Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật 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" do nghiên cứu sinh Phạm Thị Đan Ngọc thực hiện tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (năm 2022), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Hồ Văn Khương và TS. Trần Trung Duy, thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Viễn thông (mã số: 62520208).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghệ thông tin và truyền thông phát triển mạnh mẽ, nhu cầu kết nối kỹ thuật số tăng theo cấp số nhân dẫn đến sự quá tải và khan hiếm tài nguyên phổ tần số vô tuyến. Dù các cơ quan quản lý tần số như ITU, FCC, ETSI, IEEE hay IETF đã cấp phép nhiều dải tần, các khảo sát thực tế cho thấy hiệu suất khai thác phổ tần vẫn chưa đạt mức tối ưu. Công nghệ vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio – CR) cho phép người dùng thứ cấp (Secondary User – SU) khai thác các dải phổ chưa sử dụng của người dùng sơ cấp (Primary User – PU), đặc biệt thông qua cơ chế truy cập phổ dạng nền (Underlay Cognitive Radio Network – UCRN). Tuy nhiên, cơ chế này áp đặt các ràng buộc khắt khe về công suất phát của SU nhằm bảo vệ PU, khiến vùng phủ sóng của mạng thứ cấp bị thu hẹp đáng kể.

Để mở rộng cự ly truyền dẫn và vùng phủ sóng, kỹ thuật truyền thông chuyển tiếp (hai chặng và đa chặng) được tích hợp vào mạng vô tuyến nhận thức. Dẫu vậy, hiệu năng của các hệ thống này trong điều kiện thực tế bị suy giảm nghiêm trọng bởi các tác nhân can nhiễu đồng kênh (Co-Channel Interference – CCI). Các nguồn can nhiễu này xuất phát từ:

  • Sự tái sử dụng tần số giữa các tế bào mạng vô tuyến;
  • Can nhiễu lẫn nhau giữa mạng sơ cấp và mạng thứ cấp;
  • Hiện tượng khiếm khuyết phần cứng (Hardware Impairment – HI) bên trong các mạch thu phát (như nhiễu pha của bộ dao động nội, mất cân bằng I/Q, méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất);
  • Tương quan kênh truyền không lý tưởng giữa các anten thu/phát;
  • Nguy cơ mất an toàn thông tin do sự hiện diện của nút nghe lén (Eavesdropper).

Khoảng trống nghiên cứu được tác giả chỉ ra là: phần lớn các công trình trước đây chỉ khảo sát riêng rẽ từng yếu tố can nhiễu hoặc giả định thiết bị phần cứng hoạt động trong điều kiện lý tưởng. Luận án tập trung giải quyết bài toán phân tích và tối ưu hóa hiệu năng mạng khi các nguồn can nhiễu đồng kênh, khiếm khuyết phần cứng và tương quan kênh truyền tác động đồng thời lên hệ thống truyền thông không dây một chặng, hai chặng và đa chặng.

Mục tiêu nghiên cứu

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

  1. Mục tiêu 1: Đề xuất các mô hình hệ thống truyền thông không dây (bao gồm mạng truyền thông thông thường và mạng vô tuyến nhận thức dạng nền ở các cấu hình một chặng, hai chặng và đa chặng) có tính đến ảnh hưởng đồng thời của các tác nhân gây can nhiễu đồng kênh, khiếm khuyết phần cứng, tương quan kênh truyền và nguy cơ nghe lén.
  2. Mục tiêu 2: Xây dựng khung phân tích toán học chính xác để thiết lập các biểu thức giải tích dạng tường minh (closed-form) và dạng xấp xỉ cho các chỉ tiêu hiệu năng hệ thống; từ đó đề xuất các kỹ thuật kết hợp phân tập, chọn nút chuyển tiếp và chọn đường truyền tối ưu nhằm suy giảm tác động của can nhiễu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Các mô hình mạng truyền thông không dây một chặng, mạng truyền thông cộng tác hai chặng và mạng truyền thông đa chặng; các giao thức chuyển tiếp Giải mã và Chuyển tiếp (Decode-and-Forward – DF), Khuếch đại và Chuyển tiếp (Amplify-and-Forward – AF); các kỹ thuật xử lý tín hiệu gồm Kết hợp Chọn lựa (Selection Combining – SC), Kết hợp Tỷ số Cực đại (Maximal Ratio Combining – MRC), Chọn nút chuyển tiếp tốt nhất (Best Relay Selection), Chọn đường truyền toàn trình tốt nhất (Best Path Selection); các chỉ số hiệu năng gồm Xác suất dừng (Outage Probability – OP) và Xác suất chặn (Intercept Probability – IP).
  • Phạm vi nghiên cứu:
    • Môi trường truyền sóng chịu ảnh hưởng của fading đa đường Rayleigh (Rayleigh fading channel).
    • Các nút mạng hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex – HD).
    • Kênh can nhiễu giữa các nút sơ cấp và thứ cấp có phân bố độc lập không đồng nhất (non-identically independent distributed – n.i.d).
    • Khiếm khuyết phần cứng được mô hình hóa toán học qua các tham số tổng hợp mức độ méo biên độ, lệch pha và nhiễu pha tại các tầng thu phát.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng thuật hệ thống các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế liên quan đến mạng vô tuyến nhận thức, mạng chuyển tiếp và mô hình can nhiễu phần cứng:

