Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự phát triển của công nghệ trong cuộc Cách mạng Công nghiệp 4.0 và mạng Internet Vạn Vật (IoT) làm gia tăng nhanh chóng số lượng thiết bị kết nối vô tuyến cũng như lưu lượng dữ liệu truyền tải. Thực tế này đặt ra các yêu cầu đối với hệ thống thông tin vô tuyến: nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng (Energy Efficiency - EE), hiệu quả sử dụng phổ tần (Spectral Efficiency - SE), mở rộng dung lượng, cải thiện tốc độ dữ liệu, giảm độ trễ và nâng cao chất lượng dịch vụ (QoS).

Mạng vô tuyến hợp tác hai chiều (Two-Way Cooperative Network - TW) là giải pháp giúp giảm ảnh hưởng của suy hao đường truyền, mở rộng vùng phủ sóng và tăng hiệu quả sử dụng phổ tần so với mạng một chiều thông qua khả năng trao đổi thông tin đồng thời giữa hai thiết bị nguồn. Tuy nhiên, phần lớn các công trình nghiên cứu trước đây về mạng hợp tác hai chiều thường đặt trong các điều kiện giả định lý tưởng: thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo (Perfect Channel State Information - pCSI), kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự hoàn hảo (Perfect Successive Interference Cancellation - pSIC), không xét đến nhiễu vòng lặp tồn dư trong truyền song công (Full-Duplex - FD), hoặc giả định mạch thu hoạch năng lượng (Energy Harvesting - EH) tuyến tính. Khoảng trống nghiên cứu mà tác giả xác định là cần thiết kế và phân tích các giao thức mới cho mạng hợp tác hai chiều trong các điều kiện sát với thực tế vận hành phần cứng và môi trường truyền sóng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm ba nội dung:

  1. Thiết kế các mô hình và giao thức mới nhằm nâng cao hiệu năng mạng (tăng thông lượng, giảm xác suất dừng hoạt động, tăng hiệu quả sử dụng phổ tần và hiệu quả sử dụng năng lượng) cho mạng hợp tác hai chiều trong cả môi trường vô tuyến thông thường và vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) dạng nền (underlay).
  2. Phân tích các tiêu chí đánh giá hiệu năng của các giao thức đề xuất dưới dạng biểu thức toán học tường minh chính xác (exact), xấp xỉ (approximate) và tiệm cận (asymptotic).
  3. Khảo sát các mô hình trong điều kiện giả định thực tế: thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo (ipCSI); kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự không hoàn hảo (ipSIC); tồn tại nhiễu vòng lặp sau triệt can nhiễu ở anten thu trong chế độ truyền song công; và mạch thu hoạch năng lượng có đặc tính phi tuyến (Nonlinear Energy Harvesting - NEH).

Nhiệm vụ nghiên cứu bao gồm:

  1. Khảo sát và tổng hợp các công bố quốc tế và trong nước về mạng vô tuyến hai chiều để xác định các vấn đề tồn tại.
  2. Thiết kế mô hình hệ thống và xây dựng các giao thức truyền nhận tín hiệu.
  3. Thiết lập mô hình toán học giải tích, tính toán các biểu thức xác suất dừng (Outage Probability - OP) và thông lượng (Throughput - TP), khảo sát ảnh hưởng của các tham số và xác định các giá trị tối ưu.
  4. Xây dựng chương trình mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng độ chính xác của các biểu thức toán học đã thiết lập.
  5. So sánh hiệu năng của các giao thức đề xuất với các giao thức đã công bố.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Mạng hợp tác hai chiều, mạng vô tuyến nhận thức hai chiều; các tiêu chí đánh giá hiệu năng (xác suất dừng, thông lượng); các kỹ thuật: mã hóa mạng số (Digital Network Coding - DNC), lựa chọn thiết bị chuyển tiếp (Relay Selection - RS), đa truy cập phi trực giao miền công suất (Power-Domain Non-Orthogonal Multiple Access - NOMA), triệt can nhiễu tuần tự (SIC), bề mặt phản xạ thông minh có thể cấu hình lại (Reconfigurable Intelligent Surface - RIS), thu hoạch năng lượng vô tuyến (EH), và truyền song công (FD).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Mô hình kênh truyền fading Rayleigh có phân bố độc lập và đồng nhất (i.i.d.).
    • Các điều kiện ràng buộc kỹ thuật: ipCSI, ipSIC, can nhiễu vòng lặp dư tại máy thu song công, giới hạn can nhiễu gây ra cho cụm thiết bị thu sơ cấp (Primary Receiver - PR) trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, và mô hình thu hoạch năng lượng phi tuyến tại thiết bị chuyển tiếp giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại trong văn bản

