Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu hiệu năng mạng truyền thông vô tuyến đa chặng trong điều kiện công suất phát hạn chế" do nghiên cứu sinh Phạm Minh Nam thực hiện tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Trần Trung Duy và PGS. Phan Văn Ca, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số: 9520203), hoàn thành vào tháng 10 năm 2021.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Tài nguyên tần số vô tuyến là hữu hạn và hầu hết các dải tần dưới 300 GHz đã được các cơ quan quản lý viễn thông (ITU, FCC, RSC, Cục Tần số vô tuyến điện Việt Nam) cấp phép khai thác. Sự phát triển của các thiết bị Internet vạn vật (IoT) và các hệ thống viễn thông thế hệ mới đòi hỏi mật độ kết nối cao, dẫn đến tình trạng khan hiếm phổ tần. Truyền thông trực tiếp cự ly dài từ nguồn đến đích gặp khó khăn trong việc duy trì kênh truyền ổn định do ảnh hưởng của fading và vật cản, đặc biệt đối với các thiết bị di động trên đường bộ, đường sắt hoặc thiết bị bay. Mạng vô tuyến đa chặng (multi-hop relay networks) giúp chia nhỏ cự ly truyền dẫn, giảm công suất phát và giảm can nhiễu. Tuy nhiên, khi mạng đa chặng thứ cấp hoạt động chung phổ tần với mạng sơ cấp theo mô hình vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay Cognitive Radio Networks - UCRN), công suất phát của các trạm thứ cấp bị hạn chế nghiêm trọng nhằm bảo vệ chất lượng dịch vụ của mạng sơ cấp. Đồng thời, các nút mạng nhỏ gọn gặp hạn chế về nguồn cấp năng lượng và năng lực xử lý tính toán, khiến các phương thức mã hóa cổ điển khó triển khai để phòng chống nghe lén. Do đó, việc nghiên cứu các giải pháp nâng cao hiệu năng truyền dẫn, tích hợp thu hoạch năng lượng vô tuyến (RF-EH/SWIPT) và bảo mật lớp vật lý (PLS) cho mạng đa chặng vô tuyến nhận thức dạng nền là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 4 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần bằng cách chia sẻ phổ tần của mạng sơ cấp cho mạng đa chặng thứ cấp.
  2. Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu năng truyền thông mạng đa chặng mục tiêu nhằm đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS).
  3. Đưa ra giải pháp nâng cao khả năng bảo mật truyền thông trong mạng đa chặng bằng phương pháp bảo mật lớp vật lý nhằm thích nghi với các trạm thu phát có khả năng xử lý hạn chế.
  4. Áp dụng khả năng thu thập năng lượng vô tuyến ở các trạm phát trong mạng đa chặng nhằm đa dạng hóa khả năng cung cấp năng lượng, nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, kéo dài thời gian sống của mạng và tăng tính thực tiễn khi triển khai.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hiệu năng truyền thông, khả năng bảo mật lớp vật lý và hiệu quả thu hoạch năng lượng trong mạng truyền thông đa chặng vô tuyến nhận thức dạng nền (MUCRN).
  • Phạm vi nghiên cứu: Chế độ truyền tin bán song công (Half-Duplex - HD), giao thức giải mã ngẫu nhiên và chuyển tiếp (Randomize-and-Forward - RF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF), phương thức truyền thông một chiều (One-way). Kênh truyền chịu tác động của fading chậm (slow fading) theo các phân bố Rayleigh hoặc Rician. Hệ thống hoạt động trong phạm vi phủ sóng nhỏ hoặc trung bình; thời gian tính toán xử lý tín hiệu rất nhỏ so với thời gian truyền tin; thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) được ước lượng đầy đủ và kịp thời qua các giao thức lớp điều khiển truy cập kênh truyền (MAC); tương quan giữa các anten gần nhau hoặc các nút trong cùng một cụm được giả thiết là không đáng kể.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án đã tổng quan và phân tích các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến đề tài:

