vật lý (Physical Layer) theo mô hình tham chiếu OSI.
    • Chỉ tiêu đánh giá hiệu năng: Tham số xác suất dừng hệ thống (Outage Probability - OP).
    • Mô hình kênh truyền fading: Kênh fading Rayleigh và kênh fading tổng quát Nakagami-$m$.
    • Kỹ thuật truyền dẫn: Kỹ thuật đa ăng ten MIMO (TAS, MRC), chuyển tiếp bán song công (Half-Duplex) và song công (Full-Duplex), giao thức giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF), giao thức thu thập năng lượng phân chia theo thời gian (Time Switching - TS) và phân chia theo công suất (Power Splitting - PS), kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần (Partial Relay Selection), kỹ thuật truyền gia tăng (Incremental Relaying).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước

  • Truyền thông hợp tác và chuyển tiếp vô tuyến: Khái niệm truyền thông hợp tác được Laneman đề xuất năm 2002 tại MIT, cho phép các nút mạng đơn ăng ten phối hợp tạo thành hệ thống MIMO ảo nhằm đạt độ lợi phân tập không gian. Kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần dựa trên bộ định thời được Bletsas phát triển nhằm tối ưu hiệu suất phổ tần so với phương pháp lặp lại truyền thống.
  • Kiến trúc thu thập năng lượng vô tuyến: Xuất phát từ ý tưởng truyền tải năng lượng không dây của Tesla, các mô hình truyền thông tin và năng lượng đồng thời (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer - SWIPT) được phát triển. Zhou (2013) đề xuất các kiến trúc máy thu vô tuyến thu thập năng lượng cụ thể gồm phân chia thời gian (TS) và phân chia công suất (PS). L. Xiao khảo sát chi tiết cấu trúc phần cứng khối thu RF (anten, mạch phối hợp trở kháng, mạch chỉnh lưu đi-ốt và tụ điện) cùng các phép đo thực nghiệm từ các nguồn phát sóng thương mại.
  • Các nhóm nghiên cứu quốc tế:
    • Nhóm nghiên cứu của Rui Zhang (Đại học Quốc gia Singapore) thực hiện các công trình nền tảng về hệ thống SWIPT và tối ưu hóa phân bổ tài nguyên vô tuyến.
    • Nhóm nghiên cứu của I. Krikidis (Đại học Cyprus) khảo sát các kỹ thuật định hình chùm tia (beamforming), chuyển tiếp đơn công/song công và xác định tỷ lệ thời gian phân chia tối ưu giữa thu thập năng lượng và truyền dữ liệu.
    • Nhóm nghiên cứu của Aylin Yener (Đại học Bang Pennsylvania, Hoa Kỳ) phát triển các chính sách thích ứng cho hệ thống thu thập năng lượng hoạt động trên kênh fading.
  • Các nhóm nghiên cứu tại Việt Nam:
    • GS. Trần Xuân Nam tập trung nghiên cứu về hệ thống MIMO và các biến thể ứng dụng.
    • PGS. Hồ Văn Khương nghiên cứu sâu về truyền thông hợp tác và mạng vô tuyến nhận thức.
    • TS. Hà Hoàng Kha thực hiện các nghiên cứu tối ưu hóa hiệu năng hệ thống hợp tác.
    • TS. Trương Trung Kiên nghiên cứu về kỹ thuật MIMO và hệ thống vô tuyến cộng tác.
    • Nhóm nghiên cứu của PGS. Võ Nguyễn Quốc Bảo và TS. Trần Trung Duy nghiên cứu về truyền thông chuyển tiếp, vô tuyến nhận thức, bảo mật lớp vật lý và hệ thống thu thập năng lượng vô tuyến.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Khảo sát các công trình giai đoạn 2016–2018 cho thấy:

  • Nghiên cứu của các tác giả năm 2016 về mạng chuyển tiếp thu thập năng lượng: công trình [67] chưa đưa ra được công thức dạng đóng của xác suất dừng hệ thống; công trình [68] chỉ biểu diễn xác suất dừng dưới dạng chuỗi vô hạn và giới hạn trong điều kiện kênh truyền lý tưởng.
  • Phương pháp xấp xỉ của Nasir và cộng sự công bố năm 2013 dựa trên hàm BesselK chỉ chính xác tại vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao, xuất hiện sai số lớn tại vùng SNR thấp và trung bình.
  • Các công trình năm 2017 về mạng chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng như [75] và [76] phân tích hệ thống chuyển tiếp DF ba pha thời gian nhưng chưa thiết lập được biểu thức tường minh cho toàn hệ thống và chưa mở rộng cho mô hình kênh fading Nakagami-$m$.
  • Các nghiên cứu năm 2018 kết hợp kỹ thuật truyền song công (Full-Duplex) với thu thập năng lượng như [84], [85] chưa giải quyết triệt để bài toán triệt tiêu và định lượng ảnh hưởng của nhiễu tự thân dôi dư (Residual Self-Interference - RSI).

Luận án định vị trọng tâm vào việc xây dựng mô hình giải tích mới, thiết lập các biểu thức dạng đóng chính xác cho xác suất dừng của hệ thống chuyển tiếp một chiều (kênh ước lượng không hoàn hảo, đa ăng ten, song công), chuyển tiếp hai chiều trên kênh Nakagami-$m$ và mạng vô tuyến nhận thức với cơ chế thu thập năng lượng linh hoạt.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Mô hình kênh truyền Nakagami-$m$: Kênh Nakagami-$m$ mô tả môi trường truyền sóng ngắn qua tầng điện ly hoặc môi trường có can nhiễu đa đường phức tạp. Biên độ đáp ứng xung $|h|$ tuân theo phân bố Nakagami với hàm mật độ phân bố xác suất (PDF): $$f_{|h|}(x) = \frac{2m^m x^{2m-1}}{\Omega^m \Gamma(m)} \exp\left(-\frac{mx^2}{\Omega}\right), \quad x \ge 0$$ Trong đó $\Omega = E{|h|^2}$ là công suất trung bình của kênh, $m \ge 0.5$ là tham số fading, $\Gamma(\cdot)$ là hàm Gamma hoàn chỉnh. Độ lợi kênh truyền $|h|^2$ tuân theo phân bố Gamma với hàm phân bố tích lũy (CDF): $$F_{|h|^2}(x) = 1 - \frac{\Gamma\left(m, \frac{mx}{\Omega}\right)}{\Gamma(m)}, \quad x \ge 0$$ Khi $m = 1$, kênh Nakagami-$m$ tương đương kênh Rayleigh; khi $m = \frac{(k+1)^2}{2k+1}$, kênh tương đương kênh fading Rician với hệ số $k$.
  • Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability - OP): Xác suất dừng được định nghĩa là xác suất mà tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời $\gamma_R$ tại đầu vào máy thu nhỏ hơn một ngưỡng giải mã cho trước $\gamma_{th} = 2^{2R}-1$ (hoặc $\gamma_{th} = 2^{\frac{2R}{1-\alpha}}-1$ tùy cấu hình khung thời gian): $$OP = \Pr(\gamma_R < \gamma_{th}) = \int_{0}^{\gamma_{th}} f_{\gamma_R}(\gamma) d\gamma$$
  • Kiến trúc khối thu thập năng lượng RF: Tín hiệu vô tuyến thu tại ăng ten đi qua mạch phối hợp trở kháng (cộng hưởng theo dải tần thiết kế) tới mạch chỉnh lưu gồm các đi-ốt chuyển đổi tín hiệu xoay chiều AC thành dòng điện một chiều DC. Năng lượng được ổn định qua tụ điện, quản lý qua bộ quản lý năng lượng và lưu trữ tại khối lưu trữ trước khi cung cấp cho chíp xử lý và mạch thu phát công suất thấp.
Nguồn phát vô tuyến Tần số hoạt động Công suất phát Khoảng cách Tốc độ thu nhận năng lượng thực tế
Máy phát Powercaster $915\text{ MHz}$ $1\text{ W} - 3\text{ W}$ Nguồn RF chuyên dụng Cung cấp liên tục
Máy phát đẳng hướng $915\text{ MHz}$ $4\text{ W}$ $15\text{ m}$ $5{,}5\ \mu\text{W}$
Máy phát RFID $868\text{ MHz}$ $1{,}78\text{ W}$ $25\text{ m}$ $2{,}3\ \mu\text{W}$
Máy phát truyền hình $680\text{ MHz}$ $960\text{ kW}$ $4{,}1\text{ km}$ $60\ \mu\text{W}$
  • Giao thức thu nhận năng lượng:
    • Phân chia theo thời gian (Time Switching - TS): Chu kỳ symbol $T$ được chia thành khoảng thời gian $\alpha T$ để thu thập năng lượng ($0 < \alpha < 1$), thời gian $\frac{(1-\alpha)T}{2}$ dành cho nút nguồn phát tới nút chuyển tiếp, và $\frac{(1-\alpha)T}{2}$ còn lại để nút chuyển tiếp phát tới nút đích. Năng lượng thu được: $E_h = \eta P_S \frac{|h_{SR}|^2}{d_1^l} \alpha T$; công suất phát chuyển tiếp: $P_R = \frac{2\eta \alpha P_S |h_{SR}|^2}{(1-\alpha) d_1^l}$.
    • Phân chia theo công suất (Power Splitting - PS): Tín hiệu thu được chia theo tỷ lệ công suất: $\rho P$ dành cho thu thập năng lượng và $(1-\rho)P$ dành cho giải mã thông tin ($0 < \rho < 1$). Năng lượng thu được trong nửa chu kỳ $\frac{T}{2}$ là $E_h = \eta \rho P_S \frac{|h_{SR}|^2}{d_1^l} \frac{T}{2}$; công suất phát chuyển tiếp: $P_R = \frac{\eta \rho P_S |h_{SR}|^2}{d_1^l}$.