Tác giả phân tích các công trình nghiên cứu liên quan theo các nhóm kỹ thuật chính:

  1. Giao thức truyền và mã hóa mạng trong mạng hợp tác hai chiều:

    • Rankov & Wittneben (2006) [14] nghiên cứu mô hình truyền cơ bản 4 khe thời gian (4TS).
    • Zhang & Liew (2006) [16], Hausl & Dupraz (2006) [17] phát triển mô hình 3 khe thời gian (3TS) sử dụng chuyển tiếp DF kết hợp mã hóa mạng số (DNC) và mã hóa kênh-mạng.
    • Popovski & Yomo (2007) [18] đề xuất mô hình kết hợp DF 2 khe thời gian (2TS); Katti et al. (2007) [19] nghiên cứu mô hình 2TS với chuyển tiếp khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF) sử dụng mã hóa mạng tương tự.
    • Ding et al. (2012) [12] so sánh xác suất dừng giữa DNC và mã hóa mạng tương tự, chứng minh DNC cho xác suất dừng nhỏ hơn khi có đường truyền trực tiếp.

  2. Kỹ thuật NOMA và triệt can nhiễu tuần tự (SIC) trong mạng hai chiều:

    • Ding et al. (2014, 2017) [6, 7], Islam et al. (2017) [20], Liu et al. (2016) [21] khảo sát NOMA trong mạng một chiều với các điều kiện pSIC/ipSIC và pCSI/ipCSI.
    • Kader et al. (2017, 2018) [27, 28] phân tích mạng hợp tác hai chiều DF dùng NOMA đường lên và đường xuống ở chế độ FD và HD, xem xét pSIC và ipSIC.
    • Sun et al. (2018) [29] phân tích nhóm người dùng NOMA qua relay DF ở chế độ HD và pSIC.
    • Phan et al. (2019, 2020) [30, 31] đề xuất giao thức Hybrid-TWRS kết hợp NOMA đường lên và DNC đường xuống, so sánh với giao thức NC-TWRS (OMA đường lên, DNC đường xuống) và NOMA-TWRS (NOMA cả hai chiều), chứng minh sự vượt trội về thông lượng, tỷ lệ lỗi bit (BER) và giảm độ phức tạp tính toán.

  3. Kỹ thuật lựa chọn thiết bị chuyển tiếp (RS):

    • Atapattu et al. (2013) [32] khảo sát mạng AF 2TS với phương pháp lựa chọn tối ưu và phương pháp Min-Max BER / Max-Min SNR.
    • Chen et al. (2014) [33] phân tích tiêu chuẩn Max-Min độ lợi kênh truyền trong mạng AF.
    • Li et al. (2019) [34] nghiên cứu RS tối ưu bảo mật trong mạng AF hai chiều.

  4. Thu hoạch năng lượng vô tuyến (EH):

    • Nasir et al. (2013) [35] đưa ra hai giao thức thu hoạch năng lượng cơ bản: phân chia theo thời gian (Time Switching-based Relaying - TSR) và phân chia theo công suất (Power Splitting-based Relaying - PSR).
    • Chen et al. (2016) [36] dùng PSR cho mạng DF 3TS. Zhong et al. (2014) [39] khảo sát 4 giao thức EH cho mạng AF FD có cụm relay.
    • Boshkovska et al. (2015) [87] thiết lập mô hình toán học cho mạch EH phi tuyến.
    • Guo et al. (2019) [44], Li et al. (2018) [45], Do et al. (2020) [46], Liu et al. (2019) [47] nghiên cứu EH phi tuyến trong mạng hai chiều với các cấu hình AF, DF và CR.

  5. Bề mặt phản xạ thông minh (RIS) và Vô tuyến nhận thức (CR):

    • Wu & Zhang (2019, 2020) [10, 88], Huang et al. (2019) [11], Basar et al. (2019) [48], Di Renzo et al. (2019) [49] đặt nền tảng phân tích RIS.
    • Atapattu et al. (2020) [57], Sharma et al. (2021) [58] khảo sát mạng hai chiều qua RIS ở chế độ FD và HD dưới kênh fading Rayleigh tương hỗ và không tương hỗ.
    • Xu et al. (2021) [59], Wang et al. (2020) [60] nghiên cứu tối ưu hóa ma trận tiền mã hóa và dịch pha RIS trong mạng hai chiều.
    • Tran et al. (2017, 2018) [61, 62], Le et al. (2016) [63], Bao et al. (2018) [64] khảo sát mạng CR hai chiều dạng nền.

