Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.Thiết kế và phân tích các giao thức nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM ĐÀO THỊ THU THỦY THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CÁC GIAO THỨC NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số chuyên ngành: 9520203 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Ngọc Sơn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Cấp Trường họp Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM vào ngày tháng năm 2023 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ [P1] Thu-Thuy Thi Dao, Pham Ngoc Sơn “Uplink Non-Orthogonal Multiple Access Protocol in Two-Way Relaying Networks: Realistic Operation and Performance Analysis,” 2020 7th NAFOSTED Conference on Information and Computer Science (NICS), VNUHCM, Vietnam 11/2020 (IEEE Xplore) [P2] Thu-Thuy Thi Dao, Pham Ngoc Son, “Cancel-Decode-Encode Processing on Two-Way Cooperative NOMA Schemes in Realistic Conditions,” Wireless Communications and Mobile Computing, vol 2021, Article ID 8828443, 15 pages, 2021 (SCIE) [P3] Thu-Thuy Thi Dao, Pham Ngoc Sơn “Two-Way Cognitive Network supported by Reconfigurable Intelligent Surface,” 2021 International Conference on Advanced Technologies for Communications (2021ATC), Ho Chi Minh city, Vietnam 10/2021 (IEEE Xplore) [P4] Thu-Thuy Thi Dao, Pham Ngoc Sơn “Multi-constraint two-way underlay cognitive network using, reconfigurable intelligent surface,” Wireless Networks, 2022/04/06 2022 (SCIE) [P5] Thu-Thuy Thi Dao, Pham Ngoc Sơn “Performance analysis of two-way network with nonlinear energy harvesting relay and digital network coding,” The 2nd International Conference on Advanced Technology and Sustainable Development – 2022 (ICATSD 2022), Ho Chi Minh city, Vietnam, 11/2022 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật, cách mạng 4.0 ứng dụng công nghệ IoT dẫn đến số lượng người dùng thiết bị sử dụng kết nối vô tuyến tăng nhanh, với lượng liệu lưu thơng môi trường vô tuyến tăng với tốc độ đột biến Điều gia tăng thách thức cho mạng truyền thông vô tuyến như: sử dụng hiệu nguồn lượng, sử dụng hiệu phổ tần, tăng dung lượng, cải thiện tốc độ liệu, giảm độ trễ tăng chất lượng dịch vụ Mạng vô tuyến hợp tác hai chiều có nhiều chuyển tiếp giải pháp đáp ứng thách thức có độ phân tập khơng gian cao, giảm ảnh hưởng suy hao đường truyền, cải thiện thông lượng điểm truy cập mạng, cải thiện chất lượng vùng phủ sóng so với mạng truyền trực tiếp Bên cạnh cơng nghệ vơ tuyến nhận thức giúp nâng cao hiệu sử dụng phổ thiết bị mạng thứ cấp phép dùng chung dải phổ cấp phép người dùng sơ cấp Gần công nghệ hỗ trợ chuyển tiếp thông tin mới, bề mặt phản xạ thơng minh cấu hình lại, nghiên cứu mang lại lợi ích tăng hiệu sử dụng phổ, tiết kiệm lượng khơng tốn nhiều chi phí đầu tư ban đầu Với mục đích nghiên cứu giải pháp để đáp ứng yêu cầu thực tế mạng vơ tuyến, đề tài “Thiết kế phân tích giao thức nâng cao hiệu mạng hợp tác hai chiều” nghiên cứu sinh lựa chọn để thực Mục tiêu nội dung nghiên cứu Thiết kế mơ hình giao thức để nâng cao hiệu mạng hợp tác hai chiều môi trường vô tuyến thông thường vô tuyến nhận thức Phân tích tiêu chí đánh giá hiệu giao thức đề xuất dạng biểu thức tốn học tường minh xác, biểu thức tốn học xấp xỉ biểu thức tiệm cận Luận án xem xét mơ hình điều kiện giả