Tổng quan về luận án

Sự bùng nổ của mạng thông tin di động thế hệ thứ năm (5G) và tương lai là 6G cùng mạng Internet vạn vật (IoT) đặt ra thách thức gay gắt về dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ tần. Theo các dự báo viễn thông, mạng 5G đòi hỏi dung lượng truyền dẫn cao hơn 1000 lần so với các thế hệ mạng tế bào tiền nhiệm, đồng thời phải phục vụ kết nối cho hơn 50 tỉ thiết bị vô tuyến với mật độ trung bình trên 6 thiết bị/người. Trong bối cảnh tài nguyên tần số vô tuyến ngày càng khan hiếm, kỹ thuật truyền thông song công trên cùng băng tần (In-Band Full-Duplex - IBFD, hay FD) nổi lên như một giải pháp đột phá. Khác với kỹ thuật bán song công truyền thống (Half-Duplex - HD) phân chia theo thời gian hoặc tần số, thiết bị FD cho phép phát và thu tín hiệu đồng thời trên cùng một dải tần số tại cùng một thời điểm, mang lại tiềm năng nhân đôi (100%) hiệu quả sử dụng phổ tần lý thuyết (bit/s/Hz).

Tuy nhiên, rào cản kỹ thuật lớn nhất của hệ thống FD là nhiễu tự giao thoa (Self-Interference - SI) xuất hiện từ mạch phát truyền thẳng sang mạch thu trên cùng một thiết bị. Tín hiệu SI có công suất vượt trội gấp nhiều bậc độ lớn so với tín hiệu mong muốn thu được từ xa. Mặc dù các tiến bộ công nghệ chế tạo ăng-ten và chip xử lý tín hiệu số (DSP) hiện đại đã giúp mạch triệt nhiễu tự giao thoa (Self-Interference Cancellation - SIC) đạt hiệu năng suy giảm lên tới 110 dB, lượng nhiễu tự giao thoa còn sót lại (Residual Self-Interference - RSI) do quá trình triệt nhiễu không hoàn hảo vẫn tiếp tục làm suy giảm nghiêm trọng phẩm chất mạng. Bên cạnh đó, các nghiên cứu lý thuyết trước đây thường mặc định phần cứng là lý tưởng, bỏ qua các yếu tố phi lý tưởng thực tế như tạp pha bộ dao động nội, mất cân bằng biên độ - pha điều chế I/Q, và đặc tính phi tuyến của bộ khuếch đại công suất cao phía phát (HPA) cùng bộ khuếch đại tạp âm thấp phía thu (LNA).

Luận án tiến sĩ kỹ thuật "Nghiên cứu đánh giá và nâng cao phẩm chất hệ thống vô tuyến chuyển tiếp song công trên cùng băng tần" của tác giả Nguyễn Bá Cao, dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Trần Xuân Nam và TS. Trần Đình Tấn tại Học viện Kỹ thuật Quân sự (chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Mã số: 9.03), đã giải quyết căn bản các khoảng trống nghiên cứu trên. Luận án xây dựng khung phân tích giải tích tường minh nhằm định lượng chính xác phẩm chất của mạng chuyển tiếp song công (Full-Duplex Relay - FDR) một chiều và hai chiều trong các điều kiện phi lý tưởng thực tế.

Hệ thống câu hỏi và giả thuyết nghiên cứu được thiết lập cụ thể:

  • Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Phẩm chất của mạng chuyển tiếp AF-FDR một chiều có đường truyền trực tiếp (truyền thông hợp tác) biến thiên như thế nào dưới tác động của các cơ chế khuếch đại cố định ($G_f$) và khuếch đại thay đổi ($G_v$) cùng mức độ RSI?

  • Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Mạng chuyển tiếp FDR sử dụng giao thức DF ứng dụng trong truyền thông xe tới xe (V2V) chịu ảnh hưởng ra sao khi kênh truyền chuyển đổi từ pha-đinh Rayleigh đơn sang kênh pha-đinh Rayleigh kép (Cascaded/Double Rayleigh)?

  • Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Tác động đồng thời của sai hỏng phần cứng không hoàn hảo (Hardware Impairments - HI) và nhiễu RSI làm thay đổi cấu trúc xác suất dừng và xác suất lỗi ký hiệu của mạng AF-FDR một chiều và hai chiều như thế nào?

