Thiết kế & Phân tích Giao thức Nâng cao Hiệu năng Mạng Hợp tác Hai Chiều - Đào Thị Thu Thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐÀO THỊ THU THỦY THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CÁC GIAO THỨC NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐÀO THỊ THU THỦY THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH CÁC GIAO THỨC NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 9520203 Người hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Ngọc Sơn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2023 LÝ LỊCH CÁ NHÂN I.

Thông tin cá nhân: Họ và tên: ĐÀO THỊ THU THỦY Giới tính: Nữ Ngày sinh: 28/08/1978 Nơi sinh: Hưng Yên II. Quá trình đào tạo: Từ 1996 đến 2001: sinh viên đại học khoa Điện - Điện Tử, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Từ 2002 đến 2004: học viên cao học khoa Điện - Điện Tử, trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh. Từ 2019 đến nay: nghiên cứu sinh khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Quá trình công tác: Từ năm 2001 đến nay: giảng viên khoa Công Nghệ Điện Tử, trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Đào Thị Thu Thủy i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Đào Thị Thu Thủy ii LỜI CẢM TẠ Đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn TS.

Phạm Ngọc Sơn đã tận tình hướng dẫn trong quá trình nghiên cứu để tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Điện - Điện tử, các thầy cô phòng Đào tạo Sau Đại học của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu và Lãnh đạo khoa Công nghệ Điện tử của trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình làm nghiên cứu sinh. Xin cảm ơn các đồng nghiệp, các anh chị em đã trực tiếp và gián tiếp giúp tôi thực hiện mong muốn tiếp tục học tập và nghiên cứu của mình.

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn gia đình thân yêu đã động viên về tinh thần và tạo động lực cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2023 Đào Thị Thu Thủy iii TÓM TẮT Nội dung chính của luận án là đề xuất ba mô hình và giao thức mới để nâng cao hiệu năng của mạng hợp tác hai chiều (TW: Two-Way) trong môi trường vô tuyến thông thường và vô tuyến nhận thức dạng nền. Đồng thời, các mô hình được xem xét trong các điều kiện giả định gần với thực tế hơn so với các công trình đã công bố. Mô hình đầu tiên là mạng hợp tác hai chiều gồm hai nguồn và một cụm thiết bị chuyển tiếp.

Trong mô hình sử dụng kỹ thuật lựa chọn thiết bị chuyển tiếp (RS: Relay Selection) bán phần, kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự (SIC: Successive Interference Cancellation) và kỹ thuật mã hóa mạng số (DNC: Digital Network Coding). Mô hình được khảo sát trong các điều kiện lý tưởng và thực tế của kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự và thông tin trạng thái kênh truyền (CSI: Channel State Information). Phương pháp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp bán phần giúp giảm thiểu thời gian thu thập các CSI. Kỹ thuật SIC và DNC giúp giảm số khe thời gian truyền nhận dữ liệu.

Kết quả cho thấy thông lượng hệ thống (TP: Throughput) 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. Mô hình tiếp theo là mạng vô tuyến nhận thức hai chiều dạng nền sử dụng bề mặt phản xạ thông minh có thể cấu hình lại (RIS: Reconfigurable Intelligent Surface). Mô hình gồm hai nguồn thứ cấp truyền tín hiệu cho nhau thông qua RIS, mô hình hoạt động ở chế độ song công (FD: Full-Duplex) và trong điều kiện hạn chế can nhiễu của một cụm máy thu sơ cấp (PR: Primary Receiver).

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. Đồng thời, công nghệ vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio) giúp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần. Mô hình đã được phân tích trong điều kiện thực tế còn tồn tại iv nhiều vòng lặp ở anten thu của hai nguồn thứ cấp do truyền song công. Xác suất dừng (OP: Outage Probability) của hai nguồn trong hệ thống thứ cấp được khảo sát đánh giá thông qua các tham số: tỉ số ràng buộc can nhiễu của các nguồn thứ cấp đến các thiết bị thu sơ cấp trên công suất nhiễu; tỉ số công suất phát tối đa mà phần cứng các nguồn thứ cấp có thể đáp ứng trên công suất nhiễu; số phần tử phản xạ của RIS; số lượng máy thu sơ cấp; khả năng triệt nhiễu vòng lặp do truyền song công; khoảng cách giữa RIS và hai nguồn; và khoảng cách giữa máy thu sơ cấp và hai nguồn.

Bên cạnh đó, với mục đích tiết kiệm năng lượng cho các mạng không dây chi phí thấp và hạn chế về tài nguyên như Mạng Cảm Biến Không Dây (WSN: Wireless Sensor Network) và mạng Internet vạn vật (IoT: Internet of Things), mô hình thứ ba được đề xuất là mạng hợp tác hai chiều có khả năng thu hoạch năng lượng (EH: Energy Harverting) thông qua tín hiệu vô tuyến tại thiết bị chuyển tiếp. Và thực tế là 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. Tóm lại, ba mô hình và giao thức được đề xuất của mạng hợp tác hai chiều đã cải thiện các tiêu chí đánh giá hiệu năng khác nhau như giảm xác suất dừng, tăng thông lượng, tăng hiệu quả sử dụng phổ, hiệu quả sử dụng năng lượng hoặc giảm chi phí khi triển khai hệ thống.

Các tiêu chí đánh giá hiệu năng của tất cả các mô hình và giao thức đều được phân tích đánh giá bằng phương pháp toán học và được kiểm chứng bằng mô phỏng Monte Carlo. Các biểu thức toán học được biểu diễn dạng tường minh chính xác, gần đúng và tiếp cận mang lại cái nhìn tổng quan trong việc đánh giá và tối ưu hệ thống khi quy hoạch và thiết kế mạng. Cuối cùng các kết quả đã được biện luận để nổi bật các ưu điểm của mô hình được đề xuất. v ABSTRACT The main content of the dissertation is the proposal of three new models and protocols to enhance the performance of two-way cooperative networks in both conventional radio and the underlay cognitive radio environments.

Additionally, the models considered under hypothetical conditions are more realistic than those in the previous works. The first model is a two-way cooperative network consisting of two sources and a cluster of relay devices. The model employs partial Relay Selection (RS), Successive Interference Cancellation (SIC) and Digital Network Coding (DNC) techniques. The model is investigated under both ideal and real conditions of SIC and Channel State Information (CSI).

The partial RS method helps to minimize the time for collecting CSI. The SIC and DNC techniques reduce the number of time slots required for data transmission and reception. The results show that the system Throughput (TP) has improved compared to the case where these techniques are not combined. Besides, the model achieves the maximum throughput at specific positions of the relay cluster by selecting suitable values of power coefficients for the two sources.

The next model is a two-way cooperative network in the underlay cognitive radio environment using a Reconfigurable Intelligent Surface (RIS). The model consists of two secondary sources that transmit signals to each other, operating in Full- Duplex (FD) mode and under interference-limited conditions of a Primary Receiver (PR) cluster. The advantage of RIS compared to traditional relay devices is that RIS requires almost no energy when operating, has no complicated hardware and operates across all frequency bands, thus saving energy, deployment, and operational costs. Additionally, Cognitive Radio (CR) technology helps to improve spectrum efficiency.

The model has been analyzed under the realistic condition that exists the residual loop-back interference in the receiving antenna of two secondary vi sources due to the FD mode. The Outage Probability (OP) of two secondary sources is investigated and evaluated through parameters: the maximum interference power to plus noise ratio that PRs can decode information in the primary network; the maximum signal-to- plus-noise ratio that the secondary sources hardware can satisfy; the number of metasurfaces; the number of primary receivers; the loop interference suppression ability of FD transmission; the distances between the RIS and two secondary sources; and the distances between the PR cluster and two secondary sources. Moreover, to save energy for low-cost and resource-constrained wireless networks such as wireless sensor networks (WSN) and the Internet of Things (IoT), the third proposed model is a two-way cooperative network with energy harvesting (EH) capability through wireless signals at the relay. In reality, the components in the energy harvesting device are nonlinear.

Therefore, the model considers nonlinear EH with the power splitting method. The research results show the existence of an optimal power allocation ratio for the system to achieve the minimum outage probability. In summary, three proposed models and protocols for the two-way cooperative network have improved various performance criteria such as reducing outage probability, increasing throughput, improving spectrum utilization efficiency, enhancing energy efficiency, and minimizing cost during deployment. The performance evaluation criteria of the models and protocols are investigated through mathematical analysis and verified through Monte Carlo simulations.

The mathematical expressions are expressed in exact, approximate and asymptotic forms to help network planners and designers have an overview in the system evaluation and optimization. Finally, the results were discussed to highlight the advantages of the proposed models. vii MỤC LỤC LÝ LỊCH CÁ NHÂN. i LỜI CAM ĐOAN.

ii LỜI CẢM TẠ. iv MỤC LỤC.viii DANH SÁCH HÀM TOÁN HỌC. xii DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT.xiii DANH SÁCH CÁC HÌNH.xvi DANH SÁCH CÁC BẢNG.xix MỞ ĐẦU. Lý do chọn đề tài.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu. Cấu trúc của luận án. TỔNG QUAN NHỮNG VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.