Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Đề tài luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử của học viên Ngô Tiến Hóa (lớp cao học 2015B, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Đỗ Đình Thuấn, bảo vệ tháng 09/2017) tập trung giải quyết đồng thời hai thách thức lớn trong truyền thông không dây hiện đại: sự khan hiếm tài nguyên phổ tần vô tuyến và giới hạn nguồn năng lượng hoạt động của các nút mạng.

Chính sách phân bổ phổ tần cố định truyền thống đã tạo ra tình trạng kém hiệu quả trong việc khai thác băng tần, dẫn đến sự xuất hiện của các khoảng trắng phổ tần (spectrum holes). Công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) được đề xuất như một giải pháp cho phép người dùng chưa đăng ký tần số (người dùng thứ cấp – Secondary User – SU) tận dụng các dải tần đã được cấp phép nhưng đang tạm thời rảnh rỗi của người dùng được cấp phép (người dùng sơ cấp – Primary User – PU), với điều kiện không gây can nhiễu vượt ngưỡng cho phép lên hệ thống sơ cấp. Trong các mô hình chia sẻ phổ, mô hình dạng nền (underlay) cho phép hệ thống sơ cấp và thứ cấp hoạt động đồng thời trên cùng một băng tần. Tuy nhiên, để bảo vệ nút thu sơ cấp, công suất phát của nút thứ cấp bị khống chế nghiêm ngặt, khiến phạm vi phủ sóng của mạng thứ cấp bị thu hẹp đáng kể. Để khắc phục nhược điểm này, kỹ thuật truyền thông chuyển tiếp (relay) được tích hợp nhằm mở rộng vùng phủ sóng.

Song song với bài toán phổ tần, các thiết bị không dây cầm tay hoặc các nút cảm biến thường vận hành bằng nguồn pin có dung lượng giới hạn. Việc thay thế pin định kỳ hoặc cắm sạc trực tiếp gặp nhiều bất tiện, thậm chí bất khả thi trong các môi trường khắc nghiệt. Các giải pháp khai thác năng lượng tự nhiên (quang năng, phong năng) lại phụ thuộc lớn vào thời tiết và mang tính ngẫu nhiên cao. Do đó, kỹ thuật thu gom năng lượng từ bức xạ sóng vô tuyến nhân tạo (Radio Frequency – RF energy harvesting) xung quanh trở thành giải pháp cấp nguồn ổn định và liên tục. Khảo sát thực địa của tác giả tại thị xã Thuận An, tỉnh Bình Dương (tọa độ: 100°57'15.367''E) bằng thiết bị phân tích phổ Rohde & Schwarz EFL340 trong dải tần 1 MHz – 2.5 GHz đã ghi nhận mức độ khả dụng của năng lượng sóng vô tuyến môi trường:

Băng tần khảo sát Tần số / Kênh phát Mức công suất tín hiệu ngõ vào đo được
Phát thanh FM quảng bá Dải FM thương mại Mức cao nhất đạt 42 dBm (~63.3 μW)
Truyền hình số mặt đất (DTV) Kênh 25, 30, 33, 34, 50, 57, 58 Kênh 25 (nguồn phát 5 kW, cự ly gần): 30 dBm (~1000 nW)
Di động GSM900 Băng tần GSM 900 MHz Đạt mức 48 dBm (~15.8 nW)
Di động GSM1800 Băng tần GSM 1800 MHz Đạt mức 46 dBm (~25 nW)
Mạng 3G và WiFi 2.1 GHz / 2.4 GHz Đạt mức 48 dBm (~15.8 nW)

Từ các công trình nghiên cứu đi trước, các tác giả chủ yếu tập trung vào mô hình chuyển tiếp đơn lẻ chỉ hỗ trợ truyền tin cho mạng sơ cấp hoặc thứ cấp có tích hợp thu thập năng lượng, hoặc chưa giải quyết việc đồng thời truyền nhận thông tin của cả hai mạng khi có can nhiễu. Mục đích của đề tài là phân tích và đánh giá hiệu năng của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu gom năng lượng vô tuyến RF, trong đó một nút chuyển tiếp thứ cấp vừa hỗ trợ chuyển tiếp dữ liệu sơ cấp, vừa truyền thông tin thứ cấp của chính nó, đồng thời cả hai nút thứ cấp đều có khả năng tích lũy năng lượng từ tín hiệu sơ cấp.

Nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 5 nội dung:

  1. Tìm hiểu tổng quan về mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng.
  2. Tìm hiểu các kỹ thuật và giao thức được sử dụng trong mô hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng.
  3. Phân tích mô hình mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng phân chia công suất (PSR).
  4. Phân tích hiệu năng, thông lượng tức thời, năng lượng thu thập trung bình của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng phân chia công suất.
  5. Mô phỏng đánh giá và rút ra kết luận về hiệu năng, thông lượng tức thời, năng lượng thu thập trung bình của mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng phân chia công suất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng: Hệ thống truyền thông vô tuyến nhận thức kết hợp chuyển tiếp và thu gom năng lượng RF (SWIPT).
  • Cấu trúc mạng: Mạng sơ cấp gồm nút nguồn S (Source) và nút đích D (Destination); mạng thứ cấp gồm nút chuyển tiếp R (Relay) và nút nhận thứ cấp C. Nút D nằm ngoài vùng phủ sóng trực tiếp của S.
  • Giả thiết kỹ thuật: Tất cả các nút đều hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex – HD) và trang bị một ăng-ten duy nhất (SISO). Các kênh truyền tuân theo phân bố fading phẳng Rayleigh độc lập. Khoảng cách giữa các nút được chuẩn hóa với hệ số suy hao đường truyền thực nghiệm $m = 3$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên các khái niệm chuẩn hóa về mạng vô tuyến nhận thức và truyền thông hợp tác:

  • Định nghĩa vô tuyến nhận thức: Tác giả dẫn chiếu các định nghĩa từ Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC), định nghĩa của GS. Simon Haykin về hệ thống truyền thông không dây nhận thức môi trường thích nghi theo chu trình "sensing-understanding-action", và tiêu chuẩn IEEE về phát hiện lỗ phổ. Thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (Software Defined Radio – SDR) được xác định là nền tảng phần cứng quan trọng giúp điều chỉnh tham số linh hoạt bằng phần mềm.
  • Kiến trúc phần cứng cao tần (RF Front-End): Khối phần cứng nhận thức bao gồm Bộ lọc cao tần (RF Filter), Bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA), Bộ trộn tần (Mixer), Bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO), Bộ lọc lựa chọn kênh (Channel selection filter), Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC), và Bộ vòng khóa pha (PLL), kết hợp cùng bộ xử lý băng gốc (Baseband processing unit).
  • Chức năng quản lý phổ: Phân loại theo 3 chức năng chính gồm Nhận biết phổ (Spectrum sensing), Quản lý phổ (Spectrum management – chia thành phân tích phổ và quyết định phổ) và Chia sẻ phổ (Spectrum sharing).
  • Mô hình mạng CRN: Phân tích 3 mô hình hoạt động gồm Dạng nền (Underlay), Dạng chồng chập (Overlay), và Dạng đan xen (Interweave). Đề tài tập trung vào mô hình Underlay kết hợp chuyển tiếp.
  • Kỹ thuật chuyển tiếp: Đề tài phân tích hai giao thức chuyển tiếp chính là Khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward – AF) và Giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward – DF), các cấu hình chuyển tiếp một chiều (One-Way Relaying), hai chiều (Two-Way Relaying), bán song công (HD) và song công (FD) với ảnh hưởng của tự can nhiễu (Residual Self-Interference – RSI). Mô hình nghiên cứu lựa chọn giao thức AF bán song công một chiều.
  • Cơ chế thu năng lượng RF: Mạch thu năng lượng dựa trên kiến trúc rectenna gồm đi-ốt tách sóng Schottky và bộ lọc thông thấp (LPF) để chuyển đổi tín hiệu RF thành dòng điện một chiều $i_{DC}$. Dòng điện ngõ ra đi-ốt được biểu diễn qua khai triển chuỗi Taylor hàm mũ: $$i_{DC} = I_S(e^{\alpha y} - 1) = a_1 y + a_2 y^2 + a_3 y^3 + \dots$$ Bỏ qua các thành phần bậc cao và giả định hệ số chuyển đổi năng lượng tuyến tính $\eta$ ($0 < \eta \le 1$), năng lượng tích lũy trong pin từ tín hiệu có công suất $P_S$ trên kênh $h$ được tính bằng: $$E_h = \eta E{i_{DC}} = \eta P_S |h|^2$$
  • Giao thức truyền đồng thời thông tin và năng lượng (SWIPT): Đề tài khảo sát 3 giao thức gồm Chuyển đổi thời gian (Time Switching-based Relaying – TSR), Phân chia công suất (Power Splitting-based Relaying – PSR), và Chuyển tiếp kết hợp thời gian và công suất (Time Power Switching-based Relaying – TPSR). Mô hình nghiên cứu chính áp dụng giao thức PSR.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa phân tích lý thuyết toán học và mô phỏng số:

  • Phương pháp phân tích giải tích: Xây dựng biểu thức toán học xác định tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và tỷ số tín hiệu trên can nhiễu cộng tạp âm (SINR) tại các nút thu D và C; thiết lập tích phân xác suất dừng $P_{out} = \Pr(\text{SNR} < \text{SNR}_0)$ dựa trên hàm phân bố tích lũy (CDF) của các biến ngẫu nhiên theo phân bố hàm mũ trên kênh Rayleigh.
  • Phương pháp thực nghiệm đo đạc: Sử dụng thiết bị đo Rohde & Schwarz EFL340 tại hiện trường để thu thập số liệu mật độ phổ công suất thực tế.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Matlab để lập trình mô phỏng kiểm chứng các biểu thức giải tích đã suy dẫn.

Bảng tổng hợp các ký hiệu và tham số kênh truyền trong mô hình nghiên cứu:

Tham số / Ký hiệu Ý nghĩa kỹ thuật Biểu thức / Giá trị quy ước
S, D Nút nguồn sơ cấp, Nút đích sơ cấp Nguồn phát sơ cấp và máy thu đích
R, C Nút chuyển tiếp thứ cấp, Nút nhận thứ cấp R chuyển tiếp tín hiệu; C thu năng lượng & dữ liệu
$h_1, h_2$ Hệ số kênh truyền chặng S-R và R-D $h_i \sim \mathcal{CN}(0, \Omega_i)$, phân bố Rayleigh phẳng
$g_1, g_2$ Hệ số kênh truyền chặng S-C và R-C $g_j \sim \mathcal{CN}(0, \Omega_j)$, phân bố Rayleigh phẳng
$d_1, d_2, d_3, d_4$ Khoảng cách hình học giữa các nút $d_2 = 1 - d_1$; $d_3 = \sqrt{d_1^2 + d_4^2}$
$m$ Hệ số suy hao đường truyền (path-loss exponent) $m = 3$; công suất suy giảm tỷ lệ $1/d^m$
$\Omega_1, \Omega_2, \Omega_3, \Omega_4$ Độ lợi trung bình của các kênh truyền $\Omega_1 = 1/d_1^3$, $\Omega_2 = 1/d_2^3$, $\Omega_3 = 1/d_3^3$, $\Omega_4 = 1/d_4^3$
$\alpha_1, \alpha_2$ Hệ số phân chia công suất thu năng lượng $0 \le \alpha_1 \le 1$ (tại R); $0 \le \alpha_2 \le 1$ (tại C)
$\alpha$ Hệ số chia công suất phát tại nút R $0 \le \alpha \le 1$ ($\alpha P_R$ cho D; $(1-\alpha)P_R$ cho C)
$\eta$ Hệ số hiệu suất chuyển đổi năng lượng RF sang DC $0 < \eta \le 1$
$\text{SNR}_0$ Ngưỡng tỷ số tín hiệu trên nhiễu dừng $\text{SNR}_0 = 2^R - 1$ ($R$ là tốc độ truyền mục tiêu)

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vô tuyến nhận thức

Chương này đặt nền móng nghiên cứu thông qua việc phân tích bối cảnh khan hiếm phổ tần vô tuyến và nhu cầu cấp nguồn bền vững cho các thiết bị truyền thông không dây. Tác giả làm rõ các tính năng cơ bản của thiết bị vô tuyến nhận thức (CR) gồm khả năng thích ứng tần số tức thời, thiết lập mạng linh hoạt, chia sẻ phổ thích ứng môi trường, điều khiển công suất, điều chỉnh độ rộng băng tần, tốc độ mã hóa và định hình búp sóng. Chương 1 giới thiệu vai trò của thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) trong việc tái cấu hình tham số hoạt động mà không cần thay đổi phần cứng.