  6. Các nghiên cứu trong nước:

    • Các công trình của Đỗ Đình Thuận, Võ Nguyễn Quốc Bảo, Phạm Ngọc Sơn và cộng sự [65-82] khảo sát mạng hợp tác hai chiều DF 3TS sử dụng DNC, kỹ thuật PSR/TSR, RS bán phần/toàn phần, mô hình NOMA-DNC 2TS, mạng CR hai chiều dạng nền và bảo mật lớp vật lý.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Từ tổng quan tài liệu, luận án tập trung giải quyết ba khoảng trống cụ thể:

  1. Thiếu các phân tích toán học toàn diện đánh giá đồng thời tác động của điều kiện triệt can nhiễu không hoàn hảo (ipSIC) và thông tin kênh truyền không hoàn hảo (ipCSI) trong mạng hợp tác hai chiều NOMA-DNC 2 khe thời gian có cụm relay chọn lọc bán phần.
  2. Ứng dụng RIS trong mạng vô tuyến nhận thức hai chiều hoạt động song công (FD) chịu ràng buộc can nhiễu từ cụm máy thu sơ cấp (PR) và nhiễu vòng lặp tồn dư chưa được phân tích đầy đủ dưới dạng biểu thức tiệm cận và gần đúng.
  3. Đánh giá hiệu năng mạng hợp tác hai chiều 3 khe thời gian kết hợp DNC sử dụng mạch thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH) theo phương pháp PSR nhằm tìm ra hệ số phân chia công suất tối ưu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Mạng hợp tác hai chiều (TW): Cơ chế truyền nhận thông tin qua lại giữa hai nút nguồn $S_1$ và $S_2$ với sự hỗ trợ của nút chuyển tiếp $R$ (theo phương thức DF hoặc AF) hoặc thiết bị phản xạ RIS. Các chế độ truyền gồm: 4TS (truyền thống), 3TS (DNC), 2TS (NOMA-DNC), 1TS (Full-Duplex). Kỹ thuật kết hợp phân tập tại máy thu: kết hợp tỉ lệ cực đại (Maximal Ratio Combining - MRC), kết hợp chọn lọc (Selection Combining - SC), kết hợp đồng độ lợi (Equal Gain Combining - EGC).
  • Mã hóa mạng số (DNC): Thiết bị chuyển tiếp DF giải mã tín hiệu $x_1$ và $x_2$ từ hai nguồn, sau đó thực hiện phép toán logic XOR ($x_R = x_1 \oplus x_2$) để tạo tín hiệu tổng hợp phát về hai nguồn. Tại mỗi nguồn, việc giải mã tín hiệu đối phương được thực hiện bằng cách XOR tín hiệu nhận được với tín hiệu gốc của chính mình ($x_1 \oplus x_R = x_2$).
  • Đa truy cập phi trực giao miền công suất (NOMA) và Triệt can nhiễu tuần tự (SIC): Phía phát thực hiện mã hóa xếp chồng (superposition coding) phân bổ các mức công suất khác nhau dựa trên điều kiện kênh. Phía thu thực hiện giải mã tín hiệu có cường độ mạnh hơn trước, loại bỏ tín hiệu này khỏi tín hiệu tổng hợp rồi tiếp tục giải mã tín hiệu yếu hơn. Luận án phân tích cả hai trường hợp: pSIC (can nhiễu được triệt tiêu hoàn toàn) và ipSIC (tồn tại công suất can nhiễu dư tỷ lệ với công suất phát).
  • Kỹ thuật lựa chọn thiết bị chuyển tiếp (RS): Sử dụng phương pháp lựa chọn bán phần (partial RS) dựa trên độ lợi kênh truyền của nguồn gần trong khe thời gian đầu tiên nhằm giảm thiểu thời gian và độ phức tạp thu thập CSI so với phương pháp lựa chọn toàn phần.
  • Bề mặt phản xạ thông minh (RIS): Bề mặt phẳng gồm $T$ phần tử phản xạ gần như thụ động, điều khiển pha độc lập nhằm tái cấu hình môi trường vô tuyến, hoạt động không cần bộ khuếch đại công suất phức tạp.
  • Vô tuyến nhận thức (CR) dạng nền: Các nút nguồn thứ cấp (Secondary User - SU) dùng chung băng tần với mạng sơ cấp với điều kiện công suất phát của các nguồn thứ cấp phải thỏa mãn ràng buộc mức can nhiễu tối đa cho phép tại các máy thu sơ cấp ($I_{th}$).
  • Thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH): Mạch thu hoạch năng lượng sử dụng phương pháp PSR, có công suất đầu ra bão hòa ở mức công suất ngưỡng $P_{th}$ khi công suất tín hiệu đầu vào vượt ngưỡng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Mô hình hóa toán học: Ứng dụng lý thuyết xác suất, lý thuyết giải tích và lý thuyết thông tin để xây dựng hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân bố xác suất tích lũy (CDF) của tỉ số tín hiệu trên can nhiễu cộng nhiễu (SINR) trên các kênh truyền fading Rayleigh i.i.d.
  • Thiết lập biểu thức hiệu năng:
    • Tính toán xác suất dừng (OP) định nghĩa theo chuẩn $P_{out} = \Pr(\gamma < \gamma_{th})$, với $\gamma$ là SINR tức thời và $\gamma_{th}$ là ngưỡng dừng.
    • Tính toán thông lượng hệ thống (TP) dựa trên số lượng khe thời gian và xác suất dừng của từng nguồn.
    • Sử dụng các phép biến đổi toán học để đưa biểu thức về dạng chính xác (dùng các hàm Gamma không hoàn chỉnh $\Gamma(\cdot), \gamma(\cdot)$), dạng xấp xỉ chuỗi và dạng tiệm cận ở vùng SNR cao.
  • Mô phỏng kiểm chứng: Xây dựng thuật toán mô phỏng Monte Carlo để kiểm tra độ trùng khớp giữa biểu thức lý thuyết và số liệu mô phỏng.
  • Phương pháp tối ưu hóa: Khảo sát cực trị của các hàm mục tiêu hiệu năng theo vị trí hình học của các nút mạng, hệ số phân chia công suất NOMA ($\alpha_1, \alpha_2$), và hệ số phân chia công suất thu hoạch năng lượng ($\beta$).