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp phân tích thống kê toán học: Xây dựng hàm mật độ phân bố xác suất đồng thời, hàm phân bố có điều kiện của tỷ số tín hiệu trên nhiễu tức thời tại các chặng truyền dẫn. Sử dụng các công cụ giải tích tích phân, khai triển chuỗi nhị thức Newton, chuỗi hàm mũ, các hàm toán học đặc biệt (hàm Bessel sửa đổi $I_0(\cdot)$, hàm Bessel loại hai $K_1(\cdot)$, $K[\cdot]$, hàm Gamma hoàn chỉnh và không hoàn chỉnh) để biến đổi các biểu thức tích phân phức tạp về dạng đóng tường minh.
  2. Phương pháp mô phỏng số Monte-Carlo: Xây dựng các chương trình mô phỏng bằng ngôn ngữ lập trình trên phần mềm MATLAB. Thực hiện lặp lại phép thử ngẫu nhiên với số lượng mẫu lớn để thu được đường cong xác suất dừng thực nghiệm, đối chiếu trực tiếp với đường cong giải tích lý thuyết.
  3. Phương pháp so sánh, đối chiếu: So sánh định lượng kết quả của các mô hình đề xuất với phương pháp truyền trực tiếp (Direct Transmission - DT) và phương pháp xấp xỉ truyền thống của Nasir trong cùng điều kiện thông số hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan những vấn đề chung

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về mạng vô tuyến chuyển tiếp, mô hình toán học kênh truyền Nakagami-$m$, định nghĩa xác suất dừng hệ thống OP và các kiến trúc thu thập năng lượng vô tuyến. Tác giả phân loại ba mô hình mạng SWIPT:

  1. Máy phát có nguồn năng lượng ổn định truyền năng lượng vô tuyến cho các nút mạng thực hiện thu/phát dữ liệu tới các nút khác.
  2. Máy phát có nguồn năng lượng ổn định thực hiện đồng thời truyền năng lượng và dữ liệu; các nút mạng dùng năng lượng thu thập để truyền dữ liệu ngược lại máy phát.
  3. Máy phát vô tuyến truyền/nhận dữ liệu với các nút nội mạng, đồng thời truyền năng lượng cho các nút thuộc mạng vô tuyến khác.

Chương này trình bày chi tiết sơ đồ khối phần cứng máy thu RF EH, nguyên lý toán học của giao thức TS và PS, đồng thời tổng kết bức tranh nghiên cứu trong và ngoài nước, xác định ba hướng nghiên cứu trọng tâm triển khai trong các chương tiếp theo.

