Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của công nghệ viễn thông, các thế hệ mạng di động 3G, 4G và 5G đã đáp ứng nhu cầu thông tin liên lạc và giải trí đa phương tiện ngày càng cao. Tuy nhiên, việc triển khai trên diện rộng với số lượng lớn thiết bị viễn thông dẫn đến khó khăn trong phân bố thời gian và tần số, đồng thời đòi hỏi nguồn năng lượng khổng lồ để duy trì hoạt động hệ thống. Theo ước tính, năng lượng tiêu thụ trong các mạng này chiếm phần lớn chi phí vận hành, do đó việc tìm kiếm nguồn năng lượng hiệu quả và tiết kiệm là vấn đề cấp thiết. Mạng truyền thông thu thập năng lượng từ sóng vô tuyến (RF-EHN) được nghiên cứu nhằm giải quyết thách thức này, giúp các thiết bị thu thập năng lượng từ tín hiệu RF để duy trì hoạt động.

Bên cạnh đó, khi các hệ thống viễn thông hoạt động gần nhau về tần số, nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference - CCI) trở thành một trong những nguyên nhân chính làm giảm chất lượng dịch vụ và hiệu năng mạng. Nhiễu đồng kênh ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng với nhiễu đồng kênh (SINR), làm giảm xác suất thành công truyền tải và thông lượng hệ thống. Do đó, phân tích ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh trong mạng hợp tác khuếch đại-chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF) hai chiều là cần thiết để nâng cao hiệu quả truyền thông.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích hiệu năng mạng thu thập năng lượng trong điều kiện ước lượng kênh không hoàn hảo và đánh giá ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh lên mạng hợp tác khuếch đại-chuyển tiếp hai chiều. Nghiên cứu tập trung xây dựng các biểu thức toán học chính xác cho xác suất lỗi, xác suất dừng, tốc độ và thông lượng, đồng thời mô phỏng kết quả trên phần mềm Matlab để đánh giá thực nghiệm. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống ba thiết bị đầu cuối gồm nút nguồn, nút chuyển tiếp và nút đích, với một số hữu hạn nhiễu đồng kênh tác động lên hệ thống, trong khoảng thời gian nghiên cứu từ 2016 đến 2017 tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu năng mạng truyền thông không dây, đặc biệt trong các ứng dụng mạng thu thập năng lượng và mạng hợp tác chuyển tiếp, góp phần nâng cao chất lượng dịch vụ và tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống viễn thông hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  1. Mạng truyền thông hợp tác (Cooperative Communication): Khái niệm về mạng truyền thông hợp tác cho phép các thiết bị trong hệ thống hỗ trợ nhau bằng cách chuyển tiếp thông tin, khai thác phân tập không gian và thời gian để cải thiện hiệu năng hệ thống. Hai kỹ thuật chuyển tiếp chính được nghiên cứu là Giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF) và Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF).

  2. Mô hình fading đa đường: Hiện tượng fading đa đường được mô tả bằng các phân bố thống kê như Rayleigh và Nakagami-m, phản ánh sự biến đổi tín hiệu do môi trường truyền dẫn. Mô hình này giúp phân tích ảnh hưởng của kênh truyền không hoàn hảo đến hiệu năng mạng.

  3. Nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference - CCI): Nhiễu đồng kênh là hiện tượng nhiễu xảy ra khi nhiều bộ phát sử dụng cùng tần số, ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu nhận được. Mô hình phân tích CCI dựa trên hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân phối tích lũy (CDF) của tổng các tín hiệu nhiễu, được mô tả bằng các biến ngẫu nhiên phân phối hàm mũ.

  4. Giao thức chuyển tiếp thu thập năng lượng: Các giao thức TSR (Time Switching Relaying), PSR (Power Splitting Relaying) và TPSR (kết hợp TSR và PSR) được áp dụng để truyền đồng thời thông tin và năng lượng trong mạng thu thập năng lượng RF. Giao thức PSR được lựa chọn để phân tích hiệu năng trong điều kiện ước lượng kênh không hoàn hảo.

Các khái niệm chính bao gồm: tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng với nhiễu đồng kênh (SINR), xác suất dừng (outage probability), thông lượng (throughput), và các tham số kênh như hệ số fading, sai số ước lượng kênh.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập từ các tài liệu khoa học, bài báo chuyên ngành về mạng truyền thông hợp tác, thu thập năng lượng RF, và ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh trong mạng vô tuyến.

  • Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình toán học cho hệ thống chuyển tiếp AF hai chiều với ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và ước lượng kênh không hoàn hảo. Các biểu thức xác suất lỗi, xác suất dừng, thông lượng và tốc độ được phát triển dựa trên lý thuyết xác suất và thống kê, sử dụng các hàm phân phối Rayleigh và Nakagami-m.

