Tổng quan về luận án

Sự bùng nổ của các hệ thống truyền thông không dây thế hệ mới (5G/6G, Internet of Things - IoT) đã tạo ra áp lực chưa từng có lên tài nguyên phổ tần số vô tuyến. Mặc dù các tổ chức quản lý viễn thông quốc tế như ITU, ETSI, IEEE và FCC đã phân bổ hầu hết các dải tần khả dụng, các báo cáo thực nghiệm cho thấy hiệu suất khai thác phổ tần thực tế lại rất thấp và không đồng đều. Để giải quyết nghịch lý khan hiếm phổ tần cục bộ, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio Network - CRN) do Giáo sư Joseph Mitola đề xuất đã mở ra hướng đi đột phá, cho phép người dùng thứ cấp (Secondary User - SU) sử dụng chung dải tần với người dùng sơ cấp (Primary User - PU). Tuy nhiên, khi vận hành theo cơ chế chia sẻ phổ tần dạng nền (Underlay CRN - UCRN), công suất phát của SU bị kiểm soát nghiêm ngặt để không gây can nhiễu quá mức cho PU, dẫn đến phạm vi phủ sóng bị thu hẹp đáng kể. Để khắc phục điểm nghẽn này, kỹ thuật truyền thông chuyển tiếp (Relay Network) và truyền thông đa chặng (Multi-hop Communication) được tích hợp nhằm mở rộng vùng phủ sóng và tối ưu hóa năng lượng truyền dẫn.

Điểm hạn chế then chốt trong hầu hết các công trình nghiên cứu trước đây là việc giả định lý tưởng hóa các linh kiện phần cứng vô tuyến (RF) và chỉ khảo sát các tác nhân gây nhiễu một cách đơn lẻ. Trên thực tế, thiết bị thu phát vô tuyến luôn tồn tại các khiếm khuyết phần cứng (Hardware Impairments - HI) do quá trình chế tạo hàng loạt giá rẻ, bao gồm nhiễu pha (Phase Noise - PN) từ bộ dao động nội không hoàn hảo, mất cân bằng biên độ/pha giữa các nhánh đồng pha và vuông góc (I/Q Imbalance - IQI), và méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA). Khi hoạt động trong môi trường truyền thông dày đặc, các thiết bị này đồng thời phải chịu tác động kép từ can nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference - CCI) do tái sử dụng tần số (Frequency Reuse), can nhiễu giao thoa giữa hệ thống thứ cấp và sơ cấp, cũng như hiện tượng tương quan không gian giữa các kênh truyền.

Luận án tiến sĩ của Nghiên cứu sinh Phạm Thị Đan Ngọc với đề tài "Nghiên cứu và phân tích các kỹ thuật giảm tác động của các can nhiễu đồng kênh trong mạng truyền thông không dây" (Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông, Mã số: 62520208, Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. Hồ Chí Minh, 2022, dưới sự hướng dẫn của PGS. Hồ Văn Khương và TS. Trần Trung Duy) đã giải quyết trọn vẹn bài toán học thuật cốt lõi: Thiết lập khung phân tích hiệu năng chính xác và đề xuất các giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa truyền dẫn nhằm triệt giảm tác động đồng thời của các nguồn can nhiễu đồng kênh và khiếm khuyết phần cứng trên ba mô hình kiến trúc mạng: một chặng, hai chặng và đa chặng.

Các câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết khoa học được xác lập có hệ thống:

  • Câu hỏi nghiên cứu 1 (RQ1): Làm thế nào để đánh giá chính xác hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức một chặng khi chịu ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng tại bộ thu phát, tương quan kênh truyền tại nút thu thứ cấp và phân bố kênh can nhiễu không đồng nhất tại các nút thu sơ cấp?
    • Giả thuyết 1 (H1): Kỹ thuật kết hợp chọn lựa (Selection Combining - SC) tại nút đích có thể bù đắp suy hao phân tập và duy trì xác suất dừng ổn định nếu mức độ khiếm khuyết phần cứng được khống chế dưới ngưỡng dung lượng lý thuyết.
  • Câu hỏi nghiên cứu 2 (RQ2): Trong mạng nhận thức hai chặng có sự hiện diện của nút nghe lén (Eavesdropper - E) và can nhiễu chéo đa hướng, cơ chế chọn nút chuyển tiếp tối ưu kết hợp điều khiển công suất thích ứng có thể đảm bảo đồng thời độ tin cậy truyền dẫn và bảo mật lớp vật lý hay không?
    • Giả thuyết 2 (H2): Thuật toán chọn nút chuyển tiếp tốt nhất (Best Relay Selection) áp dụng giao thức giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF) giúp tối thiểu hóa xác suất dừng của mạng thứ cấp trong khi vẫn khống chế xác suất chặn (Intercept Probability - IP) dưới mức ngưỡng an toàn $\varepsilon_{IP}$.
  • Câu hỏi nghiên cứu 3 (RQ3): Cơ chế tích lũy can nhiễu đồng kênh và khiếm khuyết phần cứng diễn ra như thế nào trên mạng truyền thông đa chặng khi so sánh giữa giao thức DF và khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF)?
    • Giả thuyết 3 (H3): Kỹ thuật chọn đường truyền toàn trình tốt nhất (Best Path Selection) sẽ giúp mạng đa chặng vượt qua suy giảm SNR, trong đó giao thức DF thể hiện khả năng kháng khiếm khuyết phần cứng vượt trội gấp nhiều lần so với giao thức AF.

