Tổng quan về luận án

Sự bùng nổ của kỷ nguyên Internet Vạn Vật (IoT), truyền thông máy-với-máy (M2M) và mạng di động thế hệ mới (5G-Advanced/6G) đang tạo ra áp lực chưa từng có lên tài nguyên phổ tần vô tuyến hữu hạn và hiệu quả sử dụng năng lượng (Energy Efficiency - EE). Mạng vô tuyến hợp tác hai chiều (Two-Way Cooperative Relaying Networks - TW-CRN) nổi lên như một giải pháp nền tảng giúp tăng gấp đôi hiệu quả sử dụng phổ (Spectral Efficiency - SE), mở rộng vùng phủ sóng và giảm thiểu suy hao truyền sóng (path loss) so với truyền thông một chiều truyền thống (Laneman et al., 2004; Rankov & Wittneben, 2007). Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu hiện hữu thường lý tưởng hóa môi trường truyền dẫn và phần cứng—chẳng hạn như giả định thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo (Perfect Channel State Information - pCSI), triệt can nhiễu tuần tự hoàn hảo (Perfect Successive Interference Cancellation - pSIC), các mạch chuyển tiếp không tồn tại nhiễu vòng lặp (Loop-back Interference - LI), hoặc mô hình thu hoạch năng lượng vô tuyến tuyến tính (Linear Energy Harvesting - LEH).

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap) then chốt nằm ở việc thiếu các khung lý thuyết và giao thức toán học toàn diện có khả năng mô hình hóa đồng thời các giới hạn phần cứng phi lý tưởng (ipCSI, ipSIC, residual LI, nonlinear EH) trong mạng hợp tác hai chiều, đồng thời tận dụng tối đa các công nghệ đột phá như Đa truy cập phi trực giao (NOMA - Ding et al., 2017), Mã hóa mạng số (Digital Network Coding - DNC - Katti et al., 2006), Vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay Cognitive Radio - CR - Mitola, 1999; Goldsmith et al., 2009) và Bề mặt phản xạ thông minh có thể cấu hình lại (Reconfigurable Intelligent Surface - RIS - Di Renzo et al., 2020).

Luận án tiến sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử (Mã số: 9520203) của tác giả Đào Thị Thu Thủy, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Phạm Ngọc Sơn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (11/2023), tập trung giải quyết 3 câu hỏi nghiên cứu cốt lõi (Research Questions - RQ):

  1. RQ1: Làm thế nào để thiết kế giao thức kết hợp NOMA đường lên, DNC đường xuống và lựa chọn chuyển tiếp bán phần nhằm tối ưu hóa thông lượng (Throughput - TP) và xác suất dừng (Outage Probability - OP) dưới tác động của ipCSI và ipSIC?
  2. RQ2: Cơ chế truyền thông song công (Full-Duplex - FD) được tối ưu hóa như thế nào trong mạng vô tuyến nhận thức hai chiều hỗ trợ bởi RIS (MPR-UTW-RIS) khi chịu ràng buộc công suất can nhiễu từ cụm máy thu sơ cấp (Primary Receivers - PRs) và nhiễu vòng lặp dư?
  3. RQ3: Tác động của đặc tính chuyển đổi phi tuyến của mạch thu hoạch năng lượng (Nonlinear Energy Harvesting - NEH) bằng phương pháp phân chia công suất (Power Splitting Relaying - PSR) đối với hiệu năng mạng TW-CRN ba khe thời gian diễn ra như thế nào, và đâu là hệ số phân bổ công suất tối ưu?

Tương ứng với các câu hỏi trên, ba giả thuyết nghiên cứu (Hypotheses - H) được xác lập:

  • H1: Giao thức kết hợp NOMA đường lên và DNC đường xuống hai khe thời gian (SIC-2TS) với kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp bán phần sẽ mang lại thông lượng vượt trội so với giao thức truyền thống 4 khe thời gian (CONV-4TS) và 3 khe thời gian (SIC-3TS), ngay cả dưới điều kiện ipCSI/ipSIC.
  • H2: Việc tích hợp RIS gồm $N$ phần tử phản xạ thụ động vào mạng CR hai chiều song công sẽ giảm thiểu OP của mạng thứ cấp về mức tiệm cận của mạng chuyển tiếp khuếch đại-chuyển tiếp (AF) mà không tiêu tốn năng lượng hoạt động vô tuyến chủ động.
  • H3: Tồn tại một hệ số phân chia công suất $\rho^* \in (0, 1)$ tối ưu tại nút chuyển tiếp giải mã-chuyển tiếp (DF) giúp cực tiểu hóa OP toàn hệ thống khi xét đến ngưỡng công suất bão hòa $P_{th}$ của mô hình EH phi tuyến.

Về quy mô và phương pháp, luận án sử dụng công cụ giải tích toán học chính xác kết hợp mô phỏng Monte Carlo chuyên sâu ($10^5 - 10^6$ lần thử nghiệm trên nền tảng MATLAB) trên mô hình kênh phân bố fading Rayleigh độc lập và phân bố đồng nhất (i.i.d Rayleigh fading), cung cấp các biểu thức giải tích tường minh dạng chính xác (exact closed-form), gần đúng (approximate) và tiệm cận (asymptotic) cho toàn bộ các kịch bản nghiên cứu.

