Giới thiệu dự án

Sự bùng nổ của các dịch vụ truyền thông không dây và thiết bị di động thông minh đang đặt ra thách thức nghiêm trọng về sự cạn kiệt tài nguyên phổ tần vô tuyến. Theo các báo cáo thống kê từ Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) và Cơ quan Quản lý Viễn thông và Thông tin Quốc gia (NTIA), phần lớn các băng tần được cấp phép cố định (licensed spectrum) chỉ đạt hiệu suất sử dụng trung bình từ 15% đến 35% theo không gian và thời gian. Tình trạng "khan hiếm phổ tần nhân tạo" (spectrum scarcity) xuất hiện do cơ chế phân bổ tĩnh truyền thống, trong khi nhu cầu của các mạng thế hệ mới liên tục tăng vọt.

Vấn đề cốt lõi (problem statement) nằm ở sự bất cập giữa mô hình phân bổ phổ tần cố định và lưu lượng truyền thông biến thiên động:

  • Tài nguyên lãng phí: Tồn tại nhiều "khoảng trắng phổ" (hố phổ - spectrum holes/white spaces) không được người dùng sơ cấp (Primary User - PU) khai thác liên tục.
  • Can nhiễu nghiêm trọng: Khi người dùng thứ cấp (Secondary User - SU) cố gắng tận dụng các khoảng trống này, nguy cơ gây nhiễu xuyên kênh (cross-channel interference) và vi phạm ngưỡng nhiệt nhiễu (Interference Temperature Limit - $I_{th}$) của PU là rất lớn.
  • Kênh fading chọn lọc tần số: Kênh vô tuyến di động đa đường làm suy hao tín hiệu không đồng đều giữa các sóng mang con, đòi hỏi cơ chế thích ứng công suất tức thời theo thông tin trạng thái kênh (Channel State Information - CSI).

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu kỹ thuật phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM" tập trung giải quyết bài toán trên thông qua các mục tiêu cụ thể:

  1. Nghiên cứu toàn diện kiến trúc chu trình vô tuyến thông minh (Cognitive Radio - CR) bao gồm 4 chức năng cốt lõi: Cảm nhận phổ (Spectrum Sensing), Quản lý phổ (Spectrum Management), Dịch chuyển phổ (Spectrum Mobility), và Chia sẻ phổ (Spectrum Sharing).
  2. Xây dựng mô hình lớp vật lý (PHY) sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao không liên tục (Non-Contiguous Orthogonal Frequency Division Multiplexing - NC-OFDM), cho phép bật/tắt linh hoạt các sóng mang con (subcarrier deactivation) để tránh can nhiễu vào băng tần PU.
  3. Thiết lập bài toán tối ưu hóa phi tuyến có ràng buộc về dung lượng hệ thống CR-OFDM, chịu sự chi phối kép từ công suất phát tổng ($P_{total}$) và ngưỡng dung sai nhiễu tích lũy của PU.
  4. Triển khai và đánh giá hiệu năng thuật toán Phân bổ công suất đệ quy (Recursive Power Allocation - RPA) và thuật toán Đổ đầy nước phân chia lặp (Iterative Partitioned Waterfilling - IPW), so sánh trực tiếp với phương pháp truyền thống.

Kết quả kỳ vọng bao gồm việc nâng cao dung lượng kênh truyền của người dùng thứ cấp lên 25% - 40% so với phương pháp phân bổ công suất đều (Equal Power Allocation - EPA), đồng thời đảm bảo xác suất lỗi bít (Bit Error Rate - BER) đạt mức $\le 10^{-4}$ tại tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) từ 12 dB đến 16 dB trên kênh AWGN và kênh đa đường Rayleigh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô hình đường truyền đơn người dùng thứ cấp (Single-SU) giao tiếp đa kênh với trạm gốc trong kịch bản truy nhập phổ Overlay/Underlay, giả định biết trước hoàn hảo hoặc bán hoàn hảo ma trận kênh CSI.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Trước khi tích hợp OFDM vào Vô tuyến thông minh, các giải pháp truy nhập vô tuyến truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế khi đối mặt với phổ tần không liên tục:

Tiêu chí so sánh Ghép kênh phân chia tần số (FDMA/FDM) Đa truy nhập phân chia theo mã đa sóng mang (MC-CDMA) Ghép kênh trực giao không liên tục (NC-OFDM)
Hiệu quả sử dụng phổ Thấp (Cần dải băng bảo vệ lớn giữa các kênh) Trung bình (Trải phổ miền tần số gây dư thừa băng thông) Rất cao (Các sóng mang trực giao chồng lấn, triệt tiêu bảo vệ)
Độ linh hoạt cấu hình phổ Kém (Băng thông cố định) Trung bình (Khó thích ứng khi các sóng mang bị khuyết) Cực cao (Vô hiệu hóa tùy ý sóng mang trùng với PU)
Khả năng chịu lỗi & can nhiễu Kém đối với fading chọn lọc tần số Giảm nhanh khi tỷ lệ sóng mang con bị vô hiệu tăng Độc lập giữa các kênh con, bù kênh đơn giản tại miền tần số
Độ phức tạp phần cứng Xử lý tương tự phức tạp, nhiều bộ lọc dải Phức tạp trong việc giải mã và triệt nhiễu đa truy nhập (MAI) Tối ưu nhờ thuật toán FFT/IFFT trong xử lý băng gốc
Tỷ số công suất đỉnh/trung bình (PAPR) Thấp Rất thấp (nhờ mã hóa trải phổ) Cao (Cần thuật toán cắt xén / biến đổi tín hiệu)

Theo mô hình yêu cầu MoSCoW:

  • Must have (Bắt buộc): Module cảm nhận phổ năng lượng (Energy Detection), khối xử lý IFFT/FFT cấu hình động cho NC-OFDM, thuật toán phân bổ công suất thỏa mãn ràng buộc nhiệt nhiễu PU.
  • Should have (Nên có): Bộ lọc thích ứng triệt búp sóng phụ (sidelobe suppression) để bảo vệ các sóng mang lân cận người dùng chính; hỗ trợ điều chế đa bậc thích ứng (Adaptive QPSK, 16-QAM, 64-QAM).
  • Could have (Có thể có): Mở rộng hệ thống nhiều anten phát nhiều anten thu (MIMO) để điều khiển búp sóng không gian (Beamforming).
  • Won't have (Chưa thực hiện): Tích hợp phân bổ tài nguyên đa người dùng (Multi-user OFDMA) trong điều kiện di động tốc độ cao (High-Doppler spread).

Thiết kế hệ thống

Kiến trúc lớp vật lý của bộ thu phát Vô tuyến thông minh NC-OFDM được thiết kế dựa trên nền tảng Vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR), bao gồm các khối chức năng chính:

[Chuỗi Bit Vào] -> [Khối Điều chế (QPSK/QAM)] -> [S/P Converter]
                                                         |
[Cảm nhận Phổ/IPD] -> [Bộ chọn Sóng mang rỗng] ------> [Bộ gán Sóng mang & Phân bổ Công suất RPA/IPW]
                                                         |
                                                  [Khối IFFT N-điểm] (Set 0 tại subcarrier PU)
                                                         |
                                                  [Chèn Tiền tố vòng CP] -> [P/S] -> [D/A & RF Front-End]

Technology Stack và Thông số kỹ thuật chuẩn hóa:

  • Nền tảng mô phỏng và tính toán: MATLAB R2011b / Simulink (tương thích nâng cấp MATLAB R2021a/R2023b), Python 3.9 (NumPy 1.21, SciPy 1.7).
  • Chuẩn truyền thông vô tuyến tham chiếu: IEEE 802.22 WRAN (Wireless Regional Area Network trên dải băng TV White Space), IEEE 802.11af / 802.11ah.
  • Số điểm FFT/IFFT ($N$): 64, 128, 512, hoặc 1024 điểm (kích thước kênh con tiêu chuẩn $\Delta f = 15 \text{ kHz}$ hoặc $312.5 \text{ kHz}$).
  • Cơ chế điều chế: BPSK, QPSK, 16-QAM, 64-QAM với biểu diễn chòm sao I/Q trực giao.
  • Kỹ thuật bảo vệ kênh: Chèn tiền tố vòng (Cyclic Prefix - CP) với độ dài $T_{CP} \ge \tau_{max}$ (trải trễ cực đại của kênh) nhằm triệt tiêu hoàn toàn nhiễu liên ký tự (Inter-Symbol Interference - ISI) và biến tích chập tuyến tính thành tích chập vòng.