Nội dung chương trình bày số liệu đo phổ công suất thực địa tại Thuận An, Bình Dương qua 5 đồ thị đo lường (Hình 1.1 đến Hình 1.5) từ 1 MHz đến 2.5 GHz đối với các dịch vụ FM, DTV, GSM900, GSM1800, 3G và WiFi. Đồng thời, tác giả khảo cứu các công trình liên quan trực tiếp [31]–[34] để chỉ ra khoảng trống nghiên cứu: chưa có công trình nào tích hợp mô hình chuyển tiếp đồng thời hỗ trợ cả thông tin sơ cấp và thứ cấp kết hợp thu thập năng lượng RF tại nhiều nút thứ cấp. Cuối chương xác định mục tiêu, 5 nhiệm vụ nghiên cứu, phạm vi khảo sát và bố cục luận văn.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết về vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng

Chương 2 trình bày toàn diện các khối kiến thức lý thuyết nền tảng. Tác giả phân tích cấu trúc vật lý của khối vô tuyến cao tần RF Front-End với 7 khối chức năng chuyên biệt, cơ chế quản lý và chia sẻ phổ tần, cùng 3 mô hình mạng CRN: Underlay, Overlay và Interweave. Tiếp theo, chương làm rõ nguyên lý của mạng truyền thông chuyển tiếp, so sánh với mô hình truyền thống điểm-điểm tầm nhìn thẳng (LoS), phân tích ưu điểm (độ lợi phân tập, mở rộng vùng phủ sóng, tiết kiệm chi phí hạ tầng) và nhược điểm (phức tạp trong lập lịch, đồng bộ hóa, trễ truyền dẫn và can nhiễu).

Chương 2 đi sâu vào công thức toán học của hai kỹ thuật chuyển tiếp AF và DF. Với giao thức AF, tín hiệu thu tại relay $y_R = \sqrt{P_S} h x_S + n_R$ được khuếch đại qua hệ số $\beta$ và phát tới đích $y_D = \sqrt{P_R} g \beta y_R + n_D$. Thông tin tương hỗ tức thời và xác suất dừng được xác định qua biểu thức: $$R_{AF} = \log_2(1 + \text{SNR}D), \quad P{out} = \Pr(R_{AF} < R) = \Pr(\text{SNR}_D < \text{SNR}_0)$$ Về mặt thu thập năng lượng, chương trình bày sơ đồ khối mạch thu rectenna, cơ chế tách sóng bằng đi-ốt Schottky, lọc thông thấp LPF và lưu trữ vào pin. Phần cuối chương so sánh chi tiết cơ chế hoạt động, sơ đồ khối và cấu trúc khung thời gian của 3 giao thức thu gom năng lượng trong mạng hợp tác: TSR (chia thời gian $\alpha T$ cho thu năng lượng, $(1-\alpha)T$ truyền tin), PSR (chia công suất $\rho P$ thu năng lượng, $(1-\rho)P$ thu tin tức) và TPSR (kết hợp phân chia thời gian và công suất).

Chương 3: Phân tích hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng

Chương 3 là phần đóng góp lý thuyết cốt lõi của tác giả, xây dựng mô hình mạng 4 nút và phân tích giải tích chi tiết dựa trên giao thức PSR trong chu kỳ truyền dẫn gồm 2 pha (mỗi pha chiếm thời gian $T/2$):