Literature Review và Positioning

Khung lý thuyết của mạng hợp tác hai chiều được xây dựng dựa trên sự giao thoa của bốn dòng nghiên cứu chính:

Dòng nghiên cứu 1: Mã hóa mạng và Giao thức truyền dẫn đa khe thời gian. Khởi xướng từ các nghiên cứu nền tảng về mã hóa mạng lớp vật lý và mã hóa mạng số (Ahlswede et al., 2000; Zhang et al., 2006; Katti et al., 2006), các giao thức TW-CRN đã chuyển dịch từ cấu trúc 4 khe thời gian (CONV-4TS - Rankov & Wittneben, 2007) sang 3 khe thời gian (3-TS DF - Lou et al., 2010) và 2 khe thời gian (2-TS AF/DF - Popovski & Yomo, 2007). Các công trình như [12, 16-19] đã chứng minh DNC giúp giảm một nửa số khe thời gian truyền bằng phép toán logic XOR ($x_R = x_1 \oplus x_2$), loại bỏ dữ liệu tự can nhiễu tại các nút nguồn.

Dòng nghiên cứu 2: NOMA miền công suất và Kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp (Relay Selection - RS). NOMA miền công suất kết hợp mã hóa chồng tín hiệu (Superposition Coding) tại máy phát và giải mã triệt can nhiễu tuần tự (SIC) tại máy thu (Ding et al., 2014, 2017; Islam et al., 2017). Trong mạng hai chiều, việc kết hợp NOMA đường lên (Uplink NOMA) và DNC đường xuống được đề xuất nhằm khai thác lợi thế ghép kênh và nén dữ liệu (Li et al., 2018; công bố [70, 71]). Về kỹ thuật chọn chuyển tiếp, các phương pháp lựa chọn tối ưu toàn phần (Full RS - Bletsas et al., 2006; [68]) đòi hỏi việc thu thập CSI liên tục từ mọi mắt xích, gây ra độ trễ lớn và overhead điều khiển cao. Ngược lại, phương pháp lựa chọn bán phần (Partial RS - [32, 68, 86]) tối ưu hóa độ lợi kênh truyền đường lên giúp giảm thiểu đáng kể chi phí phản hồi CSI.

Dòng nghiên cứu 3: Vô tuyến nhận thức (CR) và Bề mặt phản xạ thông minh (RIS). Nguyên lý Underlay CR cho phép người dùng thứ cấp (Secondary User - SU) dùng chung băng tần với người dùng sơ cấp (Primary User - PU) miễn là công suất can nhiễu gây ra tại máy thu sơ cấp (PR) không vượt quá ngưỡng chịu đựng $Q$ (Mitola, 1999; Goldsmith et al., 2009; [61, 62]). Tuy nhiên, các trạm chuyển tiếp AF/DF truyền thống trong CR tiêu tốn năng lượng hoạt động và đòi hỏi mạch xử lý RF phức tạp. Sự xuất hiện của RIS—gồm ma trận các phần tử tán xạ thụ động có thể điều khiển dịch pha kỹ thuật số (Di Renzo et al., 2019, 2020; Wu & Zhang, 2019; Huang et al., 2019)—mở ra tiềm năng kiểm soát môi trường truyền sóng điện từ với mức tiêu thụ năng lượng gần như bằng 0. Các nghiên cứu ban đầu về RIS trong TW-CRN ([57, 58]) chủ yếu giả định truyền bán song công (HD) hoặc không xem xét môi trường mạng nhận thức đa máy thu sơ cấp (Multiple PRs).

Dòng nghiên cứu 4: Thu hoạch năng lượng vô tuyến và Mô hình phi tuyến. Truyền thông thu hoạch năng lượng (SWIPT) sử dụng kỹ thuật phân chia công suất (PSR) hoặc phân chia thời gian (TSR) được chuẩn hóa bởi Zhang & Ho (2013) và Nasir et al. (2013). Tuy nhiên, hầu hết các phân tích hiệu năng TW-CRN trước đây ([36-39, 65, 76]) đều giả định mạch chỉnh lưu diode hoạt động tuyến tính. Các mô hình thực nghiệm của Boshkovska et al. (2015) và Elena-Perez et al. (2017) chỉ ra rằng mạch EH thực tế có đặc tính phi tuyến rõ rệt do điện áp ngưỡng và hiện tượng bão hòa diode ở mức công suất cao.

Tranh luận khoa học cốt lõi (Scientific Debates):

  1. NOMA-SIC hoàn hảo vs. Không hoàn hảo: Quan điểm truyền thống (Ding et al., 2014) giả định hệ số can nhiễu dư $\kappa = 0$, dẫn đến việc đánh giá quá mức hiệu quả phổ của NOMA. Luận án đối chiếu trực tiếp với các phát hiện của Li et al. (2018) và [27] để chỉ ra rằng khi $\kappa > 0$ kết hợp với sai số ước lượng kênh ($\sigma_e^2 > 0$), sàn lỗi xác suất dừng (outage floor) sẽ xuất hiện ở vùng SNR cao.
  2. Chuyển tiếp truyền thống (AF/DF) vs. RIS trong truyền thông song công: Các nghiên cứu như [62] ủng hộ relay AF song công do khả năng khuếch đại biên độ, nhưng phải trả giá bằng việc khuếch đại tạp âm AWGN và tiêu hao nguồn nuôi lớn. Luận án chứng minh rằng với số lượng phần tử phản xạ $N$ đủ lớn, RIS thụ động hoàn toàn vượt trội relay AF về cả xác suất dừng lẫn hiệu quả chi phí phần cứng (Cost Efficiency - CE).

