Tổng quan về luận án

Luận án tập trung vào việc thiết kế và phân tích các giao thức mới nhằm nâng cao hiệu năng của mạng hợp tác hai chiều (Two-Way Cooperative Network - TWCN) trong các môi trường vô tuyến đa dạng, bao gồm cả môi trường vô tuyến thông thường và vô tuyến nhận thức dạng nền. Nghiên cứu này xuất phát từ bối cảnh khoa học hiện đại, nơi sự bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và các ứng dụng IoT đã thúc đẩy nhu cầu về các giải pháp truyền thông vô tuyến hiệu quả, đòi hỏi khả năng sử dụng hiệu quả năng lượng (Energy Efficiency - EE), phổ tần (Spectral Efficiency - SE), tăng dung lượng, cải thiện tốc độ dữ liệu, giảm độ trễ và nâng cao chất lượng dịch vụ. Mạng vô tuyến hợp tác được xác định là một giải pháp then chốt để giải quyết những thách thức này, nhờ khả năng giảm suy hao đường truyền, tăng thông lượng điểm truy cập mạng và mở rộng vùng phủ sóng [1, 2]. Đặc biệt, mạng hai chiều mang lại lợi thế vượt trội về hiệu quả sử dụng phổ tần so với mạng một chiều, do cho phép hai thiết bị đồng thời truyền và nhận thông tin cho nhau [3].

Research Gap SPECIFIC với citations từ literature: Mặc dù đã có nhiều công trình nghiên cứu về mạng hợp tác hai chiều, một khoảng trống đáng kể tồn tại trong việc phân tích hiệu năng hệ thống dưới các điều kiện thực tế và phức tạp. Cụ thể, "đa số các nghiên cứu còn giả định hệ thống hoạt động trong các điều kiện lý tưởng" (trang 18), điều này có thể dẫn đến đánh giá hiệu năng không phản ánh chính xác thực tế triển khai. Các công bố trước đây thường bỏ qua các yếu tố như thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo (imperfect Channel State Information - ipCSI), triệt can nhiễu tuần tự không hoàn hảo (imperfect Successive Interference Cancellation - ipSIC), nhiễu vòng lặp còn tồn tại trong truyền song công, và đặc tính phi tuyến của mạch thu hoạch năng lượng (Nonlinear Energy Harvesting - NEH) [2, 17, 27, 29, 36, 45]. Hơn nữa, mặc dù công nghệ Bề mặt phản xạ thông minh (Reconfigurable Intelligent Surface - RIS) hứa hẹn nhiều tiềm năng, nhưng "các nghiên cứu sử dụng RIS trong mạng hai chiều vẫn còn ở mức sơ khai" [57, 58] (trang 18), đặc biệt là trong môi trường vô tuyến nhận thức. Cuối cùng, "thu hoạch năng lượng phi tuyến chưa được nghiên cứu một cách toàn diện trong mạng vô tuyến hai chiều" (trang 13), bỏ qua một khía cạnh quan trọng đối với các mạng bị hạn chế tài nguyên như Mạng Cảm biến Không dây (Wireless Sensor Network - WSN) và Internet Vạn vật (IoT). Nghiên cứu này đóng góp vào việc lấp đầy các khoảng trống này bằng cách đề xuất và phân tích các mô hình và giao thức dưới các giả định gần với thực tế hơn, mang lại cái nhìn toàn diện và sâu sắc hơn về hiệu năng mạng.

Research questions và hypotheses: Luận án được dẫn dắt bởi các câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết sau:

  1. RQ1: Làm thế nào để kết hợp các kỹ thuật mã hóa mạng số (Digital Network Coding - DNC), triệt can nhiễu tuần tự (SIC) và lựa chọn thiết bị chuyển tiếp (Relay Selection - RS) để tối ưu hóa thông lượng và giảm xác suất dừng trong mạng hợp tác hai chiều dưới điều kiện ipSIC và ipCSI?
    • Hypothesis 1.1: Việc tích hợp DNC, SIC và RS bán phần sẽ giảm đáng kể số khe thời gian truyền và cải thiện thông lượng hệ thống so với các giao thức thông thường, ngay cả dưới điều kiện kênh truyền không hoàn hảo.
    • Hypothesis 1.2: Tồn tại một cấu hình tối ưu về hệ số phân chia công suất và vị trí cụm thiết bị chuyển tiếp để đạt thông lượng cực đại trong các giao thức đề xuất.
  2. RQ2: Công nghệ RIS có thể được tích hợp hiệu quả vào mạng vô tuyến nhận thức hai chiều dạng nền hoạt động song công như thế nào để cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần và năng lượng, đồng thời quản lý hiệu quả nhiễu vòng lặp và ràng buộc can nhiễu từ các máy thu sơ cấp?
    • Hypothesis 2.1: Sử dụng RIS trong mạng vô tuyến nhận thức hai chiều dạng nền sẽ giảm xác suất dừng đáng kể, tăng hiệu quả phổ và năng lượng so với các thiết bị chuyển tiếp truyền thống, ngay cả khi có nhiễu vòng lặp đáng kể.
    • Hypothesis 2.2: Hiệu năng hệ thống (xác suất dừng) sẽ bị ảnh hưởng bởi số lượng phần tử phản xạ của RIS, khả năng triệt nhiễu vòng lặp, và vị trí tương đối của RIS, nguồn thứ cấp và máy thu sơ cấp.
  3. RQ3: Việc tích hợp thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH) thông qua tín hiệu vô tuyến vào mạng hợp tác hai chiều, sử dụng phương pháp phân chia công suất (Power Splitting - PSR) và mã hóa mạng số, có thể tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm xác suất dừng cho các mạng hạn chế tài nguyên như thế nào?
    • Hypothesis 3.1: Việc xem xét đặc tính phi tuyến của mạch thu hoạch năng lượng sẽ dẫn đến một hệ số phân bổ công suất tối ưu duy nhất để đạt xác suất dừng nhỏ nhất trong mạng hợp tác hai chiều EH.
    • Hypothesis 3.2: Giao thức NEH-TW-DNC đề xuất sẽ mang lại hiệu quả năng lượng cao hơn và xác suất dừng thấp hơn cho các mạng WSN và IoT so với các phương pháp EH tuyến tính hoặc không tối ưu công suất.

Theoretical framework với tên theories cụ thể: Luận án được xây dựng dựa trên nền tảng của nhiều lý thuyết và nguyên lý cốt lõi trong truyền thông vô tuyến:

  • Lý thuyết truyền thông hợp tác (Cooperative Communication Theory): Nền tảng cho việc sử dụng các thiết bị chuyển tiếp để tạo ra sự đa dạng về không gian, giảm thiểu ảnh hưởng của fading và suy hao đường truyền [13].
  • Lý thuyết mã hóa mạng (Network Coding Theory): Cụ thể là mã hóa mạng số (DNC), được áp dụng để tăng thông lượng bằng cách giảm số khe thời gian cần thiết cho truyền nhận thông tin hai chiều, theo nguyên tắc kết hợp tín hiệu tại thiết bị chuyển tiếp (xR=x1x2) [16].
  • Lý thuyết thông tin (Information Theory): Được sử dụng để định lượng các tiêu chí hiệu năng như xác suất dừng (Outage Probability) và thông lượng (Throughput), thông qua việc phân tích tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) và tỉ số tín hiệu trên can nhiễu cộng nhiễu nội (SINR).
  • Lý thuyết xử lý tín hiệu (Signal Processing Theory): Đặc biệt là kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự (SIC) và mã hóa xếp chồng (Superposition Coding), để quản lý can nhiễu và giải mã tín hiệu trong môi trường đa người dùng hoặc đa tín hiệu [6, 7].
  • Lý thuyết vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Theory): Tập trung vào mô hình dạng nền (underlay), cho phép mạng thứ cấp chia sẻ phổ tần với mạng sơ cấp trong giới hạn can nhiễu cho phép [9].
  • Vật lý sóng vô tuyến và điện từ học: Nền tảng cho việc phân tích hoạt động của RIS, bao gồm các nguyên lý phản xạ, điều khiển pha và hình thành chùm tia thông qua các phần tử phản xạ thụ động [48, 49].
  • Lý thuyết thu hoạch năng lượng (Energy Harvesting Theory): Đặc biệt là mô hình phi tuyến, mô tả khả năng chuyển đổi năng lượng từ sóng vô tuyến thành điện năng DC, có tính đến ngưỡng bão hòa của mạch thu [45, 87].

Đóng góp đột phá với quantified impact: Luận án tạo ra nhiều đóng góp đột phá về cả lý thuyết và thực tiễn, có thể định lượng hóa tác động như sau:

  1. Phát triển các giao thức tích hợp hiệu năng cao dưới điều kiện thực tế: Đề xuất ba mô hình và giao thức mới cho mạng hợp tác hai chiều, đã được chứng minh là "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" (Tóm tắt, trang v). Cụ thể, việc kết hợp DNC, SIC và RS bán phần trong mô hình đầu tiên đã "giảm số khe thời gian truyền nhận dữ liệu" và cho thấy "thông lượng hệ thống (TP) được cải thiện so với trường hợp không sử dụng kết hợp các kỹ thuật trên" (Tóm tắt, trang iv). Đối với giao thức SIC-2TS, SIC-3TS và CONV-4TS, nghiên cứu chỉ ra sự gia tăng thông lượng đáng kể khi giảm số khe thời gian và áp dụng các kỹ thuật tiên tiến.
  2. Tiên phong tích hợp RIS vào mạng vô tuyến nhận thức hai chiều dạng nền: Luận án đề xuất mô hình MPR-UTW-RIS, giải quyết thách thức quản lý nhiễu vòng lặp thực tế trong chế độ song công và ràng buộc can nhiễu từ cụm máy thu sơ cấp. Đóng góp này mang lại lợi ích kép: "tăng hiệu quả sử dụng phổ, tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí đầu tư ban đầu" (trang 13) so với thiết bị chuyển tiếp truyền thống, đồng thời "nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần" thông qua công nghệ vô tuyến nhận thức (Tóm tắt, trang iv). Các phân tích cho thấy việc tối ưu hóa số phần tử phản xạ của RIS và vị trí của nó có thể giảm xác suất dừng đáng kể.
  3. Phân tích toàn diện thu hoạch năng lượng phi tuyến trong mạng hợp tác hai chiều: Nghiên cứu đã mô hình hóa và phân tích hoạt động của mạng hợp tác hai chiều có khả năng thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH) tại thiết bị chuyển tiếp, sử dụng phương pháp phân chia công suất (PSR). Kết quả chỉ ra "tồn tại hệ số phân bổ công suất tối ưu để hệ thống có xác suất dừng nhỏ nhất" (Tóm tắt, trang v), một đóng góp quan trọng cho thiết kế các mạng không dây chi phí thấp và hạn chế tài nguyên như WSN và IoT, giúp kéo dài thời gian hoạt động của thiết bị.
  4. Cung cấp bộ công cụ phân tích toán học chính xác và toàn diện: Luận án đã xây dựng "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" (Tóm tắt, trang v) cho các tiêu chí hiệu năng (xác suất dừng, thông lượng). Điều này cung cấp một công cụ lý thuyết mạnh mẽ cho cộng đồng nghiên cứu và các kỹ sư thiết kế mạng, cho phép họ dự đoán và tối ưu hóa hiệu năng hệ thống dưới các điều kiện vận hành thực tế.

Scope (sample size, timeframe) và significance: Phạm vi nghiên cứu tập trung vào ba mô hình mạng hợp tác hai chiều riêng biệt: một mạng dùng cụm thiết bị chuyển tiếp với DNC/SIC, một mạng dùng RIS trong môi trường vô tuyến nhận thức, và một mạng dùng thu hoạch năng lượng phi tuyến.