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng Lý thuyết Thông tin Shannon, Lý thuyết Bảo mật Lớp vật lý của Wyner, mô hình truyền sóng Fading Rayleigh và mô hình thống kê tán xạ can nhiễu. Đóng góp mang tính đột phá của luận án là việc cung cấp các biểu thức toán học dạng tường minh chính xác (closed-form expressions) cho Xác suất dừng (Outage Probability - OP) và Xác suất chặn (Intercept Probability - IP), đồng thời chỉ ra các ngưỡng giới hạn vận hành vật lý thực nghiệm: "việc thiết lập các thông số phù hợp cho mô hình truyền một chặng phải đảm bảo mức khiếm khuyết phải dưới 0.7 để hệ thống có thể hoạt động được. Đối với môi trường truyền đa chặng dùng giao thức giải mã và chuyển tiếp thì mức khiếm khuyết phần cứng phải dưới 6. Trong khi đó, nếu mô hình dùng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp thì mức khiếm khuyết này phải dưới 1". Quy mô phân tích toán học được kiểm chứng nghiêm ngặt thông qua $10^6$ phép thử Monte-Carlo trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng.

Literature Review và Positioning

Khảo sát lịch sử phát triển của lý thuyết truyền thông không dây cho thấy ba dòng nghiên cứu chính (research streams) đã định hình lĩnh vực này:

                      [LÝ THUYẾT NỀN TẢNG]
  DÒNG 1: CRN             DÒNG 2: HI             DÒNG 3: PLS
Mitola (1999)           Schenk (2008)           Wyner (1975)
Haykin (2005)         Matthaiou (2013)           Zou (2016)
                    [RESEARCH GAP CỦA LUẬN ÁN]
        Khảo sát ĐỒNG THỜI: CRN Underlay + Khiếm khuyết phần cứng
       (PN, IQI, PA) + Can nhiễu đồng kênh CCI + Fading tương quan
                 + Nghe lén (PLS) + Đa chặng (DF vs AF)
  1. Dòng nghiên cứu Mạng vô tuyến nhận thức (CRN): Kể từ công trình tiên phong của Mitola (1999) và Haykin (2005), kỹ thuật truy cập phổ dạng nền (Underlay) đã được phát triển mạnh mẽ bởi các nghiên cứu của Kang et al. (2009) và Suraweera et al. (2010). Các nghiên cứu này tập trung vào bài toán tối ưu hóa công suất phát của SU dưới ràng buộc nhiệt độ can nhiễu (Interference Temperature) tại máy thu sơ cấp PU. Tuy nhiên, phần lớn các công trình kinh điển này giả định máy phát và máy thu hoạt động với phần cứng lý tưởng, bỏ qua méo phi tuyến nội tại.
  2. Dòng nghiên cứu Khiếm khuyết phần cứng (Hardware Impairments): Schenk (2008), Björnson et al. (2013, 2014) và Matthaiou et al. (2013) đã chứng minh rằng khiếm khuyết phần cứng không thể bị triệt tiêu hoàn toàn ngay cả khi áp dụng các thuật toán bù tín hiệu phức tạp tại băng gốc. Mức méo tín hiệu tồn dư do mất cân bằng I/Q và nhiễu pha tạo ra một "mức sàn tạp âm" (error floor), làm bão hòa dung lượng kênh ở vùng SNR cao. Dẫu vậy, các phân tích của Björnson chủ yếu dừng lại ở các liên kết điểm-điểm hoặc hệ thống MIMO thông thường mà chưa tích hợp sâu vào mô hình nhận thức đa người dùng có ràng buộc can nhiễu chéo.
  3. Dòng nghiên cứu Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS): Bắt nguồn từ khái niệm Kênh nghe lén của Wyner (1975) và được mở rộng cho mạng không dây bởi Bloch et al. (2008) và Zou et al. (2016), việc khai thác đặc tính ngẫu nhiên của kênh truyền fading để bảo mật dữ liệu đã chứng minh hiệu quả vượt bậc so với mã hóa lớp trên. Tuy nhiên, sự kết hợp giữa PLS, chọn nút chuyển tiếp cộng tác và tác động đồng thời của khiếm khuyết phần cứng trong môi trường mạng nhận thức vẫn là một khoảng trống học thuật chưa được khai phá thấu đáo.

Trong y văn tồn tại hai luồng quan điểm tranh luận sâu sắc: Luồng quan điểm truyền thống cho rằng can nhiễu đồng kênh và khiếm khuyết phần cứng có thể được xem xét độc lập và tuyến tính hóa; ngược lại, luồng quan điểm thực nghiệm hiện đại khẳng định giữa HI và CCI có sự tương tác phi tuyến mạnh mẽ, việc tối ưu hóa mạng dựa trên mô hình phần cứng lý tưởng sẽ dẫn đến đánh giá quá lạc quan về hiệu năng và gây mất kết nối nghiêm trọng trong triển khai thực tế.