  • Pha 1 (Thời gian $T/2$): Nút nguồn sơ cấp S phát tín hiệu $x_1$ với công suất $P_S$ ($E{|x_1|^2} = 1$). Tín hiệu nhận được tại nút R và nút C lần lượt là: $$y_R = \sqrt{P_S} h_1 x_1 + n_1$$ $$y_{c1} = \sqrt{P_S} g_1 x_1 + n_2$$ Trong đó $n_1 \sim \mathcal{CN}(0, \sigma_1^2)$, $n_2 \sim \mathcal{CN}(0, \sigma_2^2)$ là tạp âm Gauss trắng cộng do ăng-ten tạo ra. Áp dụng giao thức PSR, tại nút R, công suất tín hiệu thu được tách làm hai phần: phần $\alpha_1 y_R$ dùng để thu gom năng lượng và phần $(1-\alpha_1) y_R$ dùng để xử lý truyền tin. Công suất phát tích lũy tại R được xác định bởi: $$P_R = \eta \alpha_1 P_S |h_1|^2$$ Tại nút C, tín hiệu cũng được tách công suất: phần $\alpha_2 y_{c1}$ dùng để thu năng lượng tích lũy vào pin: $$E_C = \frac{1}{2} \eta \alpha_2 P_S \Omega_3$$ Phần công suất còn lại $(1-\alpha_2) y_{c1}$ tại nút C được giữ lại để giải mã thông tin sơ cấp $x_1$, phục vụ cho việc khử can nhiễu trong pha tiếp theo.

  • Pha 2 (Thời gian $T/2$): Nút R sử dụng năng lượng thu được để phát đồng thời hai luồng tín hiệu: phân bổ $\alpha P_R$ để khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp $x_1$ đến đích D, và phân bổ $(1-\alpha) P_R$ để phát tín hiệu thứ cấp $x_2$ đến nút C. Tín hiệu phát từ R có dạng: $$x_R = \sqrt{\alpha P_R} \beta ((1-\alpha_1) y_R + n_{b1}) + \sqrt{(1-\alpha) P_R} x_2$$ Với $\beta$ là hệ số khuếch đại tại nút R: $$\beta = \frac{1}{\sqrt{(1-\alpha_1) P_S |h_1|^2 + \sigma_1^2 + \sigma_{b1}^2}}$$ Tín hiệu thu được tại nút đích sơ cấp D là: $$y_D = h_2 x_R + n_3$$ Tín hiệu thu tại C chứa cả thông tin sơ cấp $x_1$ và thông tin thứ cấp $x_2$. Do nút C đã nhận và tái tạo thông tin $x_1$ từ pha 1, nút C áp dụng kỹ thuật khử can nhiễu liên tiếp để loại bỏ hoàn toàn thành phần can nhiễu sơ cấp, từ đó khôi phục tín hiệu thứ cấp $x_2$.

Chương này dẫn xuất các công thức giải tích tính toán tỷ số SNR tại nút D ($\gamma_D$) và SINR/SNR tại nút C ($\gamma_C$), từ đó xác lập các biểu thức xác suất dừng lý thuyết ($P_{out}^D, P_{out}^C$), thông lượng truyền dẫn tức thời ($R_D, R_C$) và mức năng lượng tích lũy trung bình tại nút C ($E_C$).

Chương 4: Kết quả mô phỏng và nhận xét

Chương 4 thiết lập chương trình mô phỏng số Monte Carlo trên môi trường phần mềm Matlab để đối soát với các công thức giải tích đã dẫn xuất ở Chương 3. Nội dung khảo sát tập trung vào 7 khía cạnh hiệu năng chính:

  1. Xác suất dừng theo tỷ số tín hiệu trên nhiễu $P_S/\sigma_0^2$ tại nút C và D: Kết quả cho thấy đường mô phỏng Monte Carlo trùng khớp hoàn toàn với đường phân tích lý thuyết giải tích, khẳng định tính chính xác của mô hình toán. Khi công suất phát tăng, xác suất dừng tại cả hai nút giảm nhanh theo hàm mũ.
  2. Ảnh hưởng của hệ số phân chia công suất phát $\alpha$ tại nút R: Khi $\alpha$ tăng (tăng tỷ lệ công suất dành cho chặng R-D), xác suất dừng tại D giảm rõ rệt nhưng xác suất dừng tại C tăng lên, chỉ ra sự đánh đổi trực tiếp giữa chất lượng dịch vụ sơ cấp và thứ cấp.
  3. Ảnh hưởng của hệ số thu năng lượng $\alpha_1$ tại nút R: Phân tích cho thấy tồn tại điểm giá trị $\alpha_1$ tối ưu; nếu $\alpha_1$ quá nhỏ, năng lượng thu được tại R không đủ để khuếch đại chuyển tiếp; nếu $\alpha_1$ quá lớn, phần công suất còn lại dành cho kênh tin tức $(1-\alpha_1)$ bị suy hao quá mức, làm tăng xác suất dừng.
  4. Ảnh hưởng của hệ số thu năng lượng $\alpha_2$ tại nút C: Xác định mối quan hệ giữa tỷ lệ thu năng lượng và khả năng phát hiện/khử nhiễu tín hiệu sơ cấp tại nút C.
  5. Sự thay đổi của thông lượng tức thời $R_C$ và $R_D$ theo $P_S/\sigma_0^2$: Thông lượng tại cả hai nút tăng trưởng phi tuyến và tiến tới trạng thái bão hòa ở vùng SNR cao.
  6. Ảnh hưởng của hệ số $\alpha_2$ đến năng lượng thu thập trung bình $E_C$: Năng lượng thu thập trung bình tại C tăng tuyến tính theo hệ số $\alpha_2$.
  7. Ảnh hưởng của khoảng cách nguồn - relay $d_3$ đến năng lượng thu thập trung bình $E_C$: Năng lượng thu gom tại C giảm rất nhanh theo hàm mũ bậc ba ($1/d_3^3$) khi khoảng cách $d_3$ tăng, do tác động trực tiếp của hệ số suy hao đường truyền $m = 3$.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối tóm tắt toàn bộ kết quả nghiên cứu: hoàn thành xây dựng mô hình mạng chuyển tiếp vô tuyến nhận thức kết hợp thu gom năng lượng và chia sẻ phổ tần dựa trên giao thức PSR; thiết lập thành công các biểu thức giải tích xác suất dừng, thông lượng và năng lượng thu thập; hoàn thành mô phỏng Matlab đối soát. Đồng thời, chương đề xuất các định hướng mở rộng cho đề tài.

Kết quả và đóng góp

Các kết quả định lượng và đóng góp khoa học chính được ghi nhận trong văn bản gồm:

  1. Kết quả tính toán và mô phỏng số:

    • Dẫn xuất thành công biểu thức dạng tường minh xác suất dừng tại nút sơ cấp D và nút thứ cấp C trên kênh fading phẳng Rayleigh, có xét đến các tham số hình học và hệ số suy hao đường truyền $m = 3$.
    • Kiểm chứng sự trùng khớp tuyệt đối giữa kết quả giải tích lý thuyết và mô phỏng số Monte Carlo trên phần mềm Matlab đối với mọi dải giá trị của tỷ số tín hiệu trên nhiễu $P_S/\sigma_0^2$.
    • Chứng minh định lượng tính khả thi của việc nút relay thứ cấp R vừa sử dụng năng lượng tự tích lũy để chuyển tiếp thông tin sơ cấp $x_1$, vừa truyền tải thành công thông tin thứ cấp $x_2$ đến nút C thông qua cơ chế phân chia công suất $\alpha$.
    • Xác định được định lượng năng lượng thu thập trung bình tại nút C tỷ lệ thuận tuyến tính với hệ số phân chia công suất $\alpha_2$ và tỷ lệ nghịch với lập phương khoảng cách $d_3$ ($E_C \propto \alpha_2 / d_3^3$).

  2. Giải pháp kỹ thuật đề xuất:

    • Đề xuất quy trình truyền thông hợp tác 2 pha tích hợp giao thức phân chia công suất PSR cho mạng vô tuyến nhận thức underlay.
    • Đề xuất giải pháp tái tạo thông tin sơ cấp tại nút thứ cấp C trong pha 1 để thực hiện khử can nhiễu liên tiếp trong pha 2, giải quyết được xung đột can nhiễu giữa dữ liệu sơ cấp và thứ cấp mà không cần gia tăng tài nguyên phổ tần.

