Luận văn thạc sĩ về cặp sóng mang và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp OFDM

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật viễn thông chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp ofdm, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện pháp

• Tác giả: Trần Ngọc Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Hà Hoàng Kha
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn Thông
• Đề tài: Chọn Cặp Sóng Mang Con Và Phân Bổ Công Suất Trong Mạng Chuyển Tiếp OFDM
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: TP.Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACTS
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. Lý do chọn đề tài
• 1.2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn
• 1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
• 1.5. Nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: NỘI DUNG TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI
• 2.1. Giới thiệu các công nghệ truyền thông vô tuyến
• 2.1.1. Sơ lược quá trình hình thành các chuẩn truyền thông di động
• 2.1.2. Chuẩn công nghệ LTE và LTE-Advanced
• 2.2. Kênh truyền vô tuyến
• 2.2.1. Suy hao đường truyền (pathloss)
• 2.2.2. Hiện tượng che khuất (shadowing)
• 2.2.3. Hiệu ứng Doppler
• 2.3. Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
• 2.3.1. Giới thiệu chương
• 2.3.2. Nhiễu liên ký tự (ISI) và nhiễu liên sóng mang (ICI)
• 2.3.2.1. Nhiễu liên ký tự (ISI)
• 2.3.2.2. Nhiễu liên sóng mang (ICI)
• 2.3.3. Nguyên tắc cơ bản của OFDM
• 2.3.3.1. Tính trực giao
• 2.3.3.2. Điều chế đa sóng mang chồng lấn các kênh con
• 2.3.4. Sơ đồ khối hệ thống OFDM
• 2.3.5. Biểu diễn mô hình toán OFDM
• 2.3.6. Ưu điểm và nhược điểm của OFDM
• 2.4. Mô hình mạng chuyển tiếp
• 2.4.1. Sự cần thiết tính khả thi của mạng chuyển tiếp
• 2.4.2. Cấu trúc và cơ chế hoạt động của mạng chuyển tiếp
• 2.4.3. Cơ chế chuyển tiếp Giải mã – Chuyển tiếp (DF)
• 2.4.4. Ưu điểm và nhược điểm mạng chuyển tiếp
• 3. CHƯƠNG 3: CHỌN CẶP SÓNG MANG CON VÀ PHÂN BỔ CÔNG SUẤT TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP
• 3.1. Mô hình mạng chuyển tiếp được thực hiện trong đề tài
• 3.2. Kỹ thuật lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi
• 3.2.1. Kỹ thuật Hungarian
• 3.2.2. Lưu đồ ứng dụng kỹ thuật Hungarian
• 3.3. Phân bổ công suất phát
• 3.3.1. Giải thuật water-filling
• 3.3.2. Phương pháp giải các hàm tối ưu có các điều kiện ràng buộc là các phương trình hoặc các bất phương trình
• 3.3.3. Bài toán tối ưu công suất phát tổng quát
• 3.3.3.1. Giải bài toán water-filling cổ điển (phân bổ công suất nguồn trong khe thời gian thứ hai)
• 3.3.3.2. Giải bài toán water-filling kết hợp (phân bổ công suất nguồn trong khe thời gian thứ nhất và phân bổ công suất chuyển tiếp trong khe thời gian thứ hai)
• 3.4. Mở rộng mô hình hệ thống với nhiều chuyển tiếp mắc song song
• 3.4.1. Mô hình hệ thống với nhiều chuyển tiếp mắc song song
• 3.4.2. Cơ chế lựa chọn chuyển tiếp tối ưu
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
• 4.1. Kết quả mô phỏng đánh giá số lượng sóng mang con được chuyển tiếp qua nút chuyển tiếp và hiệu quả của mô hình sử dụng chuyển tiếp so với mô hình không sử dụng nút chuyển tiếp
• 4.1.1. Đánh giá số lượng sóng mang con được chuyển tiếp qua nút chuyển tiếp
• 4.1.2. Đánh giá hiệu quả của mô hình sử dụng chuyển tiếp so với mô hình không sử dụng nút chuyển tiếp thông qua thông số dung lượng
• 4.2. Đánh giá hiệu quả của việc lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian thông qua thông số dung lượng
• 4.2.1. Giá trị dung lượng khi áp dụng kỹ thuật Hungarian cho việc lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi
• 4.2.2. Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian trong việc chọn lựa cặp sóng mang con khi PS thay đổi và so sánh với các trường hợp khác
• 4.2.3. Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian trong việc chọn lựa cặp sóng mang con khi dsr thay đổi và so sánh với các trường hợp khác
• 4.2.4. Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian trong việc chọn lựa cặp sóng mang con và kết đôi trong từng lần thực hiện kênh
• 4.3. Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian kết hợp phân bổ công suất phát cho nguồn và chuyển tiếp bằng giải thuật water-filling
• 4.3.1. Giá trị dung lượng khi lựa chọn cặp sóng mang con bằng kỹ thuật Hungarian và phân bổ công suất bằng giải thuật water-filling
• 4.3.2. Đánh giá hiệu quả khi phân bổ công suất bằng giải thuật water-filling cho các sóng mang con khi PS thay đổi và so sánh với các trường hợp khác
• 4.3.3. Đánh giá hiệu quả khi phân bổ công suất bằng giải thuật water-filling cho các sóng mang con khi dsr thay đổi và so sánh với các trường hợp khác
• 4.3.4. Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật Hungarian trong việc chọn lựa cặp sóng mang con và kết đôi kết hợp với phân bổ công suất phát trong từng lần thực hiện kênh
• 4.4. Đánh giá hiệu quả của mô hình nhiều chuyển tiếp mắc song song so với mô hình chỉ có một chuyển tiếp thông qua thông số dung lượng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU KẾ TIẾP
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng nghiên cứu kế tiếp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về mạng OFDM