Nguồn tư liệu và dữ liệu

Dữ liệu nghiên cứu được trích xuất hoàn toàn từ tính toán giải tích lý thuyết và kết quả chạy mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo theo các kịch bản tham số mạng được thiết lập trong luận án.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan những vấn đề nghiên cứu

Chương này tổng kết bức tranh tổng thể về mạng hợp tác hai chiều, phân tích chi tiết các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các kỹ thuật: mã hóa mạng (AF/DF, tương tự/số), NOMA đường lên và đường xuống, các giải pháp lựa chọn chuyển tiếp đơn/đa tiêu chí, thu hoạch năng lượng vô tuyến (TSR/PSR, tuyến tính/phi tuyến), bề mặt phản xạ thông minh RIS và mạng vô tuyến nhận thức dạng nền. Trên cơ sở đó, tác giả chỉ ra các hạn chế của những giả định lý tưởng trong các công trình trước và thiết lập 3 hướng nghiên cứu trọng tâm tương ứng với các Chương 3, 4 và 5.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này hệ thống hóa các nguyên lý kỹ thuật làm nền tảng cho việc xây dựng mô hình và phân tích ở các chương sau:

  • Các mô hình truyền nhận mạng hợp tác hai chiều: 4TS, 3TS, 2TS, 1TS và các phương pháp kết hợp phân tập MRC, SC, EGC.
  • Cơ chế giải mã và mã hóa XOR trong DNC.
  • Nguyên lý phân bổ công suất và giải mã SIC trong NOMA đường lên, đường xuống cơ bản và NOMA hợp tác; các mô hình suy giảm hiệu năng do ipSIC.
  • Phân loại và so sánh các phương pháp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp: tối ưu chính xác, tối ưu gần đúng, lựa chọn ngẫu nhiên, lựa chọn toàn phần và lựa chọn bán phần.
  • Cơ chế hoạt động của mạch thu hoạch năng lượng vô tuyến PSR và TSR; sự khác biệt giữa mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến có ngưỡng bão hòa $P_{th}$.
  • Cấu tạo và nguyên lý điều khiển pha của RIS.
  • Khái niệm mạng vô tuyến nhận thức dạng nền và các kênh fading Rayleigh i.i.d.

Chương 3: Mạng hợp tác hai chiều sử dụng kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự và mã hóa mạng số

Tác giả đề xuất mô hình mạng hợp tác hai chiều gồm hai nút nguồn $S_1, S_2$ và một cụm gồm $K$ thiết bị chuyển tiếp DF ($R_k, k=1,\dots,K$), không có đường truyền trực tiếp giữa $S_1$ và $S_2$.

Giao thức SIC-2TS hoạt động trong 2 khe thời gian:

  • Khe 1 (Đường lên - NOMA): Cả $S_1$ và $S_2$ đồng thời phát tín hiệu $x_1, x_2$ tới cụm chuyển tiếp với công suất $P_1 = \alpha_1 P_S$ và $P_2 = \alpha_2 P_S$ ($\alpha_1 + \alpha_2 = 1$). Thiết bị chuyển tiếp tốt nhất $R_{best}$ được chọn theo phương pháp RS bán phần dựa trên độ lợi kênh truyền của nguồn gần $S_1$: $$R_{best} = \arg\max_{k=1,\dots,K} |h_{S_1 R_k}|^2$$ $R_{best}$ áp dụng kỹ thuật SIC để giải mã tín hiệu $x_1$ trước, sau đó trừ tín hiệu này để giải mã $x_2$.
  • Khe 2 (Đường xuống - DNC): $R_{best}$ tạo tín hiệu mạng số $x_R = x_1 \oplus x_2$ và phát lại cho cả $S_1$ và $S_2$ với công suất $P_R = P_S$. $S_1$ và $S_2$ thu tín hiệu và thực hiện phép toán XOR để tách tín hiệu của nguồn đối phương.

Hiệu năng của giao thức SIC-2TS được phân tích toán học và so sánh với giao thức SIC-3TS (3 khe thời gian) và CONV-4TS (4 khe thời gian truyền thống) trong cả 4 kịch bản: pSIC-pCSI, ipSIC-pCSI, pSIC-ipCSI, và ipSIC-ipCSI.

Tiêu chí so sánh Giao thức CONV-4TS Giao thức SIC-3TS Giao thức đề xuất SIC-2TS
Số khe thời gian 4 khe thời gian 3 khe thời gian 2 khe thời gian
Kỹ thuật áp dụng Truyền tiếp sức thông thường DNC tại Relay NOMA đường lên + DNC đường xuống
Phương pháp RS Lựa chọn ngẫu nhiên / quy ước Lựa chọn bán phần Lựa chọn bán phần tối ưu nguồn gần
Độ trễ truyền dẫn Cao nhất (4 TS) Trung bình (3 TS) Thấp nhất (2 TS)
Thông lượng hệ thống (TP) Bị suy giảm do chia cho 4 Trung bình (chia cho 3) Cao nhất ở vùng SNR trung bình và cao
Hiện tượng sàn lỗi (Error Floor) Không bị ảnh hưởng bởi ipSIC Không bị ảnh hưởng bởi ipSIC Xuất hiện khi có ipSIC và ipCSI ở SNR cao

Kết quả phân tích cho thấy thông lượng hệ thống của SIC-2TS vượt trội so với SIC-3TS và CONV-4TS. Ngoài ra, tác giả xác định được bảng giá trị phân bổ công suất $\alpha_1$ tối ưu tương ứng với các vị trí khoảng cách $d_1$ của cụm chuyển tiếp để thông lượng hệ thống đạt cực đại.

Chương 4: Mạng vô tuyến nhận thức hai chiều sử dụng bề mặt phản xạ thông minh

Chương này đề xuất mô hình mạng vô tuyến nhận thức hai chiều ký hiệu là MPR-UTW-RIS, gồm hai nguồn thứ cấp $S_1, S_2$ truyền thông hai chiều với nhau qua sự hỗ trợ của một RIS gồm $T$ phần tử phản xạ. Hệ thống thứ cấp hoạt động ở chế độ truyền song công (FD) trong cùng một khe thời gian, dùng chung dải tần với mạng sơ cấp có một cụm gồm $L$ máy thu sơ cấp ($PR_l, l=1,\dots,L$).

Đặc điểm mô hình và quá trình truyền nhận:

  • Hai nguồn $S_1, S_2$ truyền đồng thời, chịu tác động của nhiễu vòng lặp tồn dư (residual loop-back interference) tại anten thu với hệ số triệt can nhiễu $\rho$.
  • Công suất phát của $S_1, S_2$ bị ràng buộc bởi công suất phát tối đa phần cứng $P_{max}$ và ngưỡng can nhiễu cho phép $I_{th}$ tại cụm PR: $$P_{S_i} = \min\left(P_{max}, \frac{I_{th}}{\max_{l=1,\dots,L} |h_{S_i PR_l}|^2}\right), \quad i \in {1, 2}$$
  • Tác giả thiết lập biểu thức tính sai số $\epsilon_p(%)$ khi xấp xỉ chuỗi phân bố theo số hạng đầu $M$ và số phần tử phản xạ $T$. Phân tích biểu thức chính xác gần đúng và tiệm cận của xác suất dừng (OP) tại $S_1$ và $S_2$.