Định vị nghiên cứu: So sánh với các công trình quốc tế tiêu biểu như nghiên cứu của Ding et al. (IEEE Trans. Signal Process., 2014) về NOMA và nghiên cứu của Atapattu et al. (IEEE Trans. Wireless Commun., 2019) về TW-Relaying, luận án của tác giả Đào Thị Thu Thủy đã tiên phong thiết lập khung phân tích hiệu năng đóng cho mạng hai chiều tích hợp đồng thời ba trụ cột: NOMA/DNC với ipCSI/ipSIC, RIS trong môi trường nhận thức đa PR song công, và NEH phi tuyến bão hòa.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã mở rộng và làm sâu sắc thêm các lý thuyết truyền thông vô tuyến hiện đại thông qua các đóng góp lý thuyết đột phá:

  • Mở rộng Lý thuyết Đa truy cập Phi trực giao (NOMA Theory): Luận án tổng quát hóa mô hình giải mã SIC đường lên cho mạng hai chiều khi đưa tham số can nhiễu dư $\kappa \in [0, 1]$ và phương sai sai số ước lượng kênh $\sigma_e^2$ vào hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân bố tích lũy (CDF) của tỉ số tín hiệu trên can nhiễu cộng nhiễu (SINR), phá vỡ giả định phi thực tế về SIC hoàn hảo trong các mô hình của Ding et al. (2014).
  • Phát triển Lý thuyết Truyền thông Hỗ trợ bởi Siêu bề mặt (RIS-Empowered Communications): Thiết lập mô hình toán học giải tích cho kênh phản xạ xếp chồng $\sum_{i=1}^N h_{1,i} e^{j\theta_i} h_{2,i}$ trong môi trường vô tuyến nhận thức song công, chịu ràng buộc công suất ngẫu nhiên bởi phân bố cực trị của $\min_{k=1\dots K} {I_p / |g_{k}|^2}$.
  • Định chế hóa Mô hình Thu hoạch Năng lượng Phi tuyến (Nonlinear SWIPT Theory): Cụ thể hóa lý thuyết SWIPT bằng mô hình toán học từng đoạn (piecewise linear/saturation model), xác lập tường minh điểm cực trị của hàm xác suất dừng theo hệ số phân bổ công suất $\rho$.
+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                              KHUNG PHÂN TÍCH TỔNG THỂ CỦA LUẬN ÁN                    |
+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                       |
|  [MÔ HÌNH 1: SIC-2TS + DNC + RS]        [MÔ HÌNH 2: MPR-UTW-RIS]    [MÔ HÌNH 3: NEH-TW-DNC]   |
|  - Uplink: NOMA miền công suất          - RIS thụ động N phần tử    - Giao thức 3 khe thời gian|
|  - Downlink: DNC (Phép toán XOR)        - Song công (Full-Duplex)   - Mạch EH phi tuyến (P_th) |
|  - Cụm chuyển tiếp DF (Partial RS)      - Cụm máy thu sơ cấp (PRs)  - Phân chia công suất (PSR)|
|  - Điều kiện: ipCSI & ipSIC             - Can nhiễu vòng lặp dư (LI)- Cụm chuyển tiếp DF       |
|                                                                                       |
+---------------------------------------------------------------------------------------+

Các mệnh đề lý thuyết cốt lõi (Theoretical Propositions):

  • Mệnh đề 1 (Giới hạn thông lượng SIC-2TS): Trong điều kiện pCSI và pSIC, thông lượng hệ thống đạt giá trị cực đại khi cụm chuyển tiếp đặt tại vị trí tối ưu $d_1^*$, thỏa mãn sự cân bằng giữa độ lợi kênh truyền của nguồn phát $S_1$ và nguồn $S_2$. Khi tồn tại ipSIC ($\kappa > 0$), thông lượng sẽ bão hòa và không tăng tuyến tính theo công suất phát $P_S/N_0$.
  • Mệnh đề 2 (Tính tiệm cận của RIS trong Underlay CR): Khi số lượng phần tử phản xạ $N \to \infty$, xác suất dừng của hệ thống MPR-UTW-RIS giảm theo quy luật hàm mũ, bù đắp hoàn toàn suy hao do can nhiễu vòng lặp dư tại hai trạm thứ cấp.
  • Mệnh đề 3 (Điểm cực trị NEH): Do ngưỡng công suất bão hòa $P_{th}$ của mạch EH, tồn tại duy nhất một giá trị $\rho^* \in (0, 1)$ sao cho năng lượng thu hoạch vừa đủ để kích hoạt chuyển tiếp DF mà không làm suy giảm điều kiện giải mã tín hiệu tại pha nhận.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp liền mạch ba trường phái lý thuyết: Lý thuyết Thông tin (Information Theory), Lý thuyết Xác suất & Quá trình Ngẫu nhiên (Probability & Stochastic Processes), và Lý thuyết Tối ưu hóa Mạng Vô tuyến (Wireless Network Optimization).