  • Phương pháp mô phỏng: Sử dụng phần mềm Matlab để mô phỏng các biểu thức lý thuyết, kiểm chứng kết quả phân tích. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo được áp dụng để đánh giá xác suất dừng và thông lượng dưới các điều kiện khác nhau của hệ số phân chia công suất (β) và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR).

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình nghiên cứu tập trung vào hệ thống ba nút (nguồn, chuyển tiếp, đích) với một số hữu hạn các tín hiệu nhiễu đồng kênh tác động. Việc lựa chọn mô hình này nhằm đảm bảo tính khả thi và tập trung phân tích chi tiết ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khóa học thạc sĩ từ năm 2016 đến 2018, với các giai đoạn thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, phân tích lý thuyết, mô phỏng và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của hệ số phân chia công suất (β) đến xác suất dừng: Kết quả mô phỏng cho thấy xác suất dừng giảm khi β tăng từ 0 đến một giá trị tối ưu, sau đó tăng trở lại khi β tiếp tục tăng. Điều này phản ánh sự cân bằng giữa năng lượng thu thập và năng lượng dành cho truyền tín hiệu. Ví dụ, tại β = 0.4, xác suất dừng đạt mức thấp nhất, trong khi tại β = 0.8, xác suất dừng tăng lên khoảng 15%.

  2. Ảnh hưởng của SNR đến xác suất dừng: Khi SNR tăng từ 15 dB trở lên, xác suất dừng giảm đáng kể, thể hiện hiệu quả cải thiện chất lượng truyền dẫn khi tín hiệu mạnh hơn nhiễu. Cụ thể, tại SNR = 20 dB, xác suất dừng giảm xuống dưới 5%, so với khoảng 25% tại SNR = 10 dB.

  3. Thông lượng hệ thống phụ thuộc vào SNR và β: Thông lượng tăng khi SNR tăng và đạt giá trị tối ưu tại một mức β nhất định. Ví dụ, với SNR = 25 dB và β = 0.4, thông lượng đạt khoảng 2.8 bps/Hz, cao hơn 30% so với trường hợp β = 0.1 hoặc β = 0.8.

  4. Ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh (CCI) trong mạng hợp tác AF hai chiều: Phân tích hàm phân phối tích lũy (CDF) của SINR cho thấy khi số lượng tín hiệu nhiễu đồng kênh tăng, xác suất lỗi và xác suất dừng tăng lên, làm giảm tốc độ và thông lượng mạng. Ví dụ, với 3 tín hiệu nhiễu đồng kênh, xác suất lỗi tăng khoảng 20% so với trường hợp không có nhiễu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng trên là do sự phân chia năng lượng giữa thu thập và truyền tải trong giao thức PSR, cũng như ảnh hưởng trực tiếp của nhiễu đồng kênh làm giảm SINR tại các nút chuyển tiếp và đích. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh trong mạng truyền thông hợp tác, đồng thời mở rộng phân tích trong điều kiện ước lượng kênh không hoàn hảo.

Việc sử dụng mô hình fading Rayleigh và Nakagami-m giúp mô phỏng sát thực tế các điều kiện kênh truyền trong môi trường đa đường và biến động. Biểu đồ xác suất dừng và thông lượng được trình bày rõ ràng qua các đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa các tham số hệ thống, giúp minh họa trực quan ảnh hưởng của β và SNR.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở lý thuyết và công cụ phân tích để thiết kế các mạng thu thập năng lượng và mạng hợp tác chuyển tiếp hiệu quả, giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh, từ đó nâng cao chất lượng dịch vụ và tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống viễn thông hiện đại.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa hệ số phân chia công suất (β) trong giao thức PSR: Đề xuất các nhà thiết kế hệ thống lựa chọn giá trị β tối ưu (khoảng 0.4) để cân bằng giữa thu thập năng lượng và truyền tải thông tin, nhằm giảm xác suất dừng và tăng thông lượng. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và triển khai hệ thống; Chủ thể thực hiện: các kỹ sư và nhà phát triển mạng.

  2. Áp dụng kỹ thuật giảm nhiễu đồng kênh: Khuyến nghị sử dụng các phương pháp như sắp xếp can nhiễu, lọc không gian, hoặc phân bổ tần số hợp lý để giảm thiểu ảnh hưởng của CCI, nâng cao SINR và chất lượng truyền dẫn. Thời gian thực hiện: liên tục trong quá trình vận hành mạng; Chủ thể thực hiện: nhà quản lý mạng và kỹ thuật viên vận hành.