  • Mạng vô tuyến nhận thức (CRNs): Maguire (1999) đề xuất khái niệm thích nghi dựa trên tỉ số tín hiệu trên nhiễu SNR. R. Thomas và cộng sự kế thừa và phát triển thành mạng CRNs. Nhóm tác giả thông tin vô tuyến phân loại ba mô hình chia sẻ phổ tần cơ bản: Underlay, Overlay và Interweave; trong đó mô hình Underlay cho phép người dùng thứ cấp (CU) truyền đồng thời với người dùng sơ cấp (NCU) nếu mức can nhiễu nằm dưới ngưỡng cho phép. Kênh truyền trong các mô hình này được khảo sát qua các phân bố Rayleigh, Nakagami-m hoặc Rician.
  • Kỹ thuật đa anten và phân tập: Để khắc phục suy giảm hiệu năng do hạn chế công suất, việc áp dụng MIMO và các kỹ thuật phân tập được nhiều tác giả xem xét. Nghiên cứu của các tác giả trước đó khảo sát hệ thống $N \times N$ MIMO trên $K$ chặng dùng giao thức khuyếch đại và chuyển tiếp (AF), cho thấy dung lượng giảm khi số chặng tăng nhưng mức độ suy giảm chậm hơn ở hệ số anten nhỏ. Các công trình của các nhóm nghiên cứu khác so sánh kỹ thuật lựa chọn anten phát kết hợp tổ hợp tỉ lệ tối đa (TAS/MRC) và lựa chọn anten phát kết hợp tổ hợp lựa chọn (TAS/SC) trong kênh Nakagami-m và Weibull, chứng minh hai phương pháp có cùng bậc phân tập nhưng TAS/SC đòi hỏi độ phức tạp xử lý thấp hơn. Các giải pháp chọn anten cận tối ưu (DAS) cũng được đề xuất nhằm giảm số khe thời gian phụ và lượng bit phản hồi thông tin trạng thái kênh truyền (CSI).
  • Truyền thông cộng tác: Nghiên cứu về mạng chuyển tiếp hai chặng cho thấy truyền thông cộng tác giúp tăng độ lợi phân tập không gian. Các giao thức cộng tác thông thường (CvC) và cộng tác tăng cường (IR) trong mạng đa chặng giúp giảm xác suất dừng so với truyền trực tiếp (DT), tuy nhiên các mô hình này đòi hỏi trạm chuyển tiếp phụ trợ nằm ngoài tuyến chính.
  • Bảo mật lớp vật lý (PLS): Dựa trên lý thuyết thông tin, PLS khai thác sự sai khác giữa kênh truyền chính và kênh nghe lén thông qua các chỉ số dung lượng bảo mật, xác suất dừng bảo mật (SOP), xác suất dung lượng bảo mật khác không (PNSC) và xác suất nghe lén (IP). Các công trình nghiên cứu mạng hai chặng chỉ ra rằng giao thức RF đạt dung lượng bảo mật trung bình cao hơn giao thức DF khi trạm nghe lén có khả năng tổ hợp tín hiệu đa chặng bằng MRC. Ngoài ra, các kỹ thuật phát tín hiệu gây nhiễu nhân tạo (jamming) và chọn đường truyền (Path Selection - BPS, RPS, SPS) cũng được khảo sát trên mạng hai chặng hoặc đa chặng đơn giản.
  • Thu hoạch năng lượng vô tuyến (RF-EH/SWIPT): Các công trình nền tảng về SWIPT đề xuất hai cơ chế phân chia khối thời gian: chuyển đổi thời gian (TSR) và phân chia công suất (PSR) nhằm cung cấp năng lượng cho các trạm chuyển tiếp hoạt động độc lập với nguồn điện lưới.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn

Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tập trung vào mô hình mạng hai chặng (dual-hop), sử dụng trạm chuyển tiếp đơn lẻ hoặc yêu cầu các trạm trợ giúp nằm ngoài tuyến thông tin chính. Rất ít công trình giải quyết trọn vẹn bài toán mạng đa chặng vô tuyến nhận thức dạng nền ($K \ge 3$) đồng thời chịu ràng buộc giao thoa khắt khe, có sự hiện diện của trạm nghe lén, có sự tham gia của kỹ thuật thu hoạch năng lượng vô tuyến, và xem xét hiện tượng khiếm khuyết phần cứng. Luận án chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách đề xuất 4 mô hình hệ thống cụ thể, xây dựng các biểu thức toán học giải tích dạng đóng để đánh giá hiệu năng và đề xuất các giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