  • Câu hỏi nghiên cứu 4 (RQ4): Có thể thiết lập giải thuật phân bổ công suất phát tối ưu (Optimal Power Allocation - OPA) nhằm triệt tiêu hiện tượng sàn lỗi dừng và tối đa hóa thông lượng mạng FDR hay không?

  • Giả thuyết nghiên cứu 1 (H1): Sự tồn tại của đường truyền trực tiếp nguồn - đích trong truyền thông hợp tác AF-FDR kết hợp tỉ số cực đại (MRC) sẽ loại bỏ sàn lỗi xác suất dừng ở vùng SNR cao.

  • Giả thuyết nghiên cứu 2 (H2): Kênh truyền pha-đinh Rayleigh kép trong môi trường V2V di động làm gia tăng độ dốc suy giảm phẩm chất dừng so với kênh Rayleigh tiêu chuẩn nhưng vẫn duy trì ưu thế thông lượng của chế độ FD so với HD.

  • Giả thuyết nghiên cứu 3 (H3): Sai hỏng phần cứng (HI) tạo ra một ngưỡng trần dung lượng (capacity ceiling); việc tối ưu hóa tỷ lệ phân bổ công suất phát tại nút nguồn và nút chuyển tiếp sẽ bù đắp méo dạng phi tuyến, nâng cao vượt bậc hiệu năng hệ thống.

Phạm vi nghiên cứu bao quát các mô hình kênh truyền pha-đinh Rayleigh và Rayleigh kép, đánh giá toàn diện các tham số then chốt gồm Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability - OP), Xác suất lỗi ký hiệu (Symbol Error Probability - SEP), và Thông lượng mạng (System Throughput) qua các mức ngưỡng tốc độ truyền dẫn $R \in [1, 5]$ bit/s/Hz cùng các kỹ thuật điều chế BPSK, 4-QAM, M-PSK, M-QAM.

Literature Review và Positioning

Lịch sử phát triển của lý thuyết thông tin vô tuyến từng ghi nhận quan điểm truyền thống của Andrea Goldsmith: "It is generally not possible for radios to receive and transmit on the same frequency band because of the interference that results" [45]. Quan điểm này xuất phát từ độ chênh lệch công suất quá lớn giữa tín hiệu tự gây nhiễu và tín hiệu hữu ích thu được. Tuy nhiên, sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật viễn thông trong thập kỷ qua đã định hình lại lý thuyết truyền thông vô tuyến hiện đại.

Các công trình nghiên cứu về triệt nhiễu tự giao thoa (SIC) được chia thành ba nhánh công nghệ chính:

  1. Triệt nhiễu miền truyền sóng (Propagation-Domain Self-Interference Suppression - PDSIS): Tập trung vào việc cách ly điện từ trường giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu thông qua tăng khoảng cách hình học $d$, đặt tấm chắn hấp thụ, kỹ thuật bố trí ăng-ten cách nhau khoảng $\lambda/2$, phân cực chéo (cross-polarization) và kỹ thuật tạo chùm phát định hướng (transmit beamforming) nhằm tạo điểm 0 (null placement) tại ăng-ten thu (Bharadia et al. [13], Everett et al. [22]).
  2. Triệt nhiễu miền tương tự (Analog-circuit-Domain Self-Interference Cancellation - ADSIC): Thực hiện trừ tín hiệu giao thoa ước tính ngay trên mạch cao tần RF trước bộ biến đổi tương tự - số (ADC) bằng các mạch trễ và suy hao thích nghi chủ động hoặc thụ động (Choi et al. [19], Jain et al. [20]).
  3. Triệt nhiễu miền số (Digital-Domain Self-Interference Cancellation - DDSIC): Áp dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số (DSP) sau mạch ADC để lọc bỏ thành phần SI phi tuyến còn lại dựa trên mô hình chuỗi Volterra hoặc đa thức phi tuyến của bộ khuếch đại HPA (Korpi et al. [9], Ahmed et al. [12]).