  3. Cải thiện ước lượng kênh: Đề xuất phát triển các thuật toán ước lượng kênh chính xác hơn để giảm sai số ước lượng, từ đó nâng cao hiệu năng mạng trong điều kiện kênh không hoàn hảo. Thời gian thực hiện: nghiên cứu và phát triển trong trung hạn; Chủ thể thực hiện: các nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ.

  4. Mở rộng mô hình nghiên cứu: Khuyến nghị nghiên cứu thêm các mô hình mạng với nhiều nút chuyển tiếp và các loại giao thức khác nhau để đánh giá toàn diện hơn ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và thu thập năng lượng. Thời gian thực hiện: dài hạn; Chủ thể thực hiện: cộng đồng nghiên cứu và các tổ chức đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện tử, viễn thông: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mạng truyền thông hợp tác, thu thập năng lượng RF và ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển đề tài liên quan.

  2. Kỹ sư thiết kế và phát triển mạng viễn thông: Các kỹ thuật và mô hình phân tích trong luận văn giúp tối ưu hóa thiết kế mạng, lựa chọn giao thức và tham số hệ thống nhằm nâng cao hiệu năng và tiết kiệm năng lượng.

  3. Nhà quản lý và vận hành mạng viễn thông: Hiểu rõ về ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và các giải pháp giảm thiểu giúp cải thiện chất lượng dịch vụ và quản lý tài nguyên tần số hiệu quả.

  4. Các tổ chức đào tạo và giảng dạy: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho các khóa học về mạng không dây, truyền thông hợp tác và thu thập năng lượng, giúp sinh viên tiếp cận kiến thức thực tiễn và nghiên cứu hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nhiễu đồng kênh là gì và tại sao nó quan trọng trong mạng truyền thông?
    Nhiễu đồng kênh (CCI) xảy ra khi nhiều bộ phát sử dụng cùng tần số, gây ảnh hưởng đến chất lượng tín hiệu nhận được. Nó làm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SINR), dẫn đến giảm xác suất thành công truyền tải và thông lượng mạng. Ví dụ, trong mạng di động GSM, tái sử dụng tần số không hợp lý gây ra CCI nghiêm trọng.

  2. Giao thức PSR hoạt động như thế nào trong mạng thu thập năng lượng?
    Giao thức PSR phân chia công suất tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp thành hai phần: một phần dùng để thu thập năng lượng, phần còn lại dùng để xử lý và truyền tải thông tin. Việc lựa chọn hệ số phân chia công suất β ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu năng mạng.

  3. Tại sao ước lượng kênh không hoàn hảo ảnh hưởng đến hiệu năng mạng?
    Ước lượng kênh không chính xác dẫn đến sai số trong việc điều chỉnh công suất và xử lý tín hiệu, làm giảm SINR và tăng xác suất lỗi truyền tải. Điều này ảnh hưởng đến xác suất dừng và thông lượng của hệ thống.

  4. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh trong mạng hợp tác?
    Có thể áp dụng các kỹ thuật như sắp xếp can nhiễu, phân bổ tần số hợp lý, sử dụng bộ lọc không gian và cải thiện phối hợp giữa các nút để giảm thiểu CCI, từ đó nâng cao chất lượng truyền dẫn.

  5. Mô hình fading Rayleigh và Nakagami-m khác nhau như thế nào?
    Phân bố Rayleigh mô tả môi trường truyền dẫn với nhiều đường đa đường và không có tín hiệu trực tiếp (LoS), thường dùng cho môi trường ngoài trời. Phân bố Nakagami-m linh hoạt hơn, có thể mô hình hóa các điều kiện fading khác nhau bằng cách điều chỉnh hệ số m, phù hợp với môi trường trong nhà hoặc ngoài trời.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh trong mạng hợp tác khuếch đại-chuyển tiếp hai chiều và hiệu năng mạng thu thập năng lượng trong điều kiện ước lượng kênh không hoàn hảo.
  • Các biểu thức xác suất lỗi, xác suất dừng, thông lượng và tốc độ được xây dựng chính xác và được kiểm chứng bằng mô phỏng Matlab.
  • Kết quả cho thấy sự cân bằng hợp lý trong phân chia công suất thu thập năng lượng và truyền tải thông tin là yếu tố then chốt để tối ưu hiệu năng mạng.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiểu biết về ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và cung cấp cơ sở cho thiết kế mạng viễn thông tiết kiệm năng lượng và hiệu quả.
  • Hướng phát triển tiếp theo là mở rộng mô hình cho mạng nhiều nút và áp dụng các kỹ thuật giảm nhiễu tiên tiến nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ.

Để tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng, các nhà khoa học và kỹ sư được khuyến khích áp dụng các kết quả này trong thiết kế và vận hành mạng viễn thông hiện đại, đồng thời phát triển các giải pháp mới nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và tối ưu hóa thu thập năng lượng RF.