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 nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu năng và thiết lập công thức xác suất dừng cho ba mô hình hệ thống chuyển tiếp một chiều hai chặng:

[Mô hình 1: Kênh ước lượng không hoàn hảo]
             (Pha 1: Quảng bá / Pha 2: Chuyển tiếp gia tăng)

[Mô hình 2: Đa ăng ten MIMO TAS/MRC]

[Mô hình 3: Chuyển tiếp Song công Full-Duplex]

1. Hệ thống chuyển tiếp một chiều với kênh truyền ước lượng không hoàn hảo

Xét hệ thống gồm nút nguồn $S$, nút đích $D$ và $N$ nút chuyển tiếp thu thập năng lượng $R_1, \dots, R_N$. Quá trình truyền sử dụng kỹ thuật truyền gia tăng kết hợp kỹ thuật lựa chọn nút chuyển tiếp từng phần:

  • Mô hình ước lượng kênh: Hệ số kênh thực tế $h_{SRm}$ và hệ số kênh ước lượng $\hat{h}{SRm}$ liên hệ qua biểu thức $h{SRm} = \rho_{corr} \hat{h}{SRm} + \sqrt{1-\rho{corr}^2} \epsilon$, trong đó $\rho_{corr}$ là hệ số tương quan thể hiện độ chính xác ước lượng, $\epsilon$ là sai số ngẫu nhiên Gauss phức có phương sai $\sigma_{SRm}^2$.
  • Cơ chế chọn nút: Nút chuyển tiếp $R_b$ được chọn theo tiêu chí: $$R_b = \arg\max_{m=1,\dots,N} \hat{\gamma}_{SRm}$$
  • Kết quả giải tích: Biểu thức CDF của SNR chặng chuyển tiếp $\gamma$ được thiết lập dưới dạng đóng chứa hàm Bessel điều chỉnh loại hai $\text{BesselK}$: $$F_\gamma(\gamma) = 1 - \sum_{m=1}^{M} \binom{M}{m} \frac{(-1)^{m-1}}{\bar{\gamma}{SR} [1+(m-1)(1-\rho{corr}^2)]} \int_{0}^{\infty} \exp\left(-\frac{mx}{\bar{\gamma}{RD}}\right) \text{BesselK}\left(1, 2\sqrt{\frac{m \gamma x}{\bar{\gamma}{RD}\bar{\gamma}{SR}[1+(m-1)(1-\rho{corr}^2)]}}\right) dx$$
  • Kết quả mô phỏng trên kênh fading Rayleigh ($\bar{\gamma}{SD}=1, \bar{\gamma}{SR}=2, \bar{\gamma}_{RD}=3, R=1\text{ bit/s/Hz}, \eta=0{,}8$):
    • Hiệu năng hệ thống tăng khi số nút chuyển tiếp tăng từ 1 đến 3, tuy nhiên tốc độ cải thiện giảm dần.
    • Mô hình truyền gia tăng vượt trội so với truyền trực tiếp (DT) tại vùng SNR trung bình và cao: giao thức TS vượt qua DT từ ngưỡng $\text{SNR} \approx 12\text{ dB}$, giao thức PS vượt qua DT từ ngưỡng $\text{SNR} \approx 14\text{ dB}$.
    • Giá trị tối ưu của hệ số phân chia thời gian đạt $\alpha^* \approx 0{,}21$ và hệ số phân chia công suất đạt $\rho^* \approx 0{,}59$. Các giá trị tối ưu này không phụ thuộc vào mức SNR của hệ thống.
    • Tại các giá trị tối ưu $\alpha^$ và $\rho^$, xác suất dừng của hệ thống TS và PS hoàn toàn tương đương nhau.