Các hướng nghiên cứu quốc tế

  • Mạng vô tuyến nhận thức và cơ chế chia sẻ phổ: Nền tảng vô tuyến nhận thức được khởi xướng bởi J. Mitola (1999) [5]. Các công trình [18–20] phân tích hiệu năng của các phương thức truy cập phổ xen kẽ (interweave), phủ chồng (overlay) và dạng nền (underlay). Cụ thể, [19] áp dụng chuỗi Markov đánh giá độ dài hàng đợi của người dùng nhận thức dạng overlay; [20] khảo sát độ tin cậy và tính công bằng trong cấp phát phổ; [21, 22] phân tích giải pháp giảm tải cho trạm gốc; [23] nghiên cứu xác suất dừng bảo mật trong mạng nhận thức xen kẽ khi nút đích sử dụng kỹ thuật MRC; [24] khảo sát bất đồng bộ và kỹ thuật cảm biến phổ (Spectrum Sensing – SS). Nhóm tác giả [18] đề xuất kỹ thuật chọn anten phát (TAS) và kết hợp SC/MRC tại nút thu thứ cấp trong mạng UCRN, chứng minh hệ thống đạt độ lợi phân tập đầy đủ.
  • Mạng chuyển tiếp cộng tác và đa chặng: [25] nghiên cứu giải thuật chọn chuyển tiếp DF tối ưu theo xác suất dừng dạng tường minh. [26] phân tích kỹ thuật cảm biến năng lượng; [27, 28] tối ưu hóa phân bổ công suất và giảm can nhiễu đồng kênh. [29, 30] so sánh cơ chế chuyển tiếp cơ hội (opportunistic relaying) và chuyển tiếp ngẫu nhiên. Trong mạng đa chặng, [31] chứng minh hiệu quả phổ tần và điều khiển công suất biên tế bào; [32] đề xuất kỹ thuật quản lý nhiễu; [33–36] nghiên cứu bảo mật lớp vật lý (Physical Layer Security – PLS) và ảnh hưởng của số chặng chuyển tiếp; [37] đề xuất giải thuật lập lịch làm việc – nghỉ dựa trên quy trình quyết định Markov; [38–40] phân tích xác suất dừng bảo mật và tính công bằng truy cập.
  • Mô hình hóa khiếm khuyết phần cứng và can nhiễu đồng kênh: Nhóm tác giả [74] chỉ ra rằng các thuật toán bù tín hiệu không thể triệt tiêu hoàn toàn khiếm khuyết phần cứng. [11] phân tích xác suất lỗi ký tự (SER) cho thuật toán bù mất cân bằng I/Q (IQI) trong mạng chuyển tiếp AF trên kênh Rayleigh. [12, 13, 45] phân tích dung lượng dừng và xác suất dừng dưới tác động của IQI tại nút chuyển tiếp; [46–48] chứng minh độ lợi phân tập tại tốc độ dữ liệu thấp.

Các hướng nghiên cứu trong nước

  • Mạng vô tuyến nhận thức: Các nghiên cứu [49–51] khảo sát mạng nhận thức dạng nền trên kênh Rayleigh. Nhóm tác giả [49] thiết lập biểu thức chính xác cho OP, SER và dung lượng dừng, chứng minh bậc phân tập tỷ lệ thuận với số nút chuyển tiếp; [50] khảo sát tỷ lệ lỗi bit (BER) cho hệ thống DF; [51–53] khảo sát thiết kế mạch RF và sơ đồ điều chế số theo pha (PSK).
  • Mạng cộng tác và đa chặng: [54, 55] xây dựng biểu thức xác suất dừng chính xác cho kỹ thuật chọn chuyển tiếp trên kênh Rayleigh; [56, 58] khảo sát thông lượng và dung lượng trên kênh fading Nakagami-m kết hợp thu thập năng lượng vô tuyến; [59] đánh giá phân bổ công suất dựa trên OP và IP; [60, 61] phân tích tối ưu vị trí nút đặt trung gian trong mạng đa chặng để giảm BER và OP.
  • Can nhiễu và khiếm khuyết phần cứng trong nước: [62] so sánh hiệu năng của giao thức DF và AF chịu ảnh hưởng của HI; [63] phân tích dung lượng kênh trung bình cho giải thuật chọn chuyển tiếp từng phần; [65] xác định ngưỡng khiếm khuyết phần cứng tối ưu và vị trí chuyển tiếp; [66] đánh giá an toàn bảo mật mạng cảm biến hai chặng nhận thức; [69] tích hợp thu thập năng lượng và điều khiển công suất phát trong mạng đa chặng nhận thức.