Trong dòng nghiên cứu về mạng chuyển tiếp vô tuyến FDR, các công trình quốc tế tiêu biểu như của Riihonen, Werner, Wichman [18, 28] và Zhong et al. [27] đã thiết lập nền tảng phân tích dung lượng và xác suất dừng cho các giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF) cũng như giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF). Tuy nhiên, các công trình này tồn tại hai tranh luận học thuật và hạn chế căn bản:

  • Thứ nhất: Trong kịch bản truyền thông hợp tác AF-FDR có đường truyền trực tiếp từ nguồn tới đích ($S \to D$), hầu hết các tác giả quốc tế gặp bế tắc trước độ phức tạp tích phân của biến ngẫu nhiên tổng SINR, do đó chỉ đưa ra các chặn trên/dưới hoặc xấp xỉ thô cho hệ số khuếch đại thay đổi ($G_v$), hoàn toàn bỏ ngỏ trường hợp hệ số khuếch đại cố định ($G_f$).
  • Thứ hai: Các nghiên cứu ứng dụng FDR trong mạng xe cộ V2V của Liu et al. [36] và Zhang et al. [37, 38] chủ yếu tiếp cận ở tầng điều khiển truy nhập môi trường (MAC) hoặc phân tích tổng bậc tự do (Sum Degrees of Freedom), chưa mô hình hóa chính xác kênh truyền đa đường động dưới dạng pha-đinh Rayleigh kép kết hợp với RSI.
  • Thứ ba: Đa số các phân tích mạng FDR hai chiều (Two-Way Relay Network - TWRN) đều giả định phần cứng hoàn hảo. Trong khi đó, các nghiên cứu phần cứng không hoàn hảo của Schenk [39] và Björnson, Hoydis et al. [40] chứng minh rằng méo dạng phần cứng (HI) tạo ra mức suy thoái nghiêm trọng không thể loại trừ chỉ bằng tăng công suất phát.

Luận án của NCS. Nguyễn Bá Cao định vị chính xác tại giao điểm của ba hướng nghiên cứu trên: tích hợp mô hình phần cứng phi lý tưởng (HI), nhiễu tự giao thoa còn sót lại (RSI), đặc tính kênh truyền phức hợp (Rayleigh và Rayleigh kép), từ đó giải quyết triệt để bài toán tìm biểu thức tường minh chính xác (closed-form exact solutions) và tối ưu hóa tài nguyên vô tuyến.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã mở rộng đáng kể lý thuyết dung lượng kênh vô tuyến và lý thuyết truyền thông hợp tác thông qua việc giải quyết các bài toán giải tích phi tuyến phức tạp:

  1. Mở rộng lý thuyết truyền thông hợp tác AF-FDR: Chứng minh một cách tường minh rằng khi kết hợp tín hiệu từ đường truyền trực tiếp ($S \to D$) và đường chuyển tiếp ($S \to R \to D$) bằng kỹ thuật kết hợp tỉ số cực đại (Maximal Ratio Combining - MRC), hệ thống AF-FDR hoàn toàn triệt tiêu được hiện tượng bão hòa xác suất dừng (outage floor) do RSI gây ra ở vùng tỷ số tín trên tạp âm (SNR) cao.
  2. Xây dựng hệ thống công thức giải tích đóng (Exact Closed-Form Solutions): Tìm ra biểu thức toán học chính xác tuyệt đối cho hàm mật độ xác suất (PDF), hàm phân phối tích lũy (CDF) của tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm và méo dạng (SINDR), từ đó suy ra biểu thức chính xác cho Xác suất dừng (OP) và biểu thức xấp xỉ chặt cho Xác suất lỗi ký hiệu (SEP) thông qua các hàm toán học cao cấp:
    • Hàm Bessel sửa đổi bậc 0 và bậc 1 loại 2 ($K_0(\cdot), K_1(\cdot)$)
    • Hàm Whittaker ($W_{\lambda, \mu}(\cdot)$)
    • Hàm tích phân mũ ($Ei(\cdot)$)
    • Hàm Gamma hoàn chỉnh ($\Gamma(\cdot)$) và hàm lỗi Gauss ($erf(\cdot)$)
  3. Phát triển lý thuyết đánh giá sai hỏng phần cứng gộp (Aggregated Hardware Impairments): Định lượng hóa tác động phi tuyến của hệ số méo dạng phần cứng ở đầu phát ($k_t$) và đầu thu ($k_r$) thành hệ số méo dạng tổng thể $k = \sqrt{k_t^2 + k_r^2}$. Luận án chứng minh rằng méo dạng phần cứng tạo ra một sàn lỗi dừng độc lập với công suất phát, buộc hệ thống phải chuyển dịch từ bài toán tăng công suất thuần túy sang bài toán tối ưu hóa tỷ lệ phân bổ công suất phát.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đồng thời ba cấu trúc lý thuyết nền tảng:

  • Lý thuyết kênh pha-đinh Rayleigh và Rayleigh tầng (Cascaded/Double Rayleigh): Đáp ứng xung kênh truyền $h$ có biên độ $|h|$ tuân theo phân bố Rayleigh với độ lợi công suất tức thời $\rho = |h|^2$ phân bố theo quy luật hàm mũ: $$f_\rho(x) = \frac{1}{\Omega}\exp\left(-\frac{x}{\Omega}\right), \quad F_\rho(x) = 1 - \exp\left(-\frac{x}{\Omega}\right)$$ Đối với kênh truyền V2V di động giữa hai xe, kênh truyền được mô hình hóa dưới dạng tích của hai biến ngẫu nhiên Rayleigh độc lập $h = h_1 \cdot h_2$, dẫn đến hàm phân phối xác suất phức hợp biểu diễn qua hàm Bessel sửa đổi: $$f_{|h|^2}(x) = \frac{2}{\Omega} K_0\left(2\sqrt{\frac{x}{\Omega}}\right)$$
  • Mô hình méo dạng phần cứng phi lý tưởng: Tín hiệu thu tức thời có tính đến méo dạng phần cứng được mô hình hóa theo: $$y = h s + \eta_t + \eta_r + z$$ trong đó $\eta_t \sim \mathcal{CN}(0, k_t^2 P)$ biểu diễn méo dạng phát, $\eta_r \sim \mathcal{CN}(0, k_r^2 |h|^2 P)$ biểu diễn méo dạng thu, độc lập với tạp âm trắng cộng AWGN $z \sim \mathcal{CN}(0, \sigma^2)$.
  • Điều kiện biên phân tích (Boundary Conditions): Khung giải tích được thiết lập chặt chẽ cho cả hai trạng thái khuếch đại tại nút chuyển tiếp:
    • Hệ số khuếch đại cố định (Fixed Gain - $G_f$): $G_f^2 \approx \frac{P_R}{P_S \Omega_1 + \sigma_R^2 + P_R \Omegã_R}$
    • Hệ số khuếch đại thay đổi (Variable Gain - $G_v$): $G_v^2 = \frac{P_R}{P_S |h_{SR}|^2 + \sigma_R^2 + I_R}$

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Luận án tuân thủ nghiêm ngặt thế giới quan thực chứng (Positivism) và phương pháp luận diễn dịch toán học (Deductive Mathematical Modeling). Thiết kế nghiên cứu được phân tầng rõ ràng thành ba phân hệ phân tích:

Phân hệ nghiên cứu Kịch bản mạng & Giao thức Mô hình kênh truyền Giả định phần cứng Tham số đánh giá cốt lõi
Phân hệ 1 (Chương 2.1) Chuyển tiếp 1 chiều AF-FDR hợp tác (có đường $S \to D$) Pha-đinh Rayleigh tiêu chuẩn Phần cứng lý tưởng ($k=0$), tồn tại RSI OP, SEP, Thông lượng theo $G_f$ và $G_v$
Phân hệ 2 (Chương 2.2) Chuyển tiếp 1 chiều DF-FDR mạng V2V ($S$ cố định/di động) Kênh Rayleigh đơn và Rayleigh kép Phần cứng lý tưởng ($k=0$), tồn tại RSI OP, SEP, Thông lượng theo cự ly $d_{SR}, d_{RD}$
Phân hệ 3 (Chương 3) Chuyển tiếp 1 chiều & 2 chiều AF-FDR Pha-đinh Rayleigh tiêu chuẩn Phần cứng không lý tưởng ($k > 0$), tồn tại RSI OP, SEP, Thông lượng, Phân bổ công suất tối ưu

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu được thực hiện theo chu trình khép kín đảm bảo tính chuẩn xác và độ tin cậy tuyệt đối:

  1. Thiết lập mô hình vật lý và tín hiệu: Xác định phương trình tín hiệu thu tại nút chuyển tiếp $R$ và nút đích $D$, bao gồm tín hiệu mong muốn, thành phần tự giao thoa SI, méo dạng phần cứng HI và tạp âm AWGN.
  2. Khai triển giải tích xác suất: Xác định biểu thức tỷ số công suất tức thời SINR/SINDR. Thực hiện phép đổi biến ngẫu nhiên, áp dụng tích phân hai lớp trên miền phân bố của các biến ngẫu nhiên phân bố mũ và phân bố tích Rayleigh để tìm hàm phân phối tích lũy $F_\gamma(x)$.
  3. Thiết lập biểu thức hiệu năng hệ thống:
    • Xác suất dừng: $\text{OP} = F_\gamma(2^R - 1)$
    • Thông lượng hệ thống: $T(x) = R(1 - \text{OP})$
    • Xác suất lỗi ký hiệu: $$\text{SEP} = \frac{\alpha\sqrt{\beta}}{2\sqrt{2\pi}} \int_0^\infty \frac{\exp(-\beta x/2)}{\sqrt{x}} F_\gamma(x) dx$$
  4. Kiểm chứng chéo (Triangulation): Kiểm chứng toàn bộ các biểu thức giải tích lý thuyết thông qua phương pháp mô phỏng Monte-Carlo độc lập với tối thiểu $10^5$ đến $10^6$ lần thử ngẫu nhiên trên phần mềm tính toán khoa học chuyên dụng.

Data và phân tích

Các tham số toán học và mô phỏng được chuẩn hóa chính xác:

  • Tốc độ truyền dẫn yêu cầu: $R \in {1, 2, 3, 4, 5}$ bit/s/Hz, tương ứng với các ngưỡng dừng $x = 2^R - 1 \in {1, 3, 7, 15, 31}$.
  • Mức độ triệt nhiễu tự giao thoa: $\Omegã \in {-10\text{ dB}, -20\text{ dB}, -30\text{ dB}, -\infty\text{ dB}}$.
  • Hệ số méo dạng phần cứng: $k_1 = k_R = k_2 = k \in [0, 0.2]$ (với $k=0$ là trường hợp phần cứng lý tưởng, $k=0.15$ đại diện cho phần cứng tiêu chuẩn thực tế theo chuẩn 3GPP LTE/5G).
  • Cấu hình hình học: Cự ly nút chuẩn hóa $d_{SR} = d_{RD} = 1$, số mũ suy hao đường truyền $\vartheta = 2$ đến $4$.
  • Sơ đồ điều chế: BPSK ($\alpha=1, \beta=2$), 4-QAM/QPSK ($\alpha=2, \beta=1$), BFSK ($\alpha=1, \beta=1$).
  • Công cụ thực nghiệm: Môi trường phần mềm MATLAB/Simulink và công cụ tính toán ký hiệu giải tích nâng cao.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

Kết quả nghiên cứu giải tích và mô phỏng số trong luận án đã mang lại 4 phát hiện mang tính đột phá khoa học:

  1. Hiệu ứng triệt tiêu sàn lỗi của đường truyền trực tiếp trong AF-FDR: Trong mạng chuyển tiếp một chiều thông thường không có đường trực tiếp, RSI gây ra hiện tượng bão hòa xác suất dừng $\text{OP} \to \text{const}$ khi $\text{SNR} \to \infty$. Tuy nhiên, khi có đường trực tiếp $S \to D$ ($\Omega_3 > 0$) kết hợp bộ thu MRC, đường cong OP tiếp tục giảm sâu với độ dốc phân tập bậc 2, hoàn toàn phá vỡ sàn lỗi ngay cả khi mức RSI cao ($\Omegã = -10$ dB).
  2. Ưu thế tuyệt đối của giải thuật Phân bổ công suất tối ưu (OPA): Trong hệ thống AF-FDR sử dụng hệ số khuếch đại thay đổi $G_v$, việc áp dụng công suất tối ưu $P_R^*$ được chứng minh bằng giải tích:
    • Tại mức ngưỡng $x=3$, phân bổ công suất tối ưu giúp cải thiện OP tới gần một bậc độ lớn ($10^{-1}$) so với phân bổ công suất cố định $P_R = P_S$.
    • Thông lượng hệ thống đạt cực đại tiệm cận mức lý thuyết $R$ nhanh hơn từ 5 đến 8 dB trên thang đo SNR.
  3. Đặc tính suy thoái của kênh truyền V2V di động qua kênh Rayleigh kép: Khi cả xe phát ($S$), xe chuyển tiếp ($R$) và xe đích ($D$) cùng di chuyển, kênh truyền chuyển đổi sang phân bố Rayleigh kép hai chặng. Kết quả định lượng chỉ ra rằng tại mức $\text{SNR} = 30$ dB, xác suất dừng của kênh Rayleigh kép cao hơn xấp xỉ 4 lần so với kênh Rayleigh đơn. Tuy nhiên, hệ thống FD-V2V vẫn duy trì thông lượng vượt trội gấp 1.8 lần so với hệ thống HD-V2V truyền thống trong dải SNR trung bình và cao.
  4. Hiện tượng suy thoái phi tuyến do Sai hỏng phần cứng (HI): Khi hệ thống chịu ảnh hưởng đồng thời của HI ($k > 0$) và RSI, phẩm chất hệ thống suy giảm nghiêm trọng. Đặc biệt, khi tốc độ yêu cầu tăng cao ($R = 5$ bit/s/Hz, $x=31$), nếu không áp dụng OPA, xác suất dừng duy trì ở mức rất cao ($\text{OP} \approx 1$) kể cả khi tăng SNR lên 50 dB. Ngược lại, khi kích hoạt giải thuật phân bổ công suất tối ưu, OP giảm xuống dưới $10^{-2}$, khôi phục hoàn toàn khả năng truyền dẫn của hệ thống.
Xác suất dừng (OP)
    0                       20                        40 SNR (dB)

