Tổng quan nghiên cứu

Lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu ghi nhận mức tăng trưởng vượt bậc 55% giữa các chu kỳ phát triển, với khoảng 80% lưu lượng bắt nguồn từ các thiết bị điện thoại thông minh phục vụ truyền tải video và dữ liệu đa phương tiện. Theo báo cáo từ Hiệp hội các nhà cung cấp di động toàn cầu (GSA), mạng băng rộng di động đã bao phủ hơn 90% dân số thế giới, đặt nền móng cho sự bùng nổ của mạng di động thế hệ thứ năm với ước tính đạt 3,6 tỷ thuê bao trên toàn cầu. Trước sự gia tăng đột biến của số lượng thiết bị kết nối và các ứng dụng Internet vạn vật (IoT), mạng tế bào truyền thống phải đối mặt với tình trạng tắc nghẽn phổ tần nghiêm trọng cùng nguy cơ quá tải tại các trạm cơ sở (BS).

Truyền thông trực tiếp giữa thiết bị với thiết bị (D2D - Device-to-Device) xuất hiện như một công nghệ đột phá trong kiến trúc mạng 5G, cho phép các thiết bị ở cự ly gần thiết lập liên kết truyền dữ liệu trực tiếp mà không cần trung chuyển qua mạng lõi. Khi triển khai ở chế độ tái sử dụng phổ (Underlay), truyền thông D2D dùng chung tài nguyên tần số được cấp phép với người dùng di động truyền thống (CUE), giúp tiết kiệm hơn 30% tài nguyên vô tuyến và giảm độ trễ truyền dẫn xuống dưới 5ms. Tuy nhiên, việc chia sẻ phổ tần dẫn đến các bài toán can nhiễu phức tạp, bao gồm nhiễu đồng tầng giữa các cặp D2D và nhiễu chéo tầng giữa người dùng D2D với người dùng tế bào.

Nghiên cứu này tập trung giải quyết bài toán mô hình hóa và đánh giá hiệu năng của hai phương pháp quản lý nhiễu tiên tiến: Khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA - Interference Suppression Area) và Vùng hạn chế nhiễu (ILA - Interference Limited Area). Đề tài được thực nghiệm trong không gian mạng tế bào macro có bán kính 200m tại dải tần LTE 1900 MHz. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở toán học và thuật toán điều khiển công suất nhằm tối ưu hóa dung lượng mạng đạt mức bão hòa lý tưởng tại ngưỡng công suất -115 dBm, đồng thời duy trì tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng tạp âm (SINR) ổn định cho toàn hệ thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của ba lý thuyết viễn thông hiện đại: lý thuyết dung lượng kênh truyền Shannon, lý thuyết hình học ngẫu nhiên (Stochastic Geometry) ứng dụng trong mô hình hóa quá trình điểm không gian, và lý thuyết tái sử dụng tần số phân số (FFR/PFR). Trong mạng dị thể hai tầng, không gian phủ sóng của trạm gốc được phân bổ theo mô hình FFR 3 thành phần, trong đó khu vực trung tâm chiếm khoảng 63% diện tích tế bào với hệ số tái sử dụng phổ bằng 1, trong khi khu vực biên tế bào sử dụng hệ số tái sử dụng bằng 3 để loại bỏ can nhiễu liên tế bào.

Khung lý thuyết phân tích 4 khái niệm cốt lõi:

  • Truyền thông D2D Underlay: Mô hình cho phép các cặp người dùng D2D (gồm thiết bị phát TUE và thiết bị thu RUE) tái sử dụng cùng các khối tài nguyên vô tuyến đường lên (Uplink) hoặc đường xuống (Downlink) của CUE.
  • Can nhiễu chéo tầng và đồng tầng: Nhiễu chéo tầng phát sinh giữa CUE và DUE khi dùng chung tần số (TUE gây nhiễu cho CUE hoặc eNB; CUE gây nhiễu cho RUE), còn nhiễu đồng tầng xuất hiện giữa các cặp DUE lân cận.
  • Khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA): Cơ chế khoanh vùng không gian xung quanh TUE và RUE với bán kính động $R_{DL}$ và $R_{UL}$ nhằm loại trừ các CUE lân cận khỏi danh sách chia sẻ kênh.
  • Vùng hạn chế nhiễu (ILA): Giải pháp phân chia tế bào thành các vùng bảo vệ $Z_1$ (quanh TUE) và $Z_2$ (quanh RUE) dựa trên các ngưỡng can nhiễu cho phép nhằm tối đa hóa dung lượng tổng.

Mô hình truyền sóng tích hợp suy hao không gian tự do với hệ số suy hao đường truyền $\alpha = 4$ kết hợp phân bố pha đinh Rayleigh, phản ánh chính xác hiện tượng tán xạ, phản xạ đa đường đặc trưng trong môi trường đô thị.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số Monte-Carlo trên nền tảng tính toán khoa học chuyên dụng để giải các phương trình phi tuyến về dung lượng và xác suất can nhiễu. Cỡ mẫu nghiên cứu được thiết lập bao gồm 80 người dùng di động phân bố ngẫu nhiên đồng đều cùng 2 cặp truyền thông D2D với khoảng cách cố định 30m giữa máy phát và máy thu trong bán kính macro-cell 200m.

Phương pháp lấy mẫu không gian ngẫu nhiên theo phân bố Poisson 2 chiều được áp dụng qua 10.000 vòng lặp độc lập nhằm đảm bảo tính hội tụ thống kê và độ tin cậy của các chỉ số SINR. Lý do lựa chọn mô phỏng Monte-Carlo kết hợp giải tích kênh pha đinh Rayleigh là vì cấu trúc hình học mạng và sự thay đổi vị trí ngẫu nhiên của 80 thiết bị đầu cuối tạo ra ma trận can nhiễu đa chiều phức tạp, không thể lượng hóa chính xác bằng các công thức giải tích đơn biến truyền thống. Toàn bộ quy trình mô phỏng, thu thập tham số và xử lý số liệu được triển khai chặt chẽ trong giai đoạn 2019-2020 dưới sự hỗ trợ học thuật của đề tài khoa học cấp Đại học Quốc gia.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và kiểm nghiệm giải thuật đã ghi nhận 4 phát hiện kỹ thuật quan trọng:

  • Ảnh hưởng của ngưỡng can nhiễu đến bán kính ISA: Khi thiết lập ngưỡng năng lượng can nhiễu dưới -150 dBm, bán kính ISA mở rộng quá mức, khiến số lượng kênh tài nguyên khả dụng bị suy giảm, dẫn đến dung lượng hệ thống thấp hơn khoảng 15% so với phương pháp phân bổ ngẫu nhiên.
  • Điểm bão hòa dung lượng tối ưu: Khi ngưỡng can nhiễu tăng từ -150 dBm lên -115 dBm, dung lượng toàn mạng tăng trưởng vượt bậc hơn 45% và đạt trạng thái bão hòa hoàn hảo tại mức công suất $P_{UL} = P_{DL} = -115$ dBm. Việc tăng ngưỡng vượt qua mốc này không làm thay đổi dung lượng, xác lập giá trị -115 dBm là điểm vận hành tối ưu cho mạng di động.
  • Hiệu quả gia tăng dung lượng khi mở rộng cặp D2D: Trong cùng một macro-cell chứa 80 CUE, việc triển khai 2 cặp D2D đồng thời giúp nâng tổng dung lượng hệ thống lên cao hơn gần 35% so với kịch bản chỉ có 1 cặp D2D, trong khi vẫn đảm bảo mức SINR của người dùng di động không bị suy giảm dưới ngưỡng chất lượng dịch vụ (QoS).
  • Hiệu quả kiểm soát công suất phát: Khi công suất phát tối đa của thiết bị người dùng được khống chế ở mức 15 dBm so với công suất 46 dBm của trạm gốc, giải thuật điều khiển công suất vòng đóng kết hợp phân bổ kênh trực giao trong vùng bảo vệ đã triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nghẽn mạch tại trạm cơ sở.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp phương pháp ISA và ILA vượt trội là khả năng chuyển đổi ma trận can nhiễu ngẫu nhiên thành bài toán tối ưu hóa không gian hình học. Trong môi trường chịu tác động mạnh của kênh pha đinh Rayleigh, đáp ứng biên độ tín hiệu dao động liên tục theo phân bố Gauss của hai thành phần trực giao. Nếu áp dụng phân bổ ngẫu nhiên, xác suất một thiết bị TUE công suất 15 dBm rơi vào cự ly dưới 20m so với một CUE đang thu tín hiệu đường xuống là rất cao, gây sụt giảm tức thời SINR xuống dưới 0 dB. Phương pháp ISA khắc phục triệt để điểm yếu này bằng cách tính toán chính xác bán kính bảo vệ $R_{DL}$ theo công thức phụ thuộc vào bước sóng $\lambda = 0.158$ m và công suất phát cực đại, từ đó loại bỏ 100% các CUE có nguy cơ xung đột.

So với các nghiên cứu áp dụng kỹ thuật phân tách phổ truyền thống (Overlay) vốn làm lãng phí 50% băng thông cho các kênh chuyên dụng, giải pháp Underlay có kiểm soát vùng ISA mang lại hiệu suất sử dụng phổ cao hơn 1,6 lần. Dữ liệu thực nghiệm được trực quan hóa sinh động qua các đồ thị phân bố không gian 2 chiều biểu diễn vị trí các CUE dạng điểm phân tán và vùng bảo vệ dạng đường tròn đồng tâm quanh các nút D2D. Đồng thời, các bảng số liệu so sánh trực tiếp dung lượng hệ thống (tính bằng bps/Hz) theo từng bước nhảy công suất từ -180 dBm đến -90 dBm chứng minh tính ổn định tuyệt đối của thuật toán tại vùng bão hòa.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận rút ra từ mô hình ISA và ILA, bốn khuyến nghị kỹ thuật có tính ứng dụng cao được đề xuất:

  • Triển khai thuật toán điều khiển công suất thích nghi vòng đóng (CLPS): Các nhà khai thác mạng di động cần cấu hình tính năng CLPS trên trạm gốc 5G gNodeB để tự động hiệu chỉnh công suất phát của DUE không vượt quá 15 dBm, hướng tới mục tiêu giảm 25% tỷ lệ rớt gói trên đường lên trong vòng 6 tháng thử nghiệm thực địa.
  • Thiết lập ngưỡng ngăn chặn can nhiễu chuẩn hóa ở mức -115 dBm: Đội ngũ kỹ sư tối ưu hóa mạng vô tuyến cần cài đặt cố định thông số ngưỡng $P_{DL} = P_{UL} = -115$ dBm trên các bộ điều khiển tài nguyên vô tuyến (RRM), nhằm mục tiêu gia tăng 30% dung lượng hệ thống cho các trạm macro bán kính 200m trước Quý 4/2026.
  • Ứng dụng giải pháp quản lý tài nguyên lai kết hợp đồ thị tô màu: Các trung tâm R&D viễn thông cần tích hợp giải thuật tô màu đồ thị (Graph Coloring) vào cơ chế phân bổ kênh con cho mạng mật độ cao trên 100 người dùng/cell, với lộ trình hoàn thiện khung phần mềm trong giai đoạn 2026-2027 nhằm cải thiện hiệu quả tái sử dụng phổ thêm 40%.
  • Mở rộng thuật toán định tuyến nguồn động (DSR) cho truyền thông D2D đa chặng: Nhóm nghiên cứu tiêu chuẩn hóa cần phát triển giao thức DSR hỗ trợ đa chặng (multi-hop) trên dải tần sóng milimet (mmWave 30-300 GHz), mục tiêu đạt tốc độ truyền dẫn trên 1 Gbps tại các khu vực đô thị thông minh vào năm 2027.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và thực tiễn phong phú cho bốn nhóm chuyên môn:

  • Kỹ sư thiết kế và tối ưu hóa mạng vô tuyến 5G: Cung cấp đầy đủ công thức toán học và quy trình thiết lập bán kính vùng ngăn chặn nhiễu, giúp giải quyết trực tiếp bài toán quy hoạch tần số trong các mạng HetNets phức tạp.
  • Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Điện tử - Viễn thông: Là tài liệu tham khảo mẫu mực về phương pháp mô hình hóa kênh pha đinh Rayleigh, mô phỏng Monte-Carlo trên MATLAB và kỹ thuật xây dựng thuật toán phân bổ tài nguyên.
  • Doanh nghiệp phát triển giải pháp IoT công nghiệp và mạng kết nối xe cộ (V2X): Ứng dụng mô hình liên kết trực tiếp cự ly 30m với độ trễ siêu thấp để triển khai các hệ thống tự hành, nhà máy thông minh và truyền thông khẩn cấp.
  • Chuyên gia phân tích chính sách và nhà quản lý viễn thông: Nắm bắt các luận cứ khoa học về hiệu quả của mô hình chia sẻ phổ Underlay, làm cơ sở xây dựng chính sách cấp phép băng tần linh hoạt và tối ưu hóa tài nguyên phổ tần quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

Truyền thông D2D Underlay khác biệt như thế nào so với chế độ Overlay trong mạng tế bào? Chế độ Underlay cho phép các cặp D2D chia sẻ trực tiếp cùng dải tần số với người dùng di động CUE, giúp nâng cao hiệu suất phổ nhưng đòi hỏi kỹ thuật quản lý nhiễu phức tạp. Ngược lại, Overlay dành riêng một phần băng tần độc lập cho D2D, hoàn toàn tránh được can nhiễu chéo nhưng hiệu quả khai thác phổ thấp hơn khoảng 40%.

Tại sao việc xác định bán kính vùng ISA lại có ý nghĩa quyết định đến dung lượng hệ thống? Bán kính ISA quyết định ranh giới cách ly không gian giữa D2D và CUE. Nếu bán kính quá lớn, hệ thống sẽ cấm quá nhiều kênh khả dụng, làm giảm tài nguyên vô tuyến; nếu bán kính quá nhỏ, can nhiễu chéo sẽ phá hủy liên kết truyền dẫn. Thiết lập bán kính tối ưu tại ngưỡng -115 dBm giúp dung lượng đạt đỉnh bão hòa.

Kênh pha đinh Rayleigh tác động như thế nào đến độ tin cậy của thuật toán quản lý nhiễu? Pha đinh Rayleigh tạo ra sự biến thiên biên độ tín hiệu ngẫu nhiên do hiện tượng truyền sóng đa đường trong đô thị. Mô hình hóa chính xác hàm mật độ xác suất Rayleigh giúp các giải thuật ISA và ILA thiết lập ngưỡng bảo vệ công suất dự phòng, ngăn chặn hiện tượng rớt liên kết khi tín hiệu suy giảm đột ngột.

Ngưỡng can nhiễu -115 dBm được xác định dựa trên cơ chế kỹ thuật nào? Mức -115 dBm là giao điểm cân bằng tối ưu giữa việc mở rộng bán kính vùng bảo vệ và số lượng khối tài nguyên được phép tái sử dụng. Tại điểm này, tỷ số SINR của cả 80 CUE và 2 cặp D2D đều vượt ngưỡng tiêu chuẩn, giúp tổng dung lượng đạt trạng thái bão hòa bền vững.

Phương pháp quản lý nhiễu ISA có thể ứng dụng cho mạng 5G dải tần sóng milimet (mmWave) không? Phương pháp ISA hoàn toàn có thể mở rộng cho dải tần mmWave 30-300 GHz. Tuy nhiên, mô hình cần được tích hợp thêm các đặc tính tạo chùm tia định hướng (beamforming) và bổ sung hệ số suy hao do vật cản đô thị nhằm đảm bảo kiểm soát búp sóng can nhiễu chính xác.

Kết luận

  • Luận văn đã mô hình hóa thành công hệ thống mạng di động 5G tích hợp truyền thông D2D Underlay dưới tác động đồng thời của suy hao đường truyền và kênh pha đinh Rayleigh.
  • Đề xuất và chứng minh tính ưu việt vượt trội của hai giải pháp quản lý can nhiễu không gian: Khu vực ngăn chặn nhiễu (ISA) và Vùng hạn chế nhiễu (ILA).
  • Xác lập chính xác ngưỡng năng lượng vận hành tối ưu tại mức -115 dBm, giúp dung lượng hệ thống đạt trạng thái bão hòa cao nhất và tăng hơn 45% so với phân bổ ngẫu nhiên.
  • Mở rộng kịch bản đánh giá với 80 CUE và nhiều cặp D2D, khẳng định khả năng duy trì chất lượng dịch vụ QoS và tối ưu hóa công suất phát ở mức 15 dBm.
  • Đặt nền tảng cho lộ trình phát triển kỹ thuật giai đoạn 2026-2027 với các hướng nghiên cứu mở rộng sang mạng vô tuyến nhận thức và băng tần sóng milimet mmWave.

Quý độc giả, nghiên cứu sinh và các kỹ sư viễn thông quan tâm đến giải pháp tối ưu hóa phổ tần 5G hãy tham khảo toàn văn công trình nghiên cứu để áp dụng các mô hình giải tích và thuật toán điều khiển công suất tiên tiến vào thực tiễn quy hoạch mạng vô tuyến.