Chương 1: Tổng quan Trong chương này, các công bố liên quan tới mạng vô tuyến hai chiều và mạng vô tuyến hợp tác hai chiều trong những năm gần đây được phân tích, tổng hợp và so sánh. Từ đó nghiên cứu sinh xác định các vấn đề còn tồn tại, các nội dung còn có thể phát triển và đề xuất các hướng nghiên cứu của luận án. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trong chương này, nghiên cứu sinh trình bày ngắn gọn cơ sở lý thuyết về các mô hình mạng vô tuyến hợp tác hai chiều và các kỹ thuật có sử dụng trong các chương tiếp theo, gồm kỹ thuật mã hóa mạng, lựa chọn thiết bị chuyển tiếp, đa truy cập phi trực giao, triệt can nhiễu tuần tự, công nghệ vô tuyến nhận thức và thu hoạch năng lượng vô tuyến. Chương 3: Mạng hợp tác hai chiều sử dụng kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự và mã hóa mạng số Trong chương này, mô hình mạng vô tuyến hợp tác hai chiều sử dụng kết hợp kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự và kỹ thuật mã hóa mạng số tại thiết bị chuyển tiếp được đề xuất.
Đồng thời mô hình sử dụng một cụm thiết bị chuyển tiếp để hỗ trợ truyền nhận tín hiệu, phương pháp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp dựạ theo tiêu chí tối ưu độ lợi kênh truyền của nguồn gần. Bên cạnh đó, mô hình được xem xét trong các điều kiện lý tưởng và điều kiện thực tế như triệt can nhiễu tuần tự không hoàn hảo và thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo. Tiếp theo để đánh giá hiệu năng mạng, các biểu thức xác suất dừng và thông lượng của hệ thống được tìm, phân tích và được kiểm chứng bằng mô phỏng. Ngoài ra hiệu năng của giao thức được đề xuất cũng được so sánh với các giao thức không dùng đồng thời các kỹ thuật trên.
6 Chương 4: Mạng vô tuyến nhận thức hai chiều sử dụng bề mặt phản xạ thông minh Trong chương này, mô hình mạng vô tuyến nhận thức hai chiều với sự hỗ trợ của RIS để truyền tin được đề xuất. Mô hình hoạt động với giao thức truyền song công và được xem xét trong điều kiện thực tế là còn tồn tại nhiễu vòng lặp ở anten thu của hai nguồn thứ cấp. Sau đó xác suất dừng của hai nguồn được phân tích và đánh giá theo các thông số: ràng buộc can nhiễu của các thiết bị thu sơ cấp; công suất phát tối đa mà phần cứng các nguồn thứ cấp có thể đáp ứng; vị trí tương đối của RIS và của cụm thiết bị thu sơ cấp; sự thay đổi số lượng phần tử phản xạ của RIS; và khả năng triệt can nhiễu vòng lặp. Cuối cùng các biểu thức chính xác gần đúng và tiệm cận của xác xuất dừng được kiểm chứng tính chính xác bằng phương pháp mô phỏng.
Chương 5: Thu hoạch năng lượng phi tuyến trong mạng vô tuyến hợp tác hai chiều Trong chương này, mô hình thu hoạch năng lượng phi tuyến trong mạng hợp tác hai chiều được đề xuất. Mô hình hoạt động truyền nhận thông tin trong ba khe thời gian và sử dụng phương pháp thu năng lượng phân chia theo công suất kết hợp kỹ thuật mã hóa mạng số. Các biểu thức xác suất dừng chính xác và gần đúng của các nguồn được phân tích để đánh giá hiệu năng hệ thống. Đồng thời hệ số phân bổ công suất tối ưu được xác định để mô hình có xác suất dừng nhỏ nhất.
Chương 6: Kết luận Trình bày những kết quả đạt được, những đóng góp mới của luận án và hướng phát triển của đề tài. TỔNG QUAN NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Giới thiệu Mạng hợp tác hai chiều gồm hai nguồn truyền thông tin cho nhau thông qua các thiết bị chuyển tiếp. Hai phương thức xử lý tín hiệu tại thiết bị chuyển tiếp là giải mã - chuyển tiếp (DF) và khuếch đại - chuyển tiếp (AF) ở chế độ song công (FD) hoặc bán song công (HD) [13]. Đối với kỹ thuật DF, tín hiệu sau khi được giải mã sẽ được mã hóa lại trước khi chuyển tiếp đến nút đích.