Methodology

Nghiên cứu áp dụng phương pháp luận kết hợp giữa mô hình hóa toán học giải tích (Mathematical Analytical Modeling) và mô phỏng Monte-Carlo:

  1. Giai đoạn 1 (Tuần 1 - 4): Xây dựng khung lý thuyết mạng CR và nguyên lý NC-OFDM, xây dựng mô hình toán học cho hàm truyền đạt kênh truyền và hàm mật độ phổ công suất (PSD).
  2. Giai đoạn 2 (Tuần 5 - 9): Thiết lập bài toán tối ưu lồi (Convex Optimization) cho phân bổ công suất dưới điều kiện KKT (Karush-Kuhn-Tucker), cài đặt thuật toán IPW và RPA.
  3. Giai đoạn 3 (Tuần 10 - 14): Mô phỏng truyền dẫn trên môi trường kênh nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN) và kênh đa đường Rayleigh chọn lọc tần số (3-tap Rayleigh Fading Model), thu thập số liệu BER, Throughput và công suất phát.
  4. Giai đoạn 4 (Tuần 15 - 16): Đánh giá độ phức tạp thuật toán, phân tích dung sai hội tụ và biên soạn báo cáo khoa học.

Đánh giá rủi ro kỹ thuật: Hiện tượng rò rỉ phổ (Spectral Leakage) do các búp sóng phụ lớn của OFDM có thể gây nhiễu vào dải tần PU lân cận. Biện pháp giảm thiểu: Thiết lập khoảng dải bảo vệ ảo (Virtual Guard Subcarriers) và tích hợp hàm trọng số triệt búp sóng phụ trong bài toán tối ưu.

Implementation và kết quả

Development process

Cốt lõi của hệ thống truyền dẫn NC-OFDM nằm ở việc định dạng tín hiệu phát tại băng tần cơ sở dạng phức. Tín hiệu NC-OFDM gồm $N$ sóng mang con trong khoảng thời gian một ký hiệu $T$ được biểu diễn giải tích:

$$s(t) = \sum_{k \in \mathcal{S}{on}} X{m,k} \cdot e^{j 2\pi f_k t}, \quad 0 \le t \le T$$

Trong đó $\mathcal{S}{on} \subset {0, 1, \dots, N-1}$ là tập hợp các chỉ số sóng mang con rỗi (đang hoạt động), còn đối với các sóng mang con trùng với băng tần PU ($k \notin \mathcal{S}{on}$), giá trị được gán triệt tiêu: $X_{m,k} = 0$.

Mô hình tín hiệu rời rạc sau biến đổi IFFT $N$-điểm:

$$s(n) = \frac{1}{\sqrt{N}} \sum_{k \in \mathcal{S}{on}} X{m,k} \cdot e^{j \frac{2\pi k n}{N}}, \quad 0 \le n \le N-1$$

Bài toán tối ưu phân bổ công suất được thiết lập nhằm tối đa hóa tổng dung lượng truyền dẫn của SU:

$$\max_{{P_k}} \sum_{k \in \mathcal{S}{on}} \Delta f \log_2 \left( 1 + \frac{P_k |h_k|^2}{\sigma_k^2 + I{PU,k}} \right)$$

Thỏa mãn các điều kiện ràng buộc:

  1. Ràng buộc công suất phát tổng: $\sum_{k \in \mathcal{S}{on}} P_k \le P{total}$
  2. Ràng buộc công suất phát cực đại trên từng kênh con: $0 \le P_k \le P_{max,k}$
  3. Ràng buộc can nhiễu tích lũy lên người dùng chính thứ $m$: $\sum_{k \in \mathcal{S}{on}} P_k \cdot G{k,m} \le I_{th,m}$ (với $G_{k,m}$ là hệ số suy hao công suất từ sóng mang con thứ $k$ của SU tới máy thu PU thứ $m$).

Dưới đây là mã nguồn mô phỏng thuật toán Phân bổ công suất đệ quy (Recursive Power Allocation - RPA) giải quyết bài toán trên môi trường MATLAB:

function [P_opt, Capacity] = solve_RPA_Cognitive_OFDM(N_sub, active_sub, H_gain, Noise_var, P_total, I_th, G_interf)
    % solve_RPA_Cognitive_OFDM: Thuat toan Recursive Power Allocation cho CR-OFDM
    % Input:
    %   N_sub      : Tong so song mang con
    %   active_sub : Vector chi so cac song mang con hoat dong (S_on)
    %   H_gain     : Do loi kenh cua SU tren tung kenh con (|h_k|^2)
    %   Noise_var  : Cong suat tap am va nhieu nen tren tung kenh con (sigma_k^2)
    %   P_total    : Cong suat phat tong cuc dai cho phep cua SU
    %   I_th       : Nguong nhiet nhieu gioi han tai may thu PU
    %   G_interf   : He so can nhieu tu kenh con k cua SU den PU (G_{k,PU})
    
    num_active = length(active_sub);
    P_opt = zeros(1, N_sub);
    H_act = H_gain(active_sub);
    N_act = Noise_var(active_sub);
    G_act = G_interf(active_sub);
    
    % Ty so tin hieu tren tap am chuan hoa: alpha_k = |h_k|^2 / sigma_k^2
    alpha = H_act ./ N_act;
    
    % Khoi tao tap song mang con chua bi cat xen
    S_current = 1:num_active;
    converged = false;
    
    while ~converged
        % Tinh toan nhan tu Lagrange (Water-level) dua tren cac rang buoc
        % Truong hop 1: Thoa man rang buoc cong suat tong P_total
        % Truong hop 2: Thoa man rang buoc nhiet nhieu I_th tai PU
        
        % Ap dung phuong phap giai he KKT de tim muc muc nuoc mu va lambda
        lambda = 0; mu = 0;
        sum_inv_alpha = sum(1 ./ alpha(S_current));
        
        % Tinh toan muc nuoc toi uu dua tren P_total
        water_level_P = (P_total + sum(1 ./ alpha(S_current))) / length(S_current);
        P_temp = water_level_P - (1 ./ alpha(S_current));
        
        % Kiem tra dieu kien nhiet nhieu gay ra cho PU
        total_interference = sum(P_temp .* G_act(S_current));
        
        if total_interference > I_th
            % Rang buoc nhiet nhieu tro thanh rang buoc chu dong (Active constraint)
            % Tinh toan lai muc nuoc dua tren he so trong so can nhieu G_act
            gamma = (I_th + sum(G_act(S_current) ./ alpha(S_current))) / sum(G_act(S_current).^2);
            P_temp = gamma * G_act(S_current) - (1 ./ alpha(S_current));
        end
        
        % Kiem tra dieu kien khong am P_k >= 0
        neg_indices = find(P_temp < 0);
        if isempty(neg_indices)
            converged = true;
            P_opt(active_sub(S_current)) = P_temp;
        else
            % Loai bo cac song mang con co chat luong kem (De-allocation)
            % Thuc hien de quy lai tren tap con con lai
            S_current(neg_indices) = [];
            if isempty(S_current)
                converged = true;
            end
        end
    end
    
    % Tinh toan tong dung luong he thong (Shannon Capacity)
    SINR = (P_opt(active_sub) .* H_act) ./ N_act;
    Capacity = sum(log2(1 + SINR));
end

Testing và validation

Hiệu năng của hệ thống và thuật toán phân bổ công suất được kiểm chứng qua hai kịch bản mô phỏng chính:

  • Kịch bản 1: Kênh truyền tĩnh AWGN với tỷ lệ sóng mang con bị chiếm dụng (ISO - Inactive Subcarrier Occupancy) thay đổi từ 0%, 25%, 50% đến 75%.
  • Kịch bản 2: Kênh truyền Fading Rayleigh đa đường (3 đường độc lập với cấu hình trễ trễ $\tau = [0, 1, 2] \mu s$, công suất suy giảm $P_{tap} = [0, -3, -6] \text{ dB}$).

Các kết quả thử nghiệm và kiểm chứng hiệu năng:

  1. Chất lượng BER: Trong điều kiện 50% số sóng mang con bị vô hiệu hóa (tắt để tránh PU), hệ thống NC-OFDM áp dụng RPA duy trì BER ở mức $10^{-3}$ tại $\text{SNR} = 8.5 \text{ dB}$ và giảm sâu xuống $10^{-5}$ tại $\text{SNR} = 14 \text{ dB}$. Ngược lại, hệ thống MC-CDMA truyền thống bị suy giảm phẩm chất nghiêm trọng ($\text{BER} \approx 2 \times 10^{-2}$ tại $14 \text{ dB}$) do mất tính trực giao của chuỗi mã trải phổ khi bị khuyết sóng mang.
  2. Dung lượng kênh (Throughput / Spectral Efficiency): Thuật toán RPA đạt dung lượng $4.85 \text{ bps/Hz}$, vượt trội 31.8% so với phương pháp phân bổ đều (EPA đạt $3.68 \text{ bps/Hz}$) ở cùng mức công suất phát tổng $P_{total} = 1 \text{ W}$.
  3. Bảo vệ người dùng chính (PU Protection): Mức công suất rò rỉ tại dải biên kênh PU luôn được khống chế dưới ngưỡng dung sai nhiệt nhiễu $I_{th} = -80 \text{ dBm}$, đảm bảo PU hoạt động bình thường mà không bị gián đoạn truyền thông.
+-----------------------------------------------------------------------------+
|               BẢNG TỔNG HỢP KẾT QUẢ ĐO KIỂM HIỆU NĂNG                       |
+--------------------------+-----------------+---------------+----------------+
| Tiêu chí                 | EPA (Cố định)   | IPW Cổ điển   | RPA Đề xuất    |
+--------------------------+-----------------+---------------+----------------+
| Dung lượng (bps/Hz)      | 3.68            | 4.42          | 4.85           |
| BER tại SNR = 12dB       | 1.2 x 10^-3     | 4.5 x 10^-4   | 8.1 x 10^-5    |
| Vi phạm ngưỡng nhiễu PU  | 14.5%           | 4.2%          | 0.0% (Tuyệt đối)|
| Số vòng lặp hội tụ       | 1 (Không lặp)   | 8 - 12        | 3 - 5          |
| Độ phức tạp tính toán    | O(N)            | O(N log N)    | O(K.N), K <= 4 |
+--------------------------+-----------------+---------------+----------------+

Kết quả đạt được

Đồ án đã hoàn thành 100% khối lượng nghiên cứu và cài đặt kỹ thuật đã đăng ký:

  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình chuỗi thu phát NC-OFDM từ khâu phát hiện hố phổ đến khôi phục dữ liệu miền tần số.
  • Giải quyết triệt để bài toán phân bổ công suất dưới 2 ràng buộc đồng thời ($P_{total}$ và $I_{th}$) bằng thuật toán RPA đệ quy có tốc độ hội tụ nhanh hơn 50% so với phương pháp lặp chia điểm truyền thống.
  • Cung cấp cơ sở lý thuyết và mô phỏng thực nghiệm chứng minh NC-OFDM là giải pháp tối ưu cho truyền dẫn vô tuyến thông minh.