Luận án của NCS. Phạm Thị Đan Ngọc đã định vị chính xác vào khoảng trống nghiên cứu này bằng cách thiết lập mô hình toán học tích hợp đồng thời:

  • Ràng buộc công suất can nhiễu đa điểm đối với các nút sơ cấp $PU_n$ có phân bố độc lập không đồng nhất (Non-Independent & Identically Distributed - n.i.d);
  • Tương quan kênh truyền không gian ($\rho$) tại nút thu thứ cấp;
  • Méo phần cứng tổng hợp tại cả nút phát, nút chuyển tiếp, nút đích và nút nghe lén ($\kappa^2$);
  • Can nhiễu đồng kênh tích lũy do tái sử dụng tần số trong mạng đa chặng.

So sánh với hai nghiên cứu quốc tế tiêu biểu cùng thời kỳ: Nghiên cứu của Matthaiou et al. (IEEE Trans. Commun., 2013) chỉ khảo sát tác động của HI trong hệ thống chuyển tiếp hai chặng AF/DF thông thường mà không xét đến môi trường chia sẻ phổ vô tuyến nhận thức và ràng buộc can nhiễu PU; nghiên cứu của Suraweera et al. (IEEE Trans. Wireless Commun., 2010) khảo sát mạng CRN hai chặng có xét can nhiễu nhưng loại bỏ hoàn toàn các tham số méo phần cứng ($\kappa^2 = 0$) và hiện tượng nghe lén. Công trình của tác giả Phạm Thị Đan Ngọc đã tiến xa hơn khi tổng quát hóa toàn diện các tham số bất định này trong cùng một khung giải tích thống nhất.

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án đã mở rộng Lý thuyết Thông tin Vô tuyến và Lý thuyết Phân tập Tín hiệu thông qua việc tái cấu trúc mô hình biểu diễn tín hiệu thu dưới tác động của méo phần cứng tổng hợp. Thay vì sử dụng mô hình kênh tuyến tính chuẩn $y = hx + n$, luận án áp dụng mô hình biến dạng phần cứng tổng quát: $$y = h \left( s + \eta_t \right) + \eta_r + n$$ Trong đó $\eta_t \sim \mathcal{CN}(0, \kappa_t^2 P)$ và $\eta_r \sim \mathcal{CN}(0, \kappa_r^2 P |h|^2)$ lần lượt là các quá trình tạp âm méo điều chế tại máy phát và máy thu, tạo nên tổng hệ số khiếm khuyết $\kappa^2 = \kappa_t^2 + \kappa_r^2$.

                      MÔ HÌNH KHUNG PHÂN TÍCH TỔNG QUÁT
  1. Mở rộng lý thuyết dung lượng kênh trong UCRN: Thiết lập biểu thức giải tích chính xác cho hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân bố tích lũy (CDF) của tỷ số tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu tức thời (SINR) tại máy thu thứ cấp, tính đến sự tương quan không gian qua ma trận hiệp phương sai kênh truyền.
  2. Định lượng hóa biên bảo mật lớp vật lý phi tuyến: Phát triển định lý toán học xác định Xác suất chặn (IP) tại nút nghe lén $E$ trong điều kiện nút $E$ cũng chịu ảnh hưởng bởi can nhiễu từ máy phát sơ cấp $PT$ và khiếm khuyết phần cứng nội tại $\kappa_E^2$.
  3. Thiết lập mô hình lan truyền méo phi tuyến đa chặng: Chứng minh bằng toán học giải tích cơ chế tích lũy lỗi phi tuyến qua $L$ chặng truyền thông vô tuyến, làm sáng tỏ bản chất toán học của sự khác biệt giữa giao thức hoàn nguyên tín hiệu (DF) và khuếch đại thuần túy (AF).

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp liên ngành ba cấu trúc lý thuyết:

  • Lý thuyết Tán xạ và Biến thiên Kênh ngẫu nhiên (Stochastic Channel Theory): Khảo sát fading Rayleigh với độ lợi công suất tuân theo phân bố lũy thừa, kết hợp mô hình phân bố Gamma và phân bố liên hợp đa biến cho các kênh truyền có tương quan $\rho$.
  • Lý thuyết Xử lý Tín hiệu Tần số Vô tuyến (RF Impairment Theory): Tích hợp phương sai méo phần cứng trực tiếp vào mẫu số của tỷ số SINR tức thời: $$\Psi = \frac{P_S |h|^2}{\kappa^2 P_S |h|^2 + \sum P_I |f_I|^2 + N_0}$$ Biểu thức này chỉ ra rằng khi $P_S \to \infty$, SINR không tiến tới vô cùng mà bị chặn trên bởi $1/\kappa^2$.
  • Lý thuyết Tối ưu hóa Truyền dẫn Phân tán (Distributed Optimization Theory): Xây dựng các tiêu chuẩn lựa chọn thích ứng:
    • Tiêu chuẩn kết hợp phân tập tại nút thu: $$\Psi_{e2e} = \max \left( \Psi_{S,D}, \Psi_{R,D} \right)$$
    • Tiêu chuẩn chọn nút chuyển tiếp tối ưu $b^$: $$b^ = \arg\max_{b \in \mathcal{Z}1} \left{ \min \left( \Psi{S,R_b}, \Psi_{R_b,D} \right) \right}$$ Trong đó $\mathcal{Z}_1$ là tập hợp các nút chuyển tiếp giải mã thành công bản tin trong khe thời gian thứ nhất.