định thực tế so với công bố có như: thơng tin kênh truyền thu thập khơng hồn hảo; điều kiện triệt can nhiễu khơng hồn hảo; cịn tồn nhiễu vịng lặp sau đựơc triệt can nhiễu anten thu truyền song công; thu hoạch lượng phi tuyến Đối tượng phạm vi nghiên cứu Mạng hợp tác hai chiều, mạng vô tuyến nhận thức hai chiều, tiêu chí đánh giá hiệu mạng xác suất dừng, thông lượng Các kỹ thuật nâng cao hiệu mạng hai chiều: mã hóa mạng số; lựa chọn thiết bị chuyển tiếp; đa truy cập phi trực giao; triệt can nhiễu tuần tự; thu hoạch lượng vô tuyến; truyền song công Sử dụng kỹ thuật hỗ trợ truyền thông tin bề mặt phản xạ thơng minh cấu hình lại mạng hai chiều Các điều kiện ràng buộc thực tế kênh truyền fading Rayleigh có phân bố giống độc lập Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài nghiên cứu Đề xuất giải pháp kết hợp kỹ thuật mã hóa mạng số, triệt can nhiễu cụm thiết bị chuyển tiếp giúp giảm khe thời gian truyền tín hiệu, tăng khả truyền tín hiệu thành công dẫn đến tăng thông lượng cho mạng hợp tác hai chiều Đồng thời xem xét hệ thống điều kiện giả định gần thực tế thơng tin kênh truyền khơng hồn hảo triệt can nhiễu khơng hồn hảo Đề xuất giải pháp mạng vô tuyến nhận thức hợp tác hai chiều sử dụng RIS hoạt động dải tần 6GHz giúp tăng hiệu sử dụng lượng, tiết kiệm chi phí cải thiện hiệu sử dụng phổ tần vơ tuyến Phân tích hệ thống điều kiện thực tế truyền song cơng cịn tồn nhiễu vòng lặp sau đựơc triệt can nhiễu anten thu mạng thứ cấp bị giới hạn công suất nhiều máy thu sơ cấp Đề xuất mơ hình mạng hai chiều có thu hoạch lượng, sử dụng nguồn lượng từ sóng vơ tuyến, hỗ trợ cho mạng vô tuyến hợp tác hai chiều chi phí thấp hạn chế tài nguyên mạng cảm biến không dây mạng IoT Đồng thời mơ hình xem xét điều kiện thực tế linh kiện điện tử thu lượng thiết bị chuyển tiếp có đặc tính phi tuyến CHƯƠNG TỔNG QUAN Trong chương nghiên cứu sinh phân tích, tổng hợp, so sánh cơng bố liên quan tới mạng vô tuyến hai chiều mạng vô tuyến hợp tác hai chiều năm gần Từ rút vấn đề cịn tồn tại, đồng thời xác định vấn đề cịn phát triển đề xuất hướng nghiên cứu luận án CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này, sở lý thuyết mơ hình mạng vơ tuyến hợp tác hai chiều mơ hình kênh truyền vơ tuyến trình bày tóm tắt Đồng thời chương trình bày lý thuyết 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 thu hoạch lượng vơ tuyến có sử dụng chương CHƯƠNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU SỬ DỤNG KỸ THUẬT TRIỆT CAN NHIỄU TUẦN TỰ VÀ MÃ HÓA MẠNG SỐ 3.1 Giới thiệu Trong chương này, nghiên cứu sinh đề xuất mơ hình mạng hợp tác hai chiều gồm hai nguồn cụm thiết bị chuyển tiếp với mục tiêu tăng thông lượng giảm xác xuất dừng hệ thống Mơ hình sử dụng kết hợp kỹ thuật triệt can nhiễu (SIC), mã hóa mạng số (DNC) lựa chọn chuyển tiếp bán phần Mơ hình có hai khe thời gian (TS) để truyền tín hiệu hoạt động chế độ bán song công (gọi giao thức SIC-2TS) Xác xuất dừng thông lượng hệ thống xem xét điều kiện triệt can nhiễu hồn hảo/ khơng hồn hảo (pSIC/ipSIC) thơng tin trạng thái kênh truyền hồn hảo/ khơng hồn hảo (pCSI/ ipCSI) Đóng góp chương trình bày cơng trình cơng bố [P2] 3.2 Mơ hình nghiên cứu Hình 3.1: Mơ hình mạng SIC-2TS Mơ hình mạng hợp tác hai chiều hình 3.1 gồm hai nguồn S1 S2 cụm N chuyển tiếp R i , với i 1,2, N 3.3 Quá trình truyền nhận tín hiệu tỉ số tín hiệu