  1. Lý thuyết kênh truyền vô tuyến: Kênh fading Rayleigh mô tả môi trường tán xạ đa đường không có thành phần trực tiếp (NLOS). Kênh fading Rician mô tả môi trường có đường truyền thẳng trực diện (LOS), đặc trưng bởi hệ số Rician $K_D$ (kênh chính) và $K_E$ (kênh nghe lén).
  2. Cơ chế hạn chế công suất trong UCRN: Công suất phát của trạm thứ cấp ($P_s$) bị khống chế bởi một trong hai điều kiện từ mạng sơ cấp:
    • Ràng buộc mức can nhiễu tối đa cho phép tại trạm thu sơ cấp ($I_p$): $P_s \le I_p / |h_{S,PU}|^2$.
    • Ràng buộc xác suất dừng tối đa của tuyến thông tin sơ cấp ($\varepsilon_{OP}$).
  3. Kỹ thuật phân tập và đa anten: Kỹ thuật lựa chọn anten phát và tổ hợp lựa chọn ở đầu thu (TAS/SC) được sử dụng để tối ưu hóa tỉ số tín hiệu trên nhiễu mà không đòi hỏi xử lý ma trận phức tạp như hệ thống MIMO đầy đủ.
  4. Mô hình khiếm khuyết phần cứng (Hardware Impairments - HI): Tác động phi lý tưởng của phần cứng máy thu phát được mô hình hóa qua hệ số khiếm khuyết $\kappa$ (bao gồm $\kappa_D, \kappa_E, \kappa_I^s, \kappa_I^p$), phản ánh nhiễu méo dạng tín hiệu tỷ lệ thuận với công suất phát.
  5. Bảo mật lớp vật lý: Dung lượng bảo mật tức thời tại chặng thứ $k$ xác định bởi $C_{s,k} = [C_{D,k} - C_{E,k}]^+$, trong đó $C_{D,k}$ và $C_{E,k}$ lần lượt là dung lượng kênh chính và kênh nghe lén, $[x]^+ = \max(x, 0)$. Các chỉ số đánh giá gồm SOP (xác suất $C_s$ nhỏ hơn ngưỡng $C_{th}$), PNSC (xác suất $C_s > 0$) và IP (xác suất trạm nghe lén giải mã thành công).
  6. Kỹ thuật SWIPT: Luận án áp dụng cơ chế chuyển đổi thời gian (TSR). Trong một khe thời gian $T$, khoảng thời gian $\alpha T$ ($0 < \alpha < 1$) được dành cho việc thu hoạch năng lượng từ trạm phát năng lượng (Power Beacon - PB) với hiệu suất chuyển đổi $\eta$, khoảng thời gian $(1-\alpha)T$ còn lại dùng để truyền dữ liệu.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp phương pháp phân tích giải tích toán học và phương pháp mô phỏng số:

  • Phân tích giải tích: Sử dụng giải tích toán học, lý thuyết xác suất, biến đổi hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân phối tích lũy (CDF) của tỉ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR/SNR) để dẫn xuất các biểu thức dạng đóng (closed-form expressions) cho các chỉ số hiệu năng (OP, IP, SOP, PNSC) và phân tích tiệm cận ở vùng SNR cao.
  • Mô phỏng kiểm chứng: Sử dụng thuật toán mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng độ chính xác của các biểu thức giải tích đã thiết lập.
  • Tối ưu hóa: Sử dụng giải thuật tìm kiếm tỉ lệ vàng (Golden Section Search - GSS) để giải các bài toán tối ưu phi tuyến một chiều nhằm tìm số chặng tối ưu ($K^$) và hệ số phân chia thời gian tối ưu ($\alpha^$).

Dưới đây là bảng tổng hợp các ký hiệu và tham số toán học chính xuất hiện trong các phân tích của luận án:

Ký hiệu Ý nghĩa tham số
$S_0, D$ Trạm nguồn và trạm đích của mạng thứ cấp
$S_k, R_{m,k,v}$ Trạm chuyển tiếp thứ $k$ hoặc trạm thứ $v$ trong cụm $k$ tuyến $m$
$PU, PR, PT$ Trạm người dùng sơ cấp, trạm thu sơ cấp, trạm phát sơ cấp
$PB, E$ Trạm phát năng lượng vô tuyến, trạm nghe lén
$I_p, P_p, P_s$ Mức can nhiễu tối đa sơ cấp, công suất phát sơ cấp, công suất phát thứ cấp
$K, M$ Tổng số chặng truyền dẫn, tổng số tuyến đa chặng
$N_T, N_R, N_E, N_B$ Số lượng anten tại trạm phát sơ cấp, trạm chuyển tiếp/đích, trạm nghe lén, trạm PB
$K_D, K_E$ Hệ số Rician của kênh truyền chính và kênh nghe lén
$\alpha, \eta$ Hệ số phân chia thời gian TSR và hiệu suất chuyển đổi năng lượng
$\kappa_D, \kappa_E$ Mức độ khiếm khuyết phần cứng kênh chính và kênh nghe lén
$\bar{\gamma}, \sigma_0^2$ Tỉ số SNR phát trung bình và mật độ công suất tạp âm AWGN
$\varepsilon_{OP}, C_{th}$ Ngưỡng xác suất dừng sơ cấp và ngưỡng dung lượng bảo mật yêu cầu