Implications đa chiều

  • Về mặt lý thuyết học thuật: Cung cấp bộ công cụ giải tích toán học chuẩn xác, khép kín cho các kỹ sư và nhà nghiên cứu lý thuyết thông tin vô tuyến, lấp đầy các khoảng trống giải tích tồn tại trong các công trình IEEE Transactions giai đoạn 2010–2020.
  • Về thiết kế kỹ thuật phần cứng: Thiết lập giới hạn kỹ thuật cho phép đối với chỉ tiêu méo dạng phần cứng $k$ của linh kiện RF (HPA/LNA). Các nhà sản xuất vi mạch có thể xác định chính xác ngưỡng dung sai phần cứng tối đa để thiết bị FD không bị rơi vào vùng bão hòa dừng.
  • Về ứng dụng thực tiễn trong mạng 5G/6G: Cung cấp giải pháp trực tiếp để triển khai các trạm tiếp sóng chuyển tiếp thông minh trong mạng giao thông tự hành (ITS/V2V), các điểm thu phát chuyển tiếp đô thị (Small Cells/Femtocells) và các hệ thống liên lạc quân sự yêu cầu bảo mật cao, trễ cực thấp và hiệu quả phổ tối đa.

Limitations và Future Research

Mặc dù đã đạt được những đóng góp đột phá, luận án thẳng thắn thừa nhận các giới hạn kỹ thuật mang tính tiền đề:

  1. Thông tin trạng thái kênh truyền (CSI): Các phân tích giải tích được thực hiện trên giả định các nút mạng có thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo (Perfect CSI). Trong thực tế, các lỗi ước lượng kênh (Channel Estimation Errors) sẽ gây thêm méo dạng trong quá trình triệt nhiễu và giải điều chế.
  2. Mô hình méo dạng phần cứng gộp: Méo dạng HI được mô hình hóa theo phân phối chuẩn Gaussian cộng tính dựa trên định lý giới hạn trung tâm. Tuy nhiên, các thành phần méo phi tuyến bậc cao riêng lẻ của HPA hoặc tạp pha phức tạp có thể thể hiện các đặc tính phi Gaussian ở một số dải tần siêu cao.
  3. Cấu trúc ăng-ten đơn (SISO): Luận án tập trung chuyên sâu vào mô hình trạm chuyển tiếp đơn đầu vào - đơn đầu ra (SISO) nhằm xây dựng nền tảng giải tích chính xác.

Các hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo bao gồm:

  • Hướng 1: Mở rộng khung giải tích cho hệ thống chuyển tiếp FD với điều kiện thông tin kênh không hoàn hảo (Imperfect CSI) và có độ trễ phản hồi kênh.
  • Hướng 2: Tích hợp công nghệ bề mặt phản xạ thông minh (Reconfigurable Intelligent Surfaces - RIS/IRS) vào mạng chuyển tiếp FDR nhằm hỗ trợ tái cấu trúc môi trường truyền sóng và triệt tiêu triệt để tín hiệu SI.
  • Hướng 3: Nghiên cứu chuyển tiếp FDR trong hệ thống đa ăng-ten quy mô cực lớn (Massive MIMO) kết hợp truyền thông ở dải tần sóng milimét (mmWave) và Terahertz (THz).
  • Hướng 4: Ứng dụng các thuật toán học máy và học tăng cường sâu (Deep Reinforcement Learning) để tối ưu hóa thích nghi công suất và lựa chọn nút chuyển tiếp trong mạng vô tuyến nhận thức FD thời gian thực.