Điều kiện biên của khung phân tích: Khung toán học được xác lập trong điều kiện các kênh truyền là fading khối (block fading) độc lập hoặc có tương quan đều đặn qua các khe thời gian, thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) được ước lượng hoàn hảo tại các bộ thu, và các nút chuyển tiếp hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex - HD).

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

                            QUY TRÌNH PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Thiết kế nghiên cứu

Luận án vận hành theo thế giới quan thực chứng (Positivism) với lập trường nhận thức luận diễn dịch chặt chẽ (Quantitative Deductive Epistemology). Thiết kế nghiên cứu đa tầng (Multi-level Architecture) được triển khai qua ba cấu trúc mạng có độ phức tạp tăng dần:

  • Tầng 1 (Chương 2): Mạng truyền thông một chặng (Single-hop UCRN): Nút nguồn thứ cấp $S$ truyền trực tiếp đến nút đích $D$ có trang bị nhiều anten kết hợp SC, chịu sự giám sát can nhiễu từ $N$ máy thu sơ cấp $PU_n$ ($n = 1, \dots, N$). Kênh truyền giữa $S$ và các anten của $D$ có tương quan không gian hệ số $\rho$, trong khi các kênh $S \to PU_n$ có tham số suy hao không đồng nhất $\Omega_n$.
  • Tầng 2 (Chương 3): Mạng chuyển tiếp hai chặng (Two-hop UCRN with PLS): Nút $S$ truyền tin tới $D$ thông qua sự hỗ trợ của cụm $M$ nút chuyển tiếp $R_m$ ($m = 1, \dots, M$) hoạt động theo giao thức DF, dưới sự đe dọa của nút nghe lén $E$ và sự can nhiễu qua lại từ cặp máy phát-máy thu sơ cấp ($PT - PR$).
  • Tầng 3 (Chương 4): Mạng truyền thông đa chặng (Multi-hop Network):
    • Mô hình 4.1: Mạng đa chặng thông thường gồm $M$ đường truyền song song, mỗi đường gồm $L_m$ chặng nối tiếp, chịu can nhiễu đồng kênh từ $N$ nguồn phát can nhiễu độc lập do tái sử dụng tần số.
    • Mô hình 4.2: Mạng đa chặng vô tuyến nhận thức so sánh trực tiếp hai giao thức M-DF-P (Multi-hop Decode-and-Forward Path Selection) và M-AF-P (Multi-hop Amplify-and-Forward Path Selection).

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu tuân thủ các chuẩn mực toán viễn thông nghiêm ngặt nhất:

  1. Thiết lập quan hệ tín hiệu: Rút trích tín hiệu nhận tại từng nút thu dựa trên bản chất vật lý của bộ trộn, bộ khuếch đại, và kênh truyền Rayleigh. Ví dụ, công thức tín hiệu mất cân bằng I/Q tại băng gốc được mô hình hóa: $$g_{IQI}^{t/r} = K_1^{t/r} g_{ide}^{t/r} + K_2^{t/r} \left( g_{ide}^{t/r} \right)^*$$ Với tỷ số loại bỏ tần số ảnh (Image Rejection Ratio - IRR): $$IRR = \frac{|K_1^{t/r}|^2}{|K_2^{t/r}|^2} = \frac{1 + 2\kappa \cos \phi + \kappa^2}{1 - 2\kappa \cos \phi + \kappa^2}$$
  2. Xác định công suất phát tối đa: Dưới cơ chế Underlay, công suất phát tại nguồn thứ cấp $S$ hoặc relay $R_b$ được khống chế theo công thức: $$P_S = \min \left( \bar{P}S, \frac{I{th}}{\max_{n=1\dots N} |f_n|^2} \right)$$ Trong đó $I_{th}$ là ngưỡng chịu đựng can nhiễu tối đa của hệ thống sơ cấp, $\bar{P}_S$ là công suất phát cực đại của thiết bị.
  3. Biến đổi giải tích phức hợp: Sử dụng các công cụ giải tích nâng cao (Tích phân Laplace, hàm phân bố thống kê thứ bậc - Order Statistics, chuỗi Bessel, chuỗi lũy thừa mở rộng) để biến đổi các biểu thức xác suất có điều kiện nhiều lớp về dạng tường minh chứa các hàm giải tích cơ bản.
  4. Kiểm chứng tam giác hóa phương pháp (Methodological Triangulation): Mọi kết quả phân tích giải tích (Analytical curves) đều được đối sánh trực tiếp với kết quả mô phỏng Monte-Carlo số học (Simulation markers) được lập trình độc lập.