Kết quả khảo sát hiệu năng cho thấy:

  • Tăng số phần tử phản xạ $T$ của RIS giúp giảm mạnh xác suất dừng của hệ thống thứ cấp.
  • Khi tăng số lượng máy thu sơ cấp $L$, xác suất dừng tăng lên do công suất phát của các nguồn thứ cấp bị giới hạn nghiêm ngặt hơn.
  • Mô hình MPR-UTW-RIS sử dụng RIS thụ động cho hiệu năng vượt trội và tiết kiệm năng lượng so với mô hình chuyển tiếp AF song công truyền thống trong công bố [62].

Chương 5: Thu hoạch năng lượng phi tuyến trong mạng vô tuyến hợp tác hai chiều

Chương này đề xuất mô hình NEH-TW-DNC gồm hai nguồn $S_1, S_2$ và một thiết bị chuyển tiếp DF $R$ có khả năng thu hoạch năng lượng sóng vô tuyến theo mô hình phi tuyến với ngưỡng bão hòa công suất $P_{th}$. Hệ thống hoạt động theo giao thức 3 khe thời gian (3TS):

Khe thời gian Nút phát Nút thu Hoạt động tại nút thu / chuyển tiếp
Khe 1 ($T_1$) Nguồn $S_1$ Relay $R$ $R$ chia công suất nhận được thành hai phần theo hệ số $\beta \in (0, 1)$:
- Phần $\beta$: thu hoạch năng lượng qua mạch NEH bão hòa $P_{th}$.
- Phần $(1-\beta)$: giải mã tín hiệu $x_1$.
Khe 2 ($T_2$) Nguồn $S_2$ Relay $R$ $R$ tiếp tục chia công suất theo hệ số $\beta$:
- Thu hoạch năng lượng phi tuyến.
- Giải mã tín hiệu $x_2$.
Khe 3 ($T_3$) Relay $R$ Nguồn $S_1, S_2$ $R$ tạo tín hiệu mã hóa mạng số $x_R = x_1 \oplus x_2$, dùng toàn bộ năng lượng thu hoạch được ở Khe 1 và 2 để phát $x_R$ về $S_1$ và $S_2$.

Tác giả thiết lập biểu thức toán học xác suất dừng chính xác và gần đúng cho cả hai nguồn $S_1$ và $S_2$. Kết quả khảo sát chỉ ra rằng:

  • Khi công suất phát $P_S/N_0$ tăng, xác suất dừng giảm và tiệm cận sàn dừng bị khống chế bởi ngưỡng bão hòa $P_{th}$.
  • Tồn tại giá trị hệ số phân chia công suất $\beta$ tối ưu nằm trong khoảng $(0, 1)$ giúp xác suất dừng của hệ thống đạt giá trị cực tiểu.

Chương 6: Kết luận

Chương cuối tổng kết các kết quả nghiên cứu đã đạt được của luận án, khẳng định việc hoàn thành các mục tiêu đề ra về mặt lý thuyết và mô phỏng, đồng thời nêu các định hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Thiết lập mô hình phân tích giải tích cho mạng SIC-2TS dưới điều kiện ipSIC và ipCSI: Luận án dẫn xuất thành công các biểu thức toán học dạng đóng cho hàm PDF, CDF, xác suất dừng và thông lượng của mạng hợp tác hai chiều kết hợp NOMA đường lên, DNC đường xuống và cụm relay lựa chọn bán phần. Khảo sát tường minh tác động suy giảm hiệu năng khi đồng thời tồn tại sai số ước lượng kênh và can nhiễu dư sau SIC.
  2. Xây dựng khung phân tích cho mạng vô tuyến nhận thức hai chiều song công hỗ trợ bởi RIS (MPR-UTW-RIS): Dẫn xuất các biểu thức xác suất dừng chính xác gần đúng và dạng tiệm cận, tính toán định lượng ảnh hưởng kết hợp của số phần tử phản xạ RIS ($T$), số lượng máy thu sơ cấp ($L$), vị trí hình học không gian và mức độ triệt nhiễu vòng lặp.
  3. Mô hình hóa toán học thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH) kết hợp DNC: Thiết lập biểu thức xác suất dừng cho mạng DF 3 khe thời gian có xét đến đặc tính phi tuyến bão hòa công suất ($P_{th}$) của mạch nạp năng lượng, cung cấp cơ sở toán học để tối ưu hóa hệ số phân chia công suất $\beta$.