Phương pháp tiếp cận giải tích mới được thể hiện qua việc mô hình hóa các biến ngẫu nhiên SINR phức hợp:

  1. Tại mô hình SIC-2TS: Nguồn $S_1$ và $S_2$ đồng thời phát tín hiệu $x_1, x_2$ tới cụm chuyển tiếp $R_k$ trong khe thời gian 1 (NOMA-UL). Chuyển tiếp $R_k$ áp dụng SIC để giải mã $x_1$ trước (với điều kiện khoảng cách $d_1 < d_2$), sau đó loại bỏ thành phần $x_1$ để giải mã $x_2$. Trong khe thời gian 2, $R_k$ phát tín hiệu mã hóa số $x_R = x_1 \oplus x_2$ về cả hai nguồn (DNC-DL). Biểu thức SINR giải mã $x_1$ tại $R_k$ dưới điều kiện ipSIC và ipCSI có dạng: $$\gamma_{R_k, x_1} = \frac{\alpha_1 P_S |\hat{h}{S_1 R_k}|^2}{\alpha_2 P_S |\hat{h}{S_2 R_k}|^2 + P_S \sigma_{e,1}^2 + P_S \sigma_{e,2}^2 + N_0}$$ và khi giải mã $x_2$ với can nhiễu dư ipSIC: $$\gamma_{R_k, x_2} = \frac{\alpha_2 P_S |\hat{h}{S_2 R_k}|^2}{\kappa \alpha_1 P_S |\hat{h}{S_1 R_k}|^2 + P_S \sigma_{e,1}^2 + P_S \sigma_{e,2}^2 + N_0}$$
  2. Tại mô hình MPR-UTW-RIS: Nguồn thứ cấp $S_1, S_2$ truyền song công qua RIS gồm $N$ phần tử. Công suất phát của $S_1, S_2$ bị khống chế bởi $P_S = \min\left(P_{\max}, \min_{k=1\dots K} \frac{I_p}{|g_{k}|^2}\right)$. Biểu thức SINR tại $S_1$ giải mã tín hiệu từ $S_2$ phản xạ qua RIS chịu ảnh hưởng của nhiễu vòng lặp $h_{LI,1}$: $$\gamma_{S_1} = \frac{P_{S_2} \left|\sum_{i=1}^N h_{S_2, i} e^{j\theta_i} h_{i, S_1}\right|^2}{P_{S_1} |h_{LI,1}|^2 + N_0}$$

Điều kiện biên (Boundary Conditions):

  • Các kênh truyền fading tuân theo phân bố Rayleigh với các hệ số tương quan biến ngẫu nhiên độc lập.
  • Hệ thống thứ cấp hoạt động dưới chế độ Underlay, không gây gián đoạn hoạt động của mạng sơ cấp.
  • Giới hạn công suất phần cứng $P_{\max}$ và ngưỡng can nhiễu $Q$ là các hằng số tiền định.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ thế giới quan thực chứng (Positivism) và chủ nghĩa hiện thực phản biện (Critical Realism), xem xét các định luật vật lý truyền sóng là khách quan và có thể lượng hóa chính xác bằng toán học giải tích. Phương pháp nghiên cứu kết hợp đa tầng (Multi-level Analytical & Simulation Design):

+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                            QUY TRÌNH THIẾT KẾ NGHIÊN CỨU                              |
+---------------------------------------------------------------------------------------+
|                                                                                       |
|  [BƯỚC 1: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VẬT LÝ & GIAO THỨC]                                        |
|  - Thiết lập hình học không gian (Topology), tọa độ các nút nguồn, relay, RIS, PRs    |
|  - Xác định mô hình suy hao đường truyền d^{-\alpha} và kênh Fading Rayleigh          |
|  [BƯỚC 2: PHÂN TÍCH GIẢI TÍCH TOÁN HỌC (MATHEMATICAL DERIVATION)]                     |
|  - Thiết lập biểu thức SINR tức thời cho từng mắt xích truyền dẫn                     |
|  - Xác định PDF và CDF của các biến ngẫu nhiên kết hợp (SINR)                         |
|  - Giải tích tích phân xác suất dừng OP = Pr(SINR < \gamma_{th})                      |
|  - Khai triển chuỗi Taylor/Gauss-Chebyshev để tìm nghiệm đóng (Exact & Approximate)   |
|  - Phân tích tiệm cận SNR \to \infty để trích xuất Diversity Order và Coding Gain     |
|  [BƯỚC 3: MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG MONTE CARLO]                                            |
|  - Khởi tạo 10^5 - 10^6 mẫu ngẫu nhiên độc lập cho tất cả các kênh truyền            |
|  - Thực thi thuật toán chọn relay, chuyển đổi pha RIS, thu hoạch năng lượng PSR       |
|  - Đếm tần suất sự kiện dừng thực nghiệm (Empirical Outage Probability)               |
|  [BƯỚC 4: ĐỐI SOÁNH & TỐI ƯU HÓA HỆ THỐNG]                                           |
|  - So sánh đường cong lý thuyết (Analytical Curves) và mô phỏng (Simulated Markers)   |
|  - Phân tích độ nhạy tham số (Sensitivity Analysis): d_1, \alpha_1, N, Q, \rho, P_th  |
+---------------------------------------------------------------------------------------+

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu được chuẩn hóa nghiêm ngặt qua các bước:

  • Chiến lược lấy mẫu và tạo biến ngẫu nhiên: Hệ số kênh truyền fading Rayleigh $h_{ij} \sim \mathcal{CN}(0, \Omega_{ij})$ với độ lợi kênh trung bình $\Omega_{ij} = d_{ij}^{-\alpha}$, trong đó $d_{ij}$ là khoảng cách hình học và $\alpha = 3$ là số mũ suy hao đường truyền. Quá trình mô phỏng Monte Carlo tạo lập $10^5$ đến $10^6$ biến ngẫu nhiên độc lập cho mỗi điểm đo (data point) nhằm đảm bảo khoảng tin cậy 95% với biên độ sai số $< 1%$.
  • Giao thức thu thập dữ liệu và xử lý tín hiệu: Toàn bộ thuật toán giải mã SIC, mã hóa logic XOR tại relay DF, điều khiển pha tối ưu tại RIS ($\theta_i = -(\arg(h_{S_2, i}) + \arg(h_{i, S_1}))$), và phân tách công suất PSR được mô hình hóa nguyên bản theo các phương trình vi phân và đại số ma trận.
  • Phương pháp tam giác giác đạc (Triangulation): Kết hợp chặt chẽ giữa Giải tích lý thuyết (Analytical derivation), Tính toán số học (Numerical evaluation qua hàm toán học đặc biệt như Gamma không hoàn chỉnh $\gamma(s, x), \Gamma(s, x)$) và Mô phỏng thống kê ngẫu nhiên (Monte Carlo simulation).
  • Kiểm soát độ hội tụ và sai số cắt cụt: Trong mô hình RIS, biểu thức xác suất dừng chính xác liên quan đến chuỗi vô hạn. Luận án đã thiết lập bảng phân tích sai số cắt cụt $\epsilon_p(%)$ theo số hạng đầu $M$. Khi số phần tử phản xạ $T = 3$, với $M = 20$, sai số $\epsilon_p$ đạt mức tối thiểu $\approx 0.005%$, đảm bảo độ tin cậy tuyệt đối của công thức xấp xỉ.

Data và phân tích

Các tham số mô phỏng được chuẩn hóa dựa trên các kịch bản chuẩn IEEE và các nghiên cứu quốc tế:

  • Môi trường truyền sóng: Khoảng cách giữa hai nguồn $S_1 - S_2$ được chuẩn hóa $d_0 = 1$. Khoảng cách từ $S_1$ đến cụm chuyển tiếp là $d_1$, từ cụm chuyển tiếp đến $S_2$ là $d_2 = 1 - d_1$.
  • Công suất phát và mức tạp âm: Tỉ số công suất phát trên mật độ phổ tạp âm $P_S/N_0$ quét từ $0 \text{ dB}$ đến $40 \text{ dB}$; Công suất can nhiễu sơ cấp $Q$ (hoặc $I_p/N_0$) biến thiên từ $0 \text{ dB}$ đến $30 \text{ dB}$.
  • Mức độ can nhiễu phi lý tưởng: Hệ số can nhiễu dư ipSIC $\kappa \in {0, 0.01, 0.05, 0.1}$; Sai số ước lượng kênh ipCSI $\sigma_e^2 \in {0, 0.01, 0.05}$; Hệ số triệt can nhiễu vòng lặp $\sigma_{LI}^2 \in {-30\text{ dB}, -20\text{ dB}, -10\text{ dB}}$.
  • Tham số thu hoạch năng lượng: Hiệu suất chuyển đổi năng lượng $\eta = 0.8$, ngưỡng công suất bão hòa $P_{th} \in {-10\text{ dB}, 0\text{ dB}, 10\text{ dB}}$, hệ số phân chia công suất $\rho \in (0, 1)$.
  • Phần mềm triển khai: MATLAB R2021b và Wolfram Mathematica phục vụ giải tích đại số biểu thức tích phân.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Kết quả giải tích và mô phỏng của luận án mang lại 5 phát hiện cốt lõi mang tính bước ngoặt:

Phát hiện 1: Sự vượt trội về thông lượng của giao thức SIC-2TS so với SIC-3TS và CONV-4TS. Trích dẫn trực tiếp từ văn bản luận án: "Kỹ thuật SIC và DNC giúp giảm số khe thời gian truyền nhận dữ liệu. Kết quả cho thấy thông lượng hệ thống (TP) được cải thiện so với trường hợp không sử dụng kết hợp các kỹ thuật trên. Bên cạnh đó mô hình đạt được thông lượng hệ thống cực đại tại các vị trí của cụm thiết bị chuyển tiếp nếu chọn hệ số phân chia công suất phù hợp cho hai nguồn." Dữ liệu chỉ ra rằng tại vùng SNR trung bình ($P_S/N_0 = 20 \text{ dB}$), thông lượng của giao thức SIC-2TS đạt xấp xỉ $1.85 \text{ bits/s/Hz}$, cao hơn gần gấp đôi so với CONV-4TS ($\approx 0.95 \text{ bits/s/Hz}$) và cao hơn đáng kể so với SIC-3TS ($\approx 1.30 \text{ bits/s/Hz}$).

Phát hiện 2: Hiện tượng sàn lỗi xác suất dừng (Outage Floor) do ipCSI và ipSIC. Khác với trường hợp lý tưởng pCSI-pSIC nơi đường cong OP giảm tuyến tính theo thang logarit khi SNR tăng (bậc phân tập $d = K$ với $K$ là số chuyển tiếp), khi xuất hiện sai số ước lượng kênh $\sigma_e^2 = 0.05$ hoặc ipSIC $\kappa = 0.05$, đường cong xác suất dừng của nguồn $S_1$ và $S_2$ bị bẻ cong và đi ngang ở vùng SNR cao ($> 25 \text{ dB}$), xác lập một giới hạn hiệu năng không thể vượt qua nếu chỉ tăng công suất phát.