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương này phân tích tổng quan các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế về mạng truyền thông nhận thức, mạng chuyển tiếp đa chặng, kỹ thuật phân tập TAS/SC, bảo mật lớp vật lý và thu hoạch năng lượng vô tuyến. Tác giả chỉ rõ hạn chế của việc chọn chuyển tiếp trong mạng hai chặng khi mở rộng sang mạng đa chặng tổng quát, sự cần thiết của giao thức RF để ngăn chặn kẻ nghe lén tổ hợp tín hiệu qua MRC, và khẳng định tính khả thi của việc khai thác mô hình đa chặng dạng nền (Underlay) để tiết kiệm băng thông.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các nền tảng lý thuyết phục vụ cho các mô hình đề xuất:

  • Đặc tính thống kê của các mô hình kênh fading: Rayleigh, Rician.
  • Các mô hình cấu trúc mạng đa chặng: mô hình chuyển tiếp chuỗi nối tiếp thông thường, chuyển tiếp cộng tác sử dụng nút ngoài tuyến, chuyển tiếp cộng tác dùng nút nội bộ, và mạng đa chặng đa đường dạng cụm.
  • Các giao thức chuyển tiếp: AF, DF, RF; giao thức điều khiển truy cập môi trường IEEE 802.11 với cơ chế bắt tay RTS/CTS để phản hồi CSI.
  • Cơ chế hạn chế công suất phát dựa trên mức xuyên nhiễu tối đa $I_p$ và xác suất dừng mạng sơ cấp $\varepsilon_{OP}$.
  • Cơ chế bảo mật lớp vật lý và kỹ thuật thu hoạch năng lượng theo giao thức TSR và PSR.

Chương 3: Mạng đa chặng thứ cấp gồm các trạm thu phát bố trí trong tầm nhìn thẳng

Chương 3 nghiên cứu mô hình mạng đa chặng thứ cấp gồm các trạm thu phát đơn anten bố trí trong tầm nhìn thẳng (LOS - kênh Rician), cùng tồn tại với mạng sơ cấp có các trạm thu phát được trang bị nhiều anten ($N_T$ anten phát, $N_R$ anten thu). Mạng sơ cấp áp dụng kỹ thuật phân tập TAS/SC. Các kết quả giải tích và mô phỏng chỉ ra:

  • Khi tỉ số SNR phát $\bar{\gamma}$ tăng, mức xuyên nhiễu lên trạm thu sơ cấp đạt tới giá trị bão hòa giới hạn bởi $I_p$.
  • Xác suất dừng (OP) của mạng thứ cấp giảm khi công suất phát của mạng sơ cấp tăng (do ngưỡng công suất cho phép phát của trạm thứ cấp được nới lỏng khi trạm sơ cấp dùng nhiều anten).
  • Xác suất nghe lén (IP) chịu tác động đối kháng: khi số anten phát sơ cấp $N_T$ tăng hoặc hệ số Rician kênh chính $K_D$ tăng, hiệu năng bảo mật được cải thiện (IP giảm); ngược lại, khi hệ số Rician kênh nghe lén $K_E$ tăng, IP tăng lên rõ rệt.
  • Khi số chặng $K$ tăng từ 2 lên 7, giá trị OP tăng do sự suy giảm tích lũy trên từng chặng theo nguyên lý chuỗi nghẽn cổ chai.

Chương 4: Mạng đa chặng thứ cấp gồm các trạm thu phát được trang bị nhiều anten và thu hoạch năng lượng vô tuyến

Chương 4 mở rộng mô hình bằng việc trang bị nhiều anten ($N_R$ anten) cho các trạm chuyển tiếp thứ cấp và tích hợp khả năng thu hoạch năng lượng vô tuyến từ trạm phát năng lượng chuyên dụng (Power Beacon - PB). Kênh truyền chịu ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng phi lý tưởng ($\kappa$). Trạm nghe lén được trang bị $N_E$ anten. Luận án phân tích công suất phát trung bình $\bar{P}_s$, xác suất dừng bảo mật (SOP) và xác suất dung lượng bảo mật khác không (PNSC):