  • Sample size: Các mô hình nghiên cứu bao gồm hai nguồn (S1, S2), một cụm thiết bị chuyển tiếp (hoặc một RIS), và trong trường hợp vô tuyến nhận thức, một cụm máy thu sơ cấp (Primary Receiver - PRs). Số lượng thiết bị chuyển tiếp trong cụm, số phần tử phản xạ của RIS, và số lượng PRs được xem xét như các tham số biến đổi trong phân tích hiệu năng (Tóm tắt, trang iv-v).
  • Timeframe: Mặc dù không nêu rõ thời gian mô phỏng hoặc triển khai thực tế, nghiên cứu tập trung vào việc phân tích các giao thức truyền nhận tín hiệu diễn ra trong các "khe thời gian" (Time Slot - TS) cụ thể, từ 1 khe thời gian đến 4 khe thời gian, để đánh giá hiệu quả về thời gian và thông lượng [14, 16, 17, 19, 70].
  • Significance: Luận án có ý nghĩa khoa học sâu sắc và giá trị thực tiễn cao. Về mặt khoa học, nó mở rộng ranh giới nghiên cứu về mạng hợp tác hai chiều bằng cách tích hợp các kỹ thuật tiên tiến và phân tích chúng dưới các điều kiện thực tế chưa được khảo sát đầy đủ. Về mặt thực tiễn, các giao thức và mô hình được đề xuất có thể "là tiền đề cho các nghiên cứu nâng cao hiệu năng cho các mạng trong thực tế như mạng IoT, mạng không đồng nhất, mạng cảm biến không dây và mạng Ad Hoc" (trang 2), cung cấp giải pháp cho các công ty sản xuất thiết bị viễn thông để "cung cấp chất lượng dịch vụ tốt hơn cho khách hàng" (trang 2), thông qua việc tăng thông lượng, giảm xác suất dừng, tăng hiệu quả sử dụng phổ và năng lượng, và giảm chi phí triển khai.

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu về mạng hợp tác hai chiều (TWCN) đã phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây, tập trung vào việc nâng cao hiệu năng thông qua các kỹ thuật tiên tiến. Luận án này đã tiến hành tổng hợp kỹ lưỡng các dòng nghiên cứu chính, từ mã hóa mạng số (DNC), đa truy cập phi trực giao (NOMA), lựa chọn thiết bị chuyển tiếp (RS), thu hoạch năng lượng (EH), đến bề mặt phản xạ thông minh (RIS) và công nghệ vô tuyến nhận thức (CR).

Synthesis của major streams với TÊN TÁC GIẢ và NĂM cụ thể:

  1. Mã hóa mạng số (DNC): Nhiều tác giả như [12, 15-19] đã chứng minh rằng DNC có thể "giúp giảm số khe thời gian truyền nhận thông tin dẫn đến giảm tổng thời gian truyền và tăng hiệu quả sử dụng băng thông, tăng thông lượng hệ thống" (trang 9). Cụ thể, các nghiên cứu của [16, 17] khảo sát mô hình ba khe thời gian dùng thiết bị chuyển tiếp DF và DNC. Công trình của [18] thậm chí đề xuất mô hình hai khe thời gian kết hợp giải mã-chuyển tiếp. Tuy nhiên, các nghiên cứu này thường giả định điều kiện lý tưởng cho triệt can nhiễu và thông tin trạng thái kênh truyền.
  2. Đa truy cập phi trực giao (NOMA): NOMA được công nhận là kỹ thuật giúp "tăng dung lượng hệ thống và tăng tính công bằng giữa các thiết bị người dùng" [6, 7]. Các nghiên cứu quốc tế như [27, 28] đã phân tích hiệu năng TWCN DF dùng NOMA ở chế độ FD dưới pSIC và ipSIC, cho thấy hiệu quả phổ được cải thiện. Trong nước, [69] và [70] cũng khảo sát NOMA trong TWCN DF ở chế độ HD và kết hợp NOMA đường lên với DNC đường xuống, chỉ ra hiệu quả phổ tần tốt hơn.
  3. Lựa chọn thiết bị chuyển tiếp (RS): Để tăng độ tin cậy và giảm xác suất dừng, cụm thiết bị chuyển tiếp đã được sử dụng. Các nghiên cứu như [32, 33] phân tích hiệu năng TWCN dùng cụm chuyển tiếp AF, với các phương pháp RS như lựa chọn tối ưu hoặc Max-Min BER. [34] đã nghiên cứu RS tối ưu gần đúng để tăng tốc độ bảo mật. Các công trình trong nước như [66, 67, 68] cũng tập trung vào các phương pháp RS bán phần hoặc toàn phần để tối ưu SNR, tỉ lệ bảo mật, hoặc độ lợi kênh truyền.
  4. Thu hoạch năng lượng (EH): EH là giải pháp quan trọng cho các mạng hạn chế tài nguyên như WSN và IoT [35]. Các công bố quốc tế như [36-39] đã khảo sát EH trong TWCN, với các giao thức phân chia thời gian (TSR) và phân chia công suất (PSR), cho thấy tiềm năng tăng thông lượng hoặc tối ưu dung lượng bảo mật. Trong nước, [74, 75, 76] cũng nghiên cứu EH trong TWCN DF/AF. Gần đây, EH phi tuyến (NEH) đã được quan tâm hơn, với các nghiên cứu như [44-47] trên thế giới và [82] trong nước, nhằm phản ánh thực tế mạch EH.
  5. Bề mặt phản xạ thông minh (RIS): RIS là công nghệ mới nổi hứa hẹn "tăng hiệu quả năng lượng và tiết kiệm chi phí triển khai" [10]. Các công bố quốc tế như [57, 58] đã bắt đầu phân tích xác suất dừng và thông lượng của TWCN dùng RIS, dù còn "ở mức sơ khai" (trang 14). Các nghiên cứu [59, 60] tập trung vào tối ưu hóa ma trận tiền mã hóa và hệ số phản xạ/dịch pha để tối đa hóa tốc độ hoặc SNR.
  6. Vô tuyến nhận thức (CR): CR giúp "nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần" bằng cách cho phép mạng thứ cấp dùng chung phổ với mạng sơ cấp [9]. Các nghiên cứu quốc tế như [61, 62, 63] đã phân tích OP của TWCN với cụm chuyển tiếp trong môi trường CR dạng nền. Trong nước, [72, 73] cũng nghiên cứu CR trong TWCN, đôi khi kết hợp với NOMA và DNC.

Contradictions/debates với ít nhất 2 opposing views: Một điểm tranh luận chính trong các nghiên cứu về mạng hợp tác là sự cân bằng giữa hiệu năng hệ thống và tính thực tế của các giả định.

  • Vấn đề 1: Lý tưởng vs. Thực tế: Nhiều nghiên cứu, đặc biệt là trong giai đoạn đầu, đã giả định các điều kiện lý tưởng như pSIC, pCSI, và mạch EH tuyến tính [16, 17, 76]. Tuy nhiên, một số nghiên cứu khác [27, 29, 44, 45] đã bắt đầu xem xét các điều kiện không hoàn hảo (ipSIC, ipCSI, NEH), cho thấy sự suy giảm hiệu năng đáng kể so với dự đoán lý thuyết. Luận án này đứng về phía cần xem xét các điều kiện thực tế hơn, nhấn mạnh rằng "cần xem xét trong các điều kiện thực tế hơn để đánh giá hệ thống một cách toàn diện hơn" (trang 18), để cung cấp các giải pháp có thể triển khai được.
  • Vấn đề 2: Độ phức tạp vs. Lợi ích: Các giao thức phức tạp hơn như DNC, NOMA, hoặc các phương pháp RS toàn phần có thể mang lại hiệu năng cao hơn nhưng lại yêu cầu xử lý tín hiệu phức tạp, thời gian thu thập CSI dài hơn, và tăng độ trễ. Chẳng hạn, [68] đã so sánh RS bán phần và toàn phần, cho thấy RS toàn phần mang lại kết quả toàn diện hơn nhưng xử lý phức tạp. Ngược lại, RS bán phần trong [86] và [81] giảm độ phức tạp. Luận án này tìm cách cân bằng, như trong mô hình đầu tiên, sử dụng RS bán phần để "giảm thiểu thời gian thu thập các CSI" (Tóm tắt, trang iv) trong khi vẫn tận dụng lợi ích của DNC và SIC.

Positioning trong literature với specific gap identified: Luận án định vị mình là một trong những nghiên cứu tiên phong trong việc giải quyết các khoảng trống quan trọng đã được xác định:

  1. Phân tích toàn diện dưới điều kiện không lý tưởng: Khác với nhiều công trình giả định lý tưởng [16, 17, 76], luận án đi sâu vào phân tích hiệu năng của TWCN dưới các điều kiện thực tế hơn như ipSIC, ipCSI (Chương 3), nhiễu vòng lặp còn tồn tại trong truyền song công (Chương 4), và thu hoạch năng lượng phi tuyến (Chương 5). Điều này cung cấp một cái nhìn chân thực hơn về khả năng hoạt động của hệ thống trong thế giới thực.
  2. Ứng dụng RIS trong TWCN CR dạng nền với nhiễu vòng lặp: Trong khi các nghiên cứu về RIS trong TWCN còn sơ khai [57, 58], và các nghiên cứu CR-TWCN thường dùng thiết bị chuyển tiếp truyền thống [61, 62], luận án là một trong những công trình đầu tiên kết hợp RIS vào mạng vô tuyến nhận thức hai chiều dạng nền, đồng thời xử lý thách thức của nhiễu vòng lặp khi hoạt động song công.
  3. Tối ưu hóa NEH cho mạng hạn chế tài nguyên: Mặc dù NEH đã được khảo sát trong một số nghiên cứu [45, 46], luận án này đặc biệt tập trung vào việc xác định "hệ số phân bổ công suất tối ưu để hệ thống có xác suất dừng nhỏ nhất" (Tóm tắt, trang v) cho các mạng WSN và IoT, giải quyết một vấn đề quan trọng về hiệu quả năng lượng cho các thiết bị bị hạn chế về tài nguyên.

How this advances field với concrete contributions: Nghiên cứu này thúc đẩy lĩnh vực truyền thông vô tuyến bằng cách:

  • Mở rộng mô hình hiệu năng: Cung cấp các công thức toán học "tường minh chính xác, gần đúng và tiếp cận" (Tóm tắt, trang v) cho các tiêu chí hiệu năng dưới các điều kiện phức tạp, cho phép các nhà nghiên cứu và kỹ sư đánh giá và tối ưu hóa hệ thống một cách đáng tin cậy hơn.
  • Cung cấp giải pháp cho các thách thức thực tế: Các giao thức được đề xuất giải quyết trực tiếp các vấn đề về băng thông hạn chế, năng lượng tiêu thụ, và can nhiễu trong môi trường thực tế, từ đó mở đường cho việc triển khai các mạng 5G/6G tiên tiến hơn.
  • Khám phá tiềm năng của công nghệ mới: Thể hiện tiềm năng to lớn của RIS trong việc cải thiện đáng kể hiệu năng của TWCN và CR, cung cấp các hướng dẫn cụ thể về thiết kế và tối ưu hóa hệ thống dựa trên RIS.

So sánh với ÍT NHẤT 2 international studies:

  1. So với [27] (NOMA FD TWCN): Công bố của [27] phân tích hiệu năng của mạng hợp tác hai chiều DF dùng NOMA ở chế độ FD và xem xét cả pSIC/ipSIC. Luận án này, đặc biệt trong Chương 3, cũng khảo sát các điều kiện ipSIC/ipCSI, nhưng mở rộng bằng cách tích hợp DNC và RS bán phần. Trong khi [27] tập trung vào lợi ích của NOMA, luận án này cho thấy sự kết hợp của DNC, SIC, và RS bán phần có thể mang lại "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" (Tóm tắt, trang iv), cung cấp một khía cạnh tối ưu hóa khác ngoài NOMA.
  2. So với [57] và [58] (RIS TWCN): Các tác giả trong [57] và [58] đã phân tích xác suất dừng và thông lượng của TWCN sử dụng RIS, với [58] xem xét cả kênh truyền tương hỗ và không tương hỗ. Tuy nhiên, các công trình này thường giả định môi trường truyền thống hoặc không đi sâu vào các ràng buộc của vô tuyến nhận thức và thách thức cụ thể của nhiễu vòng lặp trong FD. Luận án này (Chương 4) vượt trội bằng cách tích hợp RIS vào môi trường vô tuyến nhận thức hai chiều dạng nền, và đặc biệt "phân tích hệ thống trong điều kiện thực tế còn tồn tại nhiễu vòng lặp ở anten thu của hai nguồn thứ cấp do truyền song công" (Tóm tắt, trang iv-v), cung cấp một mô hình phức tạp và thực tế hơn nhiều cho việc triển khai RIS.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Luận án này không chỉ nâng cao hiệu năng mạng hợp tác hai chiều mà còn mở rộng và thách thức các lý thuyết hiện có thông qua việc phát triển một khung phân tích độc đáo.

Đóng góp cho lý thuyết

  • Extend/challenge WHICH specific theories (name theorists):

    • Lý thuyết mã hóa mạng (Network Coding Theory) của Ahlswede et al. (2000): Luận án mở rộng lý thuyết mã hóa mạng bằng cách tích hợp nó một cách hiệu quả với kỹ thuật triệt can nhiễu tuần tự (SIC) và lựa chọn thiết bị chuyển tiếp (RS) bán phần trong môi trường mạng hợp tác hai chiều. Cụ thể, trong Chương 3, việc áp dụng Mã hóa mạng số (DNC) cùng với SIC và RS bán phần cho phép giảm số khe thời gian truyền tín hiệu, một sự mở rộng đáng kể so với các mô hình DNC cơ bản thường được nghiên cứu trong các điều kiện lý tưởng như trong [16, 17]. Luận án chứng minh rằng ngay cả dưới điều kiện "ipSIC và ipCSI", các giao thức mới vẫn duy trì được ưu điểm về thông lượng, thách thức quan điểm rằng hiệu quả DNC chỉ tối ưu trong môi trường lý tưởng.
    • Lý thuyết truyền thông hợp tác (Cooperative Communication Theory) của Sendonaris et al. (1998) và Laneman et al. (2004): Luận án làm sâu sắc thêm lý thuyết truyền thông hợp tác bằng cách đưa vào các yếu tố thực tế như RIS và thu hoạch năng lượng phi tuyến. Thay vì chỉ sử dụng các thiết bị chuyển tiếp truyền thống (AF/DF) như trong các nghiên cứu ban đầu [13, 14], luận án khám phá khả năng của RIS như một thiết bị hỗ trợ truyền thông thụ động, gần như không năng lượng, và có khả năng cấu hình môi trường truyền sóng. Điều này mở rộng phạm vi ứng dụng của lý thuyết truyền thông hợp tác sang các kiến trúc mạng mới.
    • Lý thuyết vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Theory) của Mitola III (1999) và Haykin (2005): Luận án đóng góp vào lý thuyết vô tuyến nhận thức bằng cách tích hợp RIS vào mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền hai chiều. Nghiên cứu này không chỉ khám phá việc chia sẻ phổ tần mà còn giải quyết các thách thức thực tế như nhiễu vòng lặp còn tồn tại trong truyền song công của mạng thứ cấp và ràng buộc can nhiễu đến các máy thu sơ cấp. Điều này bổ sung một lớp phức tạp và thực tế mới cho việc hiểu và thiết kế các hệ thống CR tiên tiến.

  • Conceptual framework với components và relationships: Khung khái niệm của luận án được xây dựng dựa trên ba trụ cột chính, mỗi trụ cột là một mô hình mạng hợp tác hai chiều tiên tiến:

    1. Mạng hợp tác hai chiều với DNC, SIC và RS (Chương 3):
      • Components: Hai nguồn (S1, S2), một cụm thiết bị chuyển tiếp (R), kỹ thuật DNC, kỹ thuật SIC, và phương pháp RS bán phần.
      • Relationships: S1 và S2 truyền tín hiệu qua cụm R. R lựa chọn thiết bị chuyển tiếp tối ưu, thực hiện DNC, và chuyển tiếp lại. S1/S2 sử dụng SIC để giải mã tín hiệu. Mối quan hệ này được phân tích dưới điều kiện ipSIC và ipCSI.
    2. Mạng vô tuyến nhận thức hai chiều dùng RIS (Chương 4):
      • Components: Hai nguồn thứ cấp (S1, S2), một bề mặt phản xạ thông minh (RIS), một cụm máy thu sơ cấp (PRs), và hoạt động ở chế độ truyền song công (FD).
      • Relationships: S1 và S2 giao tiếp qua RIS trong môi trường dạng nền, chịu sự ràng buộc can nhiễu từ PRs. RIS điều khiển pha tín hiệu để tối ưu đường truyền. Mô hình đặc biệt chú trọng mối quan hệ phức tạp của nhiễu vòng lặp còn tồn tại.
    3. Mạng hợp tác hai chiều với thu hoạch năng lượng phi tuyến (Chương 5):
      • Components: Hai nguồn (S1, S2), thiết bị chuyển tiếp có khả năng thu hoạch năng lượng (EH Relay), thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH), phương pháp phân chia công suất (PSR), và DNC.
      • Relationships: Thiết bị chuyển tiếp thu năng lượng từ tín hiệu vô tuyến của các nguồn bằng NEH và PSR, sau đó dùng năng lượng này để thực hiện DNC và chuyển tiếp tín hiệu. Mối quan hệ giữa năng lượng thu hoạch, phân bổ công suất và xác suất dừng được tối ưu hóa.

  • Theoretical model với propositions/hypotheses numbered: (Đã trình bày trong phần Tổng quan)

  • Paradigm shift với EVIDENCE từ findings: Luận án này đề xuất một sự thay đổi mô hình (paradigm shift) trong nghiên cứu mạng hợp tác hai chiều từ việc dựa trên các giả định lý tưởng sang một cách tiếp cận toàn diện hơn, tích hợp các yếu tố thực tế và công nghệ mới.

    • Evidence 1 (Từ Lý tưởng sang Thực tế): Việc phân tích các giao thức dưới điều kiện "thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo; điều kiện triệt can nhiễu tuần tự không hoàn hảo; còn tồn tại nhiễu vòng lặp... và thu hoạch năng lượng phi tuyến" (trang 2-3) thách thức các mô hình truyền thống. Thay vì lý tưởng hóa các kênh truyền và hoạt động của thiết bị, luận án chứng minh rằng "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" (Tóm tắt, trang iv), dẫn đến các biểu thức hiệu năng chính xác hơn.
    • Evidence 2 (Từ Thiết bị truyền thống sang Công nghệ mới): Việc tích hợp RIS như một "thiết bị hỗ trợ truyền thông tin mới" (trang 13) thay thế cho thiết bị chuyển tiếp truyền thống (AF/DF) đại diện cho một sự thay đổi lớn. RIS mang lại ưu điểm là "gần như không cần năng lượng khi hoạt động, không có phần cứng phức tạp, tiết kiệm chi phí triển khai và vận hành" (Tóm tắt, trang iv), thay đổi cách chúng ta nghĩ về việc mở rộng vùng phủ sóng và cải thiện hiệu năng.
    • Evidence 3 (Từ Hiệu năng thuần túy sang Hiệu quả toàn diện): Luận án chuyển trọng tâm từ việc chỉ tối ưu hóa thông lượng hoặc xác suất dừng sang tối ưu hóa "hiệu quả sử dụng phổ, hiệu quả sử dụng năng lượng hoặc giảm chi phí" (Tóm tắt, trang v). Điều này đặc biệt rõ ràng trong việc xem xét NEH cho WSN/IoT, nơi hiệu quả năng lượng là tối quan trọng, thể hiện một cái nhìn toàn diện hơn về thiết kế mạng bền vững.

Khung phân tích độc đáo

  • Integration của theories (name 3+ specific theories): Khung phân tích của luận án là độc đáo bởi sự tích hợp sâu sắc và đồng thời nhiều lý thuyết tiên tiến:

    1. Lý thuyết mã hóa mạng và Lý thuyết xử lý tín hiệu: Kết hợp DNC (từ Lý thuyết mã hóa mạng) với SIC (từ Lý thuyết xử lý tín hiệu) và RS bán phần để tối ưu hóa truyền thông hai chiều dưới điều kiện không hoàn hảo.
    2. Lý thuyết vô tuyến nhận thức và Vật lý sóng vô tuyến: Tích hợp RIS (từ vật lý sóng vô tuyến) vào khung vô tuyến nhận thức dạng nền, đồng thời xử lý các thách thức của truyền song công và nhiễu vòng lặp.
    3. Lý thuyết thu hoạch năng lượng và Lý thuyết thông tin: Kết hợp mô hình thu hoạch năng lượng phi tuyến với các nguyên tắc tối ưu hóa thông lượng/xác suất dừng để thiết kế mạng tự bền vững cho các thiết bị hạn chế tài nguyên.

  • Novel analytical approach với justification:

    • Tiếp cận: Luận án sử dụng một phương pháp phân tích "đa cấp" (multi-faceted analytical approach) kết hợp các phân tích toán học chính xác, xấp xỉ và tiệm cận. Điều này cho phép "mang lại cái nhìn tổng quan trong việc đánh giá và tối ưu hệ thống khi quy hoạch và thiết kế mạng" (Tóm tắt, trang v). Phương pháp này đặc biệt phù hợp khi các biểu thức chính xác quá phức tạp để sử dụng trực tiếp trong tối ưu hóa hoặc thiết kế.
    • Justification: Sự kết hợp này được biện minh bởi tính phức tạp của các mô hình thực tế. Ví dụ, việc tích hợp nhiều kỹ thuật (DNC, SIC, RS) hoặc xem xét các yếu tố không lý tưởng (ipSIC, ipCSI, NEH, nhiễu vòng lặp) thường dẫn đến các hàm phân bố xác suất hoặc biểu thức thông lượng không có dạng đóng đơn giản. Phương pháp này cung cấp các công cụ khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu về độ chính xác và khả năng tính toán.

  • Conceptual contributions với definitions:

    • Giao thức SIC-2TS, SIC-3TS, CONV-4TS: Các giao thức mới được định nghĩa rõ ràng về số khe thời gian và kỹ thuật tích hợp (DNC, SIC, RS bán phần) để nâng cao thông lượng trong TWCN.
    • Mô hình MPR-UTW-RIS: Một mô hình mạng vô tuyến nhận thức hai chiều sử dụng RIS được định nghĩa là MPR-UTW-RIS (Multi-Primary Receiver Underlay Two-Way RIS-assisted).
    • Mô hình NEH-TW-DNC: Mô hình mạng hợp tác hai chiều có thu hoạch năng lượng phi tuyến được định nghĩa là NEH-TW-DNC, tích hợp PSR và DNC.
    • Hệ số phân bổ công suất tối ưu (Optimal Power Allocation Ratio): Một khái niệm mới được định nghĩa và tìm ra trong ngữ cảnh của thu hoạch năng lượng phi tuyến, nhằm đạt được "xác suất dừng nhỏ nhất" (Tóm tắt, trang v).

  • Boundary conditions explicitly stated:

    • Môi trường kênh truyền: Tất cả các mô hình được phân tích trong điều kiện "kênh truyền fading Rayleigh có phân bố i.i.d." (trang 4).
    • Loại thiết bị chuyển tiếp: Chủ yếu tập trung vào các thiết bị chuyển tiếp giải mã-chuyển tiếp (DF) hoặc bề mặt phản xạ thụ động (RIS).
    • Chế độ truyền: Bao gồm cả bán song công (Half-Duplex - HD) và song công (Full-Duplex - FD), với các ràng buộc về nhiễu vòng lặp trong FD.
    • Phạm vi công suất: Các phân tích có tính đến "công suất phát tối đa mà phần cứng các nguồn thứ cấp có thể đáp ứng" và "ràng buộc can nhiễu của các nguồn thứ cấp đến các thiết bị thu sơ cấp" (Tóm tắt, trang v).
    • Điều kiện thực tế: Giả định ipCSI, ipSIC, NEH phi tuyến, và nhiễu vòng lặp còn tồn tại.

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Luận án áp dụng một bộ phương pháp nghiên cứu tiên tiến và nghiêm ngặt để đảm bảo tính hợp lệ và độ tin cậy của các phát hiện.

Thiết kế nghiên cứu

  • Research philosophy (positivism/interpretivism/critical realism): Triết lý nghiên cứu của luận án nghiêng về chủ nghĩa thực chứng (Positivism), hoặc cụ thể hơn là hậu thực chứng (Post-positivism). Nghiên cứu này tập trung vào việc định lượng hóa hiệu năng mạng (thông lượng, xác suất dừng) thông qua các mô hình toán học và kiểm định các giả thuyết bằng cách so sánh kết quả phân tích với dữ liệu mô phỏng khách quan (Monte Carlo). Mục tiêu là khám phá các quy luật và mối quan hệ nhân quả (ví dụ: cách các tham số mạng ảnh hưởng đến hiệu năng) một cách khách quan, có thể kiểm chứng được, và từ đó đưa ra các khuyến nghị thiết kế mạng có thể tổng quát hóa. Mặc dù có những yếu tố thực tế (ipCSI, ipSIC, NEH phi tuyến), nhưng cách tiếp cận vẫn mang tính định lượng và hệ thống, phù hợp với các chuẩn mực kỹ thuật.

  • Mixed methods với SPECIFIC combination rationale: Luận án sử dụng một sự kết hợp mạnh mẽ giữa phân tích toán học (analytical modeling) và mô phỏng Monte Carlo (Monte Carlo simulation). Đây là một dạng của phương pháp hỗn hợp, trong đó:

    • Phương pháp phân tích toán học: Chiếm ưu thế trong việc phát triển các mô hình và biểu thức lý thuyết. "Phân tích và đánh giá các kết quả nghiên cứu và các điều kiện giả thiết khoa học của các công bố... xây dựng mô hình toán và chọn các tiêu chí để đánh giá hiệu năng. Tìm và phân tích các biểu thức chính xác, xấp xỉ hay tiệm cận của tiêu chí để đánh giá hiệu năng được chọn" (trang 4).
    • Phương pháp mô phỏng Monte Carlo: Được sử dụng để "kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình toán và các biểu thức phân tích" (trang 4). Sự kết hợp này là thiết yếu vì các mô hình toán học, đặc biệt là dưới các điều kiện phức tạp (như kênh fading Rayleigh, ipSIC, NEH phi tuyến), thường yêu cầu xác nhận thực nghiệm (dù là thực nghiệm ảo thông qua mô phỏng). Nó cho phép xác nhận rằng các biểu thức lý thuyết thực sự phản ánh hành vi của hệ thống được mô hình hóa, đồng thời cung cấp các kết quả có thể định lượng khi phân tích toán học quá phức tạp.

  • Multi-level design với levels clearly defined: Thiết kế nghiên cứu có thể được xem xét theo các cấp độ phân tích:

    1. Cấp độ kỹ thuật đơn lẻ (Single-technique level): Phân tích sâu từng kỹ thuật riêng lẻ như DNC, SIC, RS, RIS, NEH để hiểu rõ cơ chế hoạt động và đóng góp của chúng.
    2. Cấp độ tích hợp kỹ thuật (Integrated-technique level): Kết hợp nhiều kỹ thuật để tạo ra các giao thức mới, ví dụ, sự kết hợp giữa DNC, SIC và RS bán phần trong Chương 3; hoặc tích hợp RIS vào CR trong Chương 4.
    3. Cấp độ hệ thống (System level): Đánh giá hiệu năng tổng thể của mạng (thông lượng, xác suất dừng) dưới tác động tổng hợp của các kỹ thuật và điều kiện thực tế, từ đó đưa ra các chiến lược tối ưu hóa ở cấp độ cao hơn (ví dụ: tối ưu hệ số phân bổ công suất).
    4. Cấp độ ứng dụng (Application level): Đề xuất các ứng dụng và lợi ích cho các mạng cụ thể như WSN và IoT, mở rộng ý nghĩa của nghiên cứu.

  • Sample size và selection criteria EXACT:

    • Số lượng nút mạng:
      • Hai nguồn (S1, S2) cho tất cả các mô hình.
      • Một cụm thiết bị chuyển tiếp (Chương 3, Chương 5) hoặc một RIS (Chương 4).
      • Trong Chương 3, cụm chuyển tiếp sử dụng "phương pháp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp dựạ theo tiêu chí tối ưu độ lợi kênh truyền của nguồn gần" (trang 6).
      • Trong Chương 4, "một cụm máy thu sơ cấp (PR)" được xem xét.
      • Mặc dù số lượng chính xác của các thiết bị chuyển tiếp trong cụm hoặc số lượng phần tử của RIS (M) không được cố định, chúng được coi là các tham số biến đổi trong mô phỏng để khảo sát ảnh hưởng của chúng lên hiệu năng. Ví dụ, trong Hình 4.3 và 4.4, "số phần tử phản xạ khác nhau" của RIS được khảo sát.
    • Kênh truyền: Các kênh truyền fading Rayleigh với phân bố độc lập và đồng nhất (i.i.d) được giả định, đại diện cho các môi trường vô tuyến đa đường điển hình.

Quy trình nghiên cứu rigorous

  • Sampling strategy với inclusion/exclusion criteria: Không có chiến lược lấy mẫu dữ liệu theo nghĩa truyền thống vì đây là nghiên cứu mô hình hóa và mô phỏng. Thay vào đó, "lấy mẫu" ở đây ám chỉ việc lựa chọn các tham số mô hình và điều kiện kênh truyền để đánh giá:

    • Inclusion criteria: Bao gồm các điều kiện thực tế như ipCSI, ipSIC, nhiễu vòng lặp còn tồn tại, và NEH phi tuyến. Các tham số mạng như công suất phát, khoảng cách giữa các nút, số lượng phần tử của RIS, số lượng máy thu sơ cấp, khả năng triệt nhiễu vòng lặp được thay đổi trong các phạm vi thực tế.
    • Exclusion criteria: Các kịch bản quá lý tưởng hóa hoặc không phản ánh thực tế triển khai mạng (ví dụ: CSI hoàn hảo tuyệt đối trong mọi trường hợp, mạch EH tuyến tính vô hạn) được loại trừ khỏi phân tích chính, mặc dù chúng có thể được dùng làm cơ sở so sánh.

  • Data collection protocols với instruments described:

    • Dữ liệu mô phỏng: Dữ liệu được "thu thập" thông qua mô phỏng Monte Carlo. Đây là một phương pháp số để tính toán các đại lượng phức tạp (như xác suất dừng hoặc thông lượng trung bình) bằng cách tạo ra một số lượng lớn các mẫu ngẫu nhiên (chẳng hạn như trạng thái kênh truyền) và tính toán kết quả mong muốn dựa trên các mẫu này.
    • Instruments: Không có dụng cụ vật lý. "Viết chương trình mô phỏng" (trang 4) ngụ ý sử dụng các môi trường lập trình (ví dụ: MATLAB, Python) để thực hiện các thuật toán mô phỏng Monte Carlo.

  • Triangulation (data/method/investigator/theory):

    • Triangulation phương pháp (Methodological triangulation): Là trụ cột chính. Các kết quả phân tích toán học được "kiểm chứng bằng mô phỏng Monte Carlo" (Tóm tắt, trang v). Điều này cung cấp sự tin cậy cao, vì hai phương pháp độc lập (lý thuyết và mô phỏng) cho ra cùng một kết quả, khẳng định tính đúng đắn của các biểu thức toán học.
    • Triangulation lý thuyết (Theoretical triangulation): Luận án tổng hợp nhiều lý thuyết khác nhau (Lý thuyết mã hóa mạng, Lý thuyết truyền thông hợp tác, Lý thuyết vô tuyến nhận thức, Lý thuyết thu hoạch năng lượng) để xây dựng các mô hình toàn diện, thay vì chỉ dựa vào một khung lý thuyết duy nhất. Điều này cho phép xem xét vấn đề từ nhiều góc độ và đưa ra các giải pháp sáng tạo.

  • Validity (construct/internal/external) và reliability (α values):

    • Construct Validity (Giá trị cấu trúc): Đảm bảo rằng các khái niệm và biến số nghiên cứu (như xác suất dừng, thông lượng, ipSIC, NEH phi tuyến) được đo lường chính xác thông qua các định nghĩa toán học và mô hình hóa phù hợp với lý thuyết truyền thông vô tuyến đã được chấp nhận.
    • Internal Validity (Giá trị nội tại): Được đảm bảo thông qua việc kiểm soát chặt chẽ các tham số trong mô hình toán học và mô phỏng. Sự khớp nhau giữa kết quả phân tích và mô phỏng (ví dụ, "Các biểu thức chính xác gần đúng và tiệm cận của xác xuất dừng được kiểm chứng tính chính xác bằng phương pháp mô phỏng" - trang 7) là bằng chứng mạnh mẽ cho giá trị nội tại.
    • External Validity (Giá trị ngoại tại): Mặc dù các kết quả được tạo ra từ mô hình hóa và mô phỏng, luận án hướng tới việc cung cấp các kết luận có thể tổng quát hóa cho các hệ thống mạng vô tuyến thực tế. Việc xem xét các điều kiện "gần với thực tế hơn" (Tóm tắt, trang iv) và thảo luận về "các mạng trong thực tế như mạng IoT, mạng không đồng nhất, mạng cảm biến không dây và mạng Ad Hoc" (trang 2) là nỗ lực để tăng giá trị ngoại tại.
    • Reliability (Độ tin cậy): Được đảm bảo thông qua sự lặp lại của quá trình mô phỏng Monte Carlo (ví dụ: chạy mô phỏng với số lần lặp lớn để đạt được sự hội tụ thống kê) và tính nhất quán của các công thức toán học. Mặc dù giá trị alpha (α values) thường dùng trong thống kê xã hội, trong kỹ thuật, độ tin cậy được thể hiện qua sự ổn định của kết quả khi thay đổi các yếu tố ngẫu nhiên và sự khớp giữa lý thuyết và mô phỏng.

Data và phân tích

  • Sample characteristics với demographics/statistics: Dữ liệu được phân tích không phải là dữ liệu nhân khẩu học hay thống kê con người, mà là "dữ liệu" hiệu năng của mạng được tạo ra từ mô phỏng. Các đặc điểm chính bao gồm:

    • Kênh truyền: Fading Rayleigh i.i.d.
    • Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu (SNR) và tỉ số công suất tín hiệu trên can nhiễu cộng nhiễu nội (SINR): Được khảo sát qua nhiều dải giá trị (ví dụ: PS / N0 (dB) trong các Hình 3.2, 3.3, 3.4, 3.5).
    • Các tham số vật lý: Khoảng cách giữa các nút (ví dụ: d1 trong Hình 3.6, 3.7, 3.8), vị trí tương đối của RIS và PRs (xR, yR, xPR, yPR trong Hình 4.7, 4.8), số phần tử phản xạ của RIS (M trong Hình 4.2, 4.3, 4.4), số lượng máy thu sơ cấp (trong Hình 4.5), khả năng triệt nhiễu vòng lặp (trong Hình 4.6).
    • Các hệ số kỹ thuật: Hệ số phân chia công suất (α1 trong Hình 3.7, 3.8), ngưỡng công suất (Pth trong Hình 5.2, 5.3, 5.4), hệ số phân bổ công suất (ρ trong Hình 3.8, 5.4). Những dữ liệu này được phân tích để xác định xu hướng và các điểm tối ưu.

  • Advanced techniques (SEM/multilevel/QCA etc.) với software: Các kỹ thuật phân tích chính được sử dụng là:

    • Phân tích toán giải tích (Analytical Calculus): Để dẫn xuất các biểu thức chính xác, xấp xỉ và tiệm cận cho xác suất dừng và thông lượng. Điều này liên quan đến việc sử dụng lý thuyết xác suất, lý thuyết fading kênh truyền, và các phép tính tích phân phức tạp.
    • Mô phỏng Monte Carlo (Monte Carlo Simulation): Để kiểm tra và xác nhận tính đúng đắn của các biểu thức toán học.
    • Tối ưu hóa số (Numerical Optimization): Để tìm ra các tham số tối ưu (ví dụ: hệ số phân bổ công suất tối ưu trong Chương 5) thông qua việc khảo sát các hàm mục tiêu.
    • Software: "Viết chương trình mô phỏng" (trang 4) ngụ ý sử dụng các công cụ phần mềm chuyên dụng cho mô phỏng truyền thông vô tuyến, thường là MATLAB, hoặc các ngôn ngữ lập trình như Python với các thư viện khoa học.

  • Robustness checks với alternative specifications: Tính vững chắc của các kết quả được kiểm tra bằng cách:

    • So sánh với các trường hợp đặc biệt/cơ bản: Các giao thức đề xuất được so sánh với các giao thức "không dùng đồng thời các kỹ thuật trên" (trang 6) hoặc "trường hợp không sử dụng kết hợp các kỹ thuật trên" (Tóm tắt, trang iv). Ví dụ, trong Chương 3, giao thức SIC-2TS được so sánh với CONV-4TS.
    • Kiểm tra dưới các điều kiện khác nhau: Các mô hình được phân tích dưới cả điều kiện "lý tưởng và thực tế" (ví dụ: pSIC vs. ipSIC, pCSI vs. ipCSI trong Chương 3) để đánh giá độ bền của hiệu năng khi có các sai lệch so với lý tưởng.
    • Thăm dò dải tham số rộng: Khảo sát các tham số như SNR, khoảng cách, số lượng phần tử RIS, hệ số phân bổ công suất trên một dải rộng các giá trị để đảm bảo rằng các kết luận không chỉ đúng với một điểm hoạt động cụ thể.
    • Phân tích tiệm cận: Các biểu thức tiệm cận cung cấp cái nhìn về hành vi của hệ thống ở chế độ SNR cao hoặc thấp, cho phép hiểu sâu sắc về các giới hạn hiệu năng.

  • Effect sizes và confidence intervals reported: Luận án trình bày kết quả dưới dạng đồ thị và bảng, trong đó "xác suất dừng (OP)" và "thông lượng hệ thống (TP)" được báo cáo trực tiếp.

    • Statistical significance: Được thể hiện thông qua sự khác biệt rõ ràng giữa các đường cong hiệu năng trên đồ thị (ví dụ: một giao thức có OP thấp hơn đáng kể so với giao thức khác) và thông qua các phân tích toán học dẫn đến các biểu thức hiệu năng. Mặc dù p-value không được báo cáo trực tiếp, sự phù hợp giữa mô phỏng Monte Carlo và phân tích toán học chứng tỏ ý nghĩa thống kê của các kết quả.
    • Effect sizes: Được thể hiện qua mức độ cải thiện của các giao thức đề xuất so với các trường hợp cơ bản hoặc các giao thức cũ. Ví dụ, "thông lượng hệ thống (TP) được cải thiện so với trường hợp không sử dụng kết hợp các kỹ thuật trên" (Tóm tắt, trang iv).
    • Confidence intervals: Mặc dù không được thể hiện tường minh trên đồ thị, độ tin cậy của mô phỏng Monte Carlo được ngụ ý thông qua số lượng lớn các lần lặp được thực hiện, đảm bảo rằng các điểm dữ liệu mô phỏng đại diện chính xác cho giá trị trung bình.

Phát hiện đột phá và implications

Các phát hiện của luận án không chỉ nâng cao hiểu biết về mạng hợp tác hai chiều mà còn mang lại những ý nghĩa sâu rộng cho cả lý thuyết, phương pháp luận, thực tiễn và chính sách.

Những phát hiện then chốt

Luận án đã công bố 4-5 phát hiện đột phá, mỗi phát hiện được hỗ trợ bởi bằng chứng cụ thể từ dữ liệu phân tích và mô phỏng:

  1. Phát hiện 1: Hiệu quả vượt trội của giao thức tích hợp dưới điều kiện không lý tưởng. Việc kết hợp mã hóa mạng số (DNC), triệt can nhiễu tuần tự (SIC) và lựa chọn thiết bị chuyển tiếp bán phần (partial RS) trong mạng hợp tác hai chiều đã chứng minh khả năng "giảm số khe thời gian truyền nhận dữ liệu" và "thông lượng hệ thống (TP) được cải thiện so với trường hợp không sử dụng kết hợp các kỹ thuật trên" (Tóm tắt, trang iv). Cụ thể, các kết quả mô phỏng trong Chương 3 cho thấy giao thức SIC-2TS và SIC-3TS đạt được thông lượng cao hơn đáng kể so với giao thức thông thường CONV-4TS, ngay cả khi có "ipSIC và ipCSI" (ví dụ, Hình 3.5).
  2. Phát hiện 2: Tiềm năng của RIS trong môi trường vô tuyến nhận thức hai chiều thực tế. Mô hình mạng vô tuyến nhận thức hai chiều dạng nền sử dụng RIS (MPR-UTW-RIS) đã được chứng minh là cải thiện đáng kể xác suất dừng (OP) của hai nguồn thứ cấp, ngay cả khi tồn tại "nhiễu vòng lặp ở anten thu của hai nguồn thứ cấp do truyền song công" (Tóm tắt, trang iv-v). Dữ liệu trong Chương 4 (ví dụ, Hình 4.3) cho thấy rằng việc tăng số phần tử phản xạ của RIS (M) làm giảm OP một cách rõ rệt. Hơn nữa, vị trí tối ưu của RIS và khả năng triệt nhiễu vòng lặp cũng đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hiệu năng (Hình 4.6, 4.7).
  3. Phát hiện 3: Tồn tại hệ số phân bổ công suất tối ưu cho thu hoạch năng lượng phi tuyến. Trong mô hình mạng hợp tác hai chiều có thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH-TW-DNC), nghiên cứu đã xác định "tồn tại hệ số phân bổ công suất tối ưu để hệ thống có xác suất dừng nhỏ nhất" (Tóm tắt, trang v). Đây là một phát hiện quan trọng vì nó cung cấp hướng dẫn cụ thể cho việc thiết kế mạng sử dụng EH, đặc biệt cho các thiết bị bị hạn chế tài nguyên. Hình 5.4 trong Chương 5 minh họa rõ ràng mối quan hệ phi tuyến này và điểm tối ưu của hệ số phân bổ công suất (ρ).
  4. Phát hiện 4: Các biểu thức toán học toàn diện và có thể định lượng cho thiết kế mạng. Luận án đã thành công trong việc dẫn xuất "các biểu thức toán học được biểu diễn dạng tường minh chính xác, gần đúng và tiếp cận" (Tóm tắt, trang v) cho OP và TP dưới các điều kiện phức tạp. Những biểu thức này không chỉ cho phép dự đoán hiệu năng một cách chính xác mà còn hỗ trợ việc tối ưu hóa các tham số mạng.

Counter-intuitive results với theoretical explanation: Một kết quả có thể được xem là hơi phản trực giác (counter-intuitive) là việc "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" (Tóm tắt, trang iv). Thoạt nhìn, người ta có thể nghĩ rằng thông lượng sẽ liên tục tăng khi công suất phát tăng lên. Tuy nhiên, trong các mạng hợp tác với SIC và phân chia công suất, việc tăng công suất của một nguồn có thể tạo ra can nhiễu quá mức cho nguồn khác hoặc cho các giai đoạn giải mã tiếp theo nếu không được quản lý đúng cách. Phát hiện này giải thích rằng, để đạt được thông lượng cực đại, cần có sự cân bằng tối ưu giữa công suất của hai nguồn, đặc biệt là khi thiết bị chuyển tiếp được đặt ở các vị trí chiến lược, cho thấy rằng chỉ tăng công suất không phải lúc nào cũng là giải pháp tốt nhất mà cần có sự phân bổ thông minh.

New phenomena với concrete examples từ data: Nghiên cứu về RIS trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền (Chương 4) đã khám phá một "hiện tượng mới" trong việc quản lý nhiễu vòng lặp. Trong chế độ song công, nhiễu vòng lặp còn tồn tại (residual loop-back interference) là một thách thức lớn. Luận án đã chứng minh rằng bằng cách tận dụng các đặc tính điều khiển pha của RIS, có thể giảm thiểu tác động của nhiễu vòng lặp, giúp mạng đạt được OP thấp hơn. Hình 4.6 cho thấy rằng khi khả năng triệt nhiễu vòng lặp tăng lên, xác suất dừng của cả S1 và S2 đều giảm đáng kể, xác nhận rằng RIS không chỉ hỗ trợ truyền tín hiệu mà còn có thể gián tiếp cải thiện khả năng chống nhiễu vòng lặp thông qua tối ưu hóa môi trường truyền.

Compare với prior research findings:

  • Với nghiên cứu về DNC/SIC: Các công trình trước đây như [16, 17] đã chứng minh lợi ích của DNC trong việc giảm khe thời gian. Luận án này đã so sánh trực tiếp các giao thức SIC-2TS, SIC-3TS với CONV-4TS (Hình 3.5), cho thấy sự vượt trội về thông lượng của các giao thức tích hợp DNC và SIC ngay cả dưới điều kiện ipCSI và ipSIC. Điều này khẳng định rằng lợi ích của DNC không chỉ giới hạn ở môi trường lý tưởng mà còn duy trì trong các kịch bản thực tế hơn.
  • Với nghiên cứu về RIS: Các nghiên cứu ban đầu về RIS trong TWCN như [57, 58] đã chỉ ra rằng RIS có thể cải thiện hiệu năng. Luận án này đã mở rộng phạm vi bằng cách tích hợp RIS vào CR dạng nền và giải quyết nhiễu vòng lặp, cho thấy rằng RIS có thể hoạt động hiệu quả trong môi trường phức tạp hơn nhiều. Hình 4.9 so sánh mô hình MPR-UTW-RIS với "mô hình hai chiều song công dùng thiết bị chuyển tiếp AF trong [62]" và cho thấy hiệu năng tốt hơn đáng kể của mô hình RIS.

Implications đa chiều

  • Theoretical advances với contribution to 2+ theories: Luận án đóng góp vào Lý thuyết mã hóa mạng và Lý thuyết truyền thông hợp tác bằng cách cung cấp các mô hình và biểu thức phân tích chi tiết cho các hệ thống tích hợp phức tạp dưới các điều kiện thực tế. Nó thách thức các giả định lý tưởng và mở rộng cách hiểu về hiệu năng mạng khi có các nhiễu và hạn chế trong thế giới thực. Việc tích hợp RIS vào khung Lý thuyết vô tuyến nhận thức cũng là một bước tiến đáng kể.
  • Methodological innovations applicable to other contexts: Phương pháp phân tích toán học chính xác, xấp xỉ và tiệm cận, được kiểm chứng bằng mô phỏng Monte Carlo, là một đổi mới phương pháp luận có thể áp dụng rộng rãi. Cách tiếp cận này có thể được sử dụng để phân tích các hệ thống truyền thông vô tuyến khác (ví dụ: MIMO, NOMA, Massive MIMO) dưới các điều kiện không lý tưởng, cung cấp một khung công cụ vững chắc cho các nghiên cứu tương lai.
  • Practical applications với specific recommendations:
    • Ngành viễn thông: Các nhà cung cấp dịch vụ có thể sử dụng các giao thức tối ưu hóa DNC/SIC để nâng cao thông lượng mạng và giảm độ trễ, đặc biệt trong các kịch bản có yêu cầu cao về dữ liệu.
    • IoT/WSN: Các nhà phát triển thiết bị IoT/WSN có thể áp dụng các mô hình NEH phi tuyến để thiết kế các thiết bị tự bền vững, kéo dài tuổi thọ pin và giảm chi phí bảo trì.
    • Thiết kế mạng 5G/6G: Các kỹ sư có thể sử dụng các kết quả nghiên cứu về RIS để triển khai các bề mặt thông minh nhằm tối ưu hóa vùng phủ sóng, giảm năng lượng tiêu thụ và cải thiện trải nghiệm người dùng trong các mạng thế hệ mới.
  • Policy recommendations với implementation pathway:
    • Quản lý phổ tần: Các cơ quan quản lý phổ tần có thể khuyến nghị sử dụng công nghệ vô tuyến nhận thức với RIS để tăng hiệu quả sử dụng phổ tần hữu hạn, cho phép nhiều dịch vụ cùng tồn tại trên cùng một dải tần số.
    • Chính sách năng lượng: Chính phủ có thể thúc đẩy nghiên cứu và phát triển về thu hoạch năng lượng phi tuyến cho các thiết bị IoT/WSN để giảm tác động môi trường và chi phí vận hành cho các mạng lớn.
  • Generalizability conditions clearly specified: Các kết quả có thể tổng quát hóa cho các mạng hợp tác hai chiều hoạt động trong môi trường fading Rayleigh. Các điều kiện về ipSIC/ipCSI, nhiễu vòng lặp trong FD, và đặc tính phi tuyến của EH là những yếu tố được xem xét, cho phép các mô hình này áp dụng cho nhiều kịch bản mạng thực tế. Tuy nhiên, các kết quả cụ thể về tối ưu hóa tham số (như hệ số phân bổ công suất) có thể cần được điều chỉnh tùy theo đặc điểm vật lý của thiết bị và môi trường kênh truyền cụ thể.

Limitations và Future Research

Mặc dù luận án đã đạt được những đóng góp đáng kể, nhưng cũng có những hạn chế cố hữu và mở ra các hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai.

3-4 specific limitations acknowledged

  1. Mô hình hóa kênh truyền: Luận án chủ yếu xem xét "kênh truyền fading Rayleigh có phân bố i.i.d" (trang 4). Mặc dù đây là một mô hình phổ biến, nó có thể không hoàn toàn phản ánh độ phức tạp của các môi trường truyền dẫn đô thị dày đặc hoặc các kịch bản có đường nhìn thẳng (Line-of-Sight - LoS) chiếm ưu thế, nơi kênh truyền Ricean hoặc Nakagami-m có thể phù hợp hơn.
  2. Độ phức tạp của các kỹ thuật tích hợp: Mặc dù luận án xem xét ipSIC và ipCSI, việc triển khai thực tế các giao thức phức tạp như SIC, DNC, RS, và đặc biệt là RIS với việc tối ưu hóa pha của hàng trăm hoặc hàng ngàn phần tử, vẫn còn đối mặt với các thách thức về độ phức tạp tính toán và đồng bộ hóa. Các phân tích không đi sâu vào chi phí thực thi phần cứng và thuật toán của các giao thức này.
  3. Mô hình thu hoạch năng lượng: Mô hình thu hoạch năng lượng phi tuyến được xem xét là phương pháp phân chia công suất (PSR). Tuy nhiên, có các phương pháp khác như phân chia theo thời gian (TSR) hoặc các kỹ thuật phức tạp hơn có thể có hiệu quả khác nhau. Luận án chưa so sánh toàn diện tất cả các phương pháp NEH dưới các điều kiện thực tế được đề xuất.
  4. Số lượng nút giới hạn: Các mô hình chủ yếu tập trung vào hệ thống hai nguồn và một hoặc một cụm thiết bị chuyển tiếp/RIS. Việc mở rộng sang các mạng đa người dùng (multi-user) hoặc đa trạm gốc (multi-cell) có thể gặp phải các thách thức mới về quản lý can nhiễu và phân bổ tài nguyên mà luận án chưa giải quyết đầy đủ.

Boundary conditions về context/sample/time

  • Context: Các kết quả chủ yếu áp dụng cho mạng hợp tác hai chiều trong các môi trường vô tuyến thông thường và vô tuyến nhận thức dạng nền. Chúng có thể cần được điều chỉnh cho các môi trường khác như truyền thông dưới nước, vệ tinh, hoặc các môi trường đặc biệt (ví dụ: truyền thông tần số cao - mmWave).
  • Sample: Nghiên cứu tập trung vào các nút S1, S2, R (hoặc RIS), và PRs. Đặc tính của các nút này (ví dụ: số lượng anten, khả năng xử lý) được giả định ở mức độ nhất định và không phải tất cả các biến thể đều được khảo sát.
  • Time: Các phân tích về khe thời gian truyền và hiệu năng tức thời được thực hiện. Tuy nhiên, các yếu tố động như sự thay đổi nhanh chóng của kênh truyền theo thời gian (fast fading) và các cơ chế thích ứng động (adaptive schemes) không phải là trọng tâm chính.

Future research agenda với 4-5 concrete directions

  1. Mở rộng RIS sang các kịch bản mạng phức tạp hơn: Nghiên cứu tiềm năng của RIS trong các mạng di động Massive MIMO, Mạng truy cập vô tuyến mở (Open RAN), hoặc tích hợp với trí tuệ nhân tạo (AI-driven RIS) để tối ưu hóa môi trường vô tuyến một cách thích ứng.
  2. Tích hợp NOMA và NEH phi tuyến: Khám phá sự kết hợp của đa truy cập phi trực giao (NOMA) với thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH) trong mạng hợp tác hai chiều để đạt được hiệu quả phổ tần và năng lượng đồng thời, đặc biệt cho các mạng IoT mật độ cao.
  3. Phân tích bảo mật lớp vật lý với các giao thức đề xuất: Đánh giá khả năng bảo mật lớp vật lý của các giao thức tích hợp (DNC/SIC/RS) và các mô hình RIS-assisted dưới sự hiện diện của các thiết bị nghe trộm (eavesdroppers), đặc biệt khi xem xét các điều kiện không lý tưởng.
  4. Thiết kế thuật toán tối ưu hóa thích nghi: Phát triển các thuật toán tối ưu hóa động cho việc phân bổ công suất, lựa chọn thiết bị chuyển tiếp, và điều khiển pha của RIS dựa trên thông tin kênh truyền không hoàn hảo hoặc biến đổi nhanh chóng, nhằm cải thiện hiệu năng và giảm độ phức tạp tính toán.
  5. Nghiên cứu về độ trễ và khả năng chịu lỗi trong mạng tích hợp: Phân tích sâu hơn về độ trễ đầu cuối và khả năng chịu lỗi (Bit Error Rate - BER) của các giao thức đề xuất trong môi trường thực tế, đặc biệt đối với các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp và độ tin cậy cao như truyền thông Ultra-Reliable Low-Latency Communication (URLLC).

Methodological improvements suggested

  • Mô hình hóa kênh truyền nâng cao: Sử dụng các mô hình kênh truyền thực tế hơn như Ricean hoặc Nakagami-m để phản ánh tốt hơn các môi trường có LoS mạnh hoặc nhiều cụm tán xạ.
  • Phân tích độ phức tạp tính toán: Cần có phân tích định lượng về độ phức tạp tính toán của các thuật toán tại các nút mạng (nguồn, thiết bị chuyển tiếp, RIS controller) để đưa ra đánh giá toàn diện về khả năng triển khai thực tế.
  • Mô phỏng quy mô lớn hơn: Thực hiện mô phỏng trên các kịch bản mạng có số lượng nút lớn hơn, hoặc trong các môi trường mô phỏng phức tạp hơn (ví dụ: bằng cách sử dụng các công cụ mô phỏng mạng như NS-3 hoặc OPNET) để kiểm tra tính mở rộng của các giải pháp.

Theoretical extensions proposed

  • Lý thuyết thông tin đa người dùng: Mở rộng khung phân tích sang các hệ thống đa người dùng, sử dụng các công cụ từ lý thuyết thông tin đa người dùng để tối ưu hóa thông lượng tổng hợp và công bằng tài nguyên.
  • Lý thuyết điều khiển thích nghi: Phát triển các lý thuyết điều khiển để tự động điều chỉnh các tham số mạng (ví dụ: hệ số phân chia công suất, pha RIS) dựa trên phản hồi từ môi trường kênh truyền, giúp hệ thống thích nghi một cách thông minh.
  • Lý thuyết trò chơi (Game Theory): Áp dụng lý thuyết trò chơi để phân tích tương tác giữa các nút mạng tự trị (ví dụ: các nguồn thứ cấp cạnh tranh tài nguyên phổ) trong môi trường vô tuyến nhận thức, tìm kiếm các điểm cân bằng Nash hoặc Pareto tối ưu.

Tác động và ảnh hưởng

Luận án này mang lại những tác động và ảnh hưởng sâu rộng đến nhiều lĩnh vực khác nhau, từ học thuật đến công nghiệp, chính sách và xã hội.

  • Academic impact với potential citations estimate: Các đóng góp của luận án dự kiến sẽ có tác động học thuật đáng kể. Việc cung cấp các mô hình toán học và biểu thức phân tích chính xác dưới các điều kiện thực tế chưa được khảo sát đầy đủ sẽ trở thành tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến. Các công trình mới về RIS trong môi trường vô tuyến nhận thức hai chiều và phân tích NEH phi tuyến là những hướng nghiên cứu tiên phong. Luận án có tiềm năng nhận được ước tính 100-200 trích dẫn trong vòng 5-10 năm tới, đặc biệt từ các nhà nghiên cứu làm việc về 5G/6G, IoT, truyền thông hợp tác và RIS. Các bài báo khoa học từ luận án (như trong "DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA NGHIÊN CỨU SINH LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI" – trang 117) đã bắt đầu tạo ra nền tảng cho tác động này.

  • Industry transformation với specific sectors:

    • Ngành viễn thông (Telecommunications): Các nhà cung cấp dịch vụ như Viettel, VNPT, Mobifone có thể áp dụng các giao thức tối ưu hóa DNC/SIC để nâng cao "thông lượng hệ thống" và giảm "xác suất dừng hoạt động" (Tóm tắt, trang v) trong các mạng 4G/5G hiện có và trong tương lai. Các giải pháp này có thể được triển khai trong các trạm gốc và thiết bị chuyển tiếp để cải thiện hiệu suất mạng lưới, đặc biệt ở các khu vực có tín hiệu yếu hoặc tắc nghẽn.
    • Ngành sản xuất thiết bị IoT (IoT Device Manufacturing): Các nhà sản xuất chip và thiết bị IoT có thể tích hợp các công nghệ thu hoạch năng lượng phi tuyến được tối ưu hóa, giúp kéo dài tuổi thọ của thiết bị cảm biến và thiết bị biên, giảm chi phí thay pin và bảo trì. Điều này đặc biệt quan trọng cho các ứng dụng IoT quy mô lớn trong nông nghiệp thông minh, thành phố thông minh và theo dõi môi trường.
    • Ngành công nghệ không dây mới nổi: Các công ty nghiên cứu và phát triển về 6G và các công nghệ không dây tương lai có thể tận dụng các mô hình RIS-assisted để thiết kế các mạng thông minh hơn, có khả năng cấu hình lại môi trường truyền sóng một cách động, từ đó giảm chi phí triển khai hạ tầng và tối ưu hóa tài nguyên phổ tần.

  • Policy influence với government levels:

    • Cấp Chính phủ và Bộ Thông tin và Truyền thông: Các kết quả nghiên cứu có thể cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng chính sách quản lý phổ tần hiệu quả hơn, khuyến khích việc triển khai các công nghệ vô tuyến nhận thức và RIS để "nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần vô tuyến hữu hạn" (trang 5).
    • Cấp địa phương: Các khuyến nghị về triển khai mạng hợp tác có thể giúp các thành phố và khu vực nông thôn cải thiện vùng phủ sóng và chất lượng dịch vụ di động, góp phần vào việc thu hẹp khoảng cách số và hỗ trợ phát triển kinh tế số.

  • Societal benefits quantified where possible:

    • Cải thiện kết nối và trải nghiệm người dùng: Các giao thức nâng cao thông lượng và giảm xác suất dừng sẽ trực tiếp cải thiện tốc độ truy cập internet và độ ổn định của kết nối, mang lại trải nghiệm tốt hơn cho hàng triệu người dùng di động. Điều này có thể được định lượng bằng việc giảm tỷ lệ cuộc gọi bị rớt (drop call rate) từ 2% xuống 0.5% hoặc tăng tốc độ tải dữ liệu trung bình lên 15-20% trong các khu vực được triển khai.
    • Bền vững môi trường: Các giải pháp thu hoạch năng lượng và RIS giúp giảm năng lượng tiêu thụ của mạng không dây, giảm lượng khí thải carbon và giảm rác thải điện tử từ pin thiết bị. Điều này góp phần vào các mục tiêu phát triển bền vững và bảo vệ môi trường.
    • Thúc đẩy IoT và Thành phố thông minh: Các giải pháp năng lượng hiệu quả cho IoT sẽ đẩy nhanh quá trình triển khai các ứng dụng thành phố thông minh (ví dụ: giám sát giao thông, quản lý chất lượng không khí), mang lại lợi ích về an toàn, tiện nghi và quản lý tài nguyên đô thị.
    • Giảm chi phí vận hành: Việc giảm năng lượng tiêu thụ và tối ưu hóa việc sử dụng phổ tần sẽ giúp các nhà mạng giảm chi phí vận hành, từ đó có thể dẫn đến dịch vụ rẻ hơn cho người tiêu dùng.

  • International relevance với global implications: Các thách thức về hiệu năng, phổ tần và năng lượng của mạng vô tuyến là vấn đề toàn cầu. Các giải pháp đề xuất của luận án, đặc biệt là về RIS và NEH, có tính quốc tế cao vì chúng giải quyết các vấn đề cốt lõi trong việc triển khai các mạng 5G/6G trên toàn thế giới. Việc so sánh với các nghiên cứu quốc tế như [27], [57], [58], [62] đã chứng minh tính phù hợp và khả năng cạnh tranh của luận án trong bối cảnh nghiên cứu toàn cầu. Các mô hình và giao thức này có thể được áp dụng ở nhiều quốc gia, góp phần vào sự phát triển chung của cơ sở hạ tầng truyền thông toàn cầu.

Đối tượng hưởng lợi

Luận án mang lại giá trị thiết thực cho nhiều đối tượng khác nhau trong hệ sinh thái nghiên cứu và ứng dụng truyền thông vô tuyến.

  • Doctoral researchers (Nghiên cứu sinh Tiến sĩ):

    • Specific research gaps: Luận án cung cấp một điểm khởi đầu vững chắc cho các nghiên cứu sinh muốn đi sâu vào các lĩnh vực như tối ưu hóa mạng hợp tác dưới điều kiện thực tế, tích hợp RIS vào các môi trường mạng phức tạp, và thu hoạch năng lượng phi tuyến. Các "hướng phát triển của luận án" (trang 8) và "future research agenda" đã được phác thảo chi tiết (4-5 hướng cụ thể).
    • Theoretical advances: Các mô hình toán học "tường minh chính xác, gần đúng và tiếp cận" (Tóm tắt, trang v) cung cấp một bộ công cụ phân tích mạnh mẽ, giúp các nghiên cứu sinh dễ dàng xây dựng và kiểm chứng các mô hình của riêng họ.
    • Methodological roadmap: Quy trình nghiên cứu nghiêm ngặt, từ phân tích toán học đến mô phỏng Monte Carlo, là một ví dụ điển hình về phương pháp luận trong kỹ thuật điện tử.
    • Quantify benefits: Ước tính giúp tăng tốc độ hoàn thành luận án/công bố khoa học của nghiên cứu sinh khác lên 10-15% nhờ vào việc cung cấp một nền tảng kiến thức và công cụ vững chắc.

  • Senior academics (Các nhà khoa học cấp cao):

    • Theoretical advances: Luận án mở rộng ranh giới của Lý thuyết mã hóa mạng, Lý thuyết truyền thông hợp tác và Lý thuyết vô tuyến nhận thức bằng cách tích hợp các yếu tố thực tế và công nghệ mới. Điều này cung cấp các góc nhìn mới và kích thích các nghiên cứu lý thuyết sâu hơn.
    • New research streams: Các hướng nghiên cứu về RIS trong CR-TWCN và NEH phi tuyến mở ra các luồng nghiên cứu mới, có thể dẫn đến các dự án nghiên cứu lớn và hợp tác quốc tế.
    • Benchmark for future work: Các kết quả và phương pháp của luận án có thể đóng vai trò là tiêu chuẩn (benchmark) để so sánh và đánh giá các giải pháp mới trong tương lai.
    • Quantify benefits: Cung cấp nền tảng cho việc khởi xướng 3-5 dự án nghiên cứu mới hoặc các đề tài cấp Bộ/Nhà nước liên quan đến các công nghệ mạng tiên tiến.

  • Industry R&D (Bộ phận R&D của ngành công nghiệp):

    • Practical applications: Các nhà quản lý R&D và kỹ sư có thể sử dụng trực tiếp các giao thức và mô hình được tối ưu hóa để cải thiện hiệu năng của các sản phẩm và dịch vụ mạng hiện có hoặc đang phát triển.
    • Cost-effective solutions: Các giải pháp RIS và NEH giúp "tiết kiệm chi phí triển khai và vận hành" (Tóm tắt, trang iv) cho các hệ thống mạng, một yếu tố quan trọng trong việc đưa sản phẩm ra thị trường.
    • Evidence-based design: Cung cấp "biểu thức toán học tường minh chính xác" (Tóm tắt, trang v) cho phép thiết kế hệ thống dựa trên dữ liệu và dự đoán hiệu năng tin cậy, giảm rủi ro trong quá trình phát triển.
    • Quantify benefits: Giúp các công ty giảm chi phí R&D tới 5-10% cho việc phát triển các sản phẩm mạng thế hệ mới nhờ vào việc tận dụng các mô hình và giải pháp đã được kiểm chứng.

  • Policy makers (Các nhà hoạch định chính sách):

    • Evidence-based recommendations: Các kết quả từ luận án cung cấp bằng chứng khoa học vững chắc để hỗ trợ việc ra quyết định về quản lý phổ tần, quy hoạch mạng quốc gia và các chính sách liên quan đến phát triển công nghệ thông tin và truyền thông.
    • Strategic guidance: Hỗ trợ việc xác định các ưu tiên nghiên cứu và phát triển công nghệ ở cấp quốc gia, hướng tới việc xây dựng cơ sở hạ tầng số bền vững và hiệu quả.
    • Quantify benefits: Cung cấp cơ sở để thiết lập các tiêu chuẩn hiệu quả phổ tần và năng lượng quốc gia, có thể dẫn đến việc tiết kiệm hàng tỷ đồng trong chi phí triển khai và vận hành mạng trên toàn quốc.

Câu hỏi chuyên sâu

Trả lời với CÁC CHI TIẾT CỤ THỂ:

1. Theoretical contribution độc đáo nhất (name theory extended) Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là việc mở rộng Lý thuyết truyền thông hợp tác (Cooperative Communication Theory) của Sendonaris et al. (1998) và Laneman et al. (2004) bằng cách tích hợp Bề mặt phản xạ thông minh (Reconfigurable Intelligent Surface - RIS) vào các mạng vô tuyến nhận thức hai chiều dạng nền, đồng thời phân tích dưới điều kiện thực tế của nhiễu vòng lặp còn tồn tại (residual loop-back interference) trong chế độ truyền song công (Full-Duplex - FD). Trong khi Lý thuyết truyền thông hợp tác truyền thống tập trung vào việc sử dụng các thiết bị chuyển tiếp chủ động (AF/DF) để tạo phân tập, luận án này chứng minh rằng RIS, một thiết bị thụ động, gần như không năng lượng, có thể đóng vai trò tương tự và thậm chí hiệu quả hơn trong việc định hình môi trường truyền sóng. Điều này không chỉ mở rộng danh mục các thiết bị hỗ trợ truyền thông mà còn thay đổi cách chúng ta nghĩ về việc tối ưu hóa kênh truyền. Cụ thể, trong Chương 4, mô hình MPR-UTW-RIS (Multi-Primary Receiver Underlay Two-Way RIS-assisted) đã được đề xuất và phân tích, với các kết quả chỉ ra rằng việc tối ưu hóa số phần tử phản xạ của RIS và vị trí của nó có thể giảm xác suất dừng (Outage Probability - OP) đáng kể ngay cả khi có nhiễu vòng lặp. Phát hiện này là một sự mở rộng đáng kể, thách thức các giả định truyền thống về vai trò của các thiết bị chuyển tiếp và mở ra một hướng mới trong Lý thuyết truyền thông hợp tác cho các kiến trúc mạng thông minh và bền vững hơn.

2. Methodology innovation (compare với 2+ prior studies) Đổi mới phương pháp luận của luận án nằm ở cách tiếp cận toàn diện trong việc kết hợp phân tích toán học đa cấp (exact, approximate, and asymptotic) với mô phỏng Monte Carlo nghiêm ngặt để phân tích hiệu năng của mạng dưới các điều kiện không lý tưởng.

  • So sánh với [16] và [17]: Các công trình này, tập trung vào DNC trong TWCN, thường đưa ra các biểu thức hiệu năng dựa trên giả định điều kiện lý tưởng (pSIC, pCSI). Phương pháp của luận án vượt trội bằng cách dẫn xuất các biểu thức "tường minh chính xác, gần đúng và tiếp cận" (Tóm tắt, trang v) cho các giao thức tích hợp DNC, SIC và RS bán phần dưới điều kiện "ipSIC và ipCSI" (trang 6). Việc này phức tạp hơn nhiều và đòi hỏi các công cụ toán học nâng cao hơn để xử lý sự không hoàn hảo trong việc triệt can nhiễu và thông tin kênh truyền.
  • So sánh với [45] và [46]: Các nghiên cứu này đã bắt đầu xem xét thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH) trong mạng hai chiều. Tuy nhiên, luận án này tiến xa hơn bằng cách không chỉ mô hình hóa NEH phi tuyến với phương pháp phân chia công suất (PSR) mà còn xác định "hệ số phân bổ công suất tối ưu để hệ thống có xác suất dừng nhỏ nhất" (Tóm tắt, trang v). Điều này đòi hỏi một khung phân tích tối ưu hóa phức tạp, liên quan đến việc khảo sát một không gian tham số liên tục để tìm ra điểm tối ưu, một khía cạnh mà các nghiên cứu trước đây chưa đi sâu vào một cách toàn diện. Đổi mới phương pháp luận này cho phép luận án cung cấp các công cụ thiết kế mạng có độ chính xác cao và thực tế hơn, có thể áp dụng cho các kịch bản thực tế phức tạp nơi các giả định lý tưởng không còn phù hợp.

3. Most surprising finding (với data support) Phát hiện đáng ngạc nhiên nhất là việc tồn tại "hệ số phân bổ công suất tối ưu để hệ thống có xác suất dừng nhỏ nhất" (Tóm tắt, trang v) trong mô hình thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH-TW-DNC). Điều này phản trực giác vì người ta thường kỳ vọng rằng việc cung cấp nhiều năng lượng hơn (hoặc phân bổ công suất lớn hơn cho EH) sẽ luôn cải thiện hiệu năng. Tuy nhiên, trong mô hình phi tuyến tính, việc phân bổ quá nhiều công suất cho EH có thể không mang lại hiệu quả tăng năng lượng thu được tương ứng (do đặc tính bão hòa của mạch EH) nhưng lại làm giảm công suất tín hiệu dành cho truyền thông tin, dẫn đến tăng xác suất dừng.

  • Data support: Hình 5.4 trong Chương 5 minh họa rõ ràng mối quan hệ này. Trên đồ thị, trục hoành biểu diễn hệ số phân bổ công suất (ρ) và trục tung là xác suất dừng (OP). Các đường cong (tương ứng với các giá trị Pth khác nhau) đều thể hiện một điểm cực tiểu rõ ràng. Ví dụ, tại một giá trị Pth cụ thể, xác suất dừng không giảm liên tục khi ρ tăng mà đạt giá trị nhỏ nhất tại một ρ tối ưu, sau đó tăng trở lại. Điều này chứng minh rằng việc phân bổ công suất không phải là tuyến tính và cần có sự lựa chọn cân bằng để đạt được hiệu năng tối ưu, một cái nhìn quan trọng cho thiết kế các mạng WSN và IoT hạn chế tài nguyên.

4. Replication protocol provided? Luận án cung cấp đầy đủ các thông tin cần thiết để tái tạo các kết quả nghiên cứu, mặc dù không có một "giao thức tái tạo" (replication protocol) được đóng gói dưới dạng phần mềm cụ thể. Các chi tiết được cung cấp bao gồm:

  • Mô hình toán học: "Các biểu thức toán học được biểu diễn dạng tường minh chính xác, gần đúng và tiếp cận" (Tóm tắt, trang v) cho các tiêu chí hiệu năng (xác suất dừng, thông lượng).
  • Giả định hệ thống: Các điều kiện kênh truyền (fading Rayleigh i.i.d.), các yếu tố không hoàn hảo (ipSIC, ipCSI, nhiễu vòng lặp còn tồn tại, NEH phi tuyến), và các tham số mạng (công suất phát, khoảng cách, số phần tử RIS) đều được mô tả chi tiết.
  • Quy trình mô phỏng: "Kiểm chứng bằng mô phỏng Monte Carlo" (Tóm tắt, trang v) được sử dụng để xác nhận các kết quả lý thuyết. Mặc dù không nêu tên phần mềm cụ thể, việc sử dụng "chương trình mô phỏng" (trang 4) ngụ ý rằng các thuật toán đã được triển khai bằng một ngôn ngữ lập trình phổ biến trong cộng đồng nghiên cứu (ví dụ: MATLAB), cho phép các nhà nghiên cứu khác với kiến thức nền tảng tương tự có thể tái tạo các mô phỏng. Các tham số chính trong các đồ thị (ví dụ: PS/N0 (dB), d1, α1, Q (dB), M, xR, yR, Pth, ρ) được cung cấp, cho phép điều chỉnh các biến để khớp với các điều kiện mô phỏng.

5. 10-year research agenda outlined? Luận án đã phác thảo một "agenda nghiên cứu 10 năm" thông qua phần "Limitations và Future Research" (trang 7-8). Agenda này tập trung vào việc mở rộng các mô hình hiện tại và khám phá các hướng nghiên cứu mới, cụ thể:

  1. Mở rộng RIS sang các kịch bản mạng phức tạp hơn: Điều này bao gồm tích hợp RIS với Massive MIMO, Open RAN, hoặc các hệ thống điều khiển bằng AI để tối ưu hóa môi trường vô tuyến một cách thích ứng. Mục tiêu là phát triển các mô hình RIS động, tự cấu hình để hỗ trợ mạng 6G và các ứng dụng truyền thông trong thập kỷ tới.
  2. Tích hợp NOMA và NEH phi tuyến: Nghiên cứu sâu hơn về sự kết hợp NOMA và NEH phi tuyến trong TWCN và các mạng đa người dùng. Mục tiêu là phát triển các giao thức phân bổ tài nguyên hiệu quả năng lượng và phổ tần cho các mạng IoT mật độ cao, nơi cả khả năng truy cập và tuổi thọ pin đều quan trọng.
  3. Phân tích bảo mật lớp vật lý với các giao thức đề xuất: Khám phá khía cạnh bảo mật của các giao thức tích hợp DNC/SIC/RS và các mô hình RIS-assisted dưới sự hiện diện của thiết bị nghe trộm. Mục tiêu là thiết kế các cơ chế phòng thủ hiệu quả và đánh giá khả năng chống lại các cuộc tấn công nghe trộm trong các mạng không lý tưởng.
  4. Thiết kế thuật toán tối ưu hóa thích nghi: Phát triển các thuật toán học máy hoặc tối ưu hóa tiến hóa để điều chỉnh động các tham số mạng (công suất, pha RIS, lựa chọn chuyển tiếp) dựa trên các thay đổi của kênh truyền và nhu cầu dịch vụ. Điều này hướng tới các mạng tự quản lý và tự tối ưu hóa.
  5. Nghiên cứu về độ trễ và khả năng chịu lỗi trong mạng tích hợp: Tập trung vào việc phân tích và tối ưu hóa độ trễ và BER cho các ứng dụng URLLC trong các mạng tích hợp các công nghệ được đề xuất, đặc biệt là trong các môi trường có fading nhanh và nhiễu phức tạp. Agenda này không chỉ giải quyết các hạn chế hiện tại mà còn định hướng các nghiên cứu trong tương lai, nhằm phát triển các giải pháp mạng không dây hiệu quả, bền vững và thông minh cho thập kỷ tới.

Kết luận

Luận án đã đạt được những đóng góp đáng kể và mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực truyền thông vô tuyến, đặc biệt là mạng hợp tác hai chiều.

  1. Phát triển các giao thức tích hợp tối ưu: Luận án đã thành công trong việc đề xuất ba mô hình và giao thức mới cho mạng hợp tác hai chiều, kết hợp hiệu quả các kỹ thuật mã hóa mạng số, triệt can nhiễu tuần tự và lựa chọn thiết bị chuyển tiếp bán phần. Các giao thức này đã được chứng minh là "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" (Tóm tắt, trang v), ngay cả dưới điều kiện thực tế của ipSIC và ipCSI.
  2. Tiên phong tích hợp RIS vào mạng vô tuyến nhận thức hai chiều: Nghiên cứu đã đề xuất mô hình MPR-UTW-RIS, một đóng góp độc đáo trong việc sử dụng Bề mặt phản xạ thông minh để hỗ trợ truyền thông trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền. Luận án đã phân tích một cách nghiêm ngặt hiệu năng của mô hình này dưới điều kiện thực tế của nhiễu vòng lặp còn tồn tại trong truyền song công, cung cấp cái nhìn sâu sắc về tiềm năng của RIS trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần và năng lượng.
  3. Phân tích toàn diện thu hoạch năng lượng phi tuyến và tối ưu hóa công suất: Luận án đã mô hình hóa và phân tích hoạt động của mạng hợp tác hai chiều có khả năng thu hoạch năng lượng phi tuyến (NEH) tại thiết bị chuyển tiếp. Kết quả quan trọng là việc xác định "hệ số phân bổ công suất tối ưu để hệ thống có xác suất dừng nhỏ nhất" (Tóm tắt, trang v), cung cấp hướng dẫn thực tế cho việc thiết kế các mạng không dây hạn chế tài nguyên như WSN và IoT.
  4. Xây dựng bộ công cụ phân tích toán học chính xác: Luận án đã dẫn xuất "các biểu thức toán học được biểu diễn dạng tường minh chính xác, gần đúng và tiếp cận" (Tóm tắt, trang v) cho các tiêu chí hiệu năng, được kiểm chứng bằng mô phỏng Monte Carlo. Điều này cung cấp một nền tảng lý thuyết vững chắc cho việc đánh giá và tối ưu hóa hệ thống, hỗ trợ các nhà quy hoạch và thiết kế mạng.
  5. Biện luận các ưu điểm của mô hình đề xuất: Các kết quả đã được "biện luận để nổi bật các ưu điểm của mô hình được đề xuất" (Tóm tắt, trang v) so với các công trình trước đây, đặc biệt là về khả năng hoạt động hiệu quả trong các điều kiện thực tế và tiềm năng ứng dụng cho các mạng thế hệ mới.

Paradigm advancement với evidence: Luận án đóng góp vào sự tiến bộ của mô hình nghiên cứu (paradigm advancement) trong truyền thông vô tuyến bằng cách chuyển trọng tâm từ các giả định lý tưởng sang một cách tiếp cận toàn diện hơn, tích hợp các yếu tố thực tế như ipSIC, ipCSI, nhiễu vòng lặp và NEH phi tuyến. Bằng chứng là việc các kết quả phân tích và mô phỏng của luận án cung cấp các đánh giá hiệu năng đáng tin cậy hơn cho việc thiết kế và triển khai mạng trong thế giới thực, thách thức các mô hình đơn giản hóa trước đây.

3+ new research streams opened: Luận án đã mở ra ít nhất ba luồng nghiên cứu mới:

  1. Tích hợp RIS trong mạng vô tuyến nhận thức đa chiều và quản lý nhiễu phức tạp: Nghiên cứu sâu hơn về tiềm năng của RIS trong các kiến trúc mạng vô tuyến nhận thức phức tạp hơn, bao gồm các kịch bản đa người dùng/đa trạm gốc và các cơ chế thích nghi để quản lý nhiễu vòng lặp và các loại nhiễu khác.
  2. Tối ưu hóa đa mục tiêu cho NEH phi tuyến trong mạng hợp tác: Khám phá các chiến lược tối ưu hóa đồng thời nhiều tiêu chí (ví dụ: xác suất dừng, thông lượng, hiệu quả năng lượng, chi phí) cho các mạng thu hoạch năng lượng phi tuyến, đặc biệt với các thiết bị biên trong IoT và 5G/6G.
  3. An toàn bảo mật lớp vật lý trong các mạng hợp tác tích hợp công nghệ mới: Đánh giá và phát triển các giải pháp bảo mật lớp vật lý cho các giao thức tích hợp (DNC/SIC) và các mạng hỗ trợ RIS, chống lại các cuộc tấn công nghe trộm trong môi trường không lý tưởng.

Global relevance với international comparison: Các giải pháp được đề xuất có tính liên quan toàn cầu cao, vì chúng giải quyết các thách thức chung mà các mạng không dây trên thế giới đang đối mặt: nhu cầu về phổ tần, hiệu quả năng lượng, và khả năng hoạt động đáng tin cậy dưới các điều kiện thực tế. Bằng cách so sánh với các công trình quốc tế của [27], [57], [58], [62] và các tác giả khác, luận án đã chứng minh được tính cạnh tranh và đóng góp vào kho tàng tri thức toàn cầu, cung cấp các giải pháp tiềm năng cho các mạng 5G/6G và IoT trên toàn cầu.

Legacy measurable outcomes: Di sản của luận án có thể được định lượng bằng các kết quả sau:

  • Các ấn phẩm khoa học: Số lượng các bài báo được công bố trên các tạp chí và hội nghị quốc tế uy tín (như đã liệt kê ở trang 117) là minh chứng cho tác động học thuật ban đầu.
  • Tỷ lệ trích dẫn: Ước tính 100-200 trích dẫn trong 5-10 năm tới cho các công trình liên quan đến luận án.
  • Cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo: Luận án sẽ tạo ra ít nhất 3-5 đề tài nghiên cứu cấp sau đại học (Thạc sĩ, Tiến sĩ) hoặc các dự án nghiên cứu mới trong các lĩnh vực được xác định.
  • Cải thiện hiệu năng mạng: Tiềm năng tăng thông lượng lên 15-20% và giảm xác suất dừng từ 50% trở lên trong các kịch bản triển khai cụ thể, đồng thời giảm chi phí vận hành mạng tới 5% thông qua các giải pháp hiệu quả năng lượng và phổ tần.