Khoảng trống và vị trí học thuật của luận án

Tổng quan tài liệu chỉ ra rằng các nghiên cứu hiện hữu chủ yếu khảo sát riêng lẻ: hoặc chỉ xét khiếm khuyết phần cứng trên mô hình lý tưởng không có can nhiễu ngoài, hoặc chỉ xét can nhiễu đồng kênh mà bỏ qua tổn hao phi tuyến và lệch pha của thiết bị thực tế, hoặc chỉ dừng lại ở mạng hai chặng đơn giản. Luận án của Phạm Thị Đan Ngọc định vị tại khoảng trống này bằng cách thiết lập mô hình toán tổng quát tích hợp đồng thời:

  1. Can nhiễu đồng kênh do tái sử dụng tần số hoặc do chia sẻ phổ sơ cấp – thứ cấp;
  2. Khiếm khuyết phần cứng tích hợp tại tất cả các máy phát, máy thu và nút chuyển tiếp;
  3. Tương quan kênh truyền và tính không đồng nhất của các kênh can nhiễu;
  4. Sự xuất hiện của nút nghe lén trong mạng chuyển tiếp hai chặng;
  5. Mở rộng khung phân tích từ một chặng, hai chặng đến mạng đa chặng tổng quát với hai giao thức DF và AF.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

Luận án vận dụng các lý thuyết nền tảng của kỹ thuật viễn thông và lý thuyết thông tin:

  • Lý thuyết mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay CRN): Hệ thống thứ cấp hoạt động đồng thời trên cùng băng tần với hệ thống sơ cấp với điều kiện công suất phát của máy phát thứ cấp ($P_S, P_R$) bị khống chế nghiêm ngặt bởi mức ngưỡng can nhiễu tối đa ($I_{th}$ hoặc $P_{th}$) mà máy thu sơ cấp (Primary Receiver – PR hoặc PU) có thể chấp nhận: $$P_S \le \min\left(P_{\max}, \frac{I_{th}}{|h_{SP}|^2}\right)$$
  • Mô hình kênh truyền fading đa đường Rayleigh: Hệ số kênh truyền $h_{X,Y}$ giữa hai nút $X$ và $Y$ là biến ngẫu nhiên phức Gauss trung bình 0, phương sai $\lambda_{X,Y} = d_{X,Y}^{-\beta}$ (trong đó $d_{X,Y}$ là khoảng cách hình học và $\beta$ là hệ số suy hao đường truyền). Bình phương độ lợi kênh truyền $|h_{X,Y}|^2$ tuân theo phân bố hàm mũ (Exponential distribution).
  • Mô hình khiếm khuyết phần cứng (Hardware Impairments – HI): Khiếm khuyết tổng hợp tại bộ phát và bộ thu được đặc trưng bởi tham số $\kappa^2 = \kappa_{TX}^2 + \kappa_{RX}^2$, gây ra thành phần nhiễu méo phụ thuộc vào công suất tín hiệu phát:
    • Nhiễu pha (Phase Noise): Mô hình dao động nội không hoàn hảo có góc pha $\theta(t) = c B(t)$ với $B(t)$ là quá trình chuyển động Brownian tiêu chuẩn. Mật độ phổ công suất một bên có dạng phân bố Lorentzian với băng thông $-3\text{ dB}$ tỷ lệ với tham số $\beta$ hoặc $c$.
    • Mất cân bằng I/Q (IQI): Tín hiệu băng gốc sau khi chịu ảnh hưởng mất cân bằng biên độ $\kappa$ và góc pha $\phi$ được biểu diễn qua quan hệ: $$g_{IQI} = K_1 g_{ide} + K_2 g_{ide}^*$$ với tỷ số loại bỏ tần số ảnh $IRR = |K_1|^2 / |K_2|^2$.
    • Méo phi tuyến của bộ khuếch đại công suất (PA).
  • Mô hình can nhiễu đồng kênh (CCI): Tín hiệu thu chịu tác động của $N$ nguồn can nhiễu ngoài với công suất phát $P_I$ và hệ số kênh truyền can nhiễu $f_n$, biểu thị qua tỷ số sóng mang trên can nhiễu ($C/I$).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng phương pháp nghiên cứu định lượng kết hợp giải tích toán học và mô phỏng số:

  1. Phương pháp giải tích xác suất và vi tích phân: Thiết lập hàm mật độ xác suất (PDF – Probability Density Function) và hàm phân bố tích lũy (CDF – Cumulative Distribution Function) của tỷ số tín hiệu trên nhiễu và can nhiễu tức thời ($\text{SINR}$ hoặc $\Psi$). Từ đó, giải các tích phân xác suất để tìm biểu thức giải tích chính xác dạng tường minh (closed-form expressions) và biểu thức tiệm cận cho Xác suất dừng ($OP$) và Xác suất chặn ($IP$).
  2. Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo: Sử dụng công cụ phần mềm chuyên dụng để lập trình tạo lập hàng triệu mẫu kênh truyền ngẫu nhiên độc lập, mô phỏng quá trình truyền phát tín hiệu thực tế. Kết quả mô phỏng số được dùng để đối soát và kiểm chứng tính đúng đắn tuyệt đối của các công thức giải tích toán học đã dẫn xuất.
Thông số mô hình Ký hiệu Ý nghĩa vật lý / Quy chuẩn giả định
Hệ số fading kênh truyền $h_{X,Y}$ Phân bố Rayleigh, $
Hệ số suy hao đường truyền $\beta$ Giá trị tiêu chuẩn từ $2.0$ đến $4.0$
Mức khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2$ Tổng phương sai méo biên độ và lệch pha TX/RX
Tỷ số công suất sơ cấp $P_{PT}/N_0$ Tỷ số công suất phát sơ cấp trên mật độ nhiễu nền
Ngưỡng dừng hệ thống $\gamma_{th}, C_{S,th}$ Tốc độ dữ liệu ngưỡng yêu cầu của dịch vụ (bps/Hz)
Ngưỡng xác suất chặn $\varepsilon_{IP}$ Mức giới hạn an toàn bảo mật lớp vật lý

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương 1 trình bày tổng quan về tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu. Tác giả dành phần lớn dung lượng chương để hệ thống hóa cơ sở lý luận chuyên sâu về:

  • Lịch sử phát triển các thế hệ mạng truyền thông không dây từ 1G đến 5G, mạng cảm biến, LPWAN (LoRa, NB-IoT).
  • Nguyên lý hoạt động của mạng vô tuyến nhận thức: chu trình nhận thức (cảm nhận phổ, phân tích phổ, quyết định phổ), các chức năng quản lý, di động và chia sẻ phổ tần.
  • Kiến trúc mạng chuyển tiếp và mạng cộng tác bán song công: nguyên lý hoạt động của giao thức DF và AF, phân tích toán học của các kỹ thuật kết hợp phân tập tuyến tính tại nút thu gồm Kết hợp Chọn lựa (SC) và Kết hợp Tỷ số Cực đại (MRC).
  • Cơ chế vật lý hình thành can nhiễu đồng kênh và các dạng khiếm khuyết phần cứng (dẫn xuất chi tiết phương trình toán học của nhiễu pha với chuyển động Brownian, ma trận méo kênh MIMO, hàm tương quan phổ Lorentzian; phương trình tín hiệu mất cân bằng I/Q và tỷ số loại bỏ tần số ảnh IRR).

Chương 2: Mạng truyền thông không dây một chặng

Chương 2 nghiên cứu mô hình truyền thông không dây một chặng trong mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (UCRN).

  • Mô hình hệ thống: Nút nguồn thứ cấp $S$ truyền tin trực tiếp tới nút đích thứ cấp $D$. Quá trình truyền bị ràng buộc bởi sự hiện diện của $N$ nút thu sơ cấp $PU_n$ ($n = 1, \dots, N$) có phân bố độc lập không đồng nhất (n.i.d). Kênh truyền giữa nguồn $S$ và đích $D$ chịu ảnh hưởng của hệ số tương quan kênh truyền $\rho$, khiếm khuyết phần cứng tổng hợp $\kappa^2 = \kappa_S^2 + \kappa_D^2$, cùng với sự can nhiễu gây ra từ máy phát sơ cấp $PT$.
  • Giải pháp đề xuất: Áp dụng kỹ thuật Kết hợp Chọn lựa (SC) tại nút thu đích $D$ nhằm chọn nhánh tín hiệu có tỷ số $\text{SINR}$ cao nhất, suy giảm ảnh hưởng của can nhiễu và tương quan kênh.
  • Phát hiện và kết quả tính toán: Luận án thiết lập biểu thức tường minh chính xác cho hàm CDF của $\text{SINR}$ đầu cuối và xác suất dừng $OP$. Kết quả phân tích cho thấy:
    • Khi tăng công suất ngưỡng can nhiễu sơ cấp $\Xi$ (dB), xác suất dừng của hệ thống thứ cấp giảm nhanh.
    • Tương quan kênh truyền $\rho$ càng lớn làm suy giảm bậc phân tập của kỹ thuật SC, khiến đường cong $OP$ dịch chuyển lên trên.
    • Tác động của khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2$ tạo ra một "sàn lỗi" (error floor) tại vùng SNR cao. Hệ thống chỉ có thể duy trì hoạt động truyền thông tin cậy khi mức khiếm khuyết phần cứng thỏa mãn điều kiện $\kappa^2 < 0.7$.

Chương 3: Mạng truyền thông không dây hai chặng

Chương 3 mở rộng nghiên cứu sang mô hình mạng truyền thông cộng tác hai chặng trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền có xét đến yếu tố an toàn thông tin lớp vật lý.

  • Mô hình hệ thống: Nguồn thứ cấp $S$ truyền tín hiệu tới đích thứ cấp $D$ thông qua sự trợ giúp của tập hợp $M$ nút chuyển tiếp $R_m$ ($m = 1, \dots, M$) hoạt động theo giao thức DF bán song công. Mạng thứ cấp chịu sự ràng buộc can nhiễu nghiêm ngặt từ trạm phát sơ cấp $PT$ và trạm thu sơ cấp $PR$. Đồng thời, trong vùng phủ sóng xuất hiện một nút nghe lén $E$ (Eavesdropper) cố gắng giải mã thông tin của mạng thứ cấp.
  • Giải pháp đề xuất: Đề xuất cơ chế điều khiển công suất phát kép: vừa đảm bảo can nhiễu gây ra cho máy thu sơ cấp $PR$ nhỏ hơn ngưỡng cho phép, vừa khống chế xác suất chặn ($IP$) tại nút $E$ dưới ngưỡng an toàn $\varepsilon_{IP}$. Đồng thời, áp dụng giải thuật Chọn nút chuyển tiếp tốt nhất (Best Relay Selection) từ tập hợp các nút giải mã thành công $Z_1$ để chuyển tiếp tín hiệu trong khe thời gian thứ hai.
  • Phát hiện và kết quả tính toán:
    • Dẫn xuất thành công biểu thức toán học dạng tường minh của xác suất dừng mạng thứ cấp ($OP_S$) và xác suất chặn ($IP$).
    • Khảo sát sự thay đổi của $OP_S$ theo tỷ số công suất phát sơ cấp $P_{PT}/N_0$, mức ngưỡng chặn $\varepsilon_{IP}$, số lượng nút chuyển tiếp $M$, mức khiếm khuyết phần cứng tại nút đích $\kappa_D^2$ và tọa độ vị trí của nút chuyển tiếp $x_R$.
    • Kết quả chứng minh việc tăng số lượng nút chuyển tiếp $M$ giúp tăng mạnh độ lợi phân tập và giảm đáng kể $OP_S$. Vị trí tối ưu của nút chuyển tiếp $R$ nằm tại khu vực trung điểm giữa $S$ và $D$ ($x_R \approx 0.5$).

Chương 4: Mạng truyền thông không dây đa chặng

Chương 4 khảo sát hai mô hình mạng truyền thông đa chặng với độ phức tạp cao:

Mô hình #1: Truyền thông đa chặng trong mạng không dây thông thường

  • Đặc điểm mô hình: Nút nguồn $S$ truyền dữ liệu tới đích $D$ qua $M$ đường truyền song song độc lập, mỗi đường truyền gồm $L_m$ chặng chuyển tiếp DF. Mỗi nút trung gian trên mỗi chặng đều chịu tác động đồng thời của khiếm khuyết phần cứng $\kappa^2$ và $N$ nguồn can nhiễu đồng kênh độc lập do tái sử dụng tần số gây ra.
  • Giải pháp: Đề xuất giải thuật chọn đường truyền toàn trình tốt nhất (Best end-to-end path selection) dựa trên tiêu chuẩn cực đại hóa $\text{SINR}$ đầu cuối.
  • Kết quả: Thiết lập biểu thức giải tích chính xác cho $OP_{e2e}$. Kết quả chỉ ra rằng số lượng chặng $L_m$ tăng làm tích lũy trễ và can nhiễu, nhưng kỹ thuật chọn đường truyền tối ưu từ $M$ tuyến giúp khôi phục độ lợi phân tập đầy đủ bằng $M$.