  • Công suất phát trung bình $\bar{P}_s$ tỷ lệ thuận với công suất của trạm PB và hệ số thời gian thu hoạch $\alpha$, nhưng bị chặn trên bởi điều kiện can nhiễu $I_p$ của mạng sơ cấp PU.
  • Vị trí không gian của trạm PB và trạm sơ cấp PU ảnh hưởng trực tiếp đến $\bar{P}_s$: khi PB đặt càng gần các trạm thứ cấp, công suất thu hoạch được càng cao, giúp giảm SOP.
  • Khi tăng số anten của trạm thứ cấp ($N_R$), cả SOP và PNSC đều được cải thiện đáng kể nhờ độ lợi phân tập thu phát. Ngược lại, việc tăng số anten của trạm nghe lén ($N_E$) làm tăng SOP và kéo giảm PNSC về 0 ở vùng SNR cao.
  • Sự hiện diện của khiếm khuyết phần cứng tạo ra mức sàn lỗi bảo mật (secrecy error floor), khiến SOP không thể giảm vô hạn khi tăng công suất phát.

Chương 5: Truyền tin cộng tác trong mạng đa chặng thứ cấp có thu hoạch năng lượng vô tuyến

Chương 5 đề xuất giao thức truyền thông cộng tác (COOP) cho mạng đa chặng đơn anten có thu hoạch năng lượng vô tuyến, cho phép tín hiệu phát từ một trạm có thể "đi tắt" trực tiếp tới trạm đích hoặc trạm trung gian gần đích nhất nếu kênh truyền thuận lợi, thay vì bắt buộc truyền tuần tự từng chặng (DIRECT):

  • Luận án xây dựng mô hình toán học so sánh xác suất dừng của giao thức cộng tác ($OP^{COP}$) và giao thức tuần tự ($OP^{DIR}$). Kết quả khẳng định $OP^{COP}$ luôn thấp hơn $OP^{DIR}$ ở mọi khoảng SNR khảo sát.
  • Giao thức COOP giúp giảm độ trễ truyền dẫn toàn trình do bỏ qua một số trạm trung gian, đồng thời tăng bậc phân tập tại các nút nhận.
  • Áp dụng thuật toán tìm kiếm tỉ lệ vàng (GSS), luận án giải bài toán tối ưu hóa tìm số chặng tối ưu $K^$ và hệ số phân chia thời gian tối ưu $\alpha^$. Kết quả cho thấy khi SNR phát tăng, số chặng tối ưu $K^*$ có xu hướng giảm để giảm tích lũy trễ và tổn thất chuyển tiếp.

Dưới đây là bảng trích xuất dữ liệu số chặng tối ưu $K^*$ theo tỉ số SNR phát từ Bảng 5.1 trong luận án:

Tỉ số SNR phát $\bar{\gamma}$ (dB) Số chặng tối ưu $K^*$ Hệ số phân chia thời gian tối ưu $\alpha^*$
0 5 0,382
5 4 0,354
10 3 0,318
15 2 0,276
20 2 0,245

Chương 6: Phương thức chọn đường đi trong mạng đa chặng thứ cấp dạng cụm

Chương 6 nghiên cứu bài toán chọn đường đi trong mạng lưới đa chặng đa đường (multi-path MUCRN) gồm $M$ tuyến song song, mỗi tuyến có $K$ chặng, mỗi chặng gồm một cụm $N_{m,k}$ trạm. Tác giả đề xuất và đánh giá 3 giao thức định tuyến qua kênh fading Rayleigh:

  • Giao thức BEST (Best Path Selection): Chọn tuyến có dung lượng bảo mật toàn trình lớn nhất. Giao thức này đạt hiệu năng bảo mật PNSC cao nhất nhưng đòi hỏi đầy đủ thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) của cả kênh chính và kênh nghe lén trên tất cả các tuyến.
  • Giao thức MAXV (Maximum Variance Path Selection): Chọn tuyến dựa trên phương sai độ lợi kênh truyền nhằm cân bằng giữa chất lượng tín hiệu và mức độ can nhiễu, giảm bớt yêu cầu phản hồi CSI so với BEST.
  • Giao thức RAND (Random Path Selection): Chọn ngẫu nhiên một tuyến khả dụng mà không cần thông tin CSI, có độ phức tạp tính toán thấp nhất nhưng hiệu năng bảo mật thấp nhất trong ba giao thức.

Kết quả đánh giá cho thấy khoảng cách vị trí từ trạm nghe lén $E$ đến các cụm trạm thứ cấp quyết định ngưỡng hiệu năng của cả ba giao thức. Khi trạm nghe lén tiến lại gần trạm đích, PNSC của giao thức BEST vẫn duy trì được ưu thế vượt trội so với RAND và MAXV.