Trong khi đó đối với kỹ thuật AF, tín hiệu sẽ được khuếch đại và truyền đi tiếp mà không được giải mã. Kỹ thuật AF được thực hiện đơn giản nhưng khuếch đại cả nhiễu trong tín hiệu nhận. Trong mạng hợp tác hai chiều cơ bản, quá trình truyền tín hiệu thông thường diễn ra trong bốn khe thời gian, trong đó nguồn thứ nhất truyền tín hiệu đến nguồn thứ hai thông qua thiết bị chuyển tiếp trong hai khe thời gian đầu tiên, và sau đó nguồn thứ hai truyền tín hiệu ngược lại cho nguồn thứ nhất trong hai khe kế tiếp [14]. Để cải thiện hiệu năng mạng hợp tác hai chiều các công bố tập trung vào các giải pháp giúp giảm khe thời gian truyền, tăng độ tin cậy khi truyền tín hiệu, tăng hiệu quả sử dụng phổ và tăng hiệu quả sử dụng năng lượng.
Các công bố sử dụng các kỹ thuật như kỹ thuật mã hóa mạng, kỹ thuật lựa chọn thiết bị chuyển tiếp tối ưu, kỹ thuật đa truy cập phi trực giao, kỹ thuật thu hoạch năng lượng, truyền song công và sử dụng thiết bị hỗ trợ truyền thông tin mới RIS. Chương này tình hình nghiên cứu liên quan đến hiệu năng mạng hợp tác hai chiều sẽ được tóm tắt và phân tích, sau đó tác giả đưa ra hướng nghiên cứu của luận án.2 Các công bố của các tác giả quốc tế về mạng hợp tác hai chiều Trong [12, 15-19], các tác giả sử dụng kỹ thuật mã hóa mạng trong mạng hợp tác hai chiều giúp giảm số khe thời gian truyền nhận thông tin dẫn đến giảm tổng thời gian truyền và tăng hiệu quả sử dụng băng thông, tăng thông lượng hệ thống so với kiểu truyền cơ bản bốn khe thời gian. Trong [16] [17], mô hình được nghiên cứu sử dụng thiết bị chuyển tiếp DF, kỹ thuật DNC và dùng ba khe thời gian để truyền nhận tín hiệu. Trong [17], mô hình có đường truyền trực tiếp giữa hai nguồn ở hai khe thời gian đầu và sử dụng kỹ thuật mã hóa kênh-mạng kết hợp, cụ thể là mã hóa kênh được áp dụng ở hai nguồn và mã hóa mạng áp dụng tại thiết bị chuyển tiếp.
Trong [18] các tác giả đã đề xuất mô hình hai khe thời gian giải mã-chuyển tiếp kết hợp. Trong khe thời gian thứ nhất, tốc độ truyền được lựa chọn đảm bảo thiết bị chuyển tiếp có thể nhận và giải mã các tín hiệu, sau đó dùng DNC để mã hóa lại tín hiệu và phát về hai nguồn trong khe thời gian thứ hai. Trong [19] mô hình hai khe thời gian sử dụng thiết bị chuyển tiếp AF, gọi là mã hóa mạng tương tự, được nghiên cứu. Đối với mã hóa mạng tương tự, thiết bị chuyển tiếp chỉ khuếch đại tín hiệu nhận được trong khe thời gian thứ nhất và chuyển tiếp về hai nguồn trong khe thời gian thứ hai mà không giải mã tín hiệu.