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Giải pháp giảm độ phức tạp và chi phí tính toán cho mạng vô tuyến: Sử dụng kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp bán phần giúp giảm thời gian thu thập CSI trên mạng; ứng dụng RIS thụ động giúp giảm chi phí phần cứng và tiêu thụ điện năng so với các trạm chuyển tiếp truyền thống.
  2. Giải pháp nâng cao hiệu quả phổ tần: Ứng dụng mô hình mạng vô tuyến nhận thức dạng nền và cơ chế truyền song công giúp khai thác tối đa tài nguyên phổ tần vô tuyến hữu hạn.
  3. Bộ thông số thiết kế tối ưu: Luận án cung cấp các bảng tra cứu và đường cong hiệu năng định lượng, hỗ trợ các kỹ sư viễn thông trong việc xác định công suất phát, vị trí đặt cụm chuyển tiếp/RIS và tỉ lệ phân chia công suất tối ưu trong quy hoạch và thiết kế hệ thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế theo phạm vi nghiên cứu

  • Các phân tích lý thuyết trong luận án được xây dựng dựa trên giả định kênh truyền fading Rayleigh phân bố độc lập và đồng nhất (i.i.d.), chưa bao quát các mô hình fading khác (như Rician khi có thành phần truyền thẳng mạnh LoS, hoặc Nakagami-$m$).
  • Chưa xét đến các khiếm khuyết phần cứng tổng quát khác (như mất cân bằng I/Q, nhiễu pha) ngoại trừ nhiễu vòng lặp và lỗi ước lượng kênh/triệt can nhiễu.

Hướng nghiên cứu tiếp của đề tài

Văn bản luận án đề xuất các hướng phát triển tiếp theo gồm:

  1. Mở rộng đánh giá hiệu năng các mô hình và giao thức đề xuất trên các kênh truyền fading khác như Nakagami-$m$, Rician hoặc kênh phân bố hỗn hợp.
  2. Nghiên cứu mạng vô tuyến nhận thức hai chiều sử dụng RIS trong các điều kiện khiếm khuyết phần cứng toàn diện hơn và xem xét cấu hình nhiều anten phát/thu (MIMO).
  3. Tích hợp các thuật toán tối ưu hóa động, thuật toán học máy (Machine Learning) để tối ưu thích ứng pha của các phần tử RIS và hệ số phân bổ tài nguyên theo thời gian thực.
  4. Khảo sát các giao thức bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security) trong các mô hình mạng hai chiều có sự hiện diện của các nút nghe trộm (eavesdroppers).

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Viễn thông: Tài liệu cung cấp phương pháp luận chi tiết về việc áp dụng lý thuyết xác suất và giải tích trong việc mô hình hóa kênh truyền vô tuyến, dẫn xuất biểu thức đóng và kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo.
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Nguồn tham khảo về việc kết hợp các kỹ thuật vô tuyến hiện đại: NOMA, DNC, RIS, CR và EH phi tuyến.
  • Kỹ sư thiết kế và quy hoạch mạng viễn thông: Cung cấp các công cụ toán học và kết quả định lượng cụ thể để lựa chọn cấu hình hệ thống mạng cảm biến không dây (WSN) và mạng IoT tiết kiệm năng lượng.

Các nội dung có giá trị tham khảo cao

  • Các bước dẫn xuất toán học chi tiết trong phần phụ lục chứng minh các công thức xác suất dừng ở Chương 3, Chương 4 và Chương 5.
  • Bảng thông số tối ưu hóa hệ số phân bổ công suất NOMA tương ứng với vị trí hình học của các nút mạng tại Bảng 3.1.
  • Thuật toán xấp xỉ chuỗi và đánh giá sai số $\epsilon_p(%)$ theo số phần tử phản xạ RIS tại Bảng 4.1.