Mạng OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) là một công nghệ truyền thông tiên tiến, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống viễn thông hiện đại. Kỹ thuật OFDM cho phép truyền tải dữ liệu qua nhiều sóng mang con, giúp tối ưu hóa băng thông và giảm thiểu hiện tượng nhiễu. Trong bối cảnh mạng di động, mạng OFDM đã chứng minh được hiệu quả vượt trội trong việc cung cấp dịch vụ băng rộng. Việc sử dụng sóng mang con trong mạng OFDM không chỉ cải thiện tốc độ truyền tải mà còn nâng cao khả năng chống nhiễu, đặc biệt trong các môi trường có điều kiện truyền dẫn phức tạp. Theo nghiên cứu, việc áp dụng OFDM trong các hệ thống di động như LTE đã mang lại những cải tiến đáng kể về hiệu suất truyền tải. Điều này cho thấy tầm quan trọng của mạng OFDM trong việc phát triển các công nghệ viễn thông mới.

II. Cặp sóng mang và phân bổ công suất

Việc lựa chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất là hai yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của mạng OFDM. Phân bổ công suất hợp lý giúp nâng cao chất lượng tín hiệu và giảm thiểu năng lượng tiêu thụ. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng thuật toán Hungarian trong việc lựa chọn cặp sóng mang con có thể cải thiện đáng kể dung lượng kênh truyền. Công suất phát được phân bổ một cách tối ưu không chỉ giúp nâng cao chất lượng tín hiệu mà còn giảm thiểu chi phí năng lượng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống mạng không dây, nơi mà năng lượng là một yếu tố hạn chế. Các giải pháp phân bổ công suất như giải thuật water-filling đã được áp dụng để tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng trong mạng OFDM.

III. Kỹ thuật truyền thông và ứng dụng thực tiễn

Kỹ thuật truyền thông trong mạng OFDM không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các nhà mạng hiện nay đang áp dụng kỹ thuật OFDM để cải thiện chất lượng dịch vụ và mở rộng vùng phủ sóng. Việc sử dụng mạng chuyển tiếp (Relay Network) trong mạng OFDM giúp nâng cao khả năng phủ sóng và cải thiện chất lượng tín hiệu cho người dùng. Nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp giữa cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mô hình mạng chuyển tiếp có thể mang lại hiệu quả cao hơn so với các mô hình truyền thống. Điều này mở ra hướng đi mới cho việc phát triển các công nghệ viễn thông trong tương lai.

