Tổng quan luận án

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật và các hệ thống kết nối số đã dẫn đến sự bùng nổ số lượng người dùng trong các mạng truyền thông không dây. Thực tế này gây ra tình trạng khan hiếm tài nguyên phổ tần số vô tuyến – vốn là nguồn tài nguyên hữu hạn chịu sự quản lý nghiêm ngặt của các tổ chức viễn thông như ITU, ETSI, IEEE và IETF. Nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần, công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio - CR) được đưa vào ứng dụng, cho phép người dùng thứ cấp hoạt động trên cùng dải tần của người dùng sơ cấp theo phương thức truy cập dạng nền (underlay). Tuy nhiên, để không gây can nhiễu có hại cho mạng sơ cấp, công suất phát của mạng thứ cấp bị khống chế nghiêm ngặt, dẫn đến hạn chế về cự ly truyền dẫn và vùng phủ sóng. Giải pháp kết hợp mạng chuyển tiếp cộng tác hoặc đa chặng giúp khắc phục hạn chế này. Mặc dù vậy, hiệu năng thực tế của hệ thống bị suy giảm nghiêm trọng bởi các tác nhân can nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference - CCI). Trong thực tế sản xuất phần cứng, các khiếm khuyết phần cứng (Hardware Impairments - HI) như nhiễu pha, mất cân bằng nhánh đồng pha và vuông góc (I/Q), cùng méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất vẫn luôn tồn tại. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các công trình trước đây phần lớn chỉ khảo sát riêng rẽ từng tác nhân can nhiễu hoặc đánh giá trong điều kiện lý tưởng, chưa phân tích toàn diện ảnh hưởng đồng thời của nhiều nguồn can nhiễu đồng kênh (khiếm khuyết phần cứng, can nhiễu giữa hệ thống sơ cấp - thứ cấp, can nhiễu do tái sử dụng tần số và tương quan kênh truyền) trên các cấu trúc mạng khác nhau.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai mục tiêu chính:

  1. Mục tiêu thứ nhất: Đề xuất các mô hình hệ thống trong mạng truyền thông không dây, bao gồm mạng truyền thông không dây thông thường và mạng không dây nhận thức nhằm mở rộng vùng phủ sóng, đồng thời đánh giá hiệu năng hệ thống dưới ảnh hưởng đồng thời của các tác nhân gây can nhiễu đồng kênh.
  2. Mục tiêu thứ hai: Phân tích hiệu năng để đánh giá hoạt động của các hệ thống đề xuất thông qua việc thiết lập các công thức toán học dạng tường minh chính xác và dạng xấp xỉ, từ đó áp dụng các giải pháp kỹ thuật và kỹ thuật kết hợp để cải thiện hiệu năng dưới tác động của can nhiễu đồng kênh.

Để hiện thực hóa các mục tiêu trên, luận án triển khai ba nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

  1. Nhiệm vụ chính thứ nhất: Phân tích và đánh giá mạng truyền thông không dây một chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền dưới ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng và tương quan kênh truyền; áp dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa (Selection Combining - SC) tại phía thu nhằm nâng cao hiệu năng hệ thống.
  2. Nhiệm vụ chính thứ hai: Phân tích và đánh giá mạng truyền thông không dây hai chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền dưới ảnh hưởng đồng thời bởi các can nhiễu đồng kênh, có xem xét bảo mật thông tin lớp vật lý khi có sự hiện diện của nút nghe lén; đề xuất cơ chế điều chỉnh công suất phát và giải pháp chọn nút chuyển tiếp tốt nhất kết hợp kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại (Maximal Ratio Combining - MRC).
  3. Nhiệm vụ chính thứ ba: Phân tích và đánh giá mạng truyền thông đa chặng trong mạng truyền thông không dây thông thường và trong môi trường vô tuyến nhận thức dưới ảnh hưởng đồng thời của can nhiễu đồng kênh; đề xuất giải pháp chọn đường truyền toàn trình tốt nhất cho cả hai mô hình.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình kênh truyền Rayleigh fading; các kỹ thuật kết hợp phân tập thu (SC, MRC); các giao thức xử lý tại nút chuyển tiếp (giải mã và chuyển tiếp - DF, khuếch đại và chuyển tiếp - AF, ngẫu nhiên và chuyển tiếp); các kỹ thuật chọn nút chuyển tiếp và chọn đường truyền; các tác nhân can nhiễu đồng kênh (khiếm khuyết phần cứng, can nhiễu sơ cấp - thứ cấp, can nhiễu tái sử dụng tần số, tương quan kênh truyền); các chỉ số hiệu năng gồm xác suất dừng (Outage Probability - OP) và xác suất chặn (Intercept Probability - IP).
  • Phạm vi nghiên cứu: Giới hạn trên ba cấu trúc mạng: mạng truyền thông một chặng, mạng chuyển tiếp hai chặng (cộng tác), và mạng chuyển tiếp đa chặng. Hệ thống hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex), áp dụng cho mạng vô tuyến nhận thức dạng nền và mạng tái sử dụng tần số. Đề tài được hoàn thành năm 2022 tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án thực hiện điểm luận có hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến các hướng nghiên cứu nền tảng:

Về tình hình nghiên cứu ngoài nước:

  • Khởi đầu từ đề xuất về mạng vô tuyến nhận thức của Mitola (1999) [5], các phương thức truy cập phổ (xen kẽ, chồng, nền) đã được nghiên cứu rộng rãi [18–24]. Trong truy cập dạng chồng và xen kẽ, công trình [19] dùng mô hình Markov phân tích hiệu năng người dùng nhận thức; công trình [20] khảo sát độ tin cậy và tính công bằng; các công trình [21, 22] nghiên cứu giải pháp giảm tải cho trạm gốc; công trình [23] phân tích xác suất dừng bảo mật với kỹ thuật MRC; công trình [24] nghiên cứu bộ dò tìm phổ (SS) khai thác tính bất đồng bộ. Đối với truy cập dạng nền, công trình [18] đề xuất chọn anten phát và áp dụng kỹ thuật SC hoặc MRC tại nút thu nhằm nâng cao hiệu năng dưới ràng buộc công suất phát.
  • Trong lĩnh vực mạng chuyển tiếp cộng tác và đa chặng: Công trình [25] đề xuất phương pháp chọn nút chuyển tiếp tốt nhất với giao thức DF; công trình [26] phân tích kỹ thuật phát hiện năng lượng cho cảm biến phổ; công trình [27] tối ưu hóa kênh truyền và phân bổ công suất; công trình [28] giảm công suất phát trung bình và can nhiễu đồng kênh; các công trình [29, 30] so sánh chọn nút chuyển tiếp ngẫu nhiên và cơ hội; các công trình [31, 32] phân tích thông lượng và quản lý can nhiễu trong mạng đa chặng; công trình [33] ứng dụng bảo mật lớp vật lý với thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) không hoàn hảo; các công trình [33–36] đánh giá ảnh hưởng của số lượng nút chuyển tiếp đến bảo mật; các công trình [34, 36, 37] ứng dụng quy trình quyết định Markov để định tuyến và lập lịch; các công trình [38–40] chứng minh tăng số chặng truyền giúp cải thiện hiệu năng bảo mật.
  • Về khiếm khuyết phần cứng: Công trình [74] chỉ ra khiếm khuyết phần cứng vẫn tồn tại dù đã có thuật toán bù tín hiệu; công trình [11] đánh giá xác suất lỗi ký tự (SER) trung bình của thuật toán bù mất cân bằng I/Q trong mạng AF; các công trình [12, 13, 45] phân tích xác suất dừng và dung lượng dừng chịu ảnh hưởng mất cân bằng I/Q tại nút chuyển tiếp hai chặng; các công trình [46–48] nghiên cứu bậc phân tập đầy đủ ở tốc độ yêu cầu thấp.