2. Hệ thống chuyển tiếp một chiều sử dụng kỹ thuật đa ăng ten (MIMO)

Xét mô hình nút nguồn $S$ trang bị $N_S$ ăng ten, nút đích $D$ trang bị $N_D$ ăng ten, nút chuyển tiếp $R$ trang bị 01 ăng ten hoạt động theo giao thức TS ba pha:

  • Cơ chế hoạt động: Nút nguồn áp dụng kỹ thuật TAS chọn ăng ten $i^* = \arg\max_{i=1,\dots,N_S} |h_{1,i}|^2$ để truyền dữ liệu và năng lượng; nút đích áp dụng kỹ thuật MRC kết hợp tín hiệu từ $N_D$ ăng ten thu.
  • Phương pháp giải tích mới: Luận án đề xuất kỹ thuật khai triển chuỗi hàm mũ thay thế cho phép đổi cận tích phân của Nasir ($a \to 0$). Công thức xác suất dừng dạng đóng truyền thống qua hàm BesselK: $$OP = 1 - \sum_{i=1}^{N_S} \sum_{j=0}^{N_D-1} \frac{(-1)^{i-1} \binom{N_S}{i} i}{j! \Omega_1} \left(\frac{\gamma_{th}}{\Omega_2 \frac{P_S}{N_0} \frac{2\eta\alpha}{1-\alpha}}\right)^j 2 \left(\frac{i \gamma_{th} \Omega_2 \frac{2\eta\alpha}{1-\alpha}}{\Omega_1}\right)^{\frac{1-j}{2}} \text{BesselK}\left(j-1, 2\sqrt{\frac{i \gamma_{th}^2}{\Omega_1 \Omega_2 \left(\frac{P_S}{N_0}\right)^2 \frac{2\eta\alpha}{1-\alpha}}}\right)$$ Kỹ thuật giải tích mới loại bỏ sai số tại vùng SNR thấp và trung bình, cho phép đánh giá chính xác đặc tính dừng khi số lượng ăng ten $N_S, N_D$ thay đổi.

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

Xét nút chuyển tiếp $R$ trang bị 02 ăng ten (01 ăng ten thu và 01 ăng ten phát đồng thời), nguồn ngoài PB cung cấp năng lượng cho nút nguồn $S$ và nút $R$. Luận án thiết lập biểu thức xác suất dừng trên kênh Nakagami-$m$, định lượng rõ suy giảm hiệu năng do can nhiễu tự thân dôi dư (Residual Self-Interference - RSI) sau khi thực hiện kỹ thuật triệt tiêu nhiễu tự thân (SIC).

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 khảo sát mạng chuyển tiếp hai chiều (Two-Way Relay - TWR) gồm hai nút đầu cuối trao đổi dữ liệu qua một nút chuyển tiếp $R$ sử dụng giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF). Nguồn năng lượng ngoài chuyên dụng (Power Beacon - PB) phát công suất $P_{PB}$ để cung cấp năng lượng cho các nút mạng.

  • Phân tích trên kênh fading Rayleigh và Nakagami-$m$: Tác giả xây dựng biểu thức toán học xác định hàm phân bố tích lũy và hàm mật độ xác suất của SNR hai chiều, giải tích tích phân để đưa ra biểu thức dạng đóng của xác suất dừng toàn hệ thống.
  • Khảo sát tham số:
    • Xác suất dừng giảm khi công suất phát của nguồn ngoài $P_{PB}$ tăng.
    • Vị trí địa lý của PB và nút chuyển tiếp $R$ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng: đặt PB gần nút chuyển tiếp giúp tối ưu hóa năng lượng thu thập; vị trí nút $R$ nằm tại trung điểm hình học giữa hai nút đầu cuối cho xác suất dừng thấp nhất.
    • Khi tham số kênh $m$ tăng (chất lượng kênh truyền cải thiện, ít fading hơn), xác suất dừng của hệ thống giảm mạnh.
    • Luận án xác định giá trị tối ưu của hệ số thời gian thu thập năng lượng $\alpha$ phụ thuộc vào vị trí hình học của các nút mạng và tham số fading $m$.

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) gồm mạng sơ cấp (máy phát PT, máy thu PU) và mạng thứ cấp (nút nguồn thứ cấp, nút chuyển tiếp, nút đích thứ cấp). Nút mạng thứ cấp áp dụng cơ chế thu thập năng lượng linh hoạt từ hai nguồn: nguồn phát công suất lớn của máy phát sơ cấp PT và nguồn phát chuyên dụng bên ngoài PB.