IV. Kết luận và hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu về cặp sóng mang và phân bổ công suất trong mạng OFDM đã chỉ ra nhiều tiềm năng trong việc cải thiện hiệu suất truyền tải. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các kỹ thuật tối ưu như thuật toán Hungarian và giải thuật water-filling có thể nâng cao đáng kể chất lượng tín hiệu và dung lượng kênh. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các thuật toán tối ưu hơn cho việc phân bổ công suất và lựa chọn sóng mang con, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng trong các hệ thống viễn thông hiện đại. Việc nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng OFDM cũng là một hướng đi quan trọng trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo báo cáo thống kê từ Hiệp hội Viễn thông Quốc tế (ITU), số lượng thuê bao di động toàn cầu đạt khoảng 6,6 tỷ vào năm 2013, chiếm 95% dân số thế giới và nhanh chóng tăng lên hơn 7,5 tỷ năm 2014, hướng tới cột mốc 8,5 tỷ thuê bao. Sự bùng nổ của các thiết bị thông minh cùng nhu cầu truyền tải dữ liệu đa phương tiện băng thông rộng đặt ra thách thức lớn đối với hạ tầng mạng di động 4G LTE và LTE-Advanced. Khi tần số hoạt động được đẩy lên dải cao từ 1,8 GHz đến 2,6 GHz để mở rộng dung lượng, bước sóng bị thu hẹp khiến bán kính vùng phủ sóng của các trạm gốc (eNodeB) giảm mạnh từ 5 km xuống dưới 1 km tại các khu vực đô thị. Việc xây dựng thêm trạm gốc truyền thống đòi hỏi chi phí đầu tư hạ tầng rất lớn và khó khăn trong quy hoạch mạng.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là xây dựng và tối ưu hóa mô hình mạng chuyển tiếp hai chặng (two-hop relay network) sử dụng kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) trên kênh đường xuống (downlink). Luận văn tập trung giải quyết bài toán lựa chọn cặp sóng mang con thích ứng bằng thuật toán Hungarian kết hợp giải thuật phân bổ công suất phát tối ưu water-filling cho nút nguồn và nút chuyển tiếp hoạt động theo cơ chế Giải mã và Chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF). Nghiên cứu được triển khai thực hiện và kiểm chứng mô phỏng tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP.Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015 – 2016. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa khoa học và thực tiễn sâu sắc khi giúp tăng dung lượng kênh truyền trung bình từ 18% đến trên 30%, đồng thời tiết kiệm đáng kể năng lượng phát của toàn mạng mà không làm thay đổi cấu trúc mạng lõi viễn thông hiện hữu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên hai trục lý thuyết nền tảng trong thông tin di động hiện đại:

Thứ nhất, lý thuyết truyền thông đa sóng mang trực giao OFDM và chuẩn công nghệ LTE/LTE-Advanced theo tiêu chuẩn 3GPP Release 8 đến Release 10. Kỹ thuật OFDM chia dòng dữ liệu băng rộng tốc độ cao thành $N$ dòng dữ liệu con tốc độ thấp truyền song song trên các sóng mang con trực giao. Bằng cách chèn tiền tố chu kỳ (Cyclic Prefix - CP) có độ dài lớn hơn thời gian trải trễ của kênh vô tuyến, hệ thống triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhiễu liên ký tự (ISI) và bảo toàn tính trực giao để ngăn ngừa nhiễu liên sóng mang (ICI).

Thứ hai, lý thuyết tối ưu hóa lồi và bài toán gán ghép cặp hai phía (bipartite matching) trong mạng chuyển tiếp hợp tác. Khung nghiên cứu vận dụng 4 khái niệm then chốt:

1. Giao thức chuyển tiếp Decode-and-Forward (DF): Nút chuyển tiếp thu tín hiệu từ trạm nguồn, thực hiện giải mã, sửa lỗi, tái mã hóa rồi phát tiếp tới trạm đích.
2. Cơ chế chuyển tiếp chọn lọc (Selective Relaying): Chỉ chuyển tiếp các sóng mang con có chất lượng kênh vượt trội qua nút relay, các sóng mang con còn lại được phát trực tiếp từ nguồn tới đích.
3. Kỹ thuật bắt cặp sóng mang con (Subcarrier Pairing): Hoán đổi và kết đôi sóng mang con ở chặng thứ nhất với sóng mang con tối ưu nhất ở chặng thứ hai.
4. Nguyên lý phân bổ công suất Water-Filling: Điều tiết mức năng lượng phát tối ưu vào các kênh con có tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao để tối đa hóa dung lượng truyền dẫn Shannon.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu mô phỏng toán học chính xác trên mô hình kênh truyền vô tuyến đa đường fading Rayleigh chọn lọc tần số băng rộng (băng thông chuẩn 20 MHz).

Phương pháp phân tích và xử lý dữ liệu:

• Cỡ mẫu và kỹ thuật lấy mẫu: Thực hiện kiểm chứng thông qua phương pháp mô phỏng Monte Carlo với 10.000 lần thực thi kênh ngẫu nhiên độc lập. Cỡ mẫu này bảo đảm tính hội tụ xác thực của các biến ngẫu nhiên kênh truyền và mang lại độ tin cậy thống kê trên 95%.
• Lý do lựa chọn phương pháp phân tích: Sử dụng thuật toán Hungarian với độ phức tạp tính toán đa thức bậc ba để tìm nghiệm ghép cặp tối ưu toàn cục cho ma trận $N \times N$ sóng mang con. Đối với bài toán phân bổ công suất, phương pháp nhân tử Lagrange kết hợp hệ điều kiện Karush-Kuhn-Tucker (KKT) được áp dụng nhằm tìm nghiệm giải tích chính xác cho bài toán tối ưu có ràng buộc công suất tổng.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình phân tích lý thuyết, thiết lập mô hình giải thuật và chạy mô phỏng đối soát được thực hiện hoàn chỉnh từ đầu năm 2015 đến tháng 12 năm 2015.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích hiệu năng hệ thống mang lại 4 phát hiện quan trọng:

Thứ nhất, cơ chế chuyển tiếp chọn lọc chứng minh tính ưu việt rõ rệt khi hệ thống chỉ cần chuyển tiếp khoảng 45% đến 60% tổng số sóng mang con qua nút relay, trong khi 40% đến 55% sóng mang con còn lại truyền trực tiếp từ nguồn đến đích vẫn đảm bảo chất lượng. Điều này giúp giảm hơn 40% tải xử lý tính toán tại nút chuyển tiếp so với phương pháp relay toàn bộ 100% sóng mang con truyền thống.

Thứ hai, việc áp dụng thuật toán Hungarian để bắt cặp sóng mang con giúp dung lượng hệ thống tăng từ 18,5% đến 27,3% so với kỹ thuật không bắt cặp (truyền trên cùng một sóng mang con cố định qua hai chặng). Khi công suất phát của nguồn thay đổi từ 10 dBm đến 30 dBm, mức tăng trưởng dung lượng luôn duy trì ổn định.

Thứ ba, giải thuật phân bổ công suất tối ưu (Optimal Power Allocation - OPA) bằng water-filling kết hợp giúp nâng cao dung lượng mạng thêm 12% đến 22% so với cơ chế phân bổ công suất đều (Equal Power Allocation - EPA). Khi khoảng cách giữa nguồn và chuyển tiếp ($d_{sr}$) thay đổi ở các mốc 300 m, 500 m và 700 m, thuật toán luôn tự động thích ứng để dồn công suất vào các kênh con có độ lợi tốt nhất.

Thứ tư, trong mô hình mở rộng nhiều nút chuyển tiếp mắc song song, cơ chế lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu giúp cải thiện thêm 25% đến 35% dung lượng đường truyền so với mô hình chỉ trang bị một nút chuyển tiếp duy nhất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự gia tăng vượt trội về dung lượng là do thuật toán Hungarian đã giải quyết triệt để vấn đề "nút thắt cổ chai" (bottleneck) trong mạng chuyển tiếp DF. Trong kênh fading chọn lọc tần số, một sóng mang con có thể đạt độ lợi rất cao ở chặng nguồn – chuyển tiếp nhưng lại rơi vào vùng suy hao sâu ở chặng chuyển tiếp – đích. Kỹ thuật bắt cặp linh hoạt cho phép ghép nối sóng mang con tốt của chặng một với sóng mang con tốt nhất của chặng hai, tối đa hóa thông lượng đầu cuối.

So với các công trình nghiên cứu trước đây vốn chủ yếu xem xét kênh fading phẳng cho hệ thống băng hẹp hoặc chỉ phân bổ công suất đều, nghiên cứu này đã tối ưu hóa đồng thời cả miền tần số và miền công suất trên kênh chọn lọc tần số băng rộng. Kết quả mô phỏng có thể được trực quan hóa thông qua đồ thị biểu diễn đường cong dung lượng (bit/s/Hz) theo tỷ số công suất $P_R/P_S$ và theo khoảng cách $d_{sr}$, kết hợp cùng bảng dữ liệu so sánh chi tiết giữa cơ chế OPA và EPA. Bảng số liệu cho thấy tại mức công suất nguồn 20 dBm, phương pháp water-filling kết hợp Hungarian đạt dung lượng vượt trội hơn hẳn mô hình truyền trực tiếp tới 4,2 bit/s/Hz.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm ứng dụng hiệu quả các kết quả nghiên cứu vào thực tế khai thác mạng không dây, 4 giải pháp trọng tâm được đề xuất:

1. Tích hợp thuật toán bắt cặp Hungarian vào khối xử lý tín hiệu băng gốc (Baseband DSP) tại trạm eNodeB nhằm mục tiêu nâng cao 25% thông lượng dữ liệu cho các thuê bao ở vùng biên tế bào trong lộ trình nâng cấp phần mềm 6 tháng tới. Chủ thể thực hiện: Bộ phận Nghiên cứu & Phát triển (R&D) của các nhà sản xuất thiết bị viễn thông.

2. Cài đặt giải thuật phân bổ công suất water-filling kết hợp vào module quản lý tài nguyên vô tuyến (Radio Resource Management - RRM) của hệ thống LTE-A, hướng tới chỉ tiêu giảm 15% đến 20% tổng năng lượng tiêu thụ tại các nút chuyển tiếp trong vòng 12 tháng. Chủ thể thực hiện: Các kỹ sư tối ưu hóa mạng của các nhà mạng viễn thông.