Về tình hình nghiên cứu trong nước:

  • Các giải pháp nâng cao hiệu suất phổ tần và phân tích hiệu năng mạng nhận thức: Công trình [49] phân tích xác suất dừng, SER trung bình và dung lượng dừng; công trình [50] khảo sát tỷ lệ lỗi bit (BER) cho mạng nhận thức dạng nền giao thức DF trên kênh Rayleigh; các công trình [51–53] tập trung vào thiết kế phần cứng, trong đó [53] chỉ ra SER thấp hơn khi dùng điều chế pha tại nút sơ cấp; các công trình [54, 55] đề xuất biểu thức xác suất dừng chính xác cho giải pháp chọn nút chuyển tiếp trên kênh Rayleigh; công trình [56] phân tích thông lượng trên kênh Nakagami-m có thu thập năng lượng; công trình [58] đề xuất chọn chuyển tiếp tối ưu; công trình [59] đánh giá phân bổ công suất qua OP và IP; các công trình [60, 61] khảo sát mạng đa chặng và vị trí tối ưu của nút trung gian theo OP và BER.
  • Nghiên cứu về can nhiễu và khiếm khuyết phần cứng: Công trình [62] phân tích xác suất dừng và thông lượng có xét khiếm khuyết phần cứng, khẳng định DF tốt hơn AF; công trình [63] tính dung lượng kênh khi chọn nút chuyển tiếp từng phần; công trình [65] đề xuất tăng số nút chuyển tiếp và xác định vị trí tối ưu cùng mức khiếm khuyết phù hợp; công trình [66] phân tích bảo mật mạng cảm biến nhận thức hai chặng có khiếm khuyết phần cứng; công trình [69] khảo sát mạng nhận thức đa chặng có thu thập năng lượng và điều chỉnh công suất trên kênh Rayleigh fading.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết: Hầu hết các công trình nghiên cứu đã công bố đều khảo sát các nguồn can nhiễu một cách riêng lẻ (chỉ xét riêng khiếm khuyết phần cứng, hoặc chỉ xét can nhiễu giữa hai hệ thống sơ cấp - thứ cấp, hoặc chỉ xét can nhiễu do tái sử dụng tần số). Luận án này lựa chọn giải quyết khoảng trống học thuật bằng việc phân tích, đánh giá hiệu năng và đề xuất giải pháp kỹ thuật cho hệ thống truyền thông không dây dưới ảnh hưởng đồng thời của nhiều nguồn can nhiễu đồng kênh kết hợp khiếm khuyết phần cứng trên cả ba cấu hình mạng: một chặng, hai chặng và đa chặng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án vận dụng các lý thuyết, khái niệm và khung phân tích chuyên ngành kỹ thuật viễn thông:

  • Khung mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay Cognitive Radio Network - UCRN): Hệ thống sơ cấp và thứ cấp dùng chung phổ tần tại cùng thời điểm. Máy phát thứ cấp phải tuân thủ nghiêm ngặt ràng buộc công suất phát để can nhiễu gây ra tại các máy thu sơ cấp không vượt quá mức ngưỡng cho phép.
  • Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến: Sử dụng hai giao thức chính là Giải mã và chuyển tiếp (DF) và Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) ở chế độ bán song công. Với DF, nút chuyển tiếp giải mã, loại bỏ nhiễu và mã hóa lại tín hiệu. Với AF, nút chuyển tiếp chỉ khuếch đại tín hiệu nhận được bằng độ lợi khuếch đại G rồi chuyển tiếp, dẫn đến hiện tượng khuếch đại cả nhiễu nền và can nhiễu.
  • Mô hình toán học về khiếm khuyết phần cứng (HI): Luận án mô hình hóa ba nguồn khiếm khuyết vật lý chính:
    1. Nhiễu pha: Phát sinh từ các bộ dao động nội không lý tưởng ở tần số vô tuyến. Quá trình nhiễu pha $\theta(t)$ được mô hình hóa theo chuyển động Brownian $\theta(t) = \sqrt{c} B(t)$ với tham số $c$ (hoặc $\beta$), dẫn đến hàm mật độ phổ công suất có dạng Lorentzian với băng thông $-3\text{ dB}$ được xác định bởi công thức giải tích cụ thể.
    2. Mất cân bằng I/Q: Tín hiệu tại băng gốc bị méo do lệch biên độ $\kappa^{t/r}$ và lệch pha $\phi^{t/r}$, được mô hình hóa qua phương trình $g_{\text{IQI}} = K_1 g_{\text{ide}} + K_2 g_{\text{ide}}^*$, sinh ra thành phần can nhiễu tần số ảnh đặc trưng bởi tỷ số loại bỏ ảnh (IRR).
    3. Méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất (PA). Tổng hợp các khiếm khuyết phần cứng tại các nút thu và phát được đặc trưng bởi tham số tổng mức khiếm khuyết $\kappa^2$ (như $\kappa_S^2, \kappa_D^2, \kappa_{\text{PUn}}^2, \kappa^2, \kappa_{\text{ss}}^2, \kappa_{\text{sp}}^2, \kappa_{\text{ps}}^2$).
  • Kỹ thuật phân tập thu: Sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) - chọn tín hiệu có tỷ số tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu (SINR) cực đại trong các nhánh thu; và kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại (MRC).
  • Bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security - PLS): Sử dụng chỉ số xác suất chặn (IP) để lượng hóa xác suất dung lượng kênh truyền đến nút nghe lén E vượt quá ngưỡng bảo mật cho phép.
  • Kênh truyền fading: Kênh truyền Rayleigh fading độc lập hoặc có tương quan, các hệ số kênh truyền có biên độ tuân theo phân bố Rayleigh và độ lợi kênh tuân theo phân bố hàm mũ.

Phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp giải tích toán học: Thiết lập mô hình giải tích dựa trên lý thuyết xác suất và quá trình ngẫu nhiên. Tác giả dẫn giải các hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân bố tích lũy (CDF) của tỷ số SINR đầu cuối, từ đó xây dựng các công thức toán học dạng tường minh chính xác (closed-form) và công thức xấp xỉ cho xác suất dừng (OP) và xác suất chặn (IP).
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo để kiểm chứng độ chính xác của toàn bộ các biểu thức giải tích đã đề xuất.

Nguồn tư liệu và dữ liệu: Dữ liệu phân tích và mô phỏng được tạo lập trên cơ sở mô hình toán học giải tích với các tham số hệ thống thiết lập cụ thể (công suất phát, ngưỡng can nhiễu, tỷ số SNR/SINR, mức khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2$, hệ số tương quan kênh $\rho$, tọa độ vị trí các nút mạng và khoảng cách truyền dẫn).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương này trình bày lý do chọn đề tài, mục đích, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án. Tác giả tổng quan chi tiết tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về mạng vô tuyến nhận thức, mạng chuyển tiếp không dây, can nhiễu đồng kênh và khiếm khuyết phần cứng. Chương 1 cũng trình bày cơ sở lý luận chi tiết về mạng vô tuyến nhận thức (chu trình nhận thức, các phương pháp truy cập xen kẽ, chồng, nền), các giao thức mạng chuyển tiếp (DF, AF), các kỹ thuật kết hợp tuyến tính (SC, MRC), và bản chất vật lý của các thành phần khiếm khuyết phần cứng gồm nhiễu pha, mất cân bằng I/Q và méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất PA.

Chương 2: Mạng truyền thông không dây một chặng

Chương 2 tập trung phân tích mô hình truyền thông không dây một chặng trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (UCRN). Nguồn thứ cấp $S$ truyền dữ liệu đến nút đích thứ cấp $D$ dưới sự hiện diện của $N$ nút thu sơ cấp $\text{PU}n$. Mô hình chịu ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng tại các nút thu phát ($\kappa_S^2, \kappa_D^2, \kappa{\text{PUn}}^2$), can nhiễu giữa hệ thống thứ cấp và sơ cấp, hiện tượng tương quan kênh truyền tại nút thu $D$ (đặc trưng bởi hệ số tương quan $\rho$), và các kênh truyền can nhiễu đến các máy thu sơ cấp có phân bố độc lập không đồng nhất (n.i.d).

  • Giải pháp đề xuất: Sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) tại nút thu $D$ để chọn nhánh truyền có SINR lớn nhất nhằm giảm thiểu tác động của các nguồn can nhiễu.
  • Kết quả và số liệu: Tác giả dẫn giải biểu thức giải tích chính xác dạng tường minh cho xác suất dừng (OP) của hệ thống. Các kết quả khảo sát số liệu chỉ ra:
    • Khi mức ngưỡng công suất can nhiễu cho phép tại hệ thống sơ cấp ($\Xi$ tính theo dB) tăng, công suất phát tại nguồn thứ cấp được phép tăng, giúp xác suất dừng của hệ thống thứ cấp giảm rõ rệt.
    • Hệ số tương quan kênh truyền $\rho$ tăng làm giảm bậc phân tập, dẫn đến xác suất dừng tăng.
    • Mức khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2$ tạo ra một sàn xác suất dừng (outage floor) ở vùng SNR cao, khiến việc tăng công suất phát không còn giúp giảm xác suất dừng. Phân tích định lượng chứng minh mức khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2$ phải duy trì dưới giá trị 0.7 để mạng một chặng có thể duy trì hoạt động truyền tin.