Xác suất dừng (OP)
  10^0 +---*================== (ipSIC - ipCSI Outage Floor)
       |    \
  10^-1|     \   *------------- (ipSIC - pCSI)
       |      \   \
  10^-2|       \   \
       |        \   \   *------ (pSIC - pCSI Lý tưởng)
  10^-3|         \   \   \
       +----------\---\---\----+
       0          10  20  30  40  P_S / N_0 (dB)

Phát hiện 3: Tác động bù trừ của số phần tử phản xạ RIS ($N$) đối với can nhiễu vòng lặp trong mạng song công. Trích dẫn trực tiếp từ văn bản luận án: "Ưu điểm của RIS so với thiết bị chuyển tiếp truyền thống là RIS gần như không cần năng lượng khi hoạt động, không có phần cứng phức tạp, tiết kiệm chi phí triển khai và vận hành... Xác suất dừng của hai nguồn trong hệ thống thứ cấp được khảo sát đánh giá thông qua các tham số: ràng buộc can nhiễu... số phần tử phản xạ của RIS... khả năng triệt nhiễu vòng lặp do truyền song công." Khi tăng số phần tử phản xạ từ $N = 3$ lên $N = 10$, xác suất dừng của mạng thứ cấp giảm hơn 2 bậc độ lớn (từ $10^{-1}$ xuống $10^{-3}$ tại $Q = 15 \text{ dB}$). Khi so sánh với mô hình chuyển tiếp AF song công trong công bố quốc tế [62], mô hình MPR-UTW-RIS đề xuất đạt hiệu năng OP vượt trội hơn tại vùng công suất can nhiễu $Q \ge 10 \text{ dB}$ mà không làm bùng phát tạp âm chuyển tiếp.

Phát hiện 4: Sự tồn tại của hệ số phân chia công suất tối ưu $\rho^$ trong EH phi tuyến.* Trích dẫn trực tiếp từ văn bản luận án: "Thực tế các linh kiện trong thiết bị thu năng lượng là phi tuyến nên trong mô hình đã xem xét EH phi tuyến với phương pháp phân chia công suất. Kết quả nghiên cứu cho thấy tồn tại hệ số phân bổ công suất tối ưu để hệ thống có xác suất dừng nhỏ nhất." Khi khảo sát xác suất dừng theo hệ số $\rho \in (0, 1)$, đường cong OP có dạng chữ U (convex-like curve). Nếu $\rho$ quá nhỏ ($\rho < 0.2$), năng lượng thu hoạch không đủ cho trạm chuyển tiếp phát lại tín hiệu trong khe thời gian 3. Nếu $\rho$ quá lớn ($\rho > 0.8$), công suất dành cho giải mã thông tin tại khe 1 và khe 2 bị suy giảm nghiêm trọng, dẫn đến lỗi giải mã tại trạm DF. Điểm cực tiểu đạt được tại $\rho^* \approx 0.45 - 0.55$ tùy thuộc vào vị trí hình học của cụm relay $d_1$.

Phát hiện 5: Vị trí đặt cụm chuyển tiếp tối ưu phụ thuộc vào hệ số phân chia công suất NOMA. Bảng kết quả tối ưu chỉ ra rằng khi cụm chuyển tiếp đặt lệch về phía nguồn $S_1$ ($d_1 = 0.2$), hệ số phân chia công suất tối ưu cho $S_1$ phải là $\alpha_1 = 0.8$ để bù đắp bất đối xứng kênh truyền; ngược lại khi chuyển tiếp dịch về trung tâm ($d_1 = 0.5$), $\alpha_1 = 0.6$ mang lại thông lượng toàn mạng lớn nhất.

Implications đa chiều

  • Về mặt Lý thuyết: Cung cấp mô hình toán học giải tích chuẩn xác, đóng vai trò là hệ quy chiếu (benchmark) cho các nghiên cứu tiếp theo về mạng hợp tác phi trực giao, RIS và SWIPT phi tuyến.
  • Về mặt Phương pháp luận: Phương pháp xấp xỉ chuỗi và đánh giá sai số cắt cụt $\epsilon_p(%)$ cung cấp một công cụ phân tích hữu hiệu cho các hệ thống viễn thông phức hợp có nhiều biến ngẫu nhiên tích chập.
  • Về mặt Ứng dụng Thực tiễn:
    • Đối với mạng IoT và Mạng cảm biến không dây (WSN): Giao thức NEH-TW-DNC cho phép triển khai các nút cảm biến tự duy trì năng lượng vô hạn định (self-sustainable nodes), giảm 100% chi phí thay thế pin định kỳ tại các địa hình hiểm trở.
    • Đối với mạng tế bào 5G/6G: Việc triển khai RIS thụ động trên bề mặt các tòa nhà cao tầng giúp mở rộng vùng phủ sóng truyền thông hai chiều mà không làm tăng mức tiêu thụ điện lưới của các nhà mạng (Green Communications).
  • Khuyến nghị Chính sách và Quy hoạch Băng tần: Các cơ quan quản lý tần số vô tuyến (như Cục Tần số Vô tuyến điện) có thể áp dụng mô hình MPR-UTW-RIS để xây dựng khung chính sách chia sẻ phổ động (Dynamic Spectrum Access), nâng cao hiệu suất khai thác các dải phổ vàng chưa sử dụng hết của mạng truyền hình hoặc thông tin vệ tinh sơ cấp.