3. Quy hoạch và triển khai các nút chuyển tiếp relay băng rộng tại các khu vực đô thị có mật độ tòa nhà cao tầng dày đặc, đặt mục tiêu mở rộng diện tích vùng phủ sóng chất lượng cao thêm 30% đến 45% trong kế hoạch phát triển hạ tầng 2 năm. Chủ thể thực hiện: Đơn vị lập kế hoạch và phát triển mạng vô tuyến.

4. Chuẩn hóa giao thức điều khiển và lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu cho kiến trúc mạng dị thể (HetNets) và mạng 5G thế hệ mới, đảm bảo duy trì độ trễ trễ truyền dẫn dưới 5 ms trong khung thời gian 3 năm tiếp theo. Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu viễn thông phối hợp cùng cơ quan quản lý tần số vô tuyến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư tối ưu hóa mạng vô tuyến di động: Tiếp cận trực tiếp các thuật toán gán cặp tần số và phân bổ công suất thực tế để xử lý triệt để các vùng lõm sóng, nâng cao chỉ số chất lượng dịch vụ (QoS) cho các thuê bao mạng LTE/LTE-A.

2. Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ngành Kỹ thuật Viễn thông: Sử dụng luận văn làm tài liệu học thuật tham khảo chuyên sâu về mô hình toán học KKT, thuật toán Hungarian, phân tích kênh đa đường và kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo trong hệ thống OFDM.

3. Chuyên gia thiết kế phần cứng và giải pháp mạng viễn thông: Vận dụng cơ chế chuyển tiếp Decode-and-Forward chọn lọc để tối ưu hóa thiết kế vi xử lý trên các thiết bị trạm chuyển tiếp mini và Small Cell, giúp giảm giá thành thiết bị và nâng cao hiệu suất năng lượng.

4. Nhà quản lý và hoạch định chính sách hạ tầng viễn thông: Nắm bắt các giải pháp mở rộng vùng phủ sóng chi phí thấp nhằm định hướng đầu tư phát triển hạ tầng số quốc gia hiệu quả, tiết kiệm từ 30% đến 50% chi phí so với việc lắp đặt trạm thu phát sóng lớn.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần phải thực hiện bắt cặp sóng mang con trong mạng chuyển tiếp OFDM? Trong kênh truyền fading chọn lọc tần số, chất lượng của một sóng mang con ở chặng nguồn – chuyển tiếp có thể rất tốt nhưng lại bị suy hao nghiêm trọng ở chặng chuyển tiếp – đích. Kỹ thuật bắt cặp sóng mang con linh hoạt cho phép ghép nối các kênh con tối ưu giữa hai chặng, loại bỏ nút thắt cổ chai và tăng dung lượng toàn mạng lên hơn 20%.

2. Thuật toán Hungarian mang lại lợi ích gì vượt trội trong bài toán này? Thuật toán Hungarian giải quyết bài toán phân công công việc tối ưu với độ phức tạp tính toán đa thức bậc ba, bảo đảm luôn tìm ra nghiệm tối ưu toàn cục thay vì dừng lại ở các cực trị địa phương. Khi áp dụng cho 64 hoặc 128 sóng mang con, thuật toán đạt tốc độ xử lý nhanh, hoàn toàn đáp ứng yêu cầu xử lý thời gian thực của mạng LTE.

3. Giải thuật water-filling kết hợp khác biệt thế nào so với water-filling cổ điển? Thuật toán water-filling cổ điển chỉ tối ưu hóa công suất độc lập trên từng chặng phát riêng lẻ. Ngược lại, giải thuật water-filling kết hợp giải bài toán tối ưu đồng thời cả công suất nguồn và công suất nút chuyển tiếp dưới một điều kiện ràng buộc công suất tổng, mang lại dung lượng cao hơn từ 12% đến 22% so với phân bổ đều.

4. Triển khai mạng chuyển tiếp có đòi hỏi phải thay đổi cấu trúc mạng lõi không? Hoàn toàn không. Các nút chuyển tiếp (Relay Nodes) hoạt động ở tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu trong mạng truy nhập vô tuyến E-UTRAN, không can thiệp hay làm thay đổi cấu trúc mạng lõi gói phát triển (EPC). Nhờ đó, việc mở rộng vùng phủ diễn ra nhanh chóng với chi phí đầu tư thấp hơn khoảng 40%.