Chương 3: Mạng truyền thông không dây hai chặng

Chương 3 khảo sát mạng vô tuyến nhận thức hai chặng dạng nền gồm một nguồn phát thứ cấp $S$, một đích thứ cấp $D$, $M$ nút chuyển tiếp $R$ (áp dụng giao thức DF bán song công), một cặp thu phát sơ cấp ($\text{PT}, \text{PR}$) và có sự hiện diện của nút nghe lén $E$ tại mạng thứ cấp. Mô hình chịu ảnh hưởng đồng thời bởi khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu lẫn nhau giữa hai hệ thống sơ cấp - thứ cấp.

  • Giải pháp đề xuất: Luận án đề xuất giải pháp chọn nút chuyển tiếp tốt nhất (Best Relay Selection) từ tập các nút giải mã thành công ở chặng thứ nhất, kết hợp cơ chế điều chỉnh công suất phát thứ cấp đáp ứng đồng thời hai điều kiện: ràng buộc công suất can nhiễu tác động lên máy thu sơ cấp $\text{PR}$ và ràng buộc xác suất chặn (IP) tại nút nghe lén $E$ không vượt quá ngưỡng cho phép $\varepsilon_{\text{IP}}$.
  • Kết quả và số liệu: Dẫn giải các biểu thức tường minh cho xác suất dừng hệ thống thứ cấp ($OP_S$) và xác suất chặn ($IP$). Kết quả khảo sát cho thấy:
    • Tỷ số công suất phát sơ cấp trên nhiễu ($P_{\text{PT}}/N_0$) tăng sẽ gây can nhiễu lớn hơn lên mạng thứ cấp, làm $OP_S$ tăng.
    • Việc gia tăng số nút chuyển tiếp $M$ (khảo sát với $M = 15$) giúp cải thiện đáng kể xác suất dừng nhờ độ lợi phân tập chuyển tiếp.
    • Khảo sát theo vị trí tọa độ của nút chuyển tiếp $x_R$ (trên đoạn từ 0 đến 1) chỉ ra rằng hiệu năng xác suất dừng đạt giá trị tối ưu khi nút chuyển tiếp nằm ở vị trí cân bằng giữa nguồn và đích ($x_R \approx 0.5$). Khi mức khiếm khuyết phần cứng $\kappa_D^2$ tăng, xác suất dừng của mạng thứ cấp tăng nhanh.

Chương 4: Mạng truyền thông không dây đa chặng

Chương 4 mở rộng nghiên cứu sang mô hình truyền thông đa chặng với hai bài toán độc lập:

  1. Mô hình #1: Truyền thông đa chặng trong mạng không dây thông thường:
    • Mô hình: Tín hiệu truyền từ nguồn $S$ đến đích $D$ qua $M$ đường truyền độc lập, mỗi đường truyền gồm $L_m$ chặng nối tiếp sử dụng các nút chuyển tiếp DF bán song công. Mạng chịu ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2$ và $N$ nguồn can nhiễu đồng kênh do tái sử dụng tần số (FR).
    • Giải pháp: Đề xuất thuật toán chọn đường truyền toàn trình tốt nhất (Best End-to-End Path Selection).
    • Kết quả: Dẫn giải biểu thức giải tích xác suất dừng đầu cuối. Kết quả khảo sát với các thông số $M \in {2, 3, 4}$, $L_m \in {1, 2, 3, 4}$, $N \in {1, 2}$, ngưỡng dừng $\gamma_{\text{th}} = 1\text{ dB}$, $Q = 10\text{ dB}$ cho thấy số chặng $L_m$ tăng làm xác suất dừng tăng do tích lũy lỗi qua từng chặng, nhưng việc tăng số đường truyền $M$ giúp cải thiện độ lợi phân tập toàn trình.
  2. Mô hình #2: Truyền thông đa chặng trong mạng không dây nhận thức:
    • Mô hình: Mạng vô tuyến nhận thức đa chặng chịu ảnh hưởng đồng thời của khiếm khuyết phần cứng ($\kappa_{\text{ss}}^2, \kappa_{\text{sp}}^2, \kappa_{\text{ps}}^2$) và can nhiễu tương hỗ giữa hệ thống sơ cấp và thứ cấp. Tác giả so sánh hai giao thức: Giải mã và chuyển tiếp chọn đường (M-DF-P) và Khuếch đại và chuyển tiếp chọn đường (M-AF-P).
    • Kết quả: Dẫn giải biểu thức xác suất dừng đầu cuối cho cả hai giao thức. Kết quả chứng minh giao thức M-DF-P luôn vượt trội hơn giao thức M-AF-P về xác suất dừng khi khảo sát theo $P_{\text{PT}}/N_0$, theo tốc độ ngưỡng $C_{S,\text{th}}$, và theo mức khiếm khuyết $\kappa_{\text{ss}}^2$. Nguyên nhân là giao thức AF khuếch đại cả nhiễu và can nhiễu qua các chặng trung gian.
Mô hình mạng Nguồn can nhiễu đồng thời Giao thức chuyển tiếp Giải pháp kỹ thuật đề xuất Tiêu chí hiệu năng chính
Mạng một chặng (Chương 2) Khiếm khuyết phần cứng, can nhiễu thứ cấp - sơ cấp, tương quan kênh tại nút thu Không chuyển tiếp (truyền trực tiếp) Kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) Xác suất dừng ($OP$) theo $\Xi$, $\rho$, $\kappa^2$
Mạng hai chặng (Chương 3) Khiếm khuyết phần cứng, can nhiễu thứ cấp - sơ cấp, nghe lén thông tin Giải mã và chuyển tiếp (DF) Chọn nút chuyển tiếp tốt nhất; điều chỉnh công suất phát Xác suất dừng ($OP_S$), xác suất chặn ($IP$)
Mạng đa chặng thông thường (Chương 4) Khiếm khuyết phần cứng, can nhiễu do tái sử dụng tần số Giải mã và chuyển tiếp (DF) Chọn đường truyền toàn trình tốt nhất Xác suất dừng đầu cuối theo $P/N_0$, $L_m$, $M$, $N$
Mạng đa chặng nhận thức (Chương 4) Khiếm khuyết phần cứng, can nhiễu thứ cấp - sơ cấp Giải mã và chuyển tiếp (DF) & Khuếch đại và chuyển tiếp (AF) Chọn đường truyền toàn trình tốt nhất Xác suất dừng đầu cuối so sánh giữa M-DF-P và M-AF-P

Chương 5: Kết luận và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo

Chương này tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được của luận án, khẳng định tính chính xác của các biểu thức toán học thông qua sự trùng khớp với kết quả mô phỏng Monte-Carlo. Tác giả đưa ra các kiến nghị định lượng về ngưỡng khiếm khuyết phần cứng: mức khiếm khuyết $\kappa^2$ trong truyền thông một chặng phải dưới 0.7; trong truyền thông đa chặng dùng giao thức DF phải dưới 6; và nếu dùng giao thức AF thì phải dưới 1 để hệ thống hoạt động tin cậy. Chương này cũng đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận:

  • Xây dựng thành công khung phân tích toán học giải tích hoàn chỉnh để đánh giá hiệu năng hệ thống truyền thông không dây dưới tác động đồng thời của các tác nhân can nhiễu đồng kênh (khiếm khuyết phần cứng, can nhiễu giữa hai hệ thống sơ cấp - thứ cấp, can nhiễu do tái sử dụng tần số) kết hợp với hiện tượng tương quan kênh truyền và phân bố kênh không đồng nhất.
  • Đề xuất và dẫn giải thành công các biểu thức toán học chính xác dạng tường minh (closed-form) và dạng xấp xỉ cho xác suất dừng ($OP$) và xác suất chặn ($IP$) trên kênh truyền Rayleigh fading cho cả ba cấu hình mạng: một chặng, hai chặng và đa chặng.
  • Làm rõ bản chất suy giảm hiệu năng do sàn xác suất dừng sinh ra bởi các khiếm khuyết phần cứng ở vùng công suất cao, đồng thời chứng minh bằng toán học giải tích tính ưu việt của giao thức DF so với AF trong môi trường truyền thông đa chặng có can nhiễu.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và kiến nghị giải pháp:

  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể nhằm hạn chế tác động của can nhiễu: Kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) cho mạng một chặng; thuật toán chọn nút chuyển tiếp tốt nhất kết hợp cơ chế điều khiển công suất thỏa mãn ràng buộc can nhiễu sơ cấp và ràng buộc bảo mật lớp vật lý cho mạng hai chặng; và thuật toán chọn đường truyền toàn trình tốt nhất cho mạng đa chặng.
  • Xác định các ngưỡng tham số phần cứng định lượng phục vụ trực tiếp cho việc thiết kế và triển khai thiết bị trong thực tế:
    • Đối với mạng một chặng: tổng mức khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2$ phải duy trì dưới 0.7 để hệ thống hoạt động ổn định.
    • Đối với mạng đa chặng sử dụng giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF): mức khiếm khuyết phần cứng phải nhỏ hơn 6.
    • Đối với mạng đa chặng sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF): mức khiếm khuyết phần cứng bắt buộc phải dưới 1.
  • Các công thức dạng tường minh giúp các kỹ sư viễn thông tính toán, đánh giá và tối ưu hóa nhanh các tham số thiết kế mạng thực tế mà không cần thực hiện các mô phỏng Monte-Carlo tốn kém thời gian.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

  • Toàn bộ các mô hình và biểu thức toán học trong luận án đều được thiết lập trên kênh truyền Rayleigh fading, chưa khảo sát trên các mô hình kênh fading tổng quát hơn như Rician fading (có thành phần tầm nhìn thẳng LoS), Nakagami-$m$, hay kênh fading chịu hiệu ứng bóng râm (shadowing).
  • Các nút chuyển tiếp trong mạng hai chặng và đa chặng chỉ xét hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex), chưa khai thác chế độ song công toàn phần (Full-Duplex) - vốn có thể cải thiện hiệu suất sử dụng thời gian nhưng đòi hỏi xử lý can nhiễu tự thân (self-interference).
  • Luận án chưa kết hợp các kỹ thuật vô tuyến hiện đại khác như đa truy cập không trực giao (NOMA) hoặc công nghệ bề mặt phản xạ thông minh (RIS/IRS).

Dự kiến hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng phân tích hiệu năng hệ thống sang các mô hình kênh truyền fading tổng quát như Nakagami-$m$, Rician hoặc kênh truyền hỗn hợp.
  • Nghiên cứu mô hình chuyển tiếp hoạt động ở chế độ song công toàn phần (Full-Duplex) và đề xuất các giải pháp triệt tiêu can nhiễu tự thân kết hợp giảm can nhiễu đồng kênh.
  • Tích hợp các giải pháp tối ưu hóa năng lượng như kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến (Energy Harvesting) trong các mạng chuyển tiếp nhận thức và mạng cảm biến quy mô lớn.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho các nhóm đối tượng cụ thể:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông: Luận án cung cấp phương pháp luận toán học chặt chẽ trong việc mô hình hóa các nguồn khiếm khuyết phần cứng vật lý và các bước dẫn giải tích phân xác suất để tìm hàm phân bố tích lũy, hàm mật độ xác suất và biểu thức đóng của các tiêu chí hiệu năng (OP, IP) được trình bày chi tiết tại các Phụ lục A, B, C.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống và thiết bị phần cứng vô tuyến: Bảng giá trị khuyến nghị về ngưỡng khiếm khuyết phần cứng ($\kappa^2 < 0.7$ cho một chặng; $\kappa^2 < 6$ cho đa chặng DF; $\kappa^2 < 1$ cho đa chặng AF) là cơ sở tham chiếu kỹ thuật quan trọng khi lựa chọn linh kiện (bộ dao động nội, bộ khuếch đại công suất PA, bộ trộn I/Q) nhằm đảm bảo hiệu năng liên lạc trong các thiết bị vô tuyến công suất thấp như LoRa, SigFox hay NB-IoT.
  • Chuyên gia quy hoạch mạng và quản lý tần số: Cơ chế điều chỉnh công suất phát thứ cấp dưới ràng buộc can nhiễu sơ cấp và ràng buộc bảo mật lớp vật lý cung cấp căn cứ kỹ thuật để xây dựng các thuật toán chia sẻ phổ tần an toàn và hiệu quả trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền.