nhiễu Trong khe thời gian đầu, tín hiệu thu R i là: yRi = 1 PS hS1Ri x1 + PS hS2 Ri x2 + nRi (3.1) Do có xem xét đến trường hợp ipCSI nên ta có hệ số ước lượng kênh truyền h f biểu diễn theo hệ số kênh truyền h f sau: h f = f hf + ( − ) f (3.2) f SINR để giải mã tín hiệu x n từ nguồn gần Sn thiết bị chuyển tiếp sau: Sn Ri → xn |dn dd = n h Sn Ri d h Sd Ri + ( n n + d d ) (1 − )+ (3.6) / Thiết bị chuyển tiếp Rb chọn giai đoạn thiết lập giao thức lớp MAC cho tối đa khả giải mã tín hiệu nguồn gần hơn: Rb = arg max g Sn Ri (3.7) i =1 N SINR để giải mã tín hiệu x d từ nguồn xa Sd thiết bị chuyển tiếp Rb là: Sd Rb → xd | dn dd = d h Sd Rb hRb + ( n n + d d ) (1 − ) + / (3.8) Trong khe thời gian thứ hai, R b dùng hàm XOR để tổng hợp tín hiệu x = x1 x2 truyền x hai nguồn SNR để giải mã x nguồn Sk : RS b 3.4 3.4.1 →x k = / 2 PR h Rb Sk ( ) PR k − / + N = g Rb Sk k (1 − ) + (3.10) Phân tích hiệu mạng Xác suất dừng giao thức SIC-2TS Xác suất dừng nguồn xa Sd : N C p ( −1) p e − p3 / n OPSd = − 1 − n N dn dd n + p2 d p =0 Xác suất dừng nguồn gần Sn : − t ( (1− )+ / ( d ) ) e (3.16) OPSn dn dd d e−5 / d − ( d + 4 ) =1− − p ( + )/ + / ( ) p p n d N n d CN (−1) e − p =0 ( + p )( + ( + p ) ) n d n d n d 2 − − + / ( ) t (( ) n ) e Biểu thức tiệm cận xác suất dừng → + N C p ( −1) p e − p6 / n − 1− →+ ), t( OPSd = − 1 − n N e dn dd + p p =0 n d OPSn 3.4.2 →+ dn dd d e−7 / d − ( d + 4 ) − t (1− ) =1− e p p −( p (6 +72 )/ n +7 / d ) N C ( − 1) e n d N p =0 ( + p )( + ( + p ) ) n d n d n d (3.18) (3.19) (3.20) Xác suất dừng giao thức SIC-3TS SIC-4TS Để thấy rõ ưu điểm giao thức đề xuất, nghiên cứu sinh so sánh kết với hai giao thức khác mơ hình: Giao thức truyền khe thời gian sử dụng kỹ thuật SIC không dùng DNC (gọi giao thức SIC-3TS); Giao truyền khe thời gian thông thường (CONV) không sử dụng kỹ thuật SIC DNC (gọi giao thức CONV-4TS) Giao thức SIC-3TS có xác suất dừng nguồn giống giao thức SIC-2TS Xác suất dừng nguồn giao thức CONV-4TS sau: N OPSC = − 1 − CNp (−1) p e− p8 / 1 e−9 / 2 (3.21) p =0 N OPSC = − 1 − CNp (−1) p e− p10 / 1 e−11 / 2 p =0 (3.22) Biểu thức tiệm cận xác suất dừng → + OPSC →+ N − p (1− ) − t (1− ) = − 1 − CNp (−1) p e t e p =0 (3.23) OPSC →+ N − p (1− ) − t (1− ) = − 1 − CNp (−1) p e t e p =0 Thông lượng ba giao thức 1 TPSIC-2TS d d = − OPSn Rt + − OPSd d d n d n d 2 1 TPSIC-3TS d d = − OPSn Rt + − OPSd dn dd n d 3 1 TPCONV-4TS = − OPSC Rt + − OPSC Rt 4 3.4.3 ( ( ( 3.5 ) ) ) ( ( ( ) dn dd dn dd (3.24) )R )R t (3.25) t (3.26) (3.27) Mô thảo luận kết Giả sử S1 gần cụm chuyển tiếp S2 hình 3.2 đến 3.5 Hình 3.2 biểu diễn OP hai nguồn giao thức SIC-2TS theo PS / N0 (dB) với pCSI hai trường hợp pSIC/ipSIC Xác suất dừng (OP) hai nguồn giảm PS / N0 (dB) tăng đạt đến giá trị bão hòa PS / N0 (dB) đủ lớn Các OP nguồn S2 hai trường hợp pSIC ipSIC Còn OP nguồn S1 trường hợp ipSIC cao so với trường hợp ipSIC Xác suất dừng hai nguồn giảm số lượng thiết bị chuyển tiếp tăng Hình 3.2: Hình 3.2: SIC-2TS SIC- 2TS pSIC- pCSIs ipSICipCSIs pSIC ipSIC Bên cạnh khoảng cách tương đối hai nguồn cụm thiết bị chuyển tiếp ảnh hưởng khác đến giảm thông lượng giảm Và số lượng thiết bị chuyển tiếp tăng thơng lượng hệ thống tăng Bảng 3.1: Các giá trị thông lượng lớn tương ứng với khoảng cách d1 hệ số phân chia công suất 1 0.1 0.2 d1 α1 TPmax 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 0.1 0.1 0.3 0.5 0.3 0.5 0.7 0.9 0.9 0.7839 0.8413 0.8715 0.8853 0.8754 0.8853 0.8715 0.8413 0.7839 Cuối đường phân tích tất hình trùng khớp với đường mơ 3.6 Kết luận Dựa phân tích xác suất dừng thơng lượng, số kết luận mơ hình mạng hợp tác hai chiều với giao thức đề xuất SIC-2TS sau: Thông lượng hệ thống giao thức SIC-2TS vượt trội so với hai giao thức bốn khe thời gian CONV-4TS ba khe thời gian SIC-3TS Hiệu mạng trường hợp ipSIC/ipCSI thấp trường hợp lý tưởng pSIC/pCSI Khi số lượng thiết bị chuyển tiếp cụm tăng hiệu hệ thống tăng Phương pháp lựa chọn chuyển tiếp đề xuất giảm thiểu thời gian thu thập ipCSI so với phương pháp lựa chọn chuyển tiếp khác, giúp giảm thời gian xử lý tín hiệu tăng tốc độ truyền tin Giao thức SIC-2TS đạt hiệu suất tốt vị trí tối ưu thiết bị chuyển tiếp hệ số phân chia cơng suất thích hợp hai nguồn CHƯƠNG MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC HAI CHIỀU SỬ DỤNG BỀ MẶT PHẢN XẠ THÔNG MINH 4.1 Giới thiệu Trong chương nghiên cứu mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức hợp tác hai chiều với hỗ trợ bề mặt phản xạ thông minh (RIS) để truyền tin RIS giải pháp hỗ trợ truyền thông mới, giúp tiết kiệm chi phí triển khai, tiết kiệm 10 lượng công nghệ vô tuyến nhận thức giúp cải thiện hiệu phổ tần Mơ hình có xem xét điều kiện thực tế tồn nhiễu vòng lặp anten thu hai nguồn thứ cấp truyền song cơng Đóng góp chương trình bày cơng trình cơng bố [P4] 4.2 Mơ hình nghiên cứu Hình 4.1: Mơ hình MPR-UTW-RIS Hình 4.1 mơ hình mạng vơ tuyến nhận thức hai chiều dạng gồm: hai nguồn thứ cấp Sq với q 1, 2 , RIS có T phần tử phản xạ MSt với t = 1, 2, , T K thiết bị thu sơ cấp PR i với i = 1, 2, , K Hai nguồn thứ cấp Sq chịu giới hạn công suất phát cho ràng buộc can nhiễu đến PR i phải nhỏ mức ngưỡng cho trước I i để đảm bảo không ảnh hưởng đến hoạt động mạng sơ cấp 4.3 Q trình truyền nhận tín hiệu tỉ số tín hiệu nhiễu Tín hiệu nguồn S1 nhận được: T T y1 = P2 x2 h2t rt ht1 + P1 x1 h1t rt ht1 + L1 + n1 t =1 t =1 Desired signal Self-inteference signal 11 (4.2) Giả sử S1 triệt tiêu hồn tồn tín hiệu tự can nhiễu tối ưu pha MSt t = − (1t + 2t ) T y1 = P2 x2 h2t ht1 + L1 + n1 t =1 (4.3) SINR để giải mã tín hiệu nhận S1 : = min( , Q 2 ) max g 4i (1 + 1 ) (4.5) i =1 K SINR để giải mã tín hiệu nhận S2 : = min( , Q 2 ) max g3i (1 + 2 ) (4.8) i =1 K Phân tích hiệu mạng 4.4 Trong phần này, xác suất dừng hai nguồn thứ cấp Sp Sw, ( p, w = 1, 2 p w) phân tích Xác suất dừng Sp hai dạng tích phân (4.22) tổng vô hạn (4.23): OPSout = p ( a + 1,(1/ b) ( a + 1) K −1 CKm−1 ( −1) m m=0 −(1 − e 1 / − ( w + 2) K ( 3 ( ( a + 1) CKm−1 ( −1) m=0 − K (w + 2) m ( m + 1) ( −1)n ) − ( w + 2) Q / K ( a + 1, ( / b ) x ( a + 1) 2 +K 2b (w + 2) ( ( 1 − ( a +1/2), − , 22 / b2( w + 2) ( m +1) m CKm−1 ( −1) ( (w + 2) ( m + 1) ) ) (1/ 2) ( a + + n ) + 1, (w + 2) ( m + 1) 12 ( a +1/ ) W− ( a+1/2) ,− , / b2 ( m+1) − ( ( w + 2) )) 4( e K −1 )) )) − ( w + ) x K −1 − ( w + ) x ) 1− e ( ) ( ( + K / 2b (w + 2) 22 − a + 8b ( w + 2) ( m +1) e W ( a + 1) n = n !( a + + n ) m = ( ( K (w + 2) − e a + 1,(1/ b) 1 / K −1 ) − ( w + 2) Q / K 22 / 8b2 ( w + 2) ( m +1) ) + = ( ( m + 1)−( a + 5/ 2) / 2e( OPSout p ) 1− e )) (4.22) ) dx ( a +1/ ) − − ( (1/ 2) ( a +1+ n ) +1) (4.23) Dạng tổng vô hạn (4.23) đánh giá độ xác phép đo sai số sau: ( )( ) p = OPSoutp ( 4.22 ) − OPSoutp ( 4.23) / OPSoutp ( 4.22 ) (4.24) Biểu thức tiệm cận → + : , → OPSout p 2 = 1 = K 2b (w + 2) ( m + 1) 1 5 − a+ 2 e ( a +1/ ) K −1 CKm−1 ( −1) m m=0 (4.25) 22 8b2 ( w + 2) ( m +1) W− ( a+1/2),− , / b2 ( m+1) ( ( w + 2) )) 4( Biểu thức tiệm cận Q → + : ( ) , Q → OPSout = a + 1,(1/ b) 1 / / ( ( a + 1) ) p 4.5 (4.26) Mô thảo luận kết Hình 4.2 biểu diễn giá trị sai số p ( % ) theo số số hạng đầu tổng vô hạn (M) với số T 7,10,15 Kết cho thấy số lượng phần tử phản xạ T tăng lên, số M (4.23) cần thiết để đạt giá trị gần giá trị xác giảm xuống Từ Hình 4.3 đến Hình 4.6 chọn d1 = d d3 = d Do mơ hình có tính đối xứng, nên xác suất dừng hai nguồn thứ cấp S1 S2 có giá trị Hình 4.2: Giá trị sai số theo M Hình 4.3: (dB) 13 theo Q Hình 4.3 biểu diễn xác suất dừng hai nguồn thứ cấp theo tỉ lệ giá trị ràng buộc can nhiễu nguồn thứ cấp đến thiết bị thu sơ cấp nhiễu Q = I N (dB) Ở vùng Q nhỏ (từ -25dB đến -10dB), xác suất dừng hai nguồn giảm Q tăng Vùng giá trị Q lớn (trên −10dB) xác suất dừng đạt giá trị bão hòa Xác suất dừng giảm số lượng phần tử phản xạ T RIS tăng Trong hình 4.3, biểu thức phân tích xác suất dừng vẽ dạng tổng vô hạn (sử dụng 25 số hạng đầu tiên) dạng tích phân xác Khi T tăng, đường cơng thức tổng vơ hạn gần với đường mơ Hình 4.4 biểu diễn xác suất dừng hai nguồn thứ cấp theo tỉ số công suất phát tối đa mà phần cứng nguồn thứ cấp đáp ứng công suất nhiễu = Pmax / N0 (dB) Xác suất dừng nguồn giảm nhanh tăng khoảng -25dB đến −15dB, sau rơi vào giá trị bão hịa Vì cơng suất phát phụ thuộc vào hai tham số công thức (4.1) Hình 4.4: Hình 4.5: theo theo Q(dB) K thay đổi Hình 4.5 biểu diễn xác suất dừng hai nguồn thứ cấp theo tỉ lệ giá trị ràng buộc can nhiễu nguồn thứ cấp đến thiết bị thu sơ cấp nhiễu Q (dB) số lượng máy thu sơ cấp K thay đổi Kết cho thấy vùng Q nhỏ -10dB, tăng số lượng máy thu sơ cấp xác suất dừng nguồn thứ 14 cấp tăng Khi Q lớn giá trị ngưỡng (-10dB), số lượng máy thu sơ cấp khơng cịn ảnh hưởng đến hiệu mạng thứ cấp Hình 4.6 biểu diễn xác suất dừng hai nguồn thứ cấp theo Q (dB) giá trị nhiễu vòng lặp khác Kết cho thấy nhiễu vòng lặp tăng làm tăng xác suất dừng nguồn thứ cấp Và xác suất dừng hai nguồn thứ cấp tốt ứng với trường hợp loại bỏ nhiễu vịng lặp hồn hảo = Các xác suất dừng giảm Q tăng đạt giá trị bão hòa Q đủ lớn Hình 4.6: (dB) theo Q Hình 4.7: theo thay đổi Hình 4.7 biểu diễn xác suất dừng hai nguồn thứ cấp vị trí ( xR , yR ) RIS thay đổi cụm máy thu sơ cấp cách hai nguồn Kết cho thấy xác suất dừng hai nguồn thứ cấp RIS vị trí có tổng khoảng cách từ RIS đến hai nguồn Với giá trị y R , vị trí RIS cách hai nguồn cho xác suất dừng nhỏ Bên cạnh đó, với giá trị xR , xác suất dừng giảm y R giảm từ -0.7 đến -0.3 Hình 4.8 biểu diễn xác suất dừng hai nguồn thứ cấp theo tọa độ ( xPR , yPR ) cụm máy thu sơ cấp RIS cách hai nguồn Kết cho thấy cụm máy thu sơ cấp cách hai nguồn OPS1 OPS2 cụm 15 máy thu sơ cấp xa nguồn xác suất dừng nhỏ ngược lại Khi cụm máy thu sơ cấp không cách hai nguồn nguồn gần cụm máy thu sơ cấp có xác suất dừng nhỏ ngược lại Hình 4.9 biểu diễn xác suất dừng hai nguồn thứ cấp hai mơ hình mạng hai chiều song cơng dùng RIS dùng thiết bị chuyển tiếp AF theo Q(dB) Kết cho thấy hệ thống có RIS hỗ trợ truyền tín hiệu có hiệu tốt nhiều so với hệ thống sử dụng thiết bị chuyển tiếp AF trường hợp RIS có phần tử phản xạ Hình 4.8: 4.6 theo Hình 4.9: So sánh mơ hình dùng RIS dùng chuyển tiếp AF Kết luận Chương đề xuất mơ hình mạng hai chiều sử dụng bề mặt phản xạ thông minh môi trường vô tuyến nhận thức Xác suất dừng hai nguồn thứ cấp khảo sát theo nhiều thông số mạng kết cho thấy: xác suất dừng đạt giá trị tốt bề mặt phản xa thông minh cách hai nguồn; xác suất dừng giảm số lượng phần tử phản xạ tăng, khoảng cách cụm máy thu sơ cấp hai nguồn thứ cấp tăng, nhiễu vòng lặp giảm; xác suất dừng rơi vào trạng thái bão hòa ngưỡng tỉ số ràng buộc can nhiễu nguồn thứ cấp đến thiết bị thu sơ cấp công suất nhiễu tỉ số công suất phát 16 tối đa mà phần cứng nguồn thứ cấp đáp ứng công suất nhiễu đủ lớn Hơn hệ thống hai chiều bề mặt phản xa thông minh hỗ trợ có xác suất dừng nguồn thứ cấp nhỏ nhiều so với hệ thống hỗ trợ thiết bị chuyển tiếp AF tương ứng CHƯƠNG THU HOẠCH NĂNG LƯỢNG PHI TUYẾN TRONG MẠNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC HAI CHIỀU 5.1 Giới thiệu Trong chương đề xuất mơ hình thu hoạch lượng phi tuyến (NEH) mạng hợp tác hai chiều (TW) Mơ hình hoạt động truyền nhận thơng tin ba khe thời gian sử dụng phương pháp thu lượng phân chia theo công suất kết hợp kỹ thuật mã hóa mạng số (DNC), gọi giao thức NEH-TW-DNC Các biểu thức xác suất dừng xác gần nguồn phân tích để đánh giá hiệu suất hệ thống Bên cạnh đó, nghiên cứu sinh có thực so sánh xác suất dừng nguồn thu hoạch lượng phi tuyến thu hoạch lượng tuyến tính để thấy khác xem xét hệ thống thực tế lý tưởng Đóng góp chương trình bày cơng trình cơng bố [P5] 5.2 Mơ hình nghiên cứu Hình 5.1: Mơ hình NEH-TW-DNC 17 Hình 5.1 mơ hình hệ thống hai chiều thu hoạch lượng phi tuyến NEHTW-DNC Mơ hình gồm hai nguồn S1 S2 thiết bị chuyển tiếp R Công suất phát P hai nguồn 5.3 Quá trình truyền nhận tín hiệu tỉ số tín hiệu nhiễu Q trình hoạt động mơ hình NEH-TW-DNC thể bảng 5.1 Tỉ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) để giải mã tín hiệu x1 x2 R hai khe thời gian đầu là: 2 S1 R = (1 − ) hS1 R P / N0 = (1 − ) hS1R (5.2) S2 R = (1 − ) h S2 R P / N0 = (1 − ) h S2 R (5.5) Tổng lượng thu hoạch R hai khe thời gian đầu sau: ( Eh = P h S1 R + h S2 R )T (5.7) Vì thu hoạch lượng phi tuyến nên công suất phát thiết bị chuyển tiếp là: P h + h , P h + h P , S1R S2 R S1R S2 R th (5.9) PR = 2 Pth , P h S1R + h S2 R Pth , ( ) ( ( ) ) Bảng 5.1: Giao thức truyền ba khe thời gian mơ hình NEH-TW-DN S1 → R S2 → R Thiết bị chuyển tiếp thu hoạch lượng từ nguồn Thiết bị chuyển tiếp thu hoạch lượng từ nguồn S1 S2 Thiết bị chuyển tiếp giải mã tín hiệu x1 nguồn S1 Thiết bị chuyển tiếp giải mã tín hiệu x2 nguồn S2 Khe thời gian Khe thời gian T T R → S1 ,S2 x = x1 x2 Thiết bị chuyển tiếp truyền tín hiệu x hai nguồn Khe thời gian (1 − 2 )T T SNR để giải mã tín hiệu x = x1 x2 khe thời gian thứ nguồn là: 18 ( h 2 P h + h S1 R S2 R RSi = hRS Pth / N , i RSi )/ N , ( P( h P h S1 R + h S2 R S1 R + h S2 R ) P , (5.11) )P th th Từ (5.2), (5.5) (5.11) suy SNR để giải mã tín hiệu x1 , x2 nguồn S1 , S2 tương ứng sau: S1 = S2 R , RS1 , S2 = S1R , RS2 (5.12) Phân tích hiệu mạng 5.4 Xác suất dừng nguồn S1 : OPS1 = Pr S1 th = Pr S2 R th + Pr R S1 th , S2 R th (5.15) Sau nhiều tính tốn phức tạp ta OPS1 hai trường hợp: OPS1 Trường hợp 1: 1 = 2 = : 1 = 2 = ( = − e − ( k1 / + k3 / 3 ) + e − k1 / e− k3 / 3 − e (−1) k + ( − 1) k =0 k ! k1 k2 3 OPS1 )+ k1 k2 −k − 1, − − k − 1, + k3 (5.20) k +1 k1 k2 −k , − −k , k3 Trường hợp 2: 1 2 : (−1) k −1 k2 + k ! 3 k =0 - k +1 − k 2/ ( k13 ) 1 2 ( = − e − ( k1 / 2 + k3 / 3 ) + e− k1 / 2 e − k3 / 3 − e 2 (−1) k + ( 1 − 2 ) k =0 k ! 1e−(1/ 2 −1/ 1 )k1 − ( 1 − 2 ) k2 2 3 k +1 )+ k1 k2 −k − 1, − − k − 1, − 2 k32 (−1) k k k ! 2 k =0 3 − k2 / ( k13 ) k +1 (5.21) k1 k2 −k − 1, − −k − 1, 1 k31 Xác suất dừng nguồn S2 tìm tương tự ứng với cơng thức (5.22) (5.23) báo cáo Khi Pth → ta có thu hoạch lượng tuyến tính 19 5.5 Mơ thảo luận kết Trong hình thông số chọn: = 0.8 = 1/ , d1 = 0.5 , d = − d1 Hình 5.2 biểu diễn xác suất dừng hai nguồn theo Ps / N0 (dB) Kết cho thấy xác suất dừng hai nguồn giảm Ps / N0 tăng bão hòa Ps / N0 lớn Các giá trị xác suất dừng bão hòa khác phụ thuộc vào giá trị Pth , Pth lớn giá trị xác suất dừng bão hịa nhỏ Bên cạnh đó, Ps / N0 < Pth OPS1 > OPS2 Ps / N0 > Pth OPS1 OPS2 Khi Ps / N Pth , xác suất dừng nguồn hai trường hợp thu hoạch lượng phi tuyến với thu hoạch lượng tuyến tính gần Khi Ps / N0 Pth , với thu hoạch lượng phi tuyến xác suất dừng bão hòa với thu hoạch lượng tuyến tính xác suất dừng tiếp tục giảm Ps / N0 tăng Cuối cùng, đường cong xác suất dừng thu hoạch lượng phi tuyến tiệm cận đường xác suất dừng thu hoạch lượng tuyến tính Pth → Hình 5.2: Hình 5.3: theo theo Hình 5.3 biểu diễn xác suất dừng nguồn S1 theo Pth với hai giá trị Ps / N0 ba giá trị d1 Kết cho thấy OPS1 giảm Pth Ps / N0 tăng, OPS1 đạt giá trị bão hòa Pth tăng đến giá trị đủ lớn, giá trị thay đổi phụ thuộc vào giá trị Ps / N0 d1 Bên cạnh đó, ta thấy Pth Ps / N0 khoảng cách d1 20 nhỏ OPS1 nhỏ Ngược lại Pth Ps / N0 khoảng cách d1 lớn OPS1 nhỏ Hình 5.4 biểu diễn xác suất dừng OPS1 theo với Ps / N0 = 30 ( dB ) , Pth 20,30, 40 dB Kết cho thấy OPS1 giảm Pth tăng Bên cạnh đó, với thơng số tồn giá trị tối ưu để xác suất Hình 5.4: theo dừng nhỏ 5.6 Kết luận Chương đề xuất mạng hợp tác hai chiều có thu hoạch lượng phi tuyến thiết bị chuyển tiếp Khi cơng suất ngưỡng bão hịa thiết bị thu hoạch lượng phi tuyến thiết bị chuyển tiếp tăng lên, xác suất dừng nguồn giảm xuống Và xác suất dừng đạt giá trị bão hòa Ps / N0 Pth đủ lớn Với thông số tồn hệ số phân bổ công suất tối ưu để xác suất dừng nhỏ CHƯƠNG 6.1 KẾT LUẬN Các kết luận án Luận án nghiên cứu kỹ thuật giao thức nhằm nâng cao hiệu truyền thông mạng hợp tác hai chiều hệ thống vô tuyến thông thường vơ tuyến nhận thức Trong mơ hình đề xuất xem xét điều kiện lý tưởng ràng buộc thực tế để đánh giá hệ thống cách toàn diện Các điểm kết luận án sau: Đầu tiên, đề xuất phân tích thành cơng mơ hình mạng hợp tác hai chiều có sử dụng kết hợp cụm thiết bị chuyển tiếp, kỹ thuật triệt can nhiễu kỹ thuật mã hóa mạng số Mơ hình khảo sát điều kiện lý tưởng điều 21 kiện thực tế triệt can nhiễu khơng hồn hảo, thơng tin trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo Các kết nghiên cứu cho thấy thông lượng hệ thống giao thức đề xuất vượt trội so với giao thức không sử dụng kết hợp kỹ thuật Bên cạnh đề xuất phương lựa chọn chuyển tiếp bán phần giúp giảm thiểu thời gian thu thập thông tin trạng thái kênh truyền so với phương pháp lựa chọn chuyển tiếp khác, giảm thời gian xử lý tín hiệu tăng tốc độ truyền tin Hiệu phân tập không gian tăng xác suất dừng giảm số lượng chuyển tiếp cụm tăng Các kết nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng lớn điều kiện không lý tưởng triệt can nhiễu thông tin trạng thái kênh truyền lên hiệu hệ thống Hơn thiết bị chuyển tiếp thiết lập vị trí tối ưu hệ số phân chia công suất hợp lý, hai nguồn đạt hiệu tốt Tiếp theo đề xuất phân tích thành cơng mơ hình mạng hai chiều sử dụng bề mặt phản xạ thông minh môi trường vô tuyến nhận thức Mô hình hoạt động chế độ song cơng khảo sát điều kiện thực tế tồn nhiễu vòng lặp sau đựơc triệt can nhiễu anten thu mạng thứ cấp bị giới hạn công suất nhiều máy thu sơ cấp Mục tiêu đạt mơ hình giảm xác suất dừng, tăng hiệu sử dụng phổ, hiệu sử dụng lượng hiệu chi phí mạng hai chiều Xác suất dừng hai nguồn thứ cấp khảo sát theo nhiều thông số mạng kết cho thấy: đạt giá trị tốt bề mặt phản xa thông minh cách hai nguồn; giảm số lượng phần tử phản xạ tăng, khoảng cách cụm máy thu sơ cấp hai nguồn thứ cấp tăng, nhiễu vòng lặp giảm; rơi vào trạng thái bão hòa ngưỡng tỉ số ràng buộc can nhiễu nguồn thứ cấp đến thiết bị thu sơ cấp công suất nhiễu tỉ số công suất phát tối đa mà phần cứng nguồn thứ cấp đáp ứng cơng suất nhiễu đủ lớn Hơn hệ thống hai chiều bề mặt phản xa thơng minh hỗ trợ có xác suất dừng nguồn thứ cấp nhỏ nhiều so với hệ thống hỗ trợ thiết bị chuyển tiếp AF tương ứng 22 Chương đề xuất phân tích mơ hình mạng hợp tác hai chiều có thu hoạch lượng phi tuyến thiết bị chuyển tiếp DF Mơ hình xem xét điều kiện thực tế thu lượng thiết bị chuyển tiếp tạo từ linh kiện điện tử phi tuyến Sử dụng phương pháp thu hoạch lượng phân chia theo công suất kỹ thuật mã hóa mạng số Đóng góp đề xuất sử dụng nguồn lượng từ sóng vơ tuyến để hỗ trợ truyền tín hiệu cho mạng vơ tuyến hợp tác hai chiều chi phí thấp hạn chế tài nguyên mạng cảm biến không dây hệ thống IoT Các kết cho thấy với thơng số hệ thống xác định hệ số phân bổ công suất tối ưu để xác suất dừng nhỏ Tất thông số đánh giá hiệu đề xuất luận án được phân tích dạng biểu thức tường minh kết phân tích tốn kiểm chứng phương pháp mơ Monte Carlo Các kết đề tài nghiên cứu đóng góp hữu ích cho cộng đồng nghiên cứu, cho công ty sản xuất thiết bị viễn thông để hướng tới cung cấp chất lượng dịch vụ tốt cho khách hàng Các mơ hình đề xuất đề tài dùng mạng IoT, mạng khơng đồng nhất, mạng cảm biến không dây, mạng robot công nghiệp Các kết nghiên cứu luận án nghiên cứu sinh công bố tạp chí SCIE hội nghị quốc tế uy tín 6.2 Hướng phát triển luận án Luận án đưa đề xuất có kết đạt mục tiêu đề Tuy nhiên ngày ứng dụng truyền thông vô tuyến ngày nhiều nhu cầu chất lượng dịch vụ vô tuyến ngày cao mục tiêu nâng cao hiệu mạng ứng dụng điều kiện cụ thể vấn đề cần quan tâm Trong thời gian tới, nghiên cứu sinh tiếp tục nghiên cứu nâng cao hiệu mạng hai chiều tăng hiệu sử dụng phổ, hiệu sử dụng lượng, tăng tốc độ truyền tin cho mạng hợp tác hai chiều mạng vô tuyến thông thường mạng vô tuyến nhận thức Đồng thời xem xét điều kiện vận hành thực tế Cụ thể dự định nghiên cứu đề tài sau: 23 - Xem xét mạng hai chiều nghiên cứu kênh truyền fading khác kênh Nakagami-m, Rician, double Rayleigh - Khảo sát mơ hình mạng hợp tác hai chiều thu hoạch lượng phi tuyến có đường truyền trực tiếp - Đánh giá hiệu dạng độ tin cậy độ trễ mạng hai chiều nghiên cứu cách sử dụng gói tin ngắn - Thiết kế mạng học sâu từ liệu phân tích mơ để dự đốn hiệu hệ thống hai chiều - Nghiên cứu mạng lai ghép mạng hai chiều mặt đất với mạng vệ tinh 24