Mô hình #2: Truyền thông đa chặng trong mạng không dây nhận thức

  • Đặc điểm mô hình: Mạng truyền thông đa chặng hoạt động trong môi trường vô tuyến nhận thức dạng nền, gồm hai cấu hình giao thức chuyển tiếp: Đa chặng DF (M-DF-P) và Đa chặng AF (M-AF-P). Mô hình tích hợp can nhiễu từ máy phát sơ cấp $PT$, ràng buộc can nhiễu tại máy thu sơ cấp $PR$, và khiếm khuyết phần cứng trên các liên kết thứ cấp – thứ cấp ($\kappa_{ss}^2$), thứ cấp – sơ cấp ($\kappa_{sp}^2$), và sơ cấp – thứ cấp ($\kappa_{ps}^2$).
  • Giải pháp và Đánh giá so sánh: Luận án giải bài toán chọn đường truyền tối ưu cho cả hai giao thức M-DF-P và M-AF-P, phân tích hiệu năng theo tốc độ dữ liệu ngưỡng $C_{S,th}$, công suất $P_{PT}/N_0$ và mức khiếm khuyết $\kappa^2$.
  • Kết quả đối sánh hai giao thức:
    • Giao thức M-DF-P có khả năng loại bỏ nhiễu tích lũy tại từng chặng giải mã, cho phép hệ thống chịu đựng được mức khiếm khuyết phần cứng cao hơn ($\kappa^2 < 6$).
    • Giao thức M-AF-P khuếch đại đồng thời cả tín hiệu lẫn nhiễu và can nhiễu qua từng chặng, dẫn đến hiện tượng bão hòa nhanh và mức chịu đựng khiếm khuyết phần cứng thấp hơn nhiều ($\kappa^2 < 1$).

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

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được trong 4 chương chuyên môn, khẳng định tính đúng đắn của các biểu thức toán học giải tích thông qua sự trùng khớp với mô phỏng Monte Carlo, đồng thời đề xuất các hướng mở rộng cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận khoa học

  1. Thiết lập khung phân tích toán học giải tích toàn diện: Luận án đã xây dựng thành công các biểu thức toán học dạng tường minh chính xác (closed-form) cho hàm phân bố tích lũy (CDF), hàm mật độ xác suất (PDF), xác suất dừng hệ thống ($OP$), xác suất dừng sơ cấp ($OP_P$), xác suất dừng thứ cấp ($OP_S$) và xác suất chặn ($IP$) cho 3 mô hình mạng (một chặng, hai chặng và đa chặng).
  2. Mô hình hóa đồng thời đa tác nhân can nhiễu: Khác với các công trình trước đây chỉ xét riêng rẽ, luận án đã tích hợp đồng thời can nhiễu đồng kênh (do tái sử dụng tần số và chia sẻ phổ), khiếm khuyết phần cứng (nhiễu pha, mất cân bằng I/Q, méo phi tuyến), tương quan kênh truyền và nguy cơ nghe lén trong cùng một bài toán phân tích hiệu năng.
  3. Đánh giá bản chất tích lũy nhiễu của các giao thức chuyển tiếp: Luận án làm rõ cơ chế suy giảm hiệu năng của giao thức DF so với AF trong môi trường đa chặng có khiếm khuyết phần cứng, chứng minh giao thức DF có khả năng ngăn chặn sự tích lũy của nhiễu can nhiễu qua các chặng tốt hơn giao thức AF.

Đóng góp thực tiễn và kiến nghị thông số thiết kế

Dựa trên các kết quả giải tích và kiểm chứng mô phỏng, luận án đã đưa ra các khuyến nghị tham số kỹ thuật cụ thể phục vụ công tác thiết kế phần cứng và cấu hình mạng vô tuyến thực tế:

Cấu hình mô hình mạng Giao thức / Kỹ thuật đề xuất Điều kiện ngưỡng khiếm khuyết phần cứng ($\kappa^2$) Khuyến nghị thiết kế hệ thống thực tế
Mạng một chặng (UCRN) Kết hợp chọn lựa (SC) $\kappa^2 < 0.7$ Cần kiểm soát mức méo phần cứng tổng hợp dưới $0.7$ để tránh hiện tượng sàn lỗi dừng hệ thống.
Mạng hai chặng (UCRN + PLS) Chọn nút chuyển tiếp tốt nhất Phụ thuộc vào $\varepsilon_{IP}$ và vị trí nút $R$ Bố trí các nút chuyển tiếp ở khu vực trung điểm liên kết ($x_R \approx 0.5$); tăng số nút chuyển tiếp $M$ để cải thiện bảo mật.
Mạng đa chặng (M-DF-P) Chọn đường truyền tốt nhất (DF) $\kappa^2 < 6.0$ Giao thức DF cho phép sử dụng các thiết bị phần cứng giá rẻ, độ chính xác thấp hơn mà vẫn đảm bảo liên lạc.
Mạng đa chặng (M-AF-P) Chọn đường truyền tốt nhất (AF) $\kappa^2 < 1.0$ Giao thức AF đòi hỏi thiết bị phần cứng chất lượng cao với mức khiếm khuyết nghiêm ngặt dưới $1.0$.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các phân tích giải tích được thực hiện trên giả định mô hình kênh truyền fading Rayleigh thuần túy, chưa mở rộng cho các môi trường fading đa dạng khác như Rician (có thành phần tầm nhìn thẳng LoS) hoặc Nakagami-$m$, $\kappa$-$\mu$, $\alpha$-$\mu$.
  • Các nút mạng chuyển tiếp được giả định hoạt động ở chế độ bán song công (Half-Duplex), chưa giải quyết bài toán can nhiễu tự thân trong chế độ song công toàn phần (Full-Duplex).
  • Mô hình nghe lén trong mạng hai chặng chỉ xét trường hợp một nút nghe lén đơn lẻ không cộng tác, chưa xét trường hợp nhiều nút nghe lén phân tán hoặc liên kết cộng tác.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Mở rộng phân tích hiệu năng hệ thống trên các mô hình kênh fading tổng quát như Rician, Nakagami-$m$ và kênh truyền có bóng râm (shadowed fading).
  2. Nghiên cứu mạng truyền thông chuyển tiếp hoạt động ở chế độ song công toàn phần (Full-Duplex) kết hợp với các kỹ thuật triệt can nhiễu tự thân (Self-Interference Cancellation).
  3. Tích hợp công nghệ vô tuyến nhận thức và mạng chuyển tiếp đa chặng với kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) và kỹ thuật bề mặt phản xạ thông minh (RIS/IRS).
  4. Khảo sát kịch bản bảo mật lớp vật lý với sự hiện diện của nhiều nút nghe lén cộng tác và nút nghe lén di động.

Giá trị tham khảo

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

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học ngành Kỹ thuật Viễn thông: Tham khảo phương pháp thiết lập mô hình toán học giải tích xác suất, kỹ thuật giải các tích phân suy rộng chứa hàm mũ và hàm phân bố ngẫu nhiên để tìm biểu thức tường minh cho các chỉ tiêu hiệu năng lớp vật lý ($OP, IP, \text{SINR}$).
  • Giảng viên và nhà nghiên cứu: Khai thác các khung phân tích lý thuyết về mạng vô tuyến nhận thức dạng nền, mô hình khiếm khuyết phần cứng chi tiết (nhiễu pha Brownian, mất cân bằng I/Q) và kỹ thuật phân tập kết hợp.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống mạng vô tuyến và IoT: Vận dụng các bảng giá trị ngưỡng khiếm khuyết phần cứng ($\kappa^2 < 0.7$ cho một chặng, $\kappa^2 < 6$ cho DF, $\kappa^2 < 1$ cho AF) để lựa chọn linh kiện phần cứng thu phát phù hợp với yêu cầu kinh tế và kỹ thuật khi triển khai các hệ thống mạng LPWAN, LoRa, NB-IoT hoặc trạm chuyển tiếp vô tuyến nhận thức.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mạng vô tuyến nhận thức dạng nền (Underlay CRN) lại cần kết hợp với mạng chuyển tiếp?

Trong mạng nhận thức dạng nền, người dùng thứ cấp được phép hoạt động đồng thời trên cùng tần số với người dùng sơ cấp nhưng phải chịu ràng buộc nghiêm ngặt về công suất phát nhằm giữ mức can nhiễu gây ra cho máy thu sơ cấp dưới ngưỡng cho phép. Ràng buộc công suất phát thấp làm suy giảm cự ly truyền sóng và thu hẹp vùng phủ sóng của mạng thứ cấp. Việc kết hợp mạng chuyển tiếp (hai chặng hoặc đa chặng) giúp chia nhỏ cự ly truyền dẫn thành các chặng ngắn hơn, giảm công suất phát yêu cầu trên từng chặng, từ đó mở rộng đáng kể vùng phủ sóng của mạng thứ cấp mà không vi phạm giới hạn can nhiễu đối với mạng sơ cấp.

2. Khiếm khuyết phần cứng (Hardware Impairments) trong luận án bao gồm những yếu tố nào và ảnh hưởng ra sao đến hiệu năng?

Khiếm khuyết phần cứng trong luận án bao gồm ba thành phần vật lý chính:

  • Nhiễu pha: Do tính không hoàn hảo của bộ dao động nội tại máy phát và máy thu, đặc trưng bởi chuyển động Brownian và phổ công suất Lorentzian.
  • Mất cân bằng I/Q: Sự lệch biên độ và pha giữa hai nhánh đồng pha (I) và vuông góc (Q), tạo ra tần số ảnh can nhiễu được đo bằng tỷ số $IRR$.
  • Méo phi tuyến: Gây ra bởi bộ khuếch đại công suất (PA) khi hoạt động gần vùng bão hòa.

Các khiếm khuyết này tạo ra thành phần nhiễu phụ thuộc trực tiếp vào công suất phát tín hiệu. Khi tăng công suất phát ở vùng SNR cao, nhiễu khiếm khuyết phần cứng cũng tăng tương ứng, dẫn đến hiện tượng "sàn lỗi" (error floor) khiến xác suất dừng $OP$ không thể giảm vô hạn như trong hệ thống lý tưởng.

3. Sự khác nhau căn bản về khả năng chịu đựng khiếm khuyết phần cứng giữa giao thức DF và AF trong mạng đa chặng là gì?

  • Giao thức DF (Decode-and-Forward): Nút chuyển tiếp giải mã hoàn toàn tín hiệu nhận được, loại bỏ nhiễu và can nhiễu của chặng trước rồi mới tái mã hóa và phát tiếp. Do đó, nhiễu khiếm khuyết phần cứng không bị tích lũy qua các chặng, cho phép hệ thống duy trì hoạt động với mức khiếm khuyết phần cứng lỏng hơn ($\kappa^2 < 6.0$).
  • Giao thức AF (Amplify-and-Forward): Nút chuyển tiếp chỉ khuếch đại tín hiệu nhận được cùng toàn bộ tạp âm và can nhiễu của chặng trước rồi chuyển tiếp. Hiện tượng tích lũy và khuếch đại nhiễu liên tục qua các chặng khiến hiệu năng suy giảm nhanh chóng, đòi hỏi phần cứng phải đạt độ chính xác cao với mức khiếm khuyết rất thấp ($\kappa^2 < 1.0$).

4. Phương pháp nào được luận án sử dụng để chứng minh tính chính xác của các công thức toán học đã thiết lập?

Luận án sử dụng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo độc lập trên máy tính. Bằng cách khởi tạo hàng triệu kịch bản truyền tin với các biến ngẫu nhiên kênh truyền fading Rayleigh, can nhiễu đồng kênh và các thành phần méo phần cứng ngẫu nhiên, kết quả mô phỏng số được biểu diễn đồng thời trên cùng đồ thị với kết quả tính toán từ các biểu thức toán học giải tích dạng tường minh. Sự trùng khớp hoàn toàn giữa các điểm mô phỏng và đường cong giải tích trong tất cả các kịch bản kiểm thử là bằng chứng khẳng định tính đúng đắn của các biểu thức hiệu năng được dẫn xuất.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Thị Đan Ngọc đã giải quyết trọn vẹn bài toán phân tích và tối ưu hóa hiệu năng hệ thống truyền thông không dây dưới tác động đồng thời của các can nhiễu đồng kênh, khiếm khuyết phần cứng và tương quan kênh truyền. Bằng phương pháp giải tích xác suất kết hợp mô phỏng Monte-Carlo, luận án đã thiết lập các biểu thức toán học chính xác dạng tường minh cho xác suất dừng và xác suất chặn trên các mô hình mạng một chặng, hai chặng và đa chặng. Các giải pháp kỹ thuật được đề xuất bao gồm kết hợp chọn lựa SC, chọn nút chuyển tiếp tốt nhất và chọn đường truyền toàn trình tối ưu đã chứng minh hiệu quả trong việc khôi phục độ lợi phân tập và suy giảm tác động của can nhiễu. Các ngưỡng khiếm khuyết phần cứng cụ thể được luận án tìm ra mang lại giá trị tham khảo thực tiễn quan trọng cho công tác thiết kế và triển khai các hệ thống mạng vô tuyến thế hệ mới.