Câu hỏi thường gặp

  1. Luận án giải quyết vấn đề can nhiễu đồng kênh trên những mô hình mạng truyền thông không dây nào? Luận án xem xét và giải quyết vấn đề can nhiễu đồng kênh trên ba mô hình mạng: (1) Mạng truyền thông không dây một chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền; (2) Mạng truyền thông không dây hai chặng có chuyển tiếp cộng tác và có sự hiện diện của nút nghe lén; (3) Mạng truyền thông không dây đa chặng triển khai trong mạng thông thường (có tái sử dụng tần số) và trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền.

  2. Khiếm khuyết phần cứng được luận án mô hình hóa từ những nguyên nhân vật lý cụ thể nào? Khiếm khuyết phần cứng trong luận án được phân tích từ ba nguyên nhân vật lý chính trong cấu trúc mạch thu phát vô tuyến: nhiễu pha xuất phát từ bộ dao động nội không hoàn hảo (được mô hình hóa theo chuyển động Brownian), mất cân bằng pha và biên độ nhánh đồng pha/vuông góc (I/Q mismatch, đặc trưng qua tỷ số loại bỏ ảnh IRR), và méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất (Power Amplifier - PA).

  3. Giải pháp nào được đề xuất để bảo vệ an toàn thông tin trước nút nghe lén trong mạng vô tuyến nhận thức hai chặng? Tác giả đề xuất giải pháp chọn nút chuyển tiếp tốt nhất (Best Relay Selection) từ tập các nút chuyển tiếp giải mã thành công ở chặng một, kết hợp với cơ chế điều chỉnh công suất phát của mạng thứ cấp sao cho vừa đáp ứng ràng buộc mức can nhiễu gây ra cho máy thu sơ cấp, vừa đảm bảo xác suất chặn (IP) tại nút nghe lén không vượt quá mức ngưỡng an toàn định trước $\varepsilon_{\text{IP}}$.

  4. Vì sao trong mạng truyền thông đa chặng, giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF) cho hiệu năng tốt hơn giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF)? Giao thức DF thực hiện giải mã tín hiệu nhận được tại từng nút trung gian, loại bỏ hoàn toàn nhiễu nền và can nhiễu của chặng trước rồi mới mã hóa và phát tiếp. Ngược lại, giao thức AF sử dụng bộ khuếch đại tuyến tính nên khuếch đại đồng thời cả tín hiệu, nhiễu nền và can nhiễu đồng kênh qua từng chặng, khiến can nhiễu bị tích lũy và lan truyền dọc theo toàn trình truyền thông.

  5. Luận án đưa ra các ngưỡng khuyến nghị định lượng nào về mức khiếm khuyết phần cứng cho các hệ thống thực tế? Luận án kết luận rằng để hệ thống hoạt động tin cậy: mô hình truyền thông một chặng yêu cầu mức khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2$ phải dưới 0.7; mô hình truyền thông đa chặng sử dụng giao thức DF cho phép mức khiếm khuyết phần cứng dưới 6; trong khi mô hình đa chặng sử dụng giao thức AF đòi hỏi mức khiếm khuyết phần cứng phải duy trì dưới 1.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Phạm Thị Đan Ngọc đã giải quyết toàn diện bài toán phân tích và đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu tác động đồng thời của các can nhiễu đồng kênh và khiếm khuyết phần cứng trong mạng truyền thông không dây một chặng, hai chặng và đa chặng. Bằng phương pháp giải tích toán học kết hợp kiểm chứng mô phỏng Monte-Carlo, tác giả đã cung cấp hệ thống công thức giải tích dạng tường minh chính xác cho xác suất dừng và xác suất chặn, làm rõ bản chất suy giảm hiệu năng do can nhiễu và khiếm khuyết thiết bị. Các giải pháp kỹ thuật đề xuất (kết hợp chọn lựa, chọn nút chuyển tiếp tốt nhất kèm điều khiển công suất chống nghe lén, chọn đường truyền toàn trình tốt nhất) cùng các ngưỡng tham số phần cứng định lượng là đóng góp có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cho lĩnh vực kỹ thuật viễn thông.