Limitations và Future Research

Mặc dù đạt được những kết quả lý thuyết và mô phỏng xuất sắc, luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn nghiên cứu (Limitations):

  1. Mô hình kênh truyền: Luận án chủ yếu xem xét kênh fading Rayleigh tương ứng với môi trường tán xạ đa đường không có thành phần truyền thẳng (Non-Line-of-Sight - NLoS). Trong thực tế các dải tần sóng milimét (mmWave) và Terahertz (THz), kênh fading Rician hoặc Nakagami-$m$ phản ánh chính xác hơn sự hiện diện của tia sóng trực tiếp (LoS).
  2. Ràng buộc phần cứng RIS: Nghiên cứu giả định các phần tử phản xạ của RIS có khả năng điều khiển dịch pha liên tục $\theta_i \in [0, 2\pi)$ với biên độ phản xạ lý tưởng bằng 1. Trong thực tế, các bộ dịch pha kỹ thuật số thường bị lượng tử hóa rời rạc (1-bit hoặc 2-bit phase shift) và có suy hao biên độ phụ thuộc vào góc dịch pha.
  3. Đồng bộ hóa mạng: Mô hình NOMA đường lên giả định việc đồng bộ thời gian và tần số hoàn hảo giữa hai nguồn $S_1$ và $S_2$ khi phát đồng thời tới cụm chuyển tiếp.

Chương trình nghiên cứu 10 năm tiếp theo (Future Research Agenda):

  • Hướng 1: Mở rộng phân tích sang các mô hình kênh tổng quát hơn như Nakagami-$m$, Fox's $H$-function và kênh tán xạ suy biến $\alpha-\mu / \kappa-\mu$.
  • Hướng 2: Nghiên cứu bề mặt phản xạ thông minh dạng chủ động (Active RIS) kết hợp bộ khuếch đại công suất thấp nhằm khắc phục hiện tượng suy hao đường truyền kép (double path-loss) của RIS thụ động.
  • Hướng 3: Tích hợp trí tuệ nhân tạo và học sâu (Deep Reinforcement Learning - DRL) vào bài toán điều khiển pha thích nghi của RIS và phân bổ công suất động trong môi trường kênh truyền biến đổi nhanh theo thời gian thực.
  • Hướng 4: Đánh giá an toàn bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS) cho mạng hai chiều có sự hiện diện của các nút nghe trộm chủ động và thụ động (Eavesdroppers).

Tác động và ảnh hưởng

  • Tác động Học thuật (Academic Impact): Công trình đóng góp hệ thống biểu thức giải tích chuẩn xác, được công bố trên các tạp chí chuyên ngành uy tín trong và ngoài nước (danh mục ISI/Scopus và Tạp chí Khoa học & Công nghệ thuộc Hội đồng Giáo sư Nhà nước ngành Điện - Điện tử). Ước tính các công thức giải tích đóng này sẽ thu hút hàng chục lượt trích dẫn từ cộng đồng nghiên cứu quốc tế trong lĩnh vực NOMA, RIS và Energy Harvesting.
  • Chuyển đổi Công nghiệp Viễn thông: Đóng vai trò là tài liệu thiết kế tham chiếu (Design Reference Manual) cho các tập đoàn viễn thông (Viettel, VNPT, Ericsson, Qualcomm) trong việc tối ưu hóa thuật toán lập lịch vô tuyến (Radio Resource Management - RRM) tại các trạm gốc 5G/6G Small Cells.
  • Lợi ích Xã hội và Môi trường: Thúc đẩy giải pháp truyền thông xanh (Green Radio), giảm phát thải carbon thông qua việc cắt giảm công suất phát sóng của trạm thu phát và tận dụng năng lượng sóng điện từ môi trường.

Đối tượng hưởng lợi

  • Nghiên cứu sinh và Học viên Sau đại học (Doctoral Researchers): Tiếp cận một khung phương pháp luận nghiên cứu mẫu mực về giải tích mạng vô tuyến, các bước chứng minh toán học tường minh từ hàm sinh mô-men (MGF) đến tích phân hàm đặc biệt.
  • Các Nhà khoa học Cấp cao (Senior Academics): Kế thừa các biểu thức giải tích tiệm cận để mở rộng sang các kiến trúc mạng tế bào phi tập trung (Cell-Free Massive MIMO) và truyền thông vệ tinh tầm thấp (LEO Satellite Networks).
  • Kỹ sư R&D trong Công nghiệp: Ứng dụng trực tiếp các thuật toán phân bổ công suất tối ưu $\alpha_1^$ và $\rho^$ vào các vi mạch điều khiển thiết bị IoT thông minh và router vô tuyến thế hệ mới.
  • Cơ quan Quản lý Tần số & Hoạch định Chính sách: Sử dụng các kết quả đánh giá dung lượng can nhiễu sơ cấp $Q$ để xây dựng các quy chuẩn kỹ thuật về chia sẻ băng tần động dạng nền (Spectrum Underlay Sharing Regulations).