Tác động và ảnh hưởng

  • Tác động học thuật: Các công trình công bố từ luận án đã đóng góp các bài báo chất lượng cao trên các tạp chí và kỷ yếu hội nghị uy tín thuộc danh mục ISI/Scopus và IEEE. Các biểu thức đóng về OP và SEP mở ra hướng trích dẫn tham chiếu nền tảng cho các nghiên cứu tiếp theo về truyền thông song công.
  • Tác động công nghiệp và chuyển đổi số: Cung cấp nền tảng tính toán phục vụ thiết kế các thiết bị chuyển tiếp vô tuyến 5G thế hệ mới, thiết bị truyền thông tầm ngắn chuyên dụng (DSRC) cho xe tự hành, giúp các doanh nghiệp viễn thông tối ưu hóa chi phí đầu tư hạ tầng mạng tế bào dày đặc.
  • Tác động an ninh - quốc phòng: Luận án được thực hiện tại Học viện Kỹ thuật Quân sự, trực tiếp giải quyết bài toán nâng cao dung lượng và độ tin cậy của mạng thông tin tác chiến chiến thuật, mạng thông tin chuyển tiếp trên chiến trường trong điều kiện địa hình phức tạp, bị chế áp điện tử và tài nguyên tần số bị hạn chế nghiêm ngặt.

Đối tượng hưởng lợi

  • Nghiên cứu sinh và Giảng viên chuyên ngành Vô tuyến: Tiếp cận khung phương pháp luận giải tích toán học mẫu mực để giải quyết các bài toán tích phân biến ngẫu nhiên phức hợp trong xử lý tín hiệu thông tin di động.
  • Kỹ sư R&D viễn thông và thiết bị IoT: Sử dụng trực tiếp các công thức tường minh để mô phỏng, đánh giá hiệu năng hệ thống mà không cần tốn hàng tuần chạy các chương trình mô phỏng lặp Monte-Carlo phức tạp.
  • Doanh nghiệp phát triển hệ thống giao thông thông minh (ITS): Ứng dụng mô hình FD-V2V để thiết kế các giao thức liên lạc giữa các phương tiện với độ trễ siêu thấp và độ tin cậy vượt bậc.
  • Các đơn vị kỹ thuật thuộc Binh chủng Thông tin liên lạc: Khai thác các thuật toán phân bổ công suất tối ưu để nâng cao chất lượng mạng vô tuyến chuyển tiếp dã chiến.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo và đột phá nhất của luận án là gì?

Đóng góp độc phá nhất là việc thiết lập thành công biểu thức giải tích tường minh chính xác (exact closed-form expression) cho Xác suất dừng (OP) của mạng chuyển tiếp AF-FDR hợp tác (tồn tại đường trực tiếp $S \to D$) cho cả hai trường hợp hệ số khuếch đại cố định ($G_f$) và hệ số khuếch đại thay đổi ($G_v$). Luận án đã mở rộng lý thuyết truyền thông hợp tác vô tuyến của Andrea Goldsmith [45], chứng minh bằng toán học chặt chẽ rằng đường truyền trực tiếp đóng vai trò như một nhánh phân tập không gian, loại bỏ hoàn toàn sàn lỗi xác suất dừng do nhiễu tự giao thoa còn sót lại (RSI) gây ra ở vùng SNR cao.

2. Tính đổi mới trong phương pháp nghiên cứu khi so sánh với các công trình quốc tế?

So với các nghiên cứu của Liu et al. [36] và Zhang et al. [37, 38] (chỉ dừng lại ở thiết kế giao thức MAC hoặc phân tích bậc tự do thô cho mạng V2V), luận án đã kết hợp đồng thời phương pháp phân tích giải tích xác suất với mô hình kênh pha-đinh Rayleigh kép hai chặng. So với nghiên cứu của Riihonen et al. [18, 28] và Björnson et al. [40], luận án đã tích hợp đồng thời cả ba yếu tố phi lý tưởng: méo dạng phần cứng phát - thu (HI), nhiễu tự giao thoa (RSI) và cơ chế khuếch đại tín hiệu để tìm ra nghiệm tối ưu phân bổ công suất giải tích chính xác.

3. Phát hiện thực nghiệm nào gây bất ngờ nhất và được giải thích bằng lý thuyết ra sao?

Phát hiện bất ngờ nhất là trong hệ thống AF-FDR chịu ảnh hưởng nặng nề của sai hỏng phần cứng ($k = 0.15$) và RSI ($\Omegã = -10$ dB), việc tăng công suất phát thuần túy không những không cải thiện được chất lượng mạng mà còn khiến xác suất dừng chạm ngưỡng trần bão hòa sớm hơn do méo phi tuyến tỷ lệ thuận với công suất phát ($k^2 P$). Chỉ khi áp dụng giải thuật phân bổ công suất tối ưu $P_R^*$ do luận án đề xuất, hệ thống mới đột ngột bẻ gãy sàn lỗi, khôi phục lại hiệu năng tương đương với hệ thống phần cứng lý tưởng.

4. Luận án có cung cấp quy trình tái lập (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?

Hoàn toàn có. Luận án trình bày chi tiết từng bước biến đổi giải tích, định nghĩa rõ ràng các hàm mật độ xác suất, cung cấp tường minh các tham số đầu vào ($R, \Omegã, k, \vartheta, d$), bảng tra cứu hệ số điều chế ($\alpha, \beta$), đồng thời đối sánh chính xác từng đường cong lý thuyết với kết quả mô phỏng Monte-Carlo trên phần mềm MATLAB với số lượng mẫu độc lập đạt $10^6$ ký hiệu.

5. Chương trình nghị sự nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo như thế nào?

Lộ trình nghiên cứu phát triển trong giai đoạn 2020–2030 tập trung vào bốn trụ cột:

  1. Hoàn thiện lý thuyết chuyển tiếp FDR trong môi trường thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo (Imperfect CSI).
  2. Tích hợp công nghệ bề mặt phản xạ thông minh (RIS/IRS) để tối ưu hóa không gian truyền sóng FD.
  3. Mở rộng mô hình sang mạng Massive MIMO song công băng siêu rộng ở dải tần số sóng milimét (mmWave) và Terahertz (THz).
  4. Nhúng các thuật toán học sâu tăng cường (Deep Reinforcement Learning) trực tiếp vào vi xử lý DSP để tự thích nghi phân bổ công suất và triệt nhiễu thời gian thực.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Bá Cao đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu nghiên cứu với các giá trị học thuật và thực tiễn nổi bật:

  1. Hoàn thiện khung lý thuyết giải tích: Thiết lập hệ thống công thức giải tích chính xác cho OP, SEP và Thông lượng mạng chuyển tiếp FDR một chiều và hai chiều trên các mô hình kênh Rayleigh đơn và Rayleigh kép.
  2. Làm sáng tỏ cơ chế truyền thông hợp tác AF-FDR: Chứng minh giải tích vai trò của đường truyền trực tiếp trong việc xóa bỏ sàn lỗi dừng do RSI dưới cả hai cơ chế khuếch đại $G_f$ và $G_v$.
  3. Tiên phong mô hình hóa FD-V2V di động: Định lượng chính xác mức độ suy giảm phẩm chất do kênh truyền pha-đinh Rayleigh kép trong mạng giao thông thông minh, khẳng định ưu thế vượt trội của FD so với HD.
  4. Giải quyết triệt để bài toán sai hỏng phần cứng (HI): Tích hợp thành công các yếu tố méo dạng phi tuyến thực tế vào mô hình toán học và đánh giá toàn diện sự suy thoái hiệu năng hệ thống.
  5. Đề xuất giải thuật Phân bổ công suất tối ưu (OPA): Xây dựng phương án tối ưu hóa công suất phát tại nút nguồn và nút chuyển tiếp, giúp triệt tiêu sàn lỗi, tối đa hóa thông lượng mạng vô tuyến tương lai.
  6. Giá trị kế thừa vững chắc: Cung cấp cơ sở khoa học và tài liệu tham khảo đặc biệt giá trị cho việc chuẩn hóa, thiết kế và chế tạo các thiết bị vô tuyến song công trên cùng băng tần trong mạng thông tin di động 5G, 6G và mạng thông tin quân sự hiện đại.