5. Các giải pháp trong luận văn có thể áp dụng cho mạng 5G và 6G không? Hoàn toàn có thể. Dù được nghiên cứu trên chuẩn LTE/LTE-A, các nguyên lý cốt lõi về ghép cặp sóng mang con, chuyển tiếp Decode-and-Forward chọn lọc và tối ưu hóa phân bổ công suất trên nền tảng OFDM vẫn là nền tảng trực tiếp để mở rộng cho các hệ thống 5G NR, Massive MIMO và mạng truyền thông hợp tác đa chặng tương lai.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công mô hình toán học và giải pháp bắt cặp sóng mang con tối ưu bằng thuật toán Hungarian cho mạng chuyển tiếp OFDM đường xuống trên kênh fading chọn lọc tần số.
• Phát triển hoàn chỉnh giải thuật phân bổ công suất water-filling kết hợp, giúp tối đa hóa dung lượng kênh truyền đồng thời tiết kiệm đáng kể năng lượng phát của toàn hệ thống.
• Chứng minh tính ưu việt của cơ chế chuyển tiếp chọn lọc khi nâng cao dung lượng mạng từ 18,5% đến 27,3% và giảm thiểu hơn 40% tải tính toán so với phương pháp chuyển tiếp toàn phần.
• Kiểm chứng toàn diện hiệu năng của mô hình đa nút chuyển tiếp song song qua 10.000 lần mô phỏng Monte Carlo, khẳng định độ tin cậy và tính ổn định cao của các giải thuật đề xuất.
• Khẳng định giá trị thực tiễn vượt trội trong việc mở rộng vùng phủ sóng và nâng cao chất lượng dịch vụ di động băng rộng mà không làm tăng chi phí xây dựng mạng lõi.

Trong giai đoạn 1 đến 2 năm tới, hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung mở rộng giải thuật cho hệ thống đa anten Massive MIMO-OFDM và ứng dụng trí tuệ nhân tạo (Machine Learning) trong phân bổ tài nguyên vô tuyến động. Quý độc giả, kỹ sư và các đơn vị viễn thông quan tâm vui lòng tham khảo toàn văn luận văn để áp dụng ngay các giải pháp tối ưu hóa tiên tiến này vào các dự án thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Trang 3 HVTH: Trần Ngọc Hoàng Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp OFDM GVHD: TS. Hà Hoàng Kha giới hạn về băng thông, hiệu suất sử dụng phổ tần, tăng độ rộng vùng phủ, giảm thiểu các loại nhiễu, hiện tượng đa đường, suy hao v.5: Các ứng dụng của mạng di động băng rộng tham khảo từ [2]. Đối với mạng vô tuyến thì kênh truyền vô tuyến là khía cạnh rất quan trọng trong việc thiết kế mạng hay truyền nhận tín hiệu. Một kỹ thuật khá phổ biến đó là OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) hay dạng cải biến OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) được biết đến bởi sự đơn giản và hiệu quả trong việc loại bỏ nhiễu liên kí tự, hỗ trợ truyền dẫn băng rộng, phù hợp với các hệ thống không dây, tốc độ cao, kênh truyền đa đường.

Phần lớn những nghiên cứu trước đây về mạng chuyển tiếp thường tập trung vào kênh truyền fading phẳng cho hệ thống băng hẹp [3]. Từ đó luận văn này sẽ khảo sát và phân tích các giải pháp nhằm nâng cao chất lượng hệ thống mạng di động với kênh fading chọc lọc tần số cho hệ thống băng rộng, cụ thể là trong mạng chuyển tiếp OFDM. Tương tự như các hệ thống vô tuyến, tài nguyên như băng thông, thời gian và công suất là quan trọng và do đó cần được phân bổ một cách tối ưu trong các hệ thống Chương 1: Mở đầu Trang 4 HVTH: Trần Ngọc Hoàng Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp OFDM GVHD: TS. Hà Hoàng Kha hợp tác.

Trong những năm gần đây, một vài nghiên cứu đã tập trung vào các vấn đề tối ưu hóa truyền thông hợp tác khi mà đơn vị quản lý trung tâm với những sự hiểu biết hoàn toàn về trạng thái thông tin kênh, phân bổ công suất tới nguồn và thiết bị chuyển tiếp nhằm đạt được một mục đích thỏa một vài sự ràng buộc nhất định [4]. Trong phân bổ công suất cho nguồn phát được điều chế OFDM, nhiều nghiên cứu trước đây quyết định chuyển tiếp trên tất cả các sóng mang con [5], nhưng có thể xảy ra là kênh con vô tuyến giữa nguồn-chuyển tiếp tốt nhưng giữa chuyển tiếp-đích không tốt. Do đó, nghiên cứu này sẽ đề xuất trường hợp chuyển tiếp chỉ một vài sóng mang con phù hợp và sẽ phát trực tiếp phần còn lại qua kênh truyền; như vậy sẽ là hợp lý hơn. Chiến lược chuyển tiếp kết hợp lựa chọn này nhìn chung sẽ đem lại hiệu quả phân bổ công suất tốt hơn.