Chương 7: Kết luận

Chương cuối tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được của 4 mô hình nghiên cứu, khẳng định tính chính xác của các biểu thức giải tích thông qua mô phỏng Monte Carlo, đồng thời chỉ ra các hướng phát triển mở rộng trong tương lai.

Dưới đây là bảng tổng hợp đặc điểm kỹ thuật của 4 mô hình đề xuất trong luận án:

Mô hình Chương Cấu hình trạm thứ cấp Kỹ thuật hỗ trợ Kênh truyền Chỉ số hiệu năng chính
Mô hình 1 Chương 3 Đơn anten, chuỗi thẳng Mạng sơ cấp TAS/SC đa anten Rician (LOS) OP, IP
Mô hình 2 Chương 4 Đa anten ($N_R$), chuỗi Thu hoạch năng lượng từ PB, TAS/SC Rayleigh, HI $\bar{P}_s$, SOP, PNSC
Mô hình 3 Chương 5 Đơn anten, chuỗi Thu hoạch năng lượng, cộng tác đi tắt Rayleigh OP, tối ưu $K^$, $\alpha^$
Mô hình 4 Chương 6 Đơn anten, dạng cụm Định tuyến $M$ tuyến (BEST, MAXV, RAND) Rayleigh PNSC, yêu cầu CSI

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận khoa học

  1. Dẫn xuất hệ thống biểu thức giải tích dạng đóng: Luận án đã thiết lập thành công các biểu thức toán học chính xác và xấp xỉ tiệm cận cho các chỉ số hiệu năng cơ bản (OP, IP, SOP, PNSC, công suất trung bình $\bar{P}_s$) trong mạng đa chặng vô tuyến nhận thức dạng nền dưới tác động tổng hợp của fading Rician/Rayleigh, can nhiễu sơ cấp, khiếm khuyết phần cứng và hạn chế năng lượng.
  2. Lý thuyết truyền thông cộng tác đi tắt trong mạng đa chặng: Chứng minh về mặt giải tích rằng cơ chế truyền tin cộng tác cho phép trạm thứ cấp gửi vượt chặng giúp nâng cao bậc phân tập không gian và giảm xác suất dừng toàn trình so với truyền tuần tự cổ điển.
  3. Mô hình định tuyến đa chặng đa đường dạng cụm: Xây dựng khung phân tích đánh giá xác suất dung lượng bảo mật khác không cho ba giao thức chọn đường (BEST, MAXV, RAND), làm rõ mối quan hệ đánh đổi giữa hiệu năng bảo mật và chi phí thu thập thông tin trạng thái kênh truyền (CSI).

Đóng góp về mặt thực tiễn

  1. Cơ sở thiết kế và quy hoạch mạng vô tuyến nhận thức: Các công thức tường minh cung cấp công cụ tính toán nhanh cho các kỹ sư mạng để định lượng tham số hệ thống (số chặng, số anten, mức giới hạn công suất, vị trí đặt trạm phát năng lượng PB) mà không cần thực hiện các mô phỏng tốn kém thời gian.
  2. Giải pháp cấp nguồn cho mạng cảm biến và IoT chuyên biệt: Kết quả nghiên cứu về thu hoạch năng lượng vô tuyến từ PB và truyền tin đồng thời (SWIPT) mở ra khả năng triển khai thực tế cho các mạng cảm biến không dây (WSNs), thiết bị cấy ghép y tế hoặc thiết bị quan trắc khí quyển, nơi việc thay pin hay cấp nguồn điện lưới gặp nhiều khó khăn.
  3. Đánh giá ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng: Việc đưa tham số $\kappa$ vào phân tích giúp các nhà chế tạo thiết bị xác định được ngưỡng chất lượng linh kiện tối thiểu nhằm đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ và bảo mật mong muốn.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các phân tích chỉ tập trung vào chế độ truyền tin bán song công (Half-Duplex) và truyền thông một chiều (One-way).
  • Luận án giả định thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) được biết hoàn hảo tại các thời điểm lựa chọn anten hoặc chọn đường, chưa xét đến sai số ước lượng kênh trong môi trường fading nhanh.
  • Chưa khảo sát các mô hình kênh fading tổng quát hơn như Nakagami-$m$, $\kappa$-$\mu$ hay $\eta$-$\mu$ trong các mô hình cộng tác và chọn đường.
  • Giả thiết bỏ qua tương quan không gian giữa các phần tử anten và tương quan giữa các nút trong cùng một cụm mạng.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu sang chế độ truyền song công toàn phần (Full-Duplex - FD) và truyền thông hai chiều (Two-way) có tính đến can nhiễu tự thân (Self-Interference).
  • Nghiên cứu hiệu năng hệ thống khi CSI không hoàn hảo hoặc bị trễ phản hồi trong điều kiện các nút mạng di động với tốc độ cao.
  • Khảo sát sự kết hợp của kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) hoặc bề mặt phản xạ thông minh (IRS/RIS) trong mạng truyền thông đa chặng vô tuyến nhận thức.
  • Tích hợp thêm các thuật toán học máy nhằm tối ưu hóa việc phân bổ công suất và chọn tuyến động trong các cấu hình mạng quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu có giá trị học thuật và ứng dụng kỹ thuật:

  • Đối với nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật viễn thông và Kỹ thuật điện tử: Luận án cung cấp phương pháp luận toán học chi tiết trong việc xử lý tích phân xác suất, biến đổi hàm phân phối và kỹ thuật xấp xỉ tiệm cận để đánh giá các chỉ số hiệu năng lớp vật lý trong các hệ thống thông tin vô tuyến phức hợp.
  • Đối với giảng viên đại học: Nội dung Chương 2, Chương 3 và Chương 5 có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo bổ trợ cho các học phần chuyên đề sau đại học về Lý thuyết thông tin vô tuyến, Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio), Kỹ thuật phân tập MIMO và Bảo mật lớp vật lý.
  • Đối với kỹ sư quy hoạch và thiết kế hệ thống mạng vô tuyến: Các thuật toán tối ưu hóa số chặng $K^$ và hệ số thời gian thu hoạch $\alpha^$ (Chương 5), cùng các tiêu chí đánh giá giao thức định tuyến (Chương 6) là cơ sở tham chiếu tin cậy để thiết kế các mạng truyền thông ad-hoc, mạng giao thông thông minh (VANET/V2V) và mạng cảm biến IoT không dây hoạt động trong môi trường chia sẻ phổ tần hạn chế tài nguyên.

Câu hỏi thường gặp

1. Bốn mô hình mạng truyền thông đa chặng được đề xuất trong luận án khác biệt nhau ở những điểm cốt lõi nào?

Bốn mô hình được xây dựng tịnh tiến theo mức độ phức tạp kỹ thuật:

  • Mô hình 1 (Chương 3): Tập trung vào mạng thứ cấp dạng chuỗi đặt trong tầm nhìn thẳng (kênh Rician), các trạm thứ cấp dùng anten đơn trong khi mạng sơ cấp dùng đa anten với phân tập TAS/SC; đánh giá qua xác suất dừng (OP) và xác suất nghe lén (IP).
  • Mô hình 2 (Chương 4): Nâng cấp các trạm thứ cấp lên cấu hình đa anten kết hợp thu hoạch năng lượng vô tuyến từ trạm phát năng lượng (PB), có xét đến khiếm khuyết phần cứng; đánh giá qua xác suất dừng bảo mật (SOP) và xác suất dung lượng bảo mật khác không (PNSC).
  • Mô hình 3 (Chương 5): Quay lại cấu hình đơn anten có thu hoạch năng lượng nhưng áp dụng giao thức cộng tác vượt chặng (đi tắt) nhằm giảm trễ và tăng bậc phân tập so với truyền tuần tự.
  • Mô hình 4 (Chương 6): Mở rộng từ dạng chuỗi đơn tuyến sang mạng lưới đa đường dạng cụm ($M$ tuyến song song), đề xuất ba giao thức định tuyến (BEST, MAXV, RAND) để tối ưu hiệu năng bảo mật.

2. Ràng buộc công suất phát trong mạng nhận thức dạng nền (Underlay) được thiết lập như thế nào?

Trong mô hình Underlay, trạm phát thứ cấp $S$ chỉ được phép phát với công suất tối đa thỏa mãn điều kiện không làm gián đoạn liên lạc của mạng sơ cấp. Luận án xem xét hai cơ chế ràng buộc:

  • Ràng buộc theo ngưỡng can nhiễu tối đa $I_p$: Công suất phát thứ cấp bị chặn bởi $P_s \le \min(P_{max}, I_p / |h_{S,PU}|^2)$, trong đó $|h_{S,PU}|^2$ là độ lợi kênh xuyên nhiễu từ trạm thứ cấp đến trạm thu sơ cấp.
  • Ràng buộc theo xác suất dừng sơ cấp $\varepsilon_{OP}$: Mức công suất phát của trạm thứ cấp được điều chỉnh để xác suất dừng của tuyến thông tin sơ cấp không vượt quá giá trị ngưỡng $\varepsilon_{OP}$ định trước.