Khi xem xét xác suất dừng của hệ thống, các tác giả trong [12] chỉ ra rằng khi có tồn tại của đường truyền trực tiếp thì hệ thống sử dụng mã hóa mạng số có xác suất dừng nhỏ hơn sử dụng mã hóa mạng tương tự. Đồng thời, mô hình mạng hợp tác hai chiều với giao thức sử dụng hai khe thời gian thì có thông lượng hệ thống cao hơn so với mô hình dùng ba khe thời gian. Bên cạnh đó, đa truy cập phi trực giao là một kỹ thuật giúp tăng dung lượng hệ thống và tăng tính công bằng giữa các thiết bị người dùng so với các kỹ thuật đa truy cập trực giao (OMA) [6, 7]. Có nhiều nghiên cứu về NOMA trong mạng truyền thông một chiều đã được công bố liên quan đến việc bảo mật lớp vật lý, thu hoạch năng lượng, NOMA đồng bộ/bất đồng bộ [20] trong các điều kiện thực tế như SIC hoàn hảo/không hoàn hảo (pSIC/ipSIC), thu thập CSI hoàn hảo/không hoàn hảo (pCSI/ipCSI) hay các lỗi phần cứng [21-26].
Gần đây các nghiên cứu mạng hợp tác 9 hai chiều sử dụng NOMA cũng được quan tâm nhằm tận dụng các ưu điểm của NOMA. Trong [27, 28], các tác giả phân tích hiệu năng của mạng hợp tác hai chiều DF dùng NOMA cho đường lên và đường xuống của hai thiết bị người dùng. Trong [27], mô hình hoạt động ở chế độ FD và xem xét cả hai trường hợp pSIC và ipSIC. Hiệu năng hệ thống được phân tích dựa trên xác suất dừng và thông lượng.
Các kết quả trong công bố [27] chỉ ra rằng hiệu quả phổ của mô hình khi hoạt động ở chế độ song công được cải thiện hơn so với hệ thống có mô hình tương tự nhưng hoạt động ở chế độ bán song công [28]. Trong [29], các tác giả phân tích hiệu năng của một hệ thống có hai nhóm người dùng NOMA truyền tín hiệu cho nhau thông qua một thiết bị chuyển tiếp DF ở chế độ HD và pSIC. Trong [30], hiệu năng mạng hợp tác hai chiều sử dụng NOMA với hai thiết bị người dùng hợp pháp, một thiết bị chuyển tiếp và nhiều thiết bị nghe trộm thụ động đã được phân tích. Các kết quả cho thấy mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật NOMA tăng khả năng bảo mật và cải thiện hiệu quả phổ tần.
Bên cạnh đó, các tác giả cũng so sánh hiệu năng của mô hình được đề xuất với 2 mô hình: sử dụng OMA cho đường lên và mã hóa mạng cho đường xuống (NC-TWRS); NOMA cho đường lên và cho đường xuống (NOMA-TWRS). Các kết quả đã cho thấy giao thức Hybrid-TWRS có các ưu điểm trội hơn hẳn khi so với giao thức NC-TWRS và NOMA-TWRS về cải thiện thông lượng do kết hợp được lợi ích ghép kênh của NOMA và lợi ích nén không mất dữ liệu của DNC. Hybrid-TWRS có tỉ lệ lỗi bit (BER) nhỏ hơn so với giao thức NOMA-TWRS. Hơn nữa, độ phức tạp trong xử lý tín hiệu của Hybrid-TWRS thấp hơn NOMA-TWRS và tiết kiệm được tài nguyên tính toán.
Như vậy kết hợp của NOMA và DNC đã mang lại hiệu năng mạng cao hơn hai trường hợp còn lại. Để tăng độ tin cậy, giảm xác suất dừng hoạt động cho mạng truyền thông vô tuyến, cụm thiết bị chuyển tiếp đã được sử dụng. Cụm thiết bị chuyển tiếp được định nghĩa là gồm nhiều thiết bị chuyển tiếp được đặt gần nhau với điều kiện sự chênh 10 lệch khoảng cách truyền tín hiệu là không đáng kể. Một thiết bị chuyển tiếp tốt nhất theo một tiêu chí cụ thể sẽ được chọn để hỗ trợ truyền nhận tín hiệu.
Trong [32], mạng hợp tác hai chiều sử dụng hai khe thời gian truyền nhận tín hiệu với phương thức bán song công gồm hai nguồn và một cụm thiết bị chuyển tiếp AF được nghiên cứu.