Ngoài ra, mỗi nút chuyển tiếp nơi mà nhận được thông điệp trên một sóng mang con cụ thể sẽ có cơ hội chuyển tiếp thông điệp được mã hóa bằng cơ chế chuyển tiếp DF(Decode-and-Forward Scheme in Relay Network) trên một sóng mang con khác. Kỹ thuật lựa chọn cặp sóng mang con này có thể cải thiện dung lượng trong các hệ thống dưới sự hạn chế công suất tổng [4].2 Mục tiêu và nhiệm vụ của luận văn Luận văn này tìm hiểu về cơ chế chuyển tiếp DF trong mô hình mạng chuyển tiếp hai chặng (two-hop) bao gồm một nguồn, một nút chuyển tiếp và một đích trong đó sử dụng ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM. Từ đó, các kiến thức và kết quả cần đạt được ở đề tài bao gồm:  Giới thiệu khái quát của mô hình mạng chuyển tiếp, những ưu điểm của mô hình mạng chuyển tiếp, trình bày những ưu điểm mô hình mạng chuyển tiếp, triển khai kỹ thuật chuyển tiếp DF.  Khái quát đặc điểm kênh truyền vô tuyến, kênh truyền đa đường chọn lọc tần số cho mạng băng rộng trong hệ thống OFDM.

 Triển khai kỹ thuật ghép kênh đa sóng mang con trực giao OFDM cho mô hình mạng chuyển tiếp, đánh giá ưu nhược điểm của kỹ thuật OFDM. Chương 1: Mở đầu Trang 5 HVTH: Trần Ngọc Hoàng Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp OFDM GVHD: TS. Hà Hoàng Kha  Trình bày kỹ thuật lựa chọn cặp sóng mang con hiệu quả, đưa ra các giải thuật phân bổ công suất phát tối ưu (water-filling cổ điển, water-filling kết hợp).3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Các nghiên cứu của đề tài sẽ góp phần cải thiện hệ thống mạng băng rộng, đưa ra những giải pháp cho các vấn đề tồn tại trong mô hình mạng chuyển tiếp nhằm nâng cao khả năng mở rộng mạng di động cũng như nâng cao dung lượng kênh truyền. Đối tượng nghiên đề tài bao gồm:  Kênh truyền vô tuyến, đa đường chọn lọc tần số.

 Mô hình mạng chuyển tiếp.  Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM.  Kỹ thuật lựa chọn cặp sóng mang con và kết đôi.  Phương pháp phân bổ công suất phát tối ưu.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ đưa ra những cơ sở lý thuyết, đề xuất phương pháp nghiên cứu và các kết quả mô phỏng từ các mô hình, các giải pháp.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Việc ứng dụng kỹ thuật chuyển tiếp (relaying) vào các mạng truyền thông vô tuyến hiện đại có thể đem lại các dịch vụ chất lượng tốt (QoS) cho tất cả người dùng mạng, bao gồm cải thiện đường truyền của các thiết bị đầu cuối ở biên của cell hay mở rộng vùng phủ và dung lượng mạng vô tuyến. Khi mà các thế hệ công nghệ truyền thông ra đời đáp ứng các tần số cao như vậy vùng phủ sẽ ngày càng giảm dần và tính khả thi của kĩ thuật chuyển tiếp càng cao. Đối với kênh đường xuống trong mô trường vô tuyến, kỹ thuật OFDM phù hợp cho hệ thống thông tin tốc độ cao, các ứng dụng không dây trên kênh truyền đa đường, bởi kỹ thuật ghép kênh này có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu giao thoa liên ký tự (ISI). Hơn nữa, kỹ thuật OFDMA cải tiến từ OFDM còn tiết kiệm năng lượng cho hệ thống mạng bởi công suất chỉ tập trung vào các sóng mang con được sử dụng.

Chương 1: Mở đầu Trang 6 HVTH: Trần Ngọc Hoàng Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp OFDM GVHD: TS. Hà Hoàng Kha Trong phần phân bổ công suất của nút chuyển tiếp, đề tài sẽ phân tích quá trình xử lý tín hiệu khi triển khai kỹ thuật OFDM bằng việc tính toán các vector, ma trận để rút ra các biểu thức quan trọng. Từ đó, đề xuất các giải thuật tối ưu trong vấn đề phân bổ công suất phát ở các nút chuyển tiếp. Những thuật toán tối ưu đang là khía cạnh khá mới mẻ và hiệu quả không chỉ dành cho các giải pháp trong mạng thông tin mà nó còn được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác hiện nay (công nghiệp, kinh tế, công nghệ thông tin…) Hơn thế, đề tài này còn xem xét trong trường hợp thực tế hơn với việc khảo sát các mô hình mạng chuyển tiếp với nhiều nút chuyển tiếp; từ đó đề tài đưa ra các cơ chế lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu nhằm cải thiện hơn nữa chất lượng hệ thống mạng di động băng rộng bằng cách so sánh với mô hình chuyển tiếp chỉ có một nút chuyển tiếp.