Data và phân tích

Tham số mô hình Ký hiệu Giá trị thiết lập chuẩn Ý nghĩa vật lý / Kỹ thuật
Số nút chuyển tiếp $M$ $1 \div 15$ Đánh giá độ lợi phân tập đa người dùng
Số nút thu sơ cấp $N$ $1 \div 5$ Mức độ nghiêm ngặt của ràng buộc can nhiễu
Số chặng truyền $L, L_m$ $1 \div 4$ chặng Độ dài chuỗi chuyển tiếp tín hiệu
Hệ số khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2, \kappa_D^2, \kappa_S^2$ $0.0 \div 1.5$ (chuẩn $0.01 \div 0.25$) Mức méo phi tuyến tổng hợp RF
Tỷ số công suất sơ cấp trên nhiễu $P_{PT}/N_0$ $0 \div 35\text{ dB}$ Năng lượng phát của mạng sơ cấp
Tỷ số can nhiễu sơ cấp cho phép $Q, I_{th}$ $5 \div 20\text{ dB}$ Ngưỡng bảo vệ chất lượng dịch vụ của PU
Ngưỡng dừng giải mã $\gamma_{th}, C_{S,th}$ $1\text{ dB}, 0.25 \div 1.0\text{ bps/Hz}$ Tốc độ truyền tin mục tiêu
Hệ số tương quan kênh truyền $\rho$ $0.0 \div 0.9$ Mức độ ghép nối không gian giữa các anten
Tọa độ nút chuyển tiếp $x_R, y_R$ $x_R \in (0, 1), y_R = 0$ Vị trí địa lý chuẩn hóa dọc tuyến truyền
Số mẫu lặp Monte-Carlo $N_{trials}$ $10^6\text{ iterations}$ Đảm bảo khoảng tin cậy 99% ($p < 0.001$)

Phần mềm triển khai tính toán giải tích và mô phỏng thực nghiệm là MATLAB và Wolfram Mathematica, ứng dụng kỹ thuật tính toán song song để xử lý các biểu thức tích phân đa chiều phức tạp.

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

                     HIỆU NĂNG TÍCH LŨY KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG
     Xác suất dừng (OP)
          0                0.7   1.0           6.0              Mức khiếm khuyết $\kappa^2$
  1. Phát hiện về "Ngưỡng sụp đổ phần cứng" (Hardware Impairment Ceiling): Luận án đã chứng minh bằng giải tích và thực nghiệm rằng tồn tại một giới hạn vật lý nghiêm ngặt đối với mức độ khiếm khuyết phần cứng. Trong mô hình truyền thông một chặng, khi mức khiếm khuyết $\kappa^2 \ge 0.7$, xác suất dừng của hệ thống tiến nhanh về giá trị $1.0$ bất kể công suất phát $P_S$ được tăng lên bao nhiêu. Điều này khẳng định hiện tượng bão hòa dung lượng: can nhiễu nội do phần cứng tạo ra tăng tỷ lệ thuận với công suất phát, triệt tiêu hoàn toàn độ lợi SNR.
  2. Khám phá về sự phân hóa sâu sắc giữa hai giao thức DF và AF trong mạng đa chặng: Kết quả phân tích đã đem lại một phát hiện khoa học mang tính đột phá: "Đối với môi trường truyền đa chặng dùng giao thức giải mã và chuyển tiếp thì mức khiếm khuyết phần cứng phải dưới 6. Trong khi đó, nếu mô hình dùng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp thì mức khiếm khuyết này phải dưới 1". Nguyên nhân vật lý cốt lõi là do giao thức DF tiến hành giải mã, loại bỏ tạp âm và tái tạo hoàn toàn tín hiệu tại mỗi chặng trung gian, ngăn chặn sự tích tụ của méo phi tuyến; trong khi đó, giao thức AF khuếch đại đồng thời cả tín hiệu, tạp âm nền và méo phần cứng của chặng trước, khiến tỷ số SINR toàn trình bị suy thoái theo hàm số mũ qua từng chặng truyền.
  3. Quy luật đánh đổi Bảo mật - Độ tin cậy (Security-Reliability Tradeoff) trong mạng nhận thức hai chặng: Khi tăng tỷ số công suất phát của hệ thống sơ cấp $P_{PT}/N_0$, xác suất dừng của mạng thứ cấp $OP_S$ giảm mạnh (hiệu năng truyền dẫn tốt hơn do nút nguồn thứ cấp ít bị hạn chế công suất khi kênh can nhiễu từ $PT$ kiểm soát nền tạp âm), nhưng đồng thời Xác suất chặn $IP$ tại nút nghe lén $E$ lại gia tăng. Luận án đã chỉ ra điểm làm việc tối ưu tại vùng công suất $P_{PT}/N_0 = 20 \div 25\text{ dB}$, nơi hệ thống thứ cấp đạt được sự cân bằng hoàn hảo giữa độ tin cậy và mức độ an toàn thông tin dưới ngưỡng chặn $\varepsilon_{IP} = 0.1$.
  4. Xác định vị trí nút chuyển tiếp tối ưu về mặt hình học: Khảo sát sự thay đổi tọa độ của nút chuyển tiếp $R$ trên đoạn nối giữa nguồn $S(0,0)$ và đích $D(1,0)$ cho thấy: Khi đặt nút chuyển tiếp tại trung điểm hình học $x_R = 0.5$, xác suất dừng của toàn mạng đạt giá trị cực tiểu. Nếu dịch chuyển nút $R$ quá gần nút nguồn ($x_R < 0.2$) hoặc quá gần nút đích ($x_R > 0.8$), hiệu năng mạng suy giảm nghiêm trọng do sự mất cân bằng dung lượng giữa hai chặng truyền.
  5. Hiệu ứng triệt tiêu phân tập của tương quan không gian kênh truyền: Khi hệ số tương quan $\rho$ tại bộ thu SC tăng từ $0.0$ lên $0.9$, độ lợi phân tập của hệ thống bị suy giảm đáng kể, đường cong xác suất dừng dịch chuyển sang phải tương đương với việc mất đi từ $3\text{ dB}$ đến $5\text{ dB}$ công suất phát để đạt cùng một mức chất lượng dịch vụ QoS.

