Luận án: Hệ thống chuyển tiếp dùng đa truy nhập không trực giao thu thập năng lượng vô tuyến

Đa truy nhập không trực giao (NOMA) là kỹ thuật truy nhập mới nổi. NOMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một tài nguyên tần số và thời gian. Điều này khác biệt so với các kỹ thuật trực giao truyền thống. NOMA tăng cường hiệu quả sử dụng phổ tần. Nó phân bổ công suất khác nhau cho mỗi người dùng. Các người dùng có điều kiện kênh khác nhau được nhóm lại. Kỹ thuật khử nhiễu kế tiếp (SIC) được sử dụng tại máy thu. SIC giúp giải mã tín hiệu của người dùng có công suất yếu. NOMA có khả năng hỗ trợ số lượng lớn thiết bị. NOMA còn được biết đến là Power-domain NOMA. Nó tối ưu hóa việc phân bổ công suất phát. Điều này giúp cải thiện dung lượng hệ thống. NOMA là một công nghệ then chốt cho mạng 5G và xa hơn.

Thu thập năng lượng vô tuyến (RF Energy Harvesting) chuyển đổi năng lượng từ sóng RF thành điện năng. Năng lượng này được sử dụng để cấp nguồn cho thiết bị. Nó giải quyết vấn đề tuổi thọ pin hạn chế. Các thiết bị không dây có thể hoạt động độc lập. RF-EH là một phần quan trọng của các mạng không dây xanh. Nó đặc biệt hữu ích cho các cảm biến IoT và nút chuyển tiếp. Kỹ thuật này cho phép hoạt động bền vững. Nguồn năng lượng RF có thể từ các trạm gốc hoặc thiết bị khác. SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) kết hợp truyền thông tin và năng lượng. Nút chuyển tiếp có thể thu thập năng lượng và đồng thời xử lý tín hiệu. Điều này mở ra nhiều ứng dụng mới. Hiệu quả của việc thu thập năng lượng phụ thuộc vào khoảng cách và công suất phát.

Hệ thống thông tin chuyển tiếp mở rộng phạm vi phủ sóng. Nó tăng cường độ tin cậy của liên kết truyền thông. Nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ nguồn. Sau đó, nó chuyển tiếp tín hiệu đến đích. Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích trong môi trường kênh xấu. Nó giúp giảm thiểu ảnh hưởng của fading và vật cản. Nút chuyển tiếp có thể hoạt động ở chế độ giải mã và chuyển tiếp (DF). Hoặc nó có thể khuếch đại và chuyển tiếp (AF). Việc tích hợp NOMA vào hệ thống chuyển tiếp mang lại nhiều lợi ích. Nó tạo ra các hệ thống Cooperative NOMA. Các nút chuyển tiếp có thể phục vụ nhiều người dùng cùng lúc. Điều này giúp tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên. Nó cũng cải thiện thông lượng tổng thể của mạng.

Mô hình hệ thống bao gồm một trạm gốc, một nút chuyển tiếp và nhiều người dùng. Trạm gốc phát tín hiệu NOMA. Nút chuyển tiếp nhận tín hiệu này. Sau đó, nút chuyển tiếp giải mã, thu thập năng lượng. Nút chuyển tiếp sử dụng năng lượng đã thu thập để chuyển tiếp tín hiệu. Các người dùng cuối nhận tín hiệu từ nút chuyển tiếp. Điều này tạo thành một liên kết đường xuống hai chặng. Kênh truyền được giả định là kênh Rayleigh fading. Công suất phát của trạm gốc và nút chuyển tiếp được quản lý. Việc quản lý này nhằm đạt được hiệu quả tối ưu. Nút chuyển tiếp hoạt động như một thiết bị trung gian thông minh. Nó không chỉ mở rộng vùng phủ sóng. Nó còn tự cấp nguồn một phần.

Xác suất dừng là một thước đo quan trọng về độ tin cậy của hệ thống. Nó chỉ ra khả năng hệ thống không đạt được tốc độ dữ liệu yêu cầu. Phân tích xác suất dừng được thực hiện cho từng người dùng NOMA. Các điều kiện kênh và chiến lược phân bổ công suất ảnh hưởng đến kết quả. Dung lượng hệ thống đánh giá khả năng truyền tải dữ liệu tối đa. Dung lượng trung bình được tính toán cho toàn bộ hệ thống. Mục tiêu là tối đa hóa dung lượng này. Việc đánh giá cả hai chỉ số cung cấp cái nhìn toàn diện. Nó giúp hiểu rõ hiệu suất của hệ thống. Những phân tích này giúp đưa ra các quyết định thiết kế hiệu quả.

Khử nhiễu kế tiếp (SIC) là nền tảng của NOMA. Tuy nhiên, SIC không phải lúc nào cũng hoàn hảo trong thực tế. Các lỗi giải mã ở bước trước có thể gây nhiễu cho bước sau. SIC không hoàn hảo dẫn đến suy giảm hiệu suất. Nó ảnh hưởng đến xác suất dừng và dung lượng hệ thống. Mức độ không hoàn hảo của SIC được mô hình hóa. Việc này giúp đánh giá tác động thực tế của nó. Cần có các chiến lược để giảm thiểu ảnh hưởng này. Nâng cao độ chính xác của SIC là một thách thức quan trọng. Các nghiên cứu cần xem xét các kịch bản thực tế. Chúng cần tính đến giới hạn của việc triển khai SIC.

Mô hình hệ thống bao gồm một trạm gốc, một nút chuyển tiếp song công và hai người dùng NOMA. Nút chuyển tiếp nhận tín hiệu từ trạm gốc. Đồng thời, nó truyền tín hiệu đã được xử lý tới hai người dùng. Việc thu thập năng lượng RF diễn ra liên tục tại nút. Năng lượng thu được cung cấp cho hoạt động truyền dẫn. Các thuật toán phân bổ công suất được áp dụng cho tín hiệu NOMA. Điều này đảm bảo mỗi người dùng nhận được chất lượng dịch vụ phù hợp. Kênh truyền dẫn bao gồm liên kết từ trạm gốc đến nút, và từ nút đến người dùng. Nhiễu tự thân tại nút chuyển tiếp được xử lý bằng các kỹ thuật đặc biệt. Mô hình này là bước đệm cho việc mở rộng sang nhiều người dùng hơn.

Cấu hình hệ thống được tổng quát hóa để hỗ trợ nhiều người dùng. Nút chuyển tiếp song công vẫn là trung tâm. Nó điều phối việc truyền và nhận tín hiệu cho toàn bộ nhóm người dùng. Các mô hình kênh fading phức tạp hơn được sử dụng. Chúng phản ánh điều kiện truyền dẫn thực tế. Tín hiệu NOMA được phân bổ công suất dựa trên điều kiện kênh. Việc này tối đa hóa dung lượng tổng thể. Quản lý nhiễu tự thân trở nên phức tạp hơn với nhiều người dùng. Các phương pháp khử nhiễu chủ động và thụ động được tích hợp. Phân tích hiệu suất hệ thống tổng quát cung cấp cái nhìn sâu sắc. Nó giúp thiết kế các mạng không dây quy mô lớn.

SWIPT (Simultaneous Wireless Information and Power Transfer) là yếu tố then chốt. Nó cho phép nút chuyển tiếp thu thập năng lượng trong khi nhận thông tin. Năng lượng này sau đó được sử dụng để phát tín hiệu. Điều này giúp nút chuyển tiếp đạt được sự độc lập năng lượng. Nút không cần nguồn điện bên ngoài liên tục. Hiệu quả của SWIPT ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của toàn hệ thống. Tỷ lệ phân chia năng lượng/thông tin cần được tối ưu hóa. Tối ưu hóa này đảm bảo đủ năng lượng cho hoạt động của nút. Đồng thời, nó không làm suy giảm chất lượng thông tin. SWIPT nâng cao đáng kể hiệu quả năng lượng của hệ thống.

Phân bổ công suất là một yếu tố quan trọng trong hệ thống NOMA. Việc phân bổ công suất phù hợp cho mỗi người dùng quyết định hiệu suất. Nó cũng ảnh hưởng đến khả năng giải mã SIC. Các bài toán tối ưu hóa được thiết lập. Chúng nhằm tối đa hóa thông lượng hoặc hiệu quả năng lượng. Đồng thời, chúng đáp ứng các ràng buộc về công suất tổng thể. Phân bổ tài nguyên bao gồm phân chia phổ tần và thời gian. Điều này đảm bảo sử dụng hiệu quả các nguồn lực. Các thuật toán phân bổ công suất động được phát triển. Các thuật toán này thích nghi với điều kiện kênh thay đổi. Mục tiêu là đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất và độ phức tạp.

Thông lượng hệ thống đại diện cho tổng lượng dữ liệu truyền đi. Tối ưu hóa thông lượng là tăng cường tốc độ truyền dữ liệu. Hiệu quả năng lượng đo lường lượng dữ liệu truyền trên mỗi đơn vị năng lượng tiêu thụ. Các bài toán tối ưu đa mục tiêu được giải quyết. Chúng cân bằng giữa thông lượng cao và hiệu quả năng lượng. Việc này thường liên quan đến đánh đổi. Tăng thông lượng có thể yêu cầu nhiều năng lượng hơn. Ngược lại, tiết kiệm năng lượng có thể giảm thông lượng. Các kỹ thuật như tối ưu hóa lồi và thuật toán Heuristic được sử dụng. Chúng tìm ra các giải pháp tối ưu cho hệ thống. Mục tiêu là đạt được thông lượng cao với mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất.

NOMA hợp tác (Cooperative NOMA) tận dụng các nút hỗ trợ. Các nút này có thể là các nút chuyển tiếp hoặc người dùng khác. Mục tiêu là tăng cường hiệu suất truyền dẫn. Các phương pháp tối ưu hóa trong Cooperative NOMA tập trung vào phân bổ công suất. Chúng cũng tối ưu hóa lựa chọn đối tác hợp tác. Điều này giảm thiểu nhiễu và tăng cường độ tin cậy. Các thuật toán phân bổ tài nguyên dựa trên thông tin trạng thái kênh (CSI). Chúng được phát triển để điều chỉnh linh hoạt. Các phương pháp tối ưu hóa giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn. Chúng đảm bảo khai thác tối đa lợi ích của NOMA hợp tác. Việc này dẫn đến cải thiện đáng kể thông lượng và hiệu quả năng lượng.

Sự kết hợp NOMA và RF Energy Harvesting mang lại lợi ích kép. NOMA tăng cường dung lượng mạng bằng cách phục vụ nhiều người dùng. RF-EH cung cấp năng lượng bền vững cho các nút mạng. Điều này kéo dài tuổi thọ hoạt động của thiết bị. Các hệ thống chuyển tiếp tận dụng cả hai công nghệ. Chúng mở rộng vùng phủ sóng và cải thiện độ tin cậy. Hiệu suất mạng được nâng cao đáng kể. Nó bao gồm thông lượng cao hơn và giảm độ trễ. Đồng thời, hiệu quả năng lượng được cải thiện. Các mạng không dây trở nên linh hoạt và mạnh mẽ hơn. Các ứng dụng từ thành phố thông minh đến nông nghiệp thông minh đều được hưởng lợi.

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ khám phá sự tích hợp sâu hơn. NOMA và RF-EH sẽ kết hợp với các công nghệ 5G/6G khác. Các công nghệ này bao gồm truyền thông massive MIMO và mmWave. Các thuật toán quản lý năng lượng thông minh là trọng tâm. Chúng tối ưu hóa việc thu thập và sử dụng năng lượng. Việc nghiên cứu các kịch bản mạng dày đặc cũng rất quan trọng. Các hệ thống NOMA hợp tác với nhiều nút chuyển tiếp cần được phân tích. Bảo mật lớp vật lý trong các hệ thống này cũng là một hướng mới. Phát triển các mô hình kênh chính xác hơn là cần thiết. Điều này giúp đánh giá hiệu suất trong môi trường phức tạp.

Triển khai NOMA và RF Energy Harvesting trong thực tế đối mặt với nhiều thách thức. Nhiễu tự thân trong song công là một vấn đề lớn. Chi phí phần cứng và độ phức tạp của SIC cũng cần được xem xét. Hiệu quả của việc thu thập năng lượng RF còn hạn chế ở khoảng cách xa. Các giải pháp bao gồm phát triển kỹ thuật khử nhiễu tự thân tiên tiến. Tối ưu hóa thiết kế mạch thu thập năng lượng là cần thiết. Các thuật toán phân bổ tài nguyên động cần đủ thông minh. Chúng cần thích nghi với các điều kiện kênh thay đổi. Nghiên cứu sâu hơn về các giao thức truyền thông là cần thiết. Điều này giúp đảm bảo sự tương thích và hiệu suất. Việc này mở đường cho ứng dụng rộng rãi.