3. Tại sao giao thức giải mã ngẫu nhiên và chuyển tiếp (RF) lại được ưu tiên hơn giải mã và chuyển tiếp (DF) trong các mô hình có bảo mật lớp vật lý?

Khi mạng sử dụng giao thức DF truyền thống, các trạm chuyển tiếp giải mã dữ liệu rồi mã hóa lại bằng cùng một bảng mã (codebook). Nếu có trạm nghe lén hiện diện trên nhiều chặng, kẻ nghe lén có thể thu nhận tín hiệu ở từng chặng và sử dụng kỹ thuật tổ hợp tỉ lệ tối đa (MRC) để gộp tín hiệu, làm tăng đáng kể xác suất nghe lén thành công (IP) và suy giảm dung lượng bảo mật. Ngược lại, giao thức RF thực hiện ngẫu nhiên hóa mã hóa tại mỗi chặng chuyển tiếp, khiến trạm nghe lén không thể gộp tín hiệu giữa các chặng bằng MRC mà chỉ có thể xử lý tín hiệu độc lập từng chặng (tương đương kỹ thuật SC), qua đó cải thiện hiệu năng bảo mật toàn trình.

4. Giao thức truyền tin cộng tác ở Chương 5 mang lại những ưu thế kỹ thuật gì so với giao thức truyền tuần tự?

Giao thức cộng tác đề xuất cho phép tín hiệu phát từ trạm chuyển tiếp có thể truyền vượt cấp tới thẳng trạm đích hoặc trạm trung gian kế cận đích nếu điều kiện kênh truyền tức thời vượt ngưỡng giải mã thành công. Cơ chế này mang lại hai lợi thế:

  • Giảm số chặng truyền dẫn thực tế trên đường truyền, qua đó giảm thời gian trễ toàn trình từ nguồn đến đích.
  • Tận dụng tín hiệu truyền vượt chặng để tạo độ lợi phân tập không gian tại các nút thu nhận, giúp xác suất dừng toàn trình ($OP^{COP}$) luôn thấp hơn đáng kể so với truyền tuần tự từng bước ($OP^{DIR}$).

5. Ba phương thức chọn đường (BEST, MAXV, RAND) ở Chương 6 khác biệt như thế nào về tiêu chuẩn lựa chọn và chi phí vận hành?

  • BEST: Chọn tuyến có dung lượng bảo mật toàn trình lớn nhất. Đạt hiệu năng bảo mật PNSC cao nhất nhưng đòi hỏi chi phí trao đổi thông tin báo hiệu cao nhất do cần toàn bộ thông tin CSI của kênh chính và kênh nghe lén trên tất cả các tuyến.
  • MAXV: Chọn tuyến dựa trên độ biến thiên phương sai của kênh truyền, cân bằng giữa chất lượng truyền thông và mức độ phức tạp tính toán, chỉ yêu cầu CSI thống kê cục bộ.
  • RAND: Chọn ngẫu nhiên một tuyến truyền thông khả dụng, hoàn toàn không cần thông tin trạng thái kênh truyền CSI, chi phí báo hiệu bằng không nhưng hiệu năng bảo mật đạt được là thấp nhất.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phạm Minh Nam đã giải quyết thấu đáo bài toán phân tích và tối ưu hóa hiệu năng truyền thông cho mạng truyền thông đa chặng vô tuyến nhận thức dạng nền (MUCRN) trong điều kiện công suất phát hạn chế. Thông qua việc đề xuất 4 mô hình hệ thống với các kỹ thuật tiên tiến như phân tập TAS/SC, thu hoạch năng lượng vô tuyến SWIPT, bảo mật lớp vật lý PLS và các giao thức cộng tác/chọn đường, tác giả đã cung cấp hệ thống công thức giải tích dạng đóng chính xác và được kiểm chứng chặt chẽ bằng mô phỏng số. Công trình có đóng góp thiết thực cho cơ sở lý thuyết truyền thông vô tuyến hiện đại, đồng thời là tài liệu tham khảo hữu ích cho công tác nghiên cứu, đào tạo và ứng dụng kỹ thuật trong quy hoạch mạng IoT và mạng cảm biến không dây thế hệ mới.