Implications đa chiều

  • Về mặt lý thuyết: Cung cấp một phương pháp luận giải tích hoàn chỉnh để xử lý các bài toán thống kê phi tuyến phức tạp trong mạng không dây, mở rộng các định lý cổ điển của Shannon và Wyner sang các hệ thống thực tế có phần cứng không hoàn hảo.
  • Về mặt kỹ thuật và phương pháp luận: Khung toán học của luận án có thể áp dụng trực tiếp cho các mô hình truyền thông tiên tiến khác như Hệ thống bề mặt phản xạ thông minh (RIS/IRS), Đa truy cập không trực giao (NOMA), và Truyền thông tán xạ ngược (Backscatter Communication).
  • Về mặt ứng dụng công nghiệp: Cung cấp thông số thiết kế sống còn cho các kỹ sư phát triển thiết bị vô tuyến công suất thấp giá rẻ (LPWAN, LoRa, NB-IoT). Các nhà sản xuất chip RF có thể định lượng chính xác yêu cầu kỹ thuật của linh kiện (độ chính xác của bộ dao động nội, tỷ số triệt méo I/Q) tương ứng với từng cấu trúc mạng mà không cần phải sử dụng linh kiện đắt tiền vượt quá nhu cầu thực tế.
  • Về mặt chính sách quản lý phổ tần: Cung cấp căn cứ định lượng cho các cơ quan quản lý (như Cục Tần số Vô tuyến điện) trong việc thiết lập ngưỡng công suất can nhiễu cho phép $I_{th}$ khi cấp phép cho các nhà mạng thứ cấp triển khai dịch vụ trên dải tần số dùng chung với các hệ thống quân sự hoặc truyền hình quảng bá.

Limitations và Future Research

Nhìn nhận một cách khách quan và nghiêm cúng theo các chuẩn mực học thuật, luận án tồn tại một số giới hạn nghiên cứu (limitations):

  1. Giả định về mô hình kênh truyền Fading: Luận án tập trung khảo sát trên kênh truyền fading Rayleigh – mô hình đặc trưng cho môi trường tán xạ phong phú không có tia nhìn thẳng (Non-Line-of-Sight - NLoS). Trong các kịch bản truyền thông sóng milimet (mmWave) hoặc Terahertz của mạng 6G, hiện tượng có tia nhìn thẳng (Line-of-Sight - LoS) chiếm ưu thế, đòi hỏi các mô hình kênh tổng quát hơn như Rician, Nakagami-$m$, hoặc $\alpha$-$\mu$.
  2. Giả định về Thông tin trạng thái kênh truyền (CSI): Các giải pháp chọn nút chuyển tiếp và chọn đường truyền tối ưu được xây dựng dựa trên giả định máy thu có thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo (Perfect CSI). Trong điều kiện di động cao, việc ước lượng CSI sẽ có sai số (Imperfect CSI) và gây ra độ trễ phản hồi (Feedback Delay), điều này có thể làm suy giảm hiệu năng chọn lựa.
  3. Chế độ truyền dẫn bán song công (Half-Duplex): Các nút chuyển tiếp trong luận án hoạt động ở chế độ bán song công (HD), đòi hỏi hai khe thời gian để chuyển tiếp một gói tin, làm giảm một nửa hiệu suất phổ tần lý thuyết so với chế độ song công toàn phần (Full-Duplex - FD).
  4. Mức độ trừu tượng hóa phần cứng: Khiếm khuyết phần cứng được mô hình hóa dưới dạng tạp âm Gauss tương đương tổng hợp ($\kappa^2$). Mặc dù mô hình này được thừa nhận rộng rãi trong lý thuyết thông tin, các hiệu ứng phi tuyến có nhớ sâu (Memory-effects) của bộ khuếch đại công suất PA dải rộng chưa được khảo sát chi tiết.

Chương trình nghiên cứu tương lai (Future Research Agenda)

  1. Mở rộng mô hình kênh truyền: Khảo sát hiệu năng hệ thống trên các kênh fading tổng quát như Nakagami-$m$, Hoyt, và fading composite (Fading kết hợp Shadowing) có xét đến sai số ước lượng kênh truyền (Imperfect CSI).
  2. Chuyển đổi sang truyền thông song công toàn phần (Full-Duplex): Nghiên cứu kỹ thuật triệt tự can nhiễu (Self-Interference Cancellation) kết hợp với các giải pháp giảm can nhiễu đồng kênh cho các trạm chuyển tiếp FD.
  3. Tích hợp bề mặt thông minh (RIS/IRS): Nghiên cứu ứng dụng các bề mặt phản xạ thông minh để chủ động tái cấu trúc môi trường truyền sóng, hỗ trợ triệt tiêu can nhiễu tại các nút thu sơ cấp và nút nghe lén.
  4. Triển khai thực nghiệm trên nền tảng vô tuyến điều khiển bằng phần mềm (SDR): Hiện thực hóa các thuật toán chọn đường và chọn nút chuyển tiếp trên các kit phần cứng USRP (Universal Software Radio Peripheral) để đo kiểm hiệu năng thực tế trong môi trường thời gian thực.

Tác động và ảnh hưởng

  • Tác động học thuật: Luận án đóng góp một hệ thống các bài báo khoa học chất lượng cao trên các tạp chí thuộc danh mục ISI/Scopus uy tín và các kỷ yếu hội nghị quốc tế chuyên ngành. Các biểu thức toán học dạng tường minh do luận án thiết lập đã trở thành công cụ tham chiếu tin cậy cho cộng đồng nghiên cứu xử lý tín hiệu và lý thuyết thông tin không dây trong và ngoài nước.
  • Chuyển đổi công nghiệp viễn thông: Nghiên cứu trực tiếp giải quyết bài toán tối ưu hóa chi phí sản xuất thiết bị đầu cuối cho các mạng IoT diện rộng. Bằng việc chứng minh khả năng chịu lỗi của giao thức DF ($\kappa^2 < 6$), các doanh nghiệp công nghệ có thể tự tin sử dụng các module RF giá rẻ mà vẫn đảm bảo độ tin cậy kết nối thông qua việc tối ưu hóa thuật toán định tuyến đa chặng.
  • Tác động chính sách và xã hội: Hỗ trợ hiện thực hóa chiến lược chuyển đổi số quốc gia thông qua việc cung cấp giải pháp kỹ thuật khai thác triệt để tài nguyên phổ tần quốc gia, tránh lãng phí băng tần, tạo tiền đề hạ tầng vững chắc cho việc triển khai các đô thị thông minh (Smart Cities) và mạng cảm biến nông nghiệp công nghệ cao.

Đối tượng hưởng lợi

                           ĐỐI TƯỢNG HƯỞNG LỢI
  • Nghiên cứu sinh và Giới học thuật: Tiếp cận được một phương pháp luận nghiên cứu mẫu mực về việc mô hình hóa toán học các hiện tượng vật lý phức tạp; sở hữu bộ công thức giải tích sẵn có để phát triển các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về tối ưu hóa mạng 6G.
  • Kỹ sư R&D và Nhà sản xuất thiết bị phần cứng: Nắm bắt được giới hạn chịu đựng méo phi tuyến của từng kiến trúc mạng, từ đó đưa ra các thông số kỹ thuật tối ưu cho dây chuyền sản xuất linh kiện thu phát vô tuyến, tiết kiệm từ 15% đến 30% chi phí kiểm chuẩn phần cứng.
  • Nhà hoạch định chính sách và Quản lý viễn thông: Có cơ sở khoa học định lượng vững chắc để ban hành các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về mức phát xạ can nhiễu thứ cấp, thúc đẩy quá trình thương mại hóa công nghệ vô tuyến nhận thức và chia sẻ phổ tần thông minh.

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết kinh điển nào?

Đóng góp độc đáo nhất là việc thiết lập thành công mô hình giải tích tích hợp đồng thời ba yếu tố phi tuyến ngẫu nhiên: méo khiếm khuyết phần cứng ($\kappa^2$), can nhiễu đồng kênh đa nguồn (CCI), và tương quan không gian kênh truyền ($\rho$) trong mạng nhận thức chia sẻ phổ dạng nền (Underlay CRN). Công trình đã mở rộng trực tiếp Lý thuyết Dung lượng và Xác suất Dừng của Shannon cho kênh truyền thực tế không hoàn hảo, phá vỡ giả định lý tưởng hóa vốn đã tồn tại hàng thập kỷ trong các nghiên cứu truyền thông kinh điển.

2. Sự đổi mới về phương pháp luận của luận án khi so sánh với các công trình quốc tế tiền nhiệm?

So với các nghiên cứu của Matthaiou et al. (2013) (chỉ xét HI đơn lẻ trên mạng chuyển tiếp cố định) và Suraweera et al. (2010) (chỉ xét CRN dưới kênh truyền không có HI và không có bảo mật), luận án đã đổi mới phương pháp luận bằng cách xây dựng giải thuật tối ưu hóa ngẫu nhiên hai lớp (Two-tier Stochastic Framework): lớp dưới giải quyết bài toán tối ưu hóa công suất phát thích ứng tức thời để bảo vệ $N$ nút sơ cấp n.i.d, lớp trên thực hiện giải thuật chọn nút chuyển tiếp / chọn đường truyền toàn trình tốt nhất kết hợp phân tập thu SC/MRC, cho phép giải trọn vẹn bài toán xác suất đa biến phức tạp về dạng tích phân đơn giản có thể tính toán tức thời.

3. Phát hiện bất ngờ nhất về mặt số liệu thực nghiệm trong luận án là gì?

Phát hiện bất ngờ nhất là sự chênh lệch đột biến về khả năng chịu đựng khiếm khuyết phần cứng giữa hai giao thức chuyển tiếp trong mạng đa chặng: Trong khi mạng sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (M-AF-P) bị sụp đổ hoàn toàn khi $\kappa^2 \ge 1.0$, thì mạng sử dụng giao thức giải mã và chuyển tiếp (M-DF-P) có thể duy trì hoạt động ổn định với mức khiếm khuyết phần cứng lên tới $\kappa^2 < 6.0$. Điều này chứng minh rằng việc giải mã hoàn nguyên tại các nút chặng trung gian có khả năng "chặn đứng" sự nhân bản của méo phi tuyến phần cứng một cách cực kỳ mạnh mẽ.

4. Luận án có cung cấp giao thức tái lập nghiên cứu (Replication Protocol) hoàn chỉnh không?

Hoàn toàn có. Luận án trình bày chi tiết toàn bộ các bước chứng minh toán học trong phần Phụ lục (Phụ lục A cho Chương 2, Phụ lục B cho Chương 3, và Phụ lục C.1 đến C.4 cho Chương 4). Mọi tham số mô phỏng (tọa độ hình học nút, phương sai fading, công suất phát, số lần thử nghiệm Monte-Carlo $10^6$) đều được công khai minh bạch trong các bảng biểu và đồ thị, cho phép các nhà nghiên cứu độc lập tái lập chính xác 100% các đường cong giải tích và kết quả mô phỏng trên nền tảng MATLAB.

5. Khung chương trình nghiên cứu 10 năm tới được phác thảo từ nền tảng luận án như thế nào?

Khung nghiên cứu 10 năm tiếp theo tập trung vào việc chuyển dịch mô hình giảm can nhiễu từ "thụ động thích ứng" sang "chủ động điều khiển môi trường" thông qua việc tích hợp Trí tuệ nhân tạo (AI-driven Physical Layer) và Bề mặt phản xạ thông minh (RIS/IRS) vào mạng truyền thông tế bào cực lớn (Cell-Free Massive MIMO) hoạt động ở dải tần Terahertz, kết hợp kỹ thuật bảo mật lớp vật lý lượng tử cho mạng 6G toàn cầu.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Thị Đan Ngọc đã giải quyết xuất sắc một bài toán then chốt, mang tính thời sự cao của ngành Kỹ thuật Viễn thông hiện đại. Tổng hợp 6 đóng góp cốt lõi mang tính đột phá của công trình bao gồm:

  1. Xây dựng thành công khung phân tích toán học chính xác đánh giá tác động đồng thời của khiếm khuyết phần cứng, can nhiễu đồng kênh và tương quan kênh truyền trong mạng vô tuyến nhận thức một chặng, chứng minh hiệu quả phục hồi phân tập của kỹ thuật kết hợp chọn lựa SC.
  2. Thiết lập biểu thức giải tích chính xác dạng tường minh cho Xác suất dừng ($OP$) và Xác suất chặn ($IP$) trong mạng nhận thức hai chặng có chuyển tiếp DF và nút nghe lén, xác lập quy luật cân bằng tối ưu giữa độ tin cậy truyền dẫn và an toàn thông tin lớp vật lý.
  3. Đề xuất giải pháp chọn đường truyền toàn trình tốt nhất cho mạng truyền thông đa chặng thông thường, triệt giảm hiệu quả can nhiễu đồng kênh phát sinh do tái sử dụng tần số vô tuyến.
  4. Thực hiện so sánh toàn diện và chứng minh bản chất toán học về sự vượt trội của giao thức M-DF-P so với M-AF-P trong việc ngăn chặn sự tích tụ méo phần cứng trên mạng nhận thức đa chặng.
  5. Cung cấp bộ ngưỡng vận hành vật lý chuẩn xác cho kỹ sư thiết kế hệ thống thực tế: khống chế $\kappa^2 < 0.7$ cho mạng một chặng, $\kappa^2 < 6.0$ cho mạng đa chặng DF, và $\kappa^2 < 1.0$ cho mạng đa chặng AF.
  6. Xác định quy luật phân bổ không gian tối ưu cho các trạm chuyển tiếp vô tuyến tại trung điểm liên kết ($x_R = 0.5$) nhằm cực đại hóa hiệu năng truyền dẫn toàn trình.

Công trình là sự kết hợp hài hòa giữa chiều sâu giải tích lý thuyết và giá trị ứng dụng thực tiễn cao, mở ra các hướng nghiên cứu mới mẻ cho sự phát triển của các thế hệ mạng không dây tương lai.