  3. Đóng góp so với các công trình đi trước:

    • So với nghiên cứu của [31] (chỉ xét hệ thống 3 nút S-R-D đơn lẻ sử dụng TSR với AF/DF): Đề tài đã mở rộng thành mô hình mạng 4 nút bao gồm đồng thời cả cặp nút sơ cấp (S-D) và thứ cấp (R-C), ứng dụng giao thức PSR.
    • So với nghiên cứu của [32] (chỉ phân tích hiệu năng mạng thứ cấp chọn relay tốt nhất) và [33] (mạng chuyển tiếp đa chặng không có thu thập năng lượng): Đề tài tích hợp hoàn chỉnh cả hai khía cạnh chia sẻ phổ tần nhận thức và thu gom năng lượng RF tự thân.
    • So với nghiên cứu của [34] (phân tích mạng đa nút song công hỗ trợ thu năng lượng nhưng chỉ xét riêng mạng sơ cấp hoặc thứ cấp): Đề tài giải quyết được bài toán đồng thời truyền cả thông tin sơ cấp và thứ cấp trong cùng một cấu trúc mạng cộng tác.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài (dựa trên phạm vi nghiên cứu và giả thiết trong văn bản):

  • Hệ thống bị giới hạn ở cấu hình truyền thông đơn ăng-ten (SISO) tại tất cả các nút mạng (S, D, R, C), chưa tận dụng được độ lợi không gian từ kỹ thuật đa ăng-ten.
  • Các nút mạng hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex), khiến chu kỳ truyền dẫn bị phân chia làm hai pha ($T/2$), làm giảm một nửa hiệu suất phổ thời gian so với chế độ song công lý tưởng.
  • Kênh truyền giả định là kênh Rayleigh fading phẳng lý tưởng; chưa đánh giá trên các mô hình kênh fading có thành phần tầm nhìn thẳng (Rician) hoặc phân bố tổng quát hơn (Nakagami-m).
  • Cấu trúc mạng cố định ở quy mô 4 nút đơn giản, chưa tích hợp cơ chế chọn lọc nút chuyển tiếp tối ưu (Relay Selection) trong môi trường nhiều nút relay hoặc nhiều người dùng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

  • Mở rộng mô hình nghiên cứu sang hệ thống đa ăng-ten phát và thu (MIMO / MISO) nhằm tăng cường độ lợi phân tập và nâng cao dung lượng kênh.
  • Nghiên cứu cơ chế truyền dẫn song công toàn phần (Full-Duplex – FD) tại nút chuyển tiếp R, kết hợp các giải pháp triệt tiêu tự can nhiễu vòng (RSI).
  • Phát triển mô hình mạng đa nút chuyển tiếp thứ cấp và áp dụng các thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu (Best Relay Selection) để nâng cao hiệu năng mạng.
  • Mở rộng phân tích so sánh toàn diện giữa giao thức PSR với các giao thức TSR và TPSR trên cùng một hệ thống mạng vô tuyến nhận thức hỗ trợ thu thập năng lượng.

Giá trị tham khảo

Bản khóa luận/luận văn thạc sĩ này là tài liệu tham khảo học thuật hữu ích cho:

  • Học viên cao học và sinh viên năm cuối chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử – Viễn thông, Kỹ thuật Mạng và Truyền thông không dây đang nghiên cứu về mạng vô tuyến nhận thức (CRN), kỹ thuật truyền thông hợp tác chuyển tiếp (Relaying), và mạng truyền thông truyền đồng thời thông tin và năng lượng vô tuyến (SWIPT).
  • Các nhà nghiên cứu cần số liệu tham khảo thực địa về mật độ phổ công suất vô tuyến môi trường thực tế tại khu vực đô thị/công nghiệp Việt Nam (dữ liệu đo dải 1 MHz – 2.5 GHz tại Bình Dương trong Chương 1).
  • Người làm đề tài nghiên cứu về phân tích hiệu năng kênh truyền: Chương 2 và Chương 3 cung cấp khung toán học chuẩn mực từ khai triển chuỗi Taylor cho dòng chỉnh lưu DC, mô hình suy hao đường truyền, đến phương pháp xây dựng tích phân xác suất dừng và thông lượng trên kênh Rayleigh fading phẳng.
  • Kỹ sư nghiên cứu mô phỏng hệ thống viễn thông: Chương 4 cung cấp quy trình và phương pháp luận thiết lập mô phỏng Monte Carlo trên nền tảng Matlab để kiểm chứng biểu thức giải tích.

Câu hỏi thường gặp

1. Mô hình mạng trong đề tài gồm những nút nào và cấu hình phần cứng ra sao?

Mô hình hệ thống gồm 4 nút: nút nguồn sơ cấp S, nút đích sơ cấp D, nút chuyển tiếp thứ cấp R và nút nhận thứ cấp C. Nút D nằm ngoài vùng phủ sóng trực tiếp của S. Tất cả 4 nút đều hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex) và mỗi nút chỉ được trang bị một ăng-ten duy nhất (SISO).