Câu hỏi thường gặp

1. Giao thức đề xuất SIC-2TS ở Chương 3 khắc phục nhược điểm của các giao thức truyền thống như thế nào?

Giao thức SIC-2TS giảm số khe thời gian truyền từ 4 khe (ở mạng truyền thống CONV-4TS) hoặc 3 khe (ở mạng SIC-3TS) xuống còn 2 khe thời gian bằng cách áp dụng kỹ thuật NOMA ở đường lên và DNC ở đường xuống. Đồng thời, việc sử dụng phương pháp lựa chọn chuyển tiếp bán phần dựa trên độ lợi kênh nguồn gần giúp giảm thời gian thu thập thông tin kênh truyền CSI so với phương pháp lựa chọn toàn phần, từ đó cải thiện thông lượng hệ thống.

2. Sự khác biệt chính về hiệu năng giữa điều kiện lý tưởng (pSIC-pCSI) và điều kiện thực tế (ipSIC-ipCSI) trong mạng SIC-2TS là gì?

Trong điều kiện lý tưởng (pSIC-pCSI), xác suất dừng tiếp tục giảm tuyến tính khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu ($P_S/N_0$) tăng cao. Ngược lại, trong điều kiện thực tế (ipSIC-ipCSI), can nhiễu dư do triệt can nhiễu không hoàn hảo và sai số ước lượng kênh tạo ra một mức "sàn lỗi" (error floor), khiến xác suất dừng không thể giảm thêm ở vùng SNR rất cao.

3. Trong mô hình MPR-UTW-RIS ở Chương 4, tại sao việc tăng số lượng máy thu sơ cấp (PR) lại làm tăng xác suất dừng của mạng thứ cấp?

Vì mạng thứ cấp hoạt động theo cơ chế vô tuyến nhận thức dạng nền (underlay), công suất phát của các nguồn thứ cấp bị khống chế nghiêm ngặt bởi điều kiện không gây can nhiễu vượt ngưỡng $I_{th}$ cho bất kỳ máy thu sơ cấp nào ($\max_{l=1,\dots,L} |h_{S_i PR_l}|^2$). Khi số lượng máy thu sơ cấp $L$ tăng lên, xác suất xuất hiện một máy thu có điều kiện kênh truyền nhận can nhiễu mạnh tăng lên, buộc các nguồn thứ cấp phải hạ công suất phát, dẫn đến tăng xác suất dừng của mạng thứ cấp.

4. Tại sao luận án phải xem xét mô hình thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH) thay vì mô hình tuyến tính ở Chương 5?

Trong thực tế, các linh kiện điện tử cấu thành mạch thu hoạch năng lượng (như diode chỉnh lưu, mạch phối hợp trở kháng) có đặc tính truyền đạt phi tuyến. Mạch nạp sẽ đạt trạng thái bão hòa ở một mức công suất ngưỡng $P_{th}$ nhất định. Việc xem xét mô hình phi tuyến giúp phản ánh đúng giới hạn năng lượng thực tế mà nút chuyển tiếp có thể tích lũy, tránh đánh giá quá lạc quan về hiệu năng hệ thống như mô hình tuyến tính.

5. Lợi thế của việc kết hợp NOMA và DNC (Hybrid-TWRS) so với việc chỉ áp dụng đơn lẻ từng kỹ thuật là gì?

Theo các kết quả đối sánh được tác giả tổng hợp từ công trình [31], việc kết hợp NOMA đường lên và DNC đường xuống giúp tận dụng đồng thời lợi ích ghép kênh phân chia theo công suất của NOMA và lợi ích nén dữ liệu không mất mát của DNC. Sự kết hợp này mang lại thông lượng cao hơn, tỷ lệ lỗi bit (BER) thấp hơn và giảm độ phức tạp xử lý tính toán so với việc chỉ sử dụng NOMA thuần túy cho cả hai đường truyền.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đào Thị Thu Thủy đã hoàn thành việc thiết kế và phân tích ba mô hình/giao thức mới cho mạng hợp tác hai chiều: giao thức NOMA-DNC 2 khe thời gian kết hợp lựa chọn chuyển tiếp bán phần; mô hình mạng vô tuyến nhận thức song công hỗ trợ bởi RIS chịu ràng buộc can nhiễu đa máy thu sơ cấp; và mô hình mạng chuyển tiếp thu hoạch năng lượng phi tuyến 3 khe thời gian. Toàn bộ các tiêu chí đánh giá hiệu năng (xác suất dừng, thông lượng) đều được giải quyết bằng các biểu thức toán học tường minh và được kiểm chứng tính chính xác thông qua mô phỏng Monte Carlo. Các kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và các thông số thiết kế cho việc quy hoạch, tối ưu hóa các mạng thông tin vô tuyến hiện đại trong các điều kiện ràng buộc phần cứng và môi trường thực tế.