BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRẦN QUÝ HỮU

GIAO THỨC ĐA TRUY CẬP KHÔNG TRỰC GIAO
CHO CÁC MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC
THU THẬP NĂNG LƯỢNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 7/2023.


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRẦN QUÝ HỮU

GIAO THỨC ĐA TRUY CẬP KHÔNG TRỰC GIAO
CHO CÁC MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC
THU THẬP NĂNG LƯỢNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 62520203

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS.TS. Phan Văn Ca
2. TS. Viên Quốc Tuấn

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7/2023.


Lý lịch cá nhân
I. Thông tin cá nhân
Họ và tên: TRẦN QUÝ HỮU

Giới tính: Nam

Ngày sinh: 15/11/1982

Nơi sinh: Quảng Ngãi

II. Quá trình đào tạo
Tốt nghiệp Đại học năm 2007, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM.
Tốt nghiệp Cao học năm 2010, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM.
Từ 10/2016 đến nay, Nghiên cứu sinh, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.
HCM.
III. Q trình cơng tác
Từ 10/2009 đến nay giảng viên của trường Đại học Công Nghiệp Tp. HCM.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 7 năm 2023.

i


LỜI CAM ĐOAN


Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tơi. Các kết
quả, số liệu, hình vẽ được trình bày trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ một cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 07 năm 2023

Trần Quý Hữu

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu trường
Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM, Khoa Điện–Điện tử và Phòng đào tạo
đã tạo điều kiện cho tơi có cơ hội được tiếp tục học tập để nâng cao kiến thức
chuyên môn.Thứ hai, tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy hướng dẫn luận án
tiến sĩ, gồm PGS. TS Phan Văn Ca của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
Tp.HCM và đồng hướng dẫn TS. Viên Quốc Tuấn của trường Đại học Middlesex University London. Thứ ba, tôi đặc biệt cảm ơn quý Thầy/Cô Khoa
Điện-Điện tử trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM đã nhiệt tình giúp
đỡ, truyền đạt những kiến thức hữu ích để tơi có thể thực hiện tốt đề tài nghiên
cứu của mình. Thứ tư, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến Ban giám hiệu
trường Đại học Công Nghiệp Tp.HCM đã tạo điều kiện rất thuận lợi cho tôi
được tiếp tục học tập, nâng cao trình độ chun mơn. Thứ năm, tơi xin gửi
lời cảm ơn sâu sắc đến Ban chủ nhiệm Khoa và tập thể giảng viên Khoa CN.
Điện tử, trường Đại học Công Nghiệp Tp.HCM đã luôn động viên, giúp đỡ
tôi trong công việc. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến Ba mẹ,
đã luôn động viên, an ủi, khích lệ từ hàng ngàn dặm xa để tơi vững tâm hồn
thành luận án của mình.
Kính chúc q Thầy Cơ luôn luôn mạnh khỏe, công tác thật tốt, đạt được thật
nhiều thành công trong sự nghiệp trồng người đầy vẻ vang của mình.

Tơi xin chân thành cảm ơn!
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 07 năm 2023
NCS thực hiện

Trần Quý Hữu

iii


TĨM TẮT
Luận án này đã tích hợp các cơ chế đa truy cập, các giao thức thu thập
năng lượng, chuyển tiếp phân chia theo công suất (PSR) và chuyển tiếp phân
chia theo thời gian (TSR), giải mã và chuyển tiếp (DF) trong một hệ thống đa
truy cập không trực giao truyền năng lượng và thông tin không dây đồng thời
(SWIPT NOMA), có thể triển khai rộng rãi cho các mạng vô tuyến chuyển
tiếp hợp tác thu thập năng lượng (EH), các hệ thống mạng truyền thông không
dây thế hệ thứ năm và các mạng thế hệ tiếp theo.
Cụ thể, luận án nghiên cứu kỹ thuật NOMA, giao thức giải mã và chuyển
tiếp (DF), thu thập năng lượng (EH) trong các hệ thống chuyển tiếp hợp tác
truyền năng lượng và thông tin không dây đồng thời (SWIPT).
Đầu tiên, một cơ chế NOMA bán song công (HD NOMA) được đề xuất cho
hệ thống SWIPT để phân bổ công suất cho hai thiết bị người dùng. Một trong
hai thiết bị người dùng này được dùng như một trạm chuyển tiếp để thực hiện
cả việc EH và DF tín hiệu thu được. Cơ chế đề xuất sử dụng kiến trúc bộ thu
chia công suất (PS). Bộ thu này có khả năng thực hiện EH và xử lý thông tin
(IP) tại trạm chuyển tiếp. Hiệu suất của cơ chế đề xuất được phân tích thơng
qua xác suất dừng (OP), thông lượng và tốc độ trung bình. Cụ thể, các biểu
thức tốn học tường minh được tính cho OP ở cả hai thiết bị người dùng, trong
khi các kết quả phân tích của thơng lượng và tốc độ trung bình được tính cho
các phương thức truyền giới hạn trễ (DLT) và truyền chấp nhận trễ (DTT)

tương ứng. Kết quả từ mô phỏng cho chúng ta thấy rằng xác suất dừng, thơng
lượng và tốc độ trung bình đối với cơ chế NOMA được nâng cao khi so sánh
với cơ chế đa truy cập trực giao (OMA). Hiệu suất năng lượng (EE) được tính
cho hệ thống HD NOMA. Các kết quả từ mô phỏng cũng chỉ ra rằng NOMA
đạt hiệu suất năng lượng vượt trội hơn OMA.
iv


Tiếp theo, các giao thức PSR và TSR lần lượt được ứng dụng cho SWIPT trong các mạng chuyển tiếp hợp tác truyền năng lượng không dây (CRWPN) dựa vào hệ thống đa truy cập không trực giao chuyển tiếp hợp tác
(CRNOMA). Mạng này bao gồm một trạm cơ sở và hai nút đích trong đó một
nút đóng vai trị là trạm chuyển tiếp để giúp truyền thông giữa trạm cơ sở và
nút xa hơn. Ngoài ra, giao thức DF được xem xét ở trạm chuyển tiếp trong hai
phương thức truyền DLT và DTT.
Trong phân tích hiệu năng hệ thống, các biểu thức tốn học tường minh của
OP, thơng lượng, tốc độ trung bình và EE được tính tốn cho các giao thức
PSR và TSR với các phương thức DLT và DTT trong mạng CRWPN dựa vào
CRNOMA. Hiệu năng của hệ thống được phân tích để đánh giá sự tác động
của thời gian thực hiện EH, hiệu suất EH, tỉ số chia công suất, tốc độ dữ liệu
nguồn và khoảng cách giữa các nút. Ngoài ra, tác động của các thơng số này
đến OP và tốc độ trung bình của hai thiết bị người dùng ở vùng SNR cao
cũng được đánh giá. Kết quả của mô phỏng cho chúng ta thấy rằng hiệu năng
của CRNOMA vượt trội so với OMA. So sánh hiệu năng giữa hai giao thức,
giao thức TSR đạt thơng lượng, tốc độ trung bình lớn hơn và hiệu suất năng
lượng nhỏ hơn giao thức PSR. Nghiên cứu và đánh giá hiệu năng mạng với
các khoảng cách khác nhau giữa trạm cơ sở và trạm chuyển tiếp cũng như so
sánh giữa đường truyền trực tiếp và đường truyền qua trạm chuyển tiếp với
các hệ số suy hao đường truyền không giống nhau được thực hiện.
Cuối cùng, các biểu thức toán học tường minh của hiệu năng, tức là xác suất
dừng, thơng lượng, tốc độ trung bình và EE, được suy ra cho giao thức PSR
với các phương thức DLT và DTT và liên kết trực tiếp. Hiệu năng của mơ

hình hệ thống với liên kết trực tiếp được so sánh với hiệu năng của C-NOMA
chuyển tiếp cũng như so sánh giữa C-NOMA và OMA. Kết quả mô phỏng
cho thấy rằng C-NOMA có liên kết trực tiếp đạt được hiệu năng vượt trội so

v


với C-NOMA chuyển tiếp và C-NOMA vượt trội hơn so với OMA. Tác động
của các thông số nêu trên đến liên kết trực tiếp được đánh giá thông qua kết
quả mô phỏng số để nhận ra những thay đổi của hiệu suất. Những tác động
này là nền tảng để lựa chọn các tham số có các giá trị tương thích cho mơ
hình hệ thống, nhằm đạt được sự cân bằng giữa các điều khoản về hiệu suất
cũng như giữa các thiết bị người dùng.

vi


ABSTRACT
This thesis has combined multiple access schemes, energy harvesting
(EH), power splitting-based relaying, and time switching-based relaying (PSR/TSR) protocols, as well as the decode-and-forward protocol (DF), in a simultaneous wireless information and power transfer non-orthogonal multiple
access (SWIPT NOMA) system. This system can be applied widely to enable
EH in cooperative relay radio networks, fifth-generation, and next-generation
wireless communication systems.
Specifically, the thesis studies NOMA techniques, DF, and EH in SWIPT
cooperative relay systems. In the first network model, a half-duplex NOMA
(HD NOMA) scheme is suggested for the SWIPT system to allocate power for
two users, one of which is considered a relay station that performs both EH
and DF on the received signal. The suggested scheme makes use of a power
splitting (PS) receiver architecture which enables both information processing and EH at the relay station. The performance of the suggested scheme is
analyzed in terms of outage probability (OP), throughput and ergodic rate.

Specifically, closed-form expressions are derived for the OP at both users,
while the analytical results of the throughput and ergodic rate are obtained for
DLT and DTT modes, respectively. It is shown that, with the NOMA adaptation, an improved outage performance is attained for a significantly increased
throughput as well as ergodic rate at what time compared to the conventional orthogonal multiple access (OMA). The energy efficiency (EE) is derived
for the suggested HD NOMA systems. Our numerical results depict that the
NOMA attains a upper EE performance than the conventional OMA.
Second, PSR/TSR protocols are successively used for SWIPT in a CRNOMA
based cooperative relaying wireless-powered networks (CRWPNs) contain-

vii


ing a base station and two destination nodes among which one plays the role
as a relay station to assist the communication between the base station and
the far end nodes. Additionally, DF is considered at the relay station over two
transmission modes, i.e. DLT and DTT.
In system performance analysis, closed-form expressions of OP, throughput,
ergodic rate and EE are derived for the PSR and TSR protocols with DLT and
DTT modes in the CRNOMA-based CRWPNs. Next, the performance is analyzed to realize the impacts of EH time, EH efficiency, PS ratio, source data
rate, and the distance between the nodes. Furthermore, the impacts of these
parameters on the OP and ergodic rate of two users at high SNR regime are
also evaluated. The simulation results demonstrate that the performance for
CRNOMA outperforms that for OMA. For performance comparison between
two protocols, the TSR achieves higher throughput, ergodic rate and EE than
the PSR. The investigation and evaluation of performance metric versus different distances between from the base station to relay station and comparison
between direct and indirect links with different path losses are performed.
In the last model, closed-form expressions of the performance, i.e., OP, throughput, ergodic rate and EE, are derived for the PSR protocol with DLT and DTT
modes, and direct link. This performance of the system model with direct link
is compared to that for C-NOMA indirect link and OMA. The simulation results show that the C-NOMA with direct link achieves a better performance
than that for the C-NOMA indirect link and OMA. The impacts of above

mentioned parameters on the direct link are evaluated via the numerical simulation results to realize the changes of the performance. These influences are
the foundation for selecting parameters with appropriate values for the system
model to strike a balance between performance and user device terms.

viii


MỤC LỤC
Lý lịch cá nhân . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

i

Lời cam đoan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ii

Lời cảm ơn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iii

Tóm tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

iv

Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

vii

Mục lục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


ix

Các ký hiệu khoa học . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xii

Các từ viết tắt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

xiii

Danh sách các hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xviii
Danh sách các bảng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương 1: Mở đầu

xix
1

1.1. Tính cấp thiết của đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1

1.2. Mục đích và đối tượng nghiên cứu của đề tài . . . . . . . . . .

7

1.3. Phạm vi nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.4. Hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . .


9

1.4.1. Hướng tiếp cận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

1.4.2. Phương pháp nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

1.5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài . . . . . . . . . . . .

12

1.6. Cấu trúc của Luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

1.7. Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

ix


Chương 2: Cơ sở lý thuyết

16


2.1. Đa truy cập không trực giao NOMA . . . . . . . . . . . . . .

16

2.1.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.1.2. Phân loại . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

2.1.3. NOMA đường xuống . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

2.1.4. Thu thập năng lượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

28

2.2. Cơ sở toán học của luận án . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

2.2.1. Tín hiệu phát và thu . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

36

2.2.2. Thực hiện EH tại trạm chuyển tiếp . . . . . . . . . . .


37

2.2.3. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) . . . . . . . . . . . . .

40

2.2.4. Tiêu chí đánh giá hiệu năng . . . . . . . . . . . . . . .

41

2.2.5. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

Chương 3: Mô hình hệ thống

46

3.1. Trường hợp thứ nhất: Có vật cản giữa trạm gốc và nút đích. . .

46

3.1.1. Thu thập năng lượng và xử lý thông tin tại D1 . . . . . .

47

3.2. Trường hợp thứ hai: Không có vật cản giữa trạm gốc và nút đích. 52
3.2.1. Thực hiện EH tại D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

53


3.2.2. Xử lý thông tin tại D1 và D2 . . . . . . . . . . . . . . .

54

3.3. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56

Chương 4: Phân tích hiệu năng

57

4.1. Phân tích hiệu năng của trường hợp 1 . . . . . . . . . . . . .

57

4.1.1. Xác suất dừng tại D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

57

4.1.2. Xác suất dừng tại D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

58

4.1.3. Thông lượng đối với phương thức truyền giới hạn trễ . .

59

4.1.4. Tốc độ trung bình đối với phương thức truyền chấp nhận

trễ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

x

59


4.1.5. Loại bỏ can nhiễu liên tiếp khơng hồn hảo . . . . . . .

61

4.2. Phân tích hiệu năng của trường hợp 2 . . . . . . . . . . . . .

62

4.2.1. Xác suất dừng tại D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

62

4.2.2. Xác suất dừng tại D2 cho liên kết qua chuyển tiếp . . . .

62

4.2.3. Xác suất dừng tại D2 cho cả liên kết qua chuyển tiếp và
liên kết trực tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

63

4.2.4. Thông lượng cho phương thức DLT . . . . . . . . . . .


64

4.2.5. Tốc độ trung bình đối với phương thức DTT . . . . . .

65

4.2.6. Hiệu suất năng lượng

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

66

4.3. Kết luận chương 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

67

Chương 5: Kết quả thực hiện

68

5.1. Kết quả mô phỏng và thảo luận cho trường hợp 1 . . . . . . .

68

5.2. Kết quả mô phỏng và thảo luận cho trường hợp 2 . . . . . . .

78

5.2.1. Xác suất dừng đối với SNR và β . . . . . . . . . . . . .


79

5.2.2. Thông lượng và tốc độ trung bình đối với SNR và β

. .

81

. . . . . . . . . . . . . . . . . .

84

5.2.3. Hiệu suất năng lượng

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

86

6.1. Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

86

6.2. Hướng phát triển . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

87

TÀI LIỆU THAM KHẢO

88


Danh mục các cơng trình đã cơng bố . . . . . . . . . . . . . . . . 108
PHỤ LỤC

xi


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
h0

Hệ số kênh phức của S → D2

h1

Hệ số kênh phức của S → D1

h2

Hệ số kênh phức của D1 → D2

|h0 |2

Độ lợi công suất của S → D2

|h1 |2

Độ lợi công suất của S → D1

|h2 |2

Độ lợi công suất của D1 → D2


PS

Công suất phát tại S

Pr

Cơng suất phát tại D1

E {.}

Tốn tử kỳ vọng

E[|h0 |2 ] = Ω0

Kỳ vọng của hệ số kênh phức của S → D2

E[|h1 |2 ] = Ω1

Kỳ vọng của hệ số kênh phức của S → D1

E[|h2 |2 ] = Ω2

Kỳ vọng của hệ số kênh phức của D1 → D2

N0

Mật độ công suất nhiễu AWGN

K


∑ xi

Tổng của tất cả các phân tử xi với i = {1, 2,..., m}

i=1

Ei (.)
K1 (.)

R ∞ e−µx dx

= −eβ µ Ei (−µβ ) , [|arg β | < π, Reµ > 0, [86, §3.352.4]
q
p
R
β
Hàm Bessel mở rộng bậc 1 của dạng thứ 2, 0∞ e− 4x −γx dx= βγ K1 ( β γ), [86, §3.324.1]
Hàm tích phân mũ,

0

x+β

=

∆

Phép tốn định nghĩa


β

Tỷ lệ chia công suất

α

Hệ số phân chia thời gian

η

Hiệu suất chuyển đổi năng lượng
∆ PS
N0

ρ=

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu (SNR)

Pr (.)

Toán tử xác suất

F (.)

Hàm phân phối xác suất F (x) = Pr (x < X) , x ∈ ℜ

T

Tổng khối thời gian


a1

Hệ số chia công suất cho tín hiệu x1

a2

Hệ số chia cơng suất cho tín hiệu x2

ψI

Hệ số xử lý thông tin

ψE

Hệ số thu thập năng lượng

R1

Tốc độ mục tiêu để phát hiện tín hiệu x1

R2

Tốc độ mục tiêu để phát hiện tín hiệu x2

R

Tổng thơng lượng mạng

m


Hệ số mũ suy hao đường truyền

xii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt

Tên đầy đủ tiếng Anh

Tên đầy đủ tiếng Việt

nG

The nth generation network

Mạng thế hệ thứ n

3GPP

The 3rd Generation Partnership
Project

Dự án hợp tác thế hệ thứ 3

AF

Amplify-And-Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp


AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu Gaussian trắng cộng

AMPS

Advanced Mobile Phone System

Hệ thống điện thoại
di động tiên tiến

BS

Base Station

Trạm gốc

BPCU

Bits Per Channel Use

Bit/sử dụng kênh

CA

Carrier Aggregation


Kết hợp sóng mang

CDMA

Code Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã

Cooperative

Đa truy cập không trực giao

Non-Orthogonal Multiple Access

hợp tác

Cloud Radio Access Netwok

Mạng truy cập vô tuyến đám mây

Cooperative Relaying

Đa truy cập không trực giao

Non-Orthogonal Multiple Access

chuyển tiếp hợp tác

Cooperative Relaying Wireless


Mạng năng lượng không dây

Powered Network

chuyển tiếp hợp tác

CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh

DF

Decode-And-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

DLT

Delay Limited Transmission

Truyền giới hạn trễ

DTT

Delay Tolerant Transmission

Truyền chấp nhận trễ


EDGE

Enhanced Data GSM Evolution

Công nghệ 2.75G

EE

Energy Efficiency

Hiệu suất năng lượng

EH

Energy Harvesting

Thu thập năng lượng

EM

Electromagnetic

Điện từ trường

EC

Ergodic Rate

Tốc độ trung bình


FDMA

Frequency Division Multiple Access

C NOMA
CRAN
CR NOMA

CRWPN

GPRS

General Packet Radio Service

xiii

Đa truy cập
phân chia theo tần số
Dịch vụ vơ tuyến gói chung


GSM

HAPS

Global System of

Hệ thống thơng tin

Mobile Communnication


di động tồn cầu

High Altitude Stratospheric
Platform Stations

Trạm HAPS

Heterogeneous Cloud

Mạng truy cập vô tuyến

Radio Access Networks

đám mây không đồng nhất

Half-Duplex

Đa truy cập không trực giao

Non Orthogonal Multiple Access

bán song công

ICI

Inter – Cell Interference

Nhiễu liên tế bào


IDMA

Interleave-Division Multiple Access

Đa truy cập phân chia xen kẽ

Imperfect Successive Interference

Loại bỏ can nhiễu

Cancellation

liên tiếp khơng hồn hảo

IP

Information Processing

Xử lý thông tin

LPMA

Lattice Partition Multiple Access

Đa truy cập phân vùng mạng

LTE

Long Term Evolution


Mạng tiến hóa dài LTE

MAI

Multiple Access Interference

Nhiễu đa truy cập

MIMO

Multi Input Multi Output

Nhiều ngõ vào nhiều ngõ ra

MUSA

Multiuser Shared Multiple Access

H-CRAN

HD NOMA

Imperfect SIC

MUST

Multiuser Superposition Transmission

Đa truy cập chia sẻ
nhiều người dùng

Truyền chồng vị trí
nhiều người dùng

NOMA

Non Orthogonal Multiple Access

Đa truy cập không trực giao

NR

New Radio

Vô tuyến mới

OFDM

Orthogonal Frequency Division Modulation

Điều chế đa sóng mang
trực giao

OMA

Orthogonal Multiple Access

Đa truy cập trực giao

OP


Outage Probability

Xác suất dừng

PA

Power Allocation

Phân bổ công suất

PDMA

Pattern Division Multiple Access

Perfect SIC

PSR

Đa truy cập
phân chia theo mẫu

Perfect Successive Interference

Loại bỏ can nhiễu

Cancellation

liên tiếp hoàn hảo

Power Splitting-Based Relaying


xiv

Chuyển tiếp phân chia theo
công suất


PSTN
RAN

RFBCU

Public Switched Telephone Network
Radio Access Network

Mạng điện thoại chuyển
mạch công cộng
Mạng truy cập vô tuyến
Đơn vị chuyển đổi từ

Radio Frequency To
Baseband Conversion Unit

băng tần số vô tuyến
sang băng tần số cơ sở

RFID

Radio-Frequency Identification


Nhận dạng tần số vô tuyến điện

SC

Superposition Coding

Mã hóa xếp chồng

SCMA

Sparse Code Multiple Access

Đa truy cập mã thưa thớt

SIC

Successive Interference Cancellation

Loại bỏ can nhiễu liên tiếp

SISO

Single Input Single Output

Đơn ngõ vào đơn ngõ ra

SE

Spectrum Efficiency


Hiệu suất phổ

Simultaneous Wireless Information

Truyền năng lượng và thông tin

and Power Transfer

không dây đồng thời

SWIPT

TDMA

TSR

Time Division Multiple Access

Time Switching-Based Relaying

WET

Wireless Energy Transfer

WPC

Wireless Powered Communication

WSN


Wireless Sensor Network

xv

Đa truy cập phân chia
theo thời gian
Chuyển tiếp phân chia theo
thời gian
Truyền năng lượng không dây
Truyền thông không dây dựa vào
thu thập năng lượng
Mạng cảm biến không dây


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 2.1 Phân loại NOMA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Hình 2.2 NOMA áp dụng SIC ở phía thu trong đường xuống. . . . . . .

23

Hình 2.3 Ví dụ cơ chế đường xuống NOMA với hai thiết bị người dùng
UE1 và UE2 và một sóng mang con. . . . . . . . . . . . . . .

24

Hình 2.4 Minh họa mơ hình hệ thống của mạng NOMA hợp tác. . 25
Hình 2.5 Các trạm chuyển tiếp giúp chuyển tiếp thông tin thực hiện EH
và lưu trữ vào pin để giúp truyền thông hợp tác giữa trạm gốc
và nút đích. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


26

Hình 2.6 NOMA đường xuống cho K thiết bị người dùng. . . . . . . . .

27

Hình 2.7 Mơ hình mạng SWIPT và cấu trúc bộ thu. . . . . . . .

31

Hình 2.8 Minh họa cấu trúc của bộ thu phát cho SWIPT. . . . .

31

Hình 2.9 Mơ hình WPCN và giao thức thu thập sau đó phát [68]. . . . 32
Hình 2.10 Mơ hình thực hiện EH và truyền thơng tin đồng thời ứng dụng
NOMA hợp tác dựa vào cơ chế SWIPT. . . . . . . . . . . . .

34

Hình 2.11 Sơ đồ khối của bộ EH phân bổ công suất. . . . . . . . . .

35

Hình 2.12 Sơ đồ khối bộ EH chuyển mạch thời gian. . . . . . . . . . . .

36

Hình 2.13 (a) Mơ hình truyền nhận dữ liệu từ bộ phát của nguồn đến bộ
thu của trạm chuyển tiếp, (b) mơ hình bộ thu năng lượng tại

trạm chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

Hình 2.14 Giao thức PSR (a) Sơ đồ khối truyền thông thu thập năng lượng
và xử lý thông tin tại trạm chuyển tiếp, (b) Sơ đồ khối của bộ
thu tại trạm chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xvi

38


Hình 2.15 Giao thức PSR (a) mơ tả các thơng số chính để thu thập năng
lượng và xử lý thơng tin tại trạm chuyển tiếp, (b) Sơ đồ khối
của bộ thu tại trạm chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

Hình 2.16 Hệ thống OMA với hai thiết bị người dùng và hệ số chia công
suất. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

Hình 3.1 Mơ hình hệ thống với một trạm gốc và hai thiết bị người dùng
có vật cản giữa S và D2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

46

Hình 3.2 Giao thức PSR của hệ thống thực hiện EH. . . . . . . . . 47
Hình 3.3 Giao thức TSR của hệ thống thu thập năng lượng. . . . . 49

Hình 3.4 Mơ hình hệ thống với một trạm gốc và hai thiết bị người dùng
không có vật cản giữa S và D2. . . . . . . . . . . . . . . . . .

52

Hình 5.1 OP theo SNR đối với (a) giao thức PSR, (b) giao thức TSR, (c)
các giao thức PSR và TSR, (d) so sánh OP giữa công việc thực
hiện với công việc [85]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

70

Hình 5.2 OP theo các hệ số EH đối với (a) giao thức PSR, (b) giao thức
TSR và (c) các giao thức PSR và TSR. . . . . . . . . . . . . .

71

Hình 5.3 Thơng lượng của hai thiết bị người dùng với β = α đối với (a)
giao thức PSR, (b) giao thức TSR và (c) các giao thức PSR và TSR. . . 72
Hình 5.4 Tốc độ trung bình của hai thiết bị người dùng với β =α đối với
(a) giao thức PSR, (b) giao thức TSR và (c) các giao thức PSR và TSR. 73
Hình 5.5 Hiệu suất năng lượng của hai thiết bị người dùng đối với (a)
giao thức PSR, (b) giao thức PSR với các cặp hệ số (a1, a2)
khác nhau (c) giao thức TSR và (d) các giao thức PSR và TSR.

75

Hình 5.6 OP với SNR và các giá trị khác nhau của m. . . . . . . . 76
Hình 5.7 OP theo SNR và các giá trị d khác nhau. . . . . . . . . . 76

xvii



Hình 5.8 So sánh OP tại D1 theo SNR trong các trường hợp perfect SIC
và imperfect SIC x2 với các giá trị κ khác nhau. . . . . . . . .

77

Hình 5.9 OP của hai thiết bị người dùng đối với SNR truyền trong các
trường hợp khơng có liên kết trực tiếp và có liên kết trực tiếp. .

80

Hình 5.10 OP của hai thiết bị người dùng đối với β trong các trường hợp
có khơng có liên kết trực tiếp và có liên kết trực tiếp. . . . . .

81

Hình 5.11 Thơng lượng của hai thiết bị người dùng đối với β trong các
trường hợp khơng có liên kết trực tiếp và có liên kết trực tiếp. .

82

Hình 5.12 Tốc độ trung bình của hai thiết bị người dùng đối với β trong
các trường hợp khơng có liên kết trực tiếp và có liên kết trực tiếp.

83

Hình 5.13 EE của hai thiết bị người dùng cho giao thức PSR trong các
trường hợp khơng có liên kết trực tiếp và có liên kết trực tiếp. . . . . 84


xviii


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 So sánh các kỹ thuật truyền năng lượng không dây khác nhau. 30

xix


Chương 1
TỔNG QUAN
Trong chương này, nghiên cứu sinh trình bày tổng quan về đề tài với các
nội dung: tính cấp thiết của đề tài, mục đích và đối tượng nghiên cứu của đề
tài, phạm vi nghiên cứu, hướng tiếp cận và phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa
khoa học và thực tiễn của đề tài, cấu trúc của luận án, các nội dung này được
trình bày cụ thể như sau:

1.1.

Tính cấp thiết của đề tài

Thông tin di động là một trong những lĩnh vực rất cần thiết trong đời sống
của xã hội loài người. Khi xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu của con
người về truyền thơng, về tương tác trực tuyến ngày càng cao. Cùng với sự
tiến triển này, mạng không dây với các công nghệ nG và các thế hệ mạng tiếp
theo đã, đang và sẽ ra đời để phục vụ cho nhu cầu của con người.
Sự bùng nổ về số lượng các thiết bị truy cập, các loại hình mạng và dịch vụ
khác nhau đã kéo theo đó là sự giới hạn về tốc độ truy cập, dung lượng, băng
thông, năng lượng, độ trễ khi truyền tín hiệu trong mạng viễn thơng. Những

hạn chế này thể hiện rõ trong các mạng từ 1G đến 4G. Trong các mạng này,
kỹ thuật truy cập được triển khai là đa truy cập trực giao (OMA). OMA bao
gồm những kỹ thuật như TDMA, CDMA, FDMA và OFDM.
Đề tài này tập trung vào nghiên cứu vấn đề thu thập năng lượng tại các trạm
chuyển tiếp, góp phần kéo dài thời gian hoạt động của các trạm chuyển tiếp
trong các hệ thống đa truy cập không trực giao chuyển tiếp hợp tác, truyền
năng lượng và thông tin không dây đồng thời, sử dụng các giao thức PSR,
TSR, DF để thu thập năng lượng, giải mã và chuyển tiếp thông tin từ nút
1


nguồn đến nút đích. NOMA gần đây đã được chứng minh là một trong những
kỹ thuật có tính khả thi cao để triển khai cho mạng 5G và các thế hệ mạng
tiếp theo, để vượt qua những trở ngại của các công nghệ hiện tại như EE, độ
trễ và sự công bằng của các thiết bị người dùng [80], [87]-[88]. Một trong
những đặc điểm nổi bật của kỹ thuật NOMA là cho phép nhiều thiết bị người
dùng sử dụng chung các tài nguyên về thời gian, tần số và/hoặc miền mã
[80]. Một thiết bị người dùng mạnh, tức là thiết bị người dùng ở gần trạm cơ
sở (NU), có điều kiện kênh truyền tốt hơn, được cung cấp hệ số phân bổ công
suất thấp hơn so với thiết bị người dùng yếu, tức là thiết bị người dùng ở xa
trạm cơ sở (FU), có điều kiện kênh truyền kém hơn, đảm bảo tính cơng bằng
giữa các thiết bị người dùng [4], [6], [87], [89]. Hai kỹ thuật chính được triển
khai trong NOMA bao gồm mã hóa chồng chất [88] và loại bỏ nhiễu liên
tiếp [87]-[88]. Như một phiên bản mở rộng của NOMA, NOMA hợp tác (CNOMA) [91]-[92] khai thác thiết bị người dùng với điều kiện kênh truyền tốt
hơn, cụ thể là thiết bị người dùng chuyển tiếp, để hỗ trợ chuyển tiếp thông tin
cho một thiết bị người dùng khác có điều kiện kênh truyền kém hơn. Vì vậy,
C-NOMA có thể tăng mức độ phủ sóng của trạm cơ sở và tăng cường hiệu
suất của hệ thống NOMA. Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nhóm nghiên
cứu về kỹ thuật NOMA cho mạng 5G và các thế hệ mạng tiếp theo, nhóm
nghiên cứu ở trường Đại học Middlesex [1]-[2] quan tâm tới vấn đề năng

lượng của hệ thống NOMA trong mạng HCRAN, vấn đề cảm nhận phổ trong
mạng vơ tuyến nhận thức. Nhóm nghiên cứu ở trường Đại học Manchester [3]
đã và đang nghiên cứu vấn đề NOMA hợp tác, các giải thuật chọn lựa chuyển
tiếp kết hợp với thu thập năng lượng (EH) trong mạng ứng dụng công nghệ
NOMA.
Thực hiện EH từ các tần số vô tuyến có thể giúp giải quyết bài tốn hạn
chế năng lượng, kéo dài thời lượng pin trong các thiết bị điện tử, các cảm biến
2


không dây cũng như các trạm chuyển tiếp của mạng truyền thông không dây
[91]-[92]. Tại các trạm chuyển tiếp, việc thực hiện EH được triển khai ở giai
đoạn đầu tiên của khối thời gian truyền tín hiệu. Năng lượng thu thập được là
dành riêng cho: i) tiêu thụ tại trạm chuyển tiếp và ii) chuyển tiếp thông tin đã
giải mã tới nút đích.
Sự kết hợp giữa SWIPT và C-NOMA trong các hệ thống 5G đã chứng
minh EE vượt trội và vùng phủ sóng rộng hơn so với OMA [31], [89]. Hơn
nữa, bằng cách chuyển tiếp thông tin đến thiết bị người dùng ở xa, trạm
chuyển tiếp dựa trên SWIPT C-NOMA có thể cải thiện tính ngun bản cũng
như độ tin cậy của dữ liệu được truyền cho những thiết bị người dùng yếu
[93]. Giao thức PSR và giao thức TSR được khai thác tại các trạm chuyển
tiếp dựa trên SWIPT để thực hiện EH và IP [4], [6], [29], [94]. Trong [95],
tổng thông lượng của các thiết bị người dùng trong hệ thống C-NOMA dựa
trên SWIPT đã được nghiên cứu. Các biểu thức toán học gần đúng và các
biểu thức toán học tường minh của OP đã đạt được. Trong [96], hai giao thức
dựa trên SWIPT, đó là CNOMA SWIPT-PS và CNOMA-SWIPT-TS, đã được
đề xuất. Tính hiệu quả của các cơ chế đề xuất đã được chứng minh là vượt
trội so với OMA và so với công việc trong [97]. Trong [90], SWIPT dựa trên
hệ thống C-NOMA đã được điều tra. Một thiết kế chung cho các hệ số PS
và yếu tố PS đã được đề xuất để cải thiện hiệu suất hệ thống. Các biểu thức

phân tích cho OP của thiết bị người dùng gần và xa cũng đã được cung cấp.
Trong [98], SWIPT dựa trên PSR cho C-NOMA đã được nghiên cứu. So với
giao thức trong [99], giao thức này có thể giảm đáng kể OP của những thiết
bị người dùng mạnh và tăng thông lượng hệ thống. Trong [100], OP và thông
lượng của giao thức TSR được đề xuất ưu việt hơn so với giao thức TSR thơng
thường.
Trong các cơng trình [85], [89], [93], [95]-[100] có sự kết hợp giữa
3


SWIPT và C-NOMA, các nghiên cứu phân tích xác suất dừng, thông lượng
của hệ thống, so sánh giữa NOMA và OMA. Tuy nhiên, các vấn đề về hiệu
quả năng lượng, tác động của các thông số liên quan, hiệu suất ở SNR cao
vẫn chưa được giải quyết trong các công bố này.
Luận án này là sự kết hợp giữa SWIPT và C-NOMA sử dụng các giao
thức PSR, TSR, DF đề thu hoạch năng lượng, giải mã và chuyển tiếp thông
tin từ nguồn đến đích, phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống qua các
thông số OP (ở SNR thấp và SNR cao), thơng lượng, tốc độ trung bình và
EE. Có hai cơ chế chuyển tiếp dữ liệu chủ yếu trong C-NOMA có hỗ trợ
chuyển tiếp, bao gồm DF và AF [87]. Hơn nữa, trong chuyển tiếp dựa vào
C-NOMA, các thiết bị người dùng ở xa thường nhận được tín hiệu đã truyền
từ trạm phát, được chuyển tiếp từ các trạm chuyển tiếp [100]-[104]. Nguyên
nhân là do có một số chướng ngại vật trong đường truyền [4], [6], [105]. Tuy
nhiên, trong các mơ hình hệ thống khơng có chướng ngại vật, những thiết bị
người dùng ở xa này có thể nhận tín hiệu từ cả trạm chuyển tiếp hợp tác và từ
trạm cơ sở, tức là, trạm chuyển tiếp dựa vào C-NOMA với các liên kết trực
tiếp [53],[106]-[108]. Trong [106], một cơ chế DF động dựa trên C-NOMA
cho truyền đường xuống đã được đề xuất. Biểu thức OP của cơ chế đề xuất
được thiết lập bằng cách áp dụng lý thuyết xử lý điểm. Trong [109], ba cơ
chế chuyển tiếp hợp tác đã được đề xuất trong một hệ thống C-NOMA dựa

trên DF. Hiệu suất hệ thống cho các cơ chế đề xuất vượt trội so với chuyển
tiếp hợp tác DF khơng có liên kết trực tiếp và truyền chồng chất các tín hiệu
cho nhiều thiết bị người dùng không qua chuyển tiếp. Trong [110], một hệ
thống C-NOMA dựa trên DF với đường liên kết trực tiếp giữa trạm phát và
thiết bị người dùng yếu đã được nghiên cứu. Trong [111], một hệ thống hợp
tác giữa thiết bị với thiết bị với NOMA trong đó trạm cơ sở có thể truyền
thông đồng thời với tất cả các thiết bị người dùng đã được xem xét. Hai chiến
4