  • Ràng buộc hệ thống: Công suất phát của mạng thứ cấp bị khống chế nghiêm ngặt bởi ngưỡng can nhiễu tối đa $I_p$ cho phép tại máy thu sơ cấp PU để không làm gián đoạn liên lạc của mạng sơ cấp.
  • Phân tích toán học: Xây dựng mô hình thống kê cho tỷ số tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu (SINR) của mạng thứ cấp có tính đến can nhiễu từ máy phát sơ cấp PT. Thiết lập biểu thức dạng đóng cho xác suất dừng của mạng thứ cấp theo các biến số: công suất phát $P_T$ của PT, công suất $P_{PB}$ của PB, ngưỡng can nhiễu $I_p$, hệ số phân chia thời gian $\alpha$, và tọa độ hình học của các trạm.
  • Kết quả mô phỏng và kiểm chứng:
    • Hiệu năng mạng thứ cấp tăng khi ngưỡng can nhiễu $I_p$ nới lỏng hoặc công suất nguồn ngoài $P_{PB}$ tăng.
    • Cơ chế thu năng lượng kép từ cả PT và PB giúp mạng thứ cấp duy trì xác suất dừng thấp ngay cả khi công suất phát của từng nguồn riêng lẻ bị giới hạn.
    • Kết quả giải tích trùng khớp hoàn toàn với mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm MATLAB.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận khoa học

  1. Thiết lập các biểu thức giải tích dạng đóng mới: Xây dựng thành công công thức dạng đóng tường minh cho xác suất dừng hệ thống (OP) trong các mô hình:
    • Hệ thống chuyển tiếp một chiều truyền gia tăng với kênh ước lượng không hoàn hảo trên kênh fading Rayleigh.
    • Hệ thống chuyển tiếp một chiều MIMO kết hợp kỹ thuật TAS/MRC.
    • Hệ thống chuyển tiếp một chiều song công chịu ảnh hưởng của can nhiễu tự thân dôi dư (RSI) trên kênh Nakagami-$m$.
    • Hệ thống chuyển tiếp hai chiều thu thập năng lượng từ nguồn ngoài PB trên kênh Nakagami-$m$.
    • Mạng vô tuyến nhận thức thu thập năng lượng linh hoạt từ hai nguồn (PB và PT) chịu ràng buộc can nhiễu sơ cấp $I_p$.
  2. Cải tiến phương pháp phân tích xấp xỉ: Đề xuất kỹ thuật phân tích chuỗi hàm mũ thay thế kỹ thuật xấp xỉ hàm BesselK truyền thống của Nasir, khắc phục hoàn toàn sai số giải tích tại vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp và trung bình cho các hệ thống vô tuyến đa ăng ten.
  3. Mở rộng mô hình kênh truyền tổng quát: Đưa các phân tích hệ thống thu thập năng lượng từ kênh Rayleigh sang kênh tổng quát Nakagami-$m$, cho phép suy biến và đánh giá chính xác hiệu năng trong nhiều điều kiện môi trường truyền sóng thực tế.

Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  1. Xác định các tham số thiết kế tối ưu: Chứng minh bằng giải tích và số liệu mô phỏng rằng trong hệ thống chuyển tiếp truyền gia tăng, hệ số phân chia thời gian tối ưu $\alpha^* \approx 0{,}21$ (giao thức TS) và hệ số phân chia công suất tối ưu $\rho^* \approx 0{,}59$ (giao thức PS) có tính chất bất biến đối với mức SNR hoạt động.
  2. Định lượng vùng hiệu quả của giao thức truyền gia tăng: Xác định ngưỡng SNR mà tại đó kỹ thuật chuyển tiếp gia tăng thu thập năng lượng bắt đầu vượt trội so với truyền trực tiếp (ngưỡng $\approx 12\text{ dB}$ cho TS và $\approx 14\text{ dB}$ cho PS).
  3. Cung cấp cơ sở thiết kế mạng vô tuyến: Đưa ra các chỉ dẫn cụ thể về việc bố trí vị trí đặt trạm phát năng lượng chuyên dụng (Power Beacon), cấu hình số lượng ăng ten phát/thu, và điều chỉnh công suất phát mạng thứ cấp trong mạng vô tuyến nhận thức nhằm cân bằng giữa hiệu năng truyền thông và giới hạn can nhiễu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Phân tích hiệu năng tập trung hoàn toàn vào tầng vật lý (Physical Layer), chưa kết hợp đánh giá sự tương tác với các giao thức ở tầng liên kết dữ liệu (MAC) hay tầng mạng (Network Layer).
  • Chỉ tiêu đánh giá chất lượng hệ thống chủ yếu dựa trên thông số xác suất dừng (Outage Probability), chưa mở rộng phân tích chi tiết dung lượng trung bình (Ergodic Capacity), tỷ lệ lỗi bit (BER) hoặc tỷ lệ lỗi symbol (SER) cho toàn bộ các mô hình.
  • Giả định các nút mạng ở vị trí cố định, chưa xét đến các kịch bản nút mạng di động có hiệu ứng dịch tần Doppler hoặc mô hình hình học ngẫu nhiên (Stochastic Geometry/Poisson Point Process).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Mở rộng mô hình phân tích cho mạng chuyển tiếp đa chặng (Multi-hop), đa người dùng (Multi-user) và mạng truyền thông đa ngõ vào đa ngõ ra quy mô lớn (Massive MIMO).
  2. Nghiên cứu bổ sung các chỉ tiêu đánh giá hiệu năng khác như dung lượng công thái học (Ergodic Capacity), tỷ lệ lỗi bit (BER/SER) và chỉ tiêu bảo mật tầng vật lý (Physical Layer Security) chống nghe lén.
  3. Khảo sát hiệu năng hệ thống dưới các mô hình kênh fading phức tạp hơn (như fading $\kappa$-$\mu$, $\eta$-$\mu$, hoặc kênh bóng râm Shadowed fading) và tính toán đến tính phi tuyến của mạch thu thập năng lượng thực tế.
  4. Nghiên cứu tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến và định tuyến trong mạng cảm biến vô tuyến di động (Mobile WSN/IoT) sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Điện tử - Truyền thông, Công nghệ Thông tin có thể sử dụng luận án làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về kỹ thuật giải tích toán học trong tầng vật lý, phương pháp lập trình mô phỏng Monte-Carlo trên MATLAB, và lý thuyết truyền thông hợp tác thu thập năng lượng vô tuyến (SWIPT).
  • Kỹ sư thiết kế và quy hoạch mạng vô tuyến: Cung cấp phương pháp tính toán dung lượng, vùng phủ sóng, xác suất dừng và phương án triển khai trạm phát năng lượng chuyên dụng (Power Beacon) cho các hệ sinh thái kết nối vạn vật (IoT), mạng cảm biến không dây (WSN) và mạng di động thế hệ mới (5G/B5G).

Các nội dung có giá trị tham khảo cao

  • Phương pháp giải tích tích phân chứa hàm Bessel điều chỉnh và kỹ thuật khai triển chuỗi hàm mũ trong Chương 2 để tìm dạng đóng của xác suất dừng.
  • Bộ thông số tối ưu $\alpha^* \approx 0{,}21$ và $\rho^* \approx 0{,}59$ độc lập với SNR cho các hệ thống truyền gia tăng.
  • Mô hình toán học đánh giá đồng thời can nhiễu sơ cấp và thu thập năng lượng kép trong Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế hoạt động của giao thức phân chia theo thời gian (TS) và phân chia theo công suất (PS) khác nhau như thế nào?

Trong giao thức TS, toàn bộ tín hiệu nhận được trong khoảng thời gian $\alpha T$ được đưa vào mạch nạp năng lượng; thời gian $\frac{(1-\alpha)T}{2}$ tiếp theo dành cho việc nhận dữ liệu từ nguồn và $\frac{(1-\alpha)T}{2}$ còn lại dành cho việc chuyển tiếp dữ liệu đến đích. Trong giao thức PS, tín hiệu thu được tách đồng thời thành hai phần theo tỷ lệ công suất: phần công suất $\rho P$ dành cho khối thu thập năng lượng và phần $(1-\rho)P$ dành cho khối giải điều chế thông tin trong suốt nửa chu kỳ đầu $\frac{T}{2}$, sau đó toàn bộ năng lượng thu được dùng để phát dữ liệu trong nửa chu kỳ sau.