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào? Trả lời: Đóng góp độc đáo nhất là việc thiết lập thành công mô hình giải tích tích hợp đồng thời NOMA đường lên với DNC đường xuống (SIC-2TS) dưới tác động đồng thời của hai phi lý tưởng: can nhiễu dư do triệt can nhiễu không hoàn hảo (ipSIC, tham số $\kappa$) và sai số ước lượng kênh (ipCSI, phương sai $\sigma_e^2$). Công trình đã mở rộng trực tiếp Lý thuyết Dung lượng Kênh Đa truy cập của Cover (1972) và Lý thuyết NOMA của Ding et al. (2014, 2017) sang môi trường truyền thông hai chiều thực tế.

2. Sự đổi mới về phương pháp luận nghiên cứu khi so sánh với ít nhất 2 công bố quốc tế trước đây? Trả lời: So với nghiên cứu của Ding et al. (2014) (chỉ giải tích NOMA một chiều với pCSI/pSIC) và nghiên cứu của Atapattu et al. (2019) / công bố [62] (chỉ phân tích mạng hai chiều dùng chuyển tiếp AF/DF truyền thống trong Underlay CR), luận án đã: (1) Sử dụng kỹ thuật khai triển chuỗi vô hạn để tìm biểu thức đóng xác suất dừng cho hệ thống RIS song công có xét đến can nhiễu vòng lặp dư và ràng buộc ngẫu nhiên của cụm $K$ máy thu sơ cấp; (2) Đánh giá định lượng sai số cắt cụt $\epsilon_p(%)$ của chuỗi xấp xỉ; (3) Mô hình hóa phi tuyến hàm bão hòa SWIPT thay cho mô hình tuyến tính đơn giản.

3. Phát hiện bất ngờ nhất (Most Surprising Finding) từ dữ liệu thực nghiệm mô phỏng là gì? Trả lời: Đó là việc gia tăng số lượng anten phản xạ của RIS ($N$) có thể triệt tiêu hoàn toàn tác động bất lợi của nhiễu vòng lặp dư trong truyền thông song công (FD), đưa xác suất dừng của hệ thống FD-RIS về mức tương đương với hệ thống bán song công (HD) nhưng với hiệu quả sử dụng phổ tần cao gấp đôi, điều mà các trạm chuyển tiếp AF/DF truyền thống không thể làm được do hiện tượng khuếch đại bùng phát tạp âm nội tại.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập nghiên cứu (Replication Protocol) hoàn chỉnh không? Trả lời: Có. Toàn bộ các bước chứng minh toán học từ biểu thức (3.1) đến (5.102), các điều kiện tích phân, các bước biến đổi biến ngẫu nhiên, cùng các thông số thiết lập mô phỏng Monte Carlo (tọa độ hình học, số lượng mẫu $10^5-10^6$, công suất $P_S/N_0$, ngưỡng dừng $\gamma_{th}$, hệ số suy hao đường truyền $\alpha = 3$) đều được trình bày minh bạch, chi tiết tại các chương chuyên môn và phần Phụ lục chứng minh.

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm (10-Year Research Agenda) được vạch ra như thế nào? Trả lời: Luận án định hình lộ trình nghiên cứu phát triển gồm 4 giai đoạn: (1) Tích hợp Active RIS và bề mặt siêu vật liệu thông minh đồng thời thu phát và phản xạ (STAR-RIS); (2) Tối ưu hóa thời gian thực bằng thuật toán học máy sâu (Deep Learning/DRL); (3) Mở rộng lên các dải tần siêu cao THz/mmWave với kênh fading Rician đa chùm; (4) Hiện thực hóa phần cứng trên nền tảng vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) và các vi mạch cảm biến IoT thực nghiệm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đào Thị Thu Thủy đã hoàn thành xuất sắc toàn bộ các mục tiêu nghiên cứu đề ra, tạo nên một công trình khoa học toàn diện, chuẩn mực và có tính ứng dụng thực tiễn cao:

  1. Đề xuất thành công giao thức SIC-2TS kết hợp NOMA đường lên, DNC đường xuống và kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp bán phần, giúp tăng gần gấp đôi thông lượng hệ thống so với giao thức 4 khe thời gian truyền thống.
  2. Thiết lập khung phân tích hiệu năng chính xác cho mạng hai chiều dưới điều kiện thực tế của ipCSI và ipSIC, làm sáng tỏ hiện tượng sàn lỗi dừng ở vùng SNR cao.
  3. Tiên phong thiết kế và giải tích mô hình mạng vô tuyến nhận thức hai chiều song công hỗ trợ bởi RIS (MPR-UTW-RIS) dưới ràng buộc can nhiễu của cụm máy thu sơ cấp và nhiễu vòng lặp dư, chứng minh ưu thế vượt trội của RIS so với chuyển tiếp AF/DF.
  4. Giải quyết triệt để bài toán tối ưu hóa hệ số phân chia công suất trong mô hình Thu hoạch Năng lượng Phi tuyến (NEH-TW-DNC) 3 khe thời gian, xác định chính xác điểm cực tiểu của xác suất dừng.
  5. Cung cấp hệ thống biểu thức toán học tường minh dạng nghiệm đóng, xấp xỉ và tiệm cận, được kiểm chứng chuẩn xác bằng mô phỏng Monte Carlo.
  6. Mở ra ba hướng nghiên cứu mới đầy tiềm năng cho mạng không dây tương lai (B5G/6G): STAR-RIS hai chiều, Tối ưu hóa phân bổ tài nguyên bằng Trí tuệ Nhân tạo, và Bảo mật lớp vật lý cho các hệ thống IoT tự thu hoạch năng lượng.