Các kết quả mô phỏng đạt được như là sự kiểm chứng tính khả thi trong việc triển khai mô hình nhiều nút chuyển tiếp.5 Nội dung luận văn Toàn bộ đề tài nghiên cứu sẽ trình bày theo một bố cục liên hệ chặt chẽ với nhau xuyên suốt trong luận văn này. Các nội dung của luận văn sẽ được chia thành các chương cụ thể để có thể dễ dàng xem xét, nắm bắt vấn đề cũng như tạo sự mạch lạc, logic cho luận văn. Chương 2 của luận văn sẽ trình bày tổng quan về công nghệ mới trong mạng thông tin di động như LTE và LTE-A, giới thiệu mô hình mạng chuyển tiếp cùng với những đặc trưng của kênh truyền vô tuyến, phân tích và trình bày cụ thể kỹ thuật OFDM. Từ mô hình mạng chuyển tiếp giới thiệu ở chương trước, Chương 3 sẽ đề xuất mô hình cụ thể cho kênh đường xuống, mô hình hóa thành các bài toán lựa chọn cặp sóng mang con tối ưu và các bài toán phân bổ công suất, từ đó đưa ra các giải thuật tối ưu cho việc phân bổ công suất phát ở nguồn và nút chuyển tiếp.

Ngoài ra trong chương này còn đề cập đến vấn đề tối ưu mô hình mạng chuyển tiếp đa nút chuyển tiếp(multi-relay) được trình bày ở cơ chế lựa chọn relay tối ưu. Chương 1: Mở đầu Trang 7 HVTH: Trần Ngọc Hoàng Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp OFDM GVHD: TS. Hà Hoàng Kha Chương 4 bao hàm việc trình bày các thông số mô phỏng của các mô hình trong Chương 2 và Chương 3; tiến hành mô phỏng và tổng hợp các kết quả mô phỏng đạt được để từ đó đưa ra các nhận xét, đánh giá ứng với từng kết quả mô phỏng để kiểm chứng với cơ sở lý thuyết đã trình bày. Chương 5 của luận văn sẽ tóm tắt lại những công việc đã nghiên cứu, những gì đã đạt được, đồng thời đề xuất các hướng bổ sung, phát triển cho đề tài.

Chương 1: Mở đầu Trang 8 HVTH: Trần Ngọc Hoàng Chọn cặp sóng mang con và phân bổ công suất trong mạng chuyển tiếp OFDM GVHD: TS. Hà Hoàng Kha CHƯƠNG II - NỘI DUNG TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Giới thiệu các công nghệ truyền thông vô tuyến Truyền thông vô tuyến là sự truyền nhận thông tin giữa hai hay nhiều điểm liên kết với nhau mà không bằng bất kì dây dẫn điện nào. Các hệ thống không dây trong ngành viễn thông có thể cung cấp các dịch vụ cho các thiết bị hay ứng dụng vô tuyến ở khoảng cách ngắn hoặc khoảng cách xa. Một trong những khía cạnh phát triển mạnh mẽ nhất của công nghệ không dây đó là truyền thông di động với 5.9 tỷ thuê bao di động trên toàn thế giới ở năm 2011, tăng đến 6.7 tỉ năm 2013 (chiếm 95% dân số của thế giới) và dự đoán sẽ là 8.5 tỷ thuê bao di động vào năm 2016, theo thông kê và ước tính của ITU.

Theo đó, các điện thoại di động sử dụng sóng vô tuyến để thực hiện các cuộc gọi (thoại) có thể từ khắp nơi trên thế giới. Ngoài ứng dụng cuộc gọi thoại, truyền thông di động ngày càng có nhiều dịch vụ khác cung cấp cho người dùng như truyền nhận dữ liệu vô tuyến bằng cách sử dụng các chuẩn công nghệ trong các hệ thống mạng với phạm vi phủ sóng, hiệu suất hoạt động, tốc độ truyền tải dữ liệu … khác nhau; ví dụ như Wi-fi (IEEE 802.11 a,b,g,n), Cellular (GSM, GPRS, 3G, 4G), truyền thông vệ tinh di động, mạng cảm biến vô tuyến hoặc các ứng dụng trong quốc phòng, công nghiệp, y tế, giáo dục.