2. Phương pháp xấp xỉ xác suất dừng của Nasir có nhược điểm gì và luận án giải quyết ra sao?

Phương pháp xấp xỉ của Nasir dựa trên việc đổi cận tích phân $a \to 0$ khi SNR tiến tới vô cùng lớn để biểu diễn tích phân qua hàm BesselK. Nhược điểm của kỹ thuật này là xuất hiện sai số lớn tại vùng tỷ số tín hiệu trên nhiễu thấp và trung bình hoặc khi các chặng truyền dẫn không đối xứng. Luận án khắc phục bằng cách đề xuất kỹ thuật giải tích mới dựa trên khai triển chuỗi của hàm mũ, giúp đường cong giải tích bám sát kết quả mô phỏng Monte-Carlo trên toàn bộ dải SNR.

3. Trong mô hình chuyển tiếp một chiều truyền gia tăng, các hệ số tối ưu $\alpha$ và $\rho$ đạt giá trị bao nhiêu và có phụ thuộc vào mức SNR không?

Kết quả phân tích và mô phỏng trên kênh fading Rayleigh chỉ ra rằng giá trị tối ưu của hệ số phân chia thời gian đạt $\alpha^* \approx 0{,}21$ và hệ số phân chia công suất đạt $\rho^* \approx 0{,}59$. Đặc biệt, các giá trị tối ưu này hoàn toàn độc lập với tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) của hệ thống.

4. Hệ thống vô tuyến nhận thức trong Chương 4 thu nhận năng lượng từ những nguồn nào và chịu ràng buộc kỹ thuật gì?

Nút mạng thứ cấp thu nhận năng lượng từ hai nguồn: nguồn phát chuyên dụng bên ngoài (Power Beacon - PB) có công suất ổn định và nguồn sóng vô tuyến từ máy phát sơ cấp (PT) có công suất lớn. Hoạt động truyền dữ liệu của mạng thứ cấp bị ràng buộc bởi ngưỡng công suất can nhiễu cực đại cho phép $I_p$ tại đầu vào máy thu sơ cấp (PU) nhằm đảm bảo không gây gián đoạn chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp.

5. Tại sao việc mở rộng nghiên cứu sang mô hình kênh Nakagami-$m$ mang lại tính tổng quát cao hơn kênh Rayleigh?

Kênh fading Rayleigh chỉ mô tả môi trường tán xạ đa đường thuần túy không có tia truyền thẳng (LOS). Kênh Nakagami-$m$ là mô hình tổng quát hóa: khi tham số fading $m = 1$, kênh Nakagami-$m$ suy biến chính xác về kênh Rayleigh; khi $m = \frac{(k+1)^2}{2k+1}$, kênh suy biến về kênh fading Rician với hệ số đường truyền thẳng $k$. Do đó, các công thức giải tích thiết lập trên kênh Nakagami-$m$ áp dụng được cho đa dạng các môi trường truyền sóng vô tuyến thực tế.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Anh Tuấn đã nghiên cứu toàn diện các giải pháp phân tích và đánh giá hiệu năng lớp vật lý cho hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp và vô tuyến nhận thức sử dụng kỹ thuật thu thập năng lượng sóng vô tuyến (RF EH). Bằng việc kết hợp phương pháp giải tích thống kê và mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm MATLAB, công trình đã thiết lập thành công các biểu thức toán học dạng đóng cho xác suất dừng hệ thống (OP) dưới nhiều điều kiện thực tế như kênh truyền ước lượng không hoàn hảo, cấu hình đa ăng ten MIMO (TAS/MRC), truyền song công Full-Duplex, chuyển tiếp hai chiều trên kênh Nakagami-$m$ và mạng vô tuyến nhận thức chịu ràng buộc can nhiễu. Các kết quả khảo sát đã làm rõ mối quan hệ định lượng giữa hiệu năng mạng với các tham số then chốt ($\alpha, \rho, m, P_{PB}, I_p$), xác định các giá trị phân chia tối ưu không phụ thuộc SNR, cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật quan trọng cho việc thiết kế, tối ưu hóa các mạng thông tin vô tuyến thế hệ mới và hệ thống kết nối vạn vật (IoT).