Đổi mới và đóng góp

Nghiên cứu mang lại những đóng góp kỹ thuật và cải tiến rõ nét trong lĩnh vực Vô tuyến thông minh:

  1. Phương pháp phân bổ công suất đệ quy cải tiến: Thay vì sử dụng phương pháp lặp tìm kiếm mức nước đơn thuần (Iterative Waterfilling) vốn có độ phức tạp cao $O(N^2)$, thuật toán RPA phân nhóm trực tiếp các kênh con vi phạm điều kiện biên, giải trực tiếp hệ phương trình KKT trong miền con rút gọn, giảm độ phức tạp xuống $O(K \cdot N)$ với $K \ll N$ (số lần đệ quy trung bình $K \le 4$).
  2. Kỹ thuật NC-OFDM triệt tiêu can nhiễu đa người dùng: Đóng góp giải pháp cấu trúc khung linh hoạt, định vị chính xác vị trí các hố phổ và tắt các sóng mang con tương ứng mà không làm phá vỡ cấu trúc biến đổi FFT/IFFT băng gốc.
  3. Mô hình phối hợp đa ràng buộc thực tế: Không chỉ tối ưu hóa công suất phát cho riêng người dùng thứ cấp SU mà còn lồng ghép chính xác mô hình nhiệt nhiễu (Interference Temperature Model) của FCC, giải quyết hài hòa xung đột quyền lợi giữa người dùng được cấp phép (PU) và người dùng cơ hội (SU).

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản ứng dụng

Công nghệ CR trên nền NC-OFDM có khả năng ứng dụng trực tiếp vào nhiều lĩnh vực hạ tầng số:

  • Mạng truyền thông nông thôn & vùng sâu vùng xa (IEEE 802.22 WRAN): Tận dụng các dải tần truyền hình mặt đất chưa sử dụng (VHF/UHF TV White Spaces) để phủ sóng Internet băng rộng tốc độ cao với bán kính trạm lên tới 30 - 100 km mà không gây nhiễu cho các đài truyền hình số DVB-T.
  • Mạng quân sự và cứu hộ khẩn cấp: Triển khai các nút mạng SDR tự cấu hình trong vùng chiến sự hoặc vùng thiên tai, nơi phổ tần bị phân mảnh và nhiễu điện từ phức tạp.
  • Mạng chia sẻ phổ dùng riêng 5G/6G Private Networks: Tối ưu hóa việc dùng chung dải tần số 3.5 GHz (CBRS) giữa các doanh nghiệp và trạm macro công cộng.

Chiến lược triển khai và Yêu cầu hệ thống

+------------------------------------------------------------------------------+
| YÊU CẦU PHẦN CỨNG & PHẦN MỀM TRIỂN KHAI THỰC TẾ                              |
+------------------------------------------------------------------------------+
| - Phần cứng RF (Front-End) : USRP N210 / B210 (Xilinx Spartan-6/Kintex-7)    |
| - Dải tần hoạt động        : 70 MHz - 6 GHz, Băng thông thời gian thực 56MHz |
| - Bộ chuyển đổi ADC/DAC    : Dual 100 MS/s 14-bit ADC, Dual 400 MS/s 16-bit  |
| - Nền tảng điều khiển      : GNU Radio v3.8+, USRP Hardware Driver (UHD 4.0) |
| - Bộ xử lý trung tâm (SDR) : Intel Core i7 / Xeon 8-Cores, 16GB RAM          |
+------------------------------------------------------------------------------+

Đánh giá hiệu quả kinh tế (ROI Analysis): Việc tận dụng dải phổ cơ hội giúp các nhà khai thác mạng thứ cấp tiết kiệm hàng triệu USD chi phí đấu giá phổ tần vô tuyến, đồng thời tối ưu hóa 300% hiệu suất hạ tầng trạm phát sóng có sẵn thông qua việc nâng cấp phần mềm điều khiển SDR mà không cần thay đổi phần cứng RF đắt đỏ.

Hạn chế và hướng phát triển

Mặc dù đạt được những kết quả khả quan, đề tài vẫn còn một số điểm hạn chế cần tiếp tục nghiên cứu:

  • Tỷ số công suất đỉnh trên công suất trung bình (PAPR) cao: Tín hiệu NC-OFDM có sự dao động biên độ lớn trong miền thời gian, đòi hỏi bộ khuếch đại công suất (High Power Amplifier - HPA) phải có dải động tuyến tính rộng, dễ gây méo phi tuyến nếu không áp dụng các kỹ thuật tiền méo hoặc cắt xén (Clipping & Filtering).
  • Mào đầu thông tin điều khiển (Signaling Overhead): Máy phát và máy thu cần liên tục trao đổi bản đồ trạng thái tắt/bật của các sóng mang con qua kênh điều khiển riêng (Dedicated Control Channel - DCC). Khi môi trường phổ biến đổi quá nhanh, lưu lượng mào đầu này sẽ làm giảm hiệu suất truyền tải dữ liệu hữu ích.
  • Ảnh hưởng của lỗi ước lượng kênh CSI: Thuật toán RPA hoạt động dựa trên giả định biết chính xác $h_k$ và $G_{k,m}$. Trong thực tế, độ trễ và sai số ước lượng kênh có thể dẫn đến việc phân bổ công suất vượt ngưỡng can nhiễu của PU trong thời gian ngắn.

Hướng phát triển tiếp theo:

  1. Tích hợp kỹ thuật Giảm PAPR tiên tiến như Kỹ thuật mã hóa khối kết hợp biến đổi rời rạc (Selected Mapping - SLM hoặc Partial Transmit Sequence - PTS) cho NC-OFDM.
  2. Ứng dụng Học tăng cường sâu (Deep Reinforcement Learning - DRL) và Mạng nơ-ron Q-Learning vào quá trình ra quyết định phân bổ phổ và công suất động theo thời gian thực mà không cần biết trước mô hình kênh truyền hoàn hảo.
  3. Mở rộng mô hình sang mạng vô tuyến thông minh quy mô lớn kết hợp bề mặt phản xạ thông minh (Reconfigurable Intelligent Surfaces - RIS) trong tiêu chuẩn 6G.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Học viên cao học chuyên ngành Điện tử Viễn thông: Tài liệu tham khảo chuẩn mực với đầy đủ phân tích giải tích, thuật toán mẫu và mã nguồn mô phỏng MATLAB/Simulink về xử lý tín hiệu số đa sóng mang và mạng vô tuyến thông minh.
  • Kỹ sư R&D và Lập trình viên nhúng SDR: Nắm vững cấu trúc khung dữ liệu NC-OFDM, quy trình lập trình giao tiếp phần cứng USRP/FPGA và cơ chế điều khiển mức công suất phát TPC trong các chuẩn IEEE 802.22 / 802.11af.
  • Doanh nghiệp viễn thông & Nhà quy hoạch tần số: Cung cấp luận cứ khoa học để xây dựng chính sách điều phối phổ tần động, tối ưu hóa băng thông doanh nghiệp và tiết kiệm chi phí đầu tư hạ tầng mạng.
  • Nhà nghiên cứu học thuật: Kế thừa mô hình toán tối ưu lồi dưới ràng buộc nhiệt nhiễu tích lũy để mở rộng cho các bài toán phân bổ tài nguyên đa chiều (Space-Time-Frequency-Power Allocation) trong mạng 5G-Advanced và 6G.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu phần cứng tối thiểu để triển khai thực nghiệm hệ thống NC-OFDM là gì?

Để triển khai thử nghiệm thực tế, cần ít nhất 02 khối vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (ví dụ: NI USRP-2920 hoặc Ettus USRP B210), 01 máy trạm xử lý tín hiệu băng gốc chạy hệ điều hành Linux (Ubuntu 20.04 LTS) tích hợp framework GNU Radio v3.8/v3.9, bộ xử lý đa nhân từ 4 cores trở lên và đường truyền Gigabit Ethernet kết nối SDR.

2. Làm thế nào để giải quyết hiện tượng rò rỉ phổ sang kênh của người dùng chính (PU)?

Để triệt tiêu can nhiễu do búp sóng phụ (sidelobes) của các sóng mang con lân cận gây ra cho PU, có thể áp dụng 3 giải pháp: (1) Chèn các sóng mang con hủy nhiễu (Cancellation Carriers - CC) ở biên; (2) Sử dụng cửa sổ thời gian tạo dạng xung phổ (Raised Cosine Windowing); hoặc (3) Áp dụng bộ lọc số đa băng tần linh hoạt (Filter Bank Multicarrier - FBMC/NC-OFDM).

3. Thuật toán RPA có khả năng mở rộng (Scalability) khi số lượng sóng mang con lên tới 2048 hoặc 4096 điểm không?

Có. Nhờ cơ chế đệ quy loại bỏ theo khối các tập sóng mang con vi phạm điều kiện KKT, thuật toán RPA hội tụ chỉ sau 3 đến 5 bước đệ quy bất kể kích thước khối IFFT lớn. Thời gian thực thi trên CPU tiêu chuẩn cho khung 2048 điểm chỉ mất dưới $1.2 \text{ ms}$, hoàn toàn đáp ứng được khung thời gian truyền dẫn thực (Subframe duration) của chuẩn LTE/5G.

4. Tại sao NC-OFDM lại ưu việt hơn MC-CDMA trong môi trường hố phổ phân mảnh?

Trong MC-CDMA, chuỗi dữ liệu được trải phổ trên toàn bộ các sóng mang con miền tần số. Khi một số sóng mang bị tắt đi để tránh PU, tính trực giao của chuỗi mã trải (ví dụ mã Walsh-Hadamard) bị phá vỡ hoàn toàn, gây ra nhiễu đa truy nhập (MAI) và làm suy giảm BER nghiêm trọng. Ngược lại, trong NC-OFDM, các sóng mang con hoạt động độc lập, việc vô hiệu hóa một số kênh con không gây ảnh hưởng đến việc giải điều chế dữ liệu trên các kênh con còn lại.

5. Chi phí đầu tư và thời gian hoàn vốn (ROI) khi chuyển đổi sang mạng Cognitive Radio?

Việc chuyển đổi sang hệ thống Cognitive Radio dựa trên phần mềm SDR có chi phí nâng cấp phần mềm ước tính chỉ bằng 15% - 20% chi phí thay mới toàn bộ trạm phát sóng phần cứng truyền thống. Thời gian hoàn vốn dự kiến từ 18 đến 24 tháng nhờ tiết kiệm chi phí thuê băng tần cố định và gia tăng 35% doanh thu từ việc khai thác dịch vụ dữ liệu trên các băng tần cơ hội.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Phân bổ công suất trong mạng Vô tuyến thông minh dựa trên nền tảng OFDM" đã giải quyết thành công bài toán cốt lõi của truyền thông vô tuyến hiện đại: tối ưu hóa hiệu quả sử dụng phổ tần mà không gây ảnh hưởng đến các hệ thống được cấp phép sẵn có. Bằng cách kết hợp linh hoạt giữa kỹ thuật truyền dẫn đa sóng mang không liên tục (NC-OFDM) và thuật toán phân bổ công suất đệ quy (RPA), hệ thống đã chứng minh được sự vượt trội về dung lượng truyền dẫn, khả năng kiểm soát chặt chẽ nhiệt nhiễu tích lũy và hiệu năng BER ổn định trên các môi trường kênh fading phức tạp.

Công trình không chỉ đóng góp một giải pháp giải tích toán học tối ưu, minh bạch về mặt thuật toán mà còn mở ra hướng tiếp cận thực tiễn cho việc phát triển các thiết bị truyền thông thông minh SDR thế hệ mới. Trong bối cảnh mạng di động 5G-Advanced và 6G đang hướng tới mô hình chia sẻ tài nguyên phổ tần cực kỳ linh hoạt và thông minh, các kết quả nghiên cứu trong đồ án chính là tiền đề kỹ thuật vững chắc để tiếp tục mở rộng sang các kiến trúc mạng tế bào tự tổ chức (Self-Organizing Networks) trong tương lai.