2. Giao thức thu gom năng lượng và chuyển tiếp nào được tác giả lựa chọn làm trọng tâm nghiên cứu?

Tác giả lựa chọn giao thức chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward – AF) kết hợp với giao thức thu thập năng lượng dựa trên phân chia công suất (Power Splitting-based Relaying – PSR).

3. Nguyên lý phân chia thời gian và công suất trong chu kỳ truyền dẫn hoạt động như thế nào?

Chu kỳ truyền dẫn tổng cộng $T$ được chia đều thành 2 pha, mỗi pha kéo dài $T/2$:

  • Pha 1: Nút S phát tín hiệu sơ cấp $x_1$. Nút R trích xuất tỷ lệ công suất $\alpha_1$ để nạp năng lượng và dùng $(1-\alpha_1)$ để nhận thông tin; nút C trích xuất tỷ lệ công suất $\alpha_2$ để nạp năng lượng và dùng $(1-\alpha_2)$ để nhận dữ liệu sơ cấp.
  • Pha 2: Nút R sử dụng toàn bộ công suất thu được $P_R$ để phát đồng thời: dùng tỷ lệ công suất $\alpha P_R$ để khuếch đại và chuyển tiếp tín hiệu sơ cấp $x_1$ đến nút đích D, và dùng $(1-\alpha)P_R$ để phát tín hiệu thứ cấp $x_2$ đến nút C.

4. Bằng cách nào nút nhận thứ cấp C có thể loại bỏ can nhiễu từ tín hiệu sơ cấp?

Trong pha 1, do đặc tính phát sóng quảng bá trong môi trường không dây, nút C đã thu nhận được tín hiệu sơ cấp $x_1$ từ nguồn phát S qua phần công suất $(1-\alpha_2)$. Sang pha 2, khi nút R phát đồng thời tín hiệu khuếch đại sơ cấp $x_1$ và tín hiệu thứ cấp $x_2$, nút C sử dụng thông tin $x_1$ đã tái tạo từ pha 1 để thực hiện khử can nhiễu liên tiếp, loại bỏ hoàn toàn thành phần $x_1$ và giải mã chính xác tín hiệu thứ cấp $x_2$.

5. Dữ liệu thực nghiệm đo đạc phổ vô tuyến thực tế tại Bình Dương cho kết quả ra sao?

Khảo sát tại Thuận An, Bình Dương bằng máy Rohde & Schwarz EFL340 trong dải tần 1 MHz – 2.5 GHz cho thấy: tín hiệu FM có mức công suất ngõ vào cao nhất đạt 42 dBm (~63.3 μW); kênh truyền hình DTV 25 (công suất trạm phát 5 kW, vị trí gần nguồn) đạt 30 dBm (~1000 nW); mạng di động GSM900 đạt 48 dBm (~15.8 nW); các dải sóng GSM1800, 3G và WiFi đo được lần lượt là 46 dBm (~25 nW) và 48 dBm (~15.8 nW). Các kết quả này chứng minh nguồn bức xạ vô tuyến môi trường đủ dồi dào để khai thác cho các thiết bị công suất thấp.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán phân tích hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức dạng nền hỗ trợ thu thập năng lượng RF thông qua việc thiết lập thành công mô hình hợp tác 4 nút dựa trên giao thức phân chia công suất PSR và chuyển tiếp AF bán song công. Bằng phương pháp giải tích toán học trên kênh Rayleigh fading phẳng kết hợp đo đạc thực nghiệm phổ tần RF tại Bình Dương, tác giả đã suy dẫn chính xác các biểu thức giải tích của xác suất dừng, thông lượng tức thời và năng lượng tích lũy trung bình. Các kết quả mô phỏng số Monte Carlo trên phần mềm Matlab trùng khớp hoàn toàn với lý thuyết, cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho việc tối ưu hóa tham số công suất và mở rộng nghiên cứu sang các cấu hình mạng vô tuyến nhận thức đa ăng-ten hoặc song công toàn phần.