HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

TRẦN VĂN PHÚ

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN
NHẬN THỨC ĐƯỜNG XUỐNG NGẪU NHIÊN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP
PHI TRỰC GIAO VÀ CHỌN LỰA NGƯỜI DÙNG

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023


HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG
---------------------------------------

TRẦN VĂN PHÚ

NGHIÊN CỨU HIỆU NĂNG MẠNG VÔ TUYẾN
NHẬN THỨC ĐƯỜNG XUỐNG NGẪU NHIÊN
SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP
PHI TRỰC GIAO VÀ CHỌN LỰA NGƯỜI DÙNG

CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
MÃ SỐ: 8.52.02.08

ĐỀ ÁN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TỪ LÂM THANH

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2023


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong đề án là trung thực và chưa từng được ai cơng
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023
Học viên thực hiện đề án

Trần Văn Phú


ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến TS. Từ Lâm Thanh, Thầy đã định hướng,
hỗ trợ và chỉ bảo cho tơi hồn thành quyển đề án này.
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban lãnh đạo Học viện Cơng
Nghệ Bưu Chính Viễn thông, Ban chủ nhiệm Khoa viễn thông 2 đã tạo điều kiện cho
tơi được tham gia khóa học này.
Tơi xin chân thành cảm ơn quý Thầy thuộc các khoa Cơ Bản 2, Công Nghệ
Thông Tin 2, Điện tử 2, Viễn thông 2 đã truyền dạy những kiến thức và truyền tải
những kinh nghiệm quý báu cho tôi.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ thuộc Phịng Đào tạo và Khoa

học Công nghệ và Khoa Đào tạo Sau đại học đã hết lịng hỗ trợ cho khóa học của
chúng tôi được tiến hành suôn sẻ, trọn vẹn.
Nhân dịp này, em cũng xin cám ơn Quỹ Nafosted đã hỗ trợ trong suốt thời
gian em thực hiện Đề án, thông qua Đề tài “Nâng cao độ tin cậy truyền tin và bảo mật
thông tin cho các mạng vô tuyến quảng bá sử dụng mã Fountain“ với mã số 102.042021.57.
Trong quyển đề án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi những hạn chế và thiếu
sót, tơi rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của q Thầy Cơ và q bạn đọc
để đề án này được hồn thiện hơn.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 10 năm 2023
Học viên thực hiện đề án

Trần Văn Phú


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................. i
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ...........................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT ....................................................... v
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN ....................................................................... 3
1.1. Tổng quan về mạng vô tuyến ...................................................................................... 3
1.1.1. Lịch sử phát triển ................................................................................................. 3
1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm....................................................................................... 5
1.2.3. Ứng dụng ............................................................................................................. 6
1.2. Kênh truyền vơ tuyến .................................................................................................. 9
1.2.1. Mơ hình truyền tín hiệu ..................................................................................... 11

1.2.2. Hiệu năng mạng vô tuyến .................................................................................. 12
1.2.3. Mô phỏng Monte Carlo...................................................................................... 13
1.3. Mạng vô tuyến ngẫu nhiên và chọn lựa người dùng................................................. 14
1.4. Đa truy nhập phi trực giao (NOMA) ........................................................................ 15
1.5. Vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) ..................................................................... 20
1.6. Kết luận chương 1 ..................................................................................................... 23
1.6.1. Lý do chọn đề án ................................................................................................ 23
1.6.2. Các nghiên cứu liên quan ................................................................................... 24
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ HIỆU NĂNG XÁC SUẤT DỪNG ....... 25
2.1. Mơ hình nghiên cứu .................................................................................................. 25
2.2. Xác suất dừng của mạng sơ cấp ................................................................................ 26
2.3. Tìm cơng suất phát của SS ........................................................................................ 28
2.4. Truyền dữ liệu trong mạng thứ cấp........................................................................... 29
2.4.1. Mơ hình kênh truyền và mơ hình khoảng cách .................................................. 29
2.4.2. Mơ hình truyền sử dụng NOMA ........................................................................ 31
2.4.3. Các phương pháp chọn lựa người dùng ............................................................. 32
2.4.4. CDF của các độ lợi kênh .................................................................................... 34
2.4.5. Xác suất dừng mạng thứ cấp .............................................................................. 37


iv

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH .............................................. 41
KẾT LUẬN ......................................................................................................................... 48
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 49


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết Tắt
AWGN
BER
CDF

Tiếng Anh
Additive White Gaussian Noise
Bit Error Rate
Cumulative Distribution
Function

CDMA

Code Division Multiple Access

EC

Ergodic Capacity
Frequency Division Multiple
Access
Institute of Electrical and
Electronics Engineers
Non-Orthogonal Multiple
Access
Outage Probability
Probability Density Function
Primary Transmitter
Primary Receiver
Successive Interference
Cancellation

Signal to Interference plus Noise
Ratio

FDMA
IEEE
NOMA
OP
PDF
PT
PR
SIC
SINR
SDR

Software Defined Radio

ST
SR
SS
SU

Secondary Transmitter
Secondary Receiver
Secondary Station
Secondary User

TDMA

Time Division Multiple Access


Tiếng Việt
Nhiễu Gauss trắng
Tỷ lệ lỗi bit
Hàm phân phối tích lũy
Đa truy nhập phân chia theo
mã
Dung lượng kênh trung bình
Đa truy nhập phân chia theo
tần số
Viện kỹ thuật điện và điện tử
Đa truy nhập phi trực giao
Xác suất dừng
Hàm mật độ xác suất
Thiết bị phát sơ cấp
Thiết bị thu sơ cấp
Khử giao thoa tuần tự
Tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu giao
thoa và nhiễu nền
Vơ tuyến được định nghĩa
bằng phần mềm
Thiết bị phát thứ cấp
Thiết bị thu thứ cấp
Trạm thứ cấp
Người dùng thứ cấp
Đa truy nhập phân chia theo
thời gian


vi


DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1: Sơ đồ kết nối mạng 5G .......................................................................................... 6
Hình 1.2: Kết nối các thiết bị trong mạng WLAN................................................................. 7
Hình 1.3: Kiến trúc mạng cảm biến khơng dây ..................................................................... 8
Hình 1.4: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh......................................................................................... 9
Hình 1.5: Hiện tượng fading đa đường .................................................................................. 9
Hình 1.6: Chất lượng tín hiệu biến thiên theo thời gian do hiện tượng fading kênh truyền.
............................................................................................................................................. 10
Hình 1.7: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh. ...................................................... 11
Hình 1.8: Mơ hình mạng ngẫu nhiên. .................................................................................. 15
Hình 1.9: Kỹ thuật FDMA. .................................................................................................. 16
Hình 1.10: Kỹ thuật TDMA. ................................................................................................ 16
Hình 1.11: Kỹ thuật CDMA. ............................................................................................... 16
Hình 1.12: Kỹ thuật NOMA. ............................................................................................... 17
Hình 1.13: Mơ hình NOMA đường xuống (downlink) với 02 người dùng. ........................ 19
Hình 1.14: Các mơ hình trong vơ tuyến nhận thức. ............................................................. 22
Hình 1.15: Mơ hình vơ tuyến nhận thức dạng nền. ............................................................. 22
Hình 2.1: Mơ hình nghiên cứu. ............................................................................................ 25
Hình 3.1: Mơi trường mơ phỏng. ......................................................................................... 41
Hình 3.2: Xác suất dừng của mạng sơ cấp vẽ theo PPT (dB). ............................................. 42
Hình 3.3: Cơng suất phát của SS vẽ theo PPT (dB). ............................................................ 43
Hình 3.4: Xác suất dừng vẽ theo PPT (dB) với  OP  0.05 , U =1, V=3, P=1, Q=3,

a2  0.8 , K  5 .................................................................................................................. 44
Hình 3.5: Xác suất dừng vẽ theo PPT (dB) với  OP  0.05 , U =3, V=5, P=1, Q=2,

a2  0.85 , K  6 . .............................................................................................................. 45
Hình 3.6: Xác suất dừng vẽ theo a 2 với PPT = 10 (dB),  OP  0.05 , U =1, V=2, P=1, Q=2,

K  5 . ................................................................................................................................. 46

Hình 3.7: Xác suất dừng vẽ theo K với PPT = 8 (dB),  OP  0.05 , U =1, V=2, P=1, Q=2,

2  0.85 . ........................................................................................................................... 47


1

MỞ ĐẦU
Trong thông tin vô tuyến (Wireless Communications), không gian tự do được
sử dụng làm môi trường truyền dẫn, và thông tin được truyền đi từ máy phát đến máy
thu bằng sóng điện từ. Truyền thơng vơ tuyến với tính năng linh hoạt và di động, giúp
cho các kỹ thuật này nhận được sự quan tâm đặc biệt từ các nhà nghiên cứu. Trong
vài thập kỷ gần đây, tốc độ phát triển của thông tin vô tuyến đã tăng trưởng nhanh
chóng, đặc biệt là nhu cầu về truyền thơng di động băng rộng. Có thể nói các ứng
dụng thơng tin vô tuyến ngày càng thiết yếu và gần như không thể thiếu trong các
hoạt động thường nhật của con người.
Do phổ tần vô tuyến là hữu hạn, muốn tăng dung lượng, cần phải nâng cao
hiệu quả sử dụng phổ tần số. Vì vậy việc nghiên cứu, ứng dụng các cơng nghệ kỹ
thuật tiên tiến là cần thiết. Một trong những kỹ thuật có thể giúp cải thiện, làm hạn
chế vấn đề khan hiếm phổ như ngày nay đó là dùng công nghệ vô tuyến nhận thức.
Đặc biệt, kỹ thuật vô tuyến nhận thức dạng nền được các nhà nghiên cứu ghi nhận là
một kỹ thuật hiệu quả để đảm bảo tính liên tục trong tiến trình truyền dữ liệu ở mạng
thứ cấp.
Để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần tất cả các công nghệ truyền thông vô
tuyến hiện tại đều sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập trực giao. Đó là FDMA, TDMA
và CDMA. Khi số lượng người dùng/thiết bị tăng lên, công nghệ đa truy nhập phi
trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) đã được giới thiệu để đảm bảo
tốc độ và hiệu quả phổ tần. Do đó, Bên cạnh vô tuyến nhận thức, NOMA là một công
cụ quan trọng để nâng cao tốc độ truyền dẫn và thơng lượng mạng.
Tuy nhiên bởi vì sự giới hạn cơng suất phát của các thiết bị thứ cấp trong mạng

vô tuyến nhận thức, việc áp dụng các kỹ thuật chọn lựa người dùng sẽ nâng cao độ
tin cậy của việc truyền dữ liệu dưới sự tác động của fading kênh truyền. Cuối cùng,
trong các mạng truyền thông vô tuyến thực tế như mạng thông tin di động, mạng
mobile adhoc, các mạng cảm biến, v.v. các thiết bị có vị trí xuất hiện không xác định.


2

Do đó, việc đánh giá hiệu năng của mạng theo khoảng cách ngẫu nhiên sẽ đạt được
những kết quả phù hợp với hiệu năng thực tế của các mơ hình này hơn.
Đề án này tập trung vào việc đánh giá hiệu năng mạng vô tuyến nhận thức
đường xuống ngẫu nhiên sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao và lựa chọn
người dùng. Học viên sử dụng mơ hình lý thuyết và mô phỏng bằng Matlab để đánh
giá hiệu năng của mạng.
Đề án gồm 3 chương với nội dung tóm tắt như sau:
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Chương này giới thiệu tổng quan về các vấn đề nghiên cứu trong đề án như:
Khái niệm mạng vô tuyến ngẫu nhiên và chọn lựa người dùng, giới thiệu mạng đa
truy nhập phi trực giao, giới thiệu mạng vô tuyến nhận thức.
CHƯƠNG 2: MƠ HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ HIỆU NĂNG XÁC SUẤT DỪNG
Chương này trình bày mơ hình nghiên cứu, xác suất dừng của mạng sơ cấp,
công suất phát của trạm phát thứ cấp.
Đồng thời là tìm hiểu truyền dữ liệu trong mạng thứ cấp bao gồm: Mơ hình
kênh truyền và mơ hình khoảng cách, mơ hình truyền sử dụng Noma, các phương
pháp chọn lựa người dùng, CDF của các độ lợi kênh và xác suất dừng của mạng thứ
cấp.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH
Sử dụng mơ phỏng Monte Carlo và mô phỏng kết quả lý thuyết trên phần mềm
Matlab để kiểm chứng tính chính xác của các biểu thức toán học đưa ra bao gồm: Xác
suất dừng của hệ thống sơ cấp, xác suất dừng tại SU v trong mơ hình CSI, xác suất

dừng tại SU u trong mơ hình CSI, xác suất dừng tại người dùng thứ cấp SU q trong
mơ hình DIS, và xác suất dừng tại người dùng thứ cấp SU p trong mơ hình DIS.


3

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về mạng vô tuyến
1.1.1. Lịch sử phát triển
Truyền thông vô tuyến đã được nghiên cứu và phát triển hết sức mạnh mẽ
trong những năm gần đây, nó đã đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tốc độ cũng như
nhiều ứng dụng thời gian thực: game online, phẩu thuật từ xa, xe tự hành, giao hàng
bằng robot… Khác với mạng hữu tuyến sử dụng các đường truyền cáp đồng hoặc cáp
quang để kết nối các điểm cố định với nhau, mạng vô tuyến sử dụng bức xạ sóng điện
từ ở anten phía phát và được truyền trong không gian tự do đến phía thu. Đầu thu sẽ
thực hiện thu, giải mã và khơi phục tín hiệu mong muốn.
Một số cột mốc phát triển của mạng truyền thông vô tuyến:
 Năm 1838: Samuel Morse đã phát minh ra tín hiệu vơ tuyến điện, báo
hiệu một bước tiến mới của kỷ nguyên truyền thông.
 Năm 1864: J.C Maxwell đã xây dựng và đưa ra lý thuyết trường điện
từ, chứng minh sự tồn tại của sóng điện từ và có thể truyền trong khơng
gian tự do.
 Năm 1901: Marconi đã thực nghiệm thành công việc truyền sóng radio
xuyên qua Đại Tây Dương, đã đánh dấu sự phát triển vượt bậc khi có
thể truyền sóng qua cự ly dài.
 Năm 1915: Hê thống truyền tín hiệu thoại không dây được thiết lập để
truyền thoại giữa San Francisco và New York. Sau 30 năm, các dịch vụ
điện thoại di động công cộng đã được giới thiệu ở 25 thành phố của
Mỹ.
 Năm 1947: Mạng điện thoại tế bào đã được phát triển bởi phịng thí

nghiệm Bell. Trong mạng này, người dùng có thể liên lạc trong khi di
chuyển từ tế bào này sang tế bào khác.
 Năm 1963: Hội kỹ sư điện và điện tử (IEEE) được thành lập. IEEE đã
phát triển tiêu chuẩn 802 cho LAN và được phổ biến mọi nơi.


4

 Năm 1971: Hệ thống mạng dữ liệu gói khơng dây (packet radio), tên
ALOHANET ra đời tại trường đại học Hawaii, cho phép kết nối các
máy tính ở các cơ sở của trường trên bốn đảo về trung tâm tại Oahu
thông qua truyền thông vô tuyến. Tuy nhiên, tốc độ cịn thấp (vào
khoảng 20 Kb/s) và hiệu suất khơng thực sự hiệu quả.
 Năm 1985: FCC phát triển LAN không dây dựa vào tiêu chuẩn IEEE
802.11 đã cho hiệu suất tốt hơn, mặc dù tốc độ dữ liệu đã tăng lên (vài
chục Mb/s) nhưng vùng phủ sóng nhỏ (vào khoảng 150 m).
 Vào những năm 1990: Hệ thống di động thế hệ thứ 2 (2G) ra đời. Việc
chuyển đổi từ tín hiệu tương tự sang tín hiệu số đã giúp tốc độ và hiệu
suất được cải thiện. Mạng 2G đã phục vụ tốt các dịch vụ như: thoại,
nhắn tin ngắn.
 Năm 2001: Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) ra đời như
CDMA2000 tại Hàn Quốc, UMTS thử nghiệm ở châu Âu cho phép
truyền tải dữ liệu thoại và cả những dữ liệu khác như email, hình ảnh,
âm thanh, video, .... với tốc độ cao. Tốc độ truyền dữ liệu lên đến
14Mbps.
 Đến năm 2010: Xuất hiện mạng 4G, tiêu chuẩn LTE và hoạt động ở các
dải tần 700 MHz, 850 MHz, 1.9 GHz và 2.1 GHz. Tốc độ truyền dữ
liệu lên đến 100 Mbps.
 Tháng 10/2014: FCC ban hành một ghi chú về việc sử dụng bước sóng
milimet (tần số cao trên 2.4 GHz) để sử dụng cho công nghệ thế hệ thứ

5 (5G). Tốc độ truyền dữ liệu lên đến 10 Gbps.
 Gần đây, một số hệ thống truyền thông không dây mới bùng nổ như
mạng không dây ad-hoc (Wireless Ad-hoc), mạng cảm biến không dây
(WSN: Wireless Sensor Networks), mạng IoT (Internet of Things),
mạng vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), v.v.


5

1.1.2. Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm: Do môi trường truyền là vơ tuyến nên sẽ có nhiều điểm thuận lợi
hơn các hệ thống khác.
 Tiện lợi: Người dùng đầu cuối thiết lập kết nối vô mạng một cách dễ
dàng, nhanh chóng và bất kỳ đâu miễn là nằm trong vùng phủ sóng của
trạm gốc. … Các thiết bị đầu cuối ngày càng rẻ và giá thành các gói
cước di động ngày càng cạnh tranh, do đó có thể tiếp cận được nhiều
khách hàng hơn.
 Tính di động: Đây là ưu điểm nổi bật nhất mà các hệ thống thông tin
hữu tuyến khơng có được. Người dùng di động ln được kết nối vào
mạng dù đang ở trong nhà, ngoài đường, đi bộ, đi xe máy, hay thậm chí
duy chuyển trên cao tốc, tàu điện ngầm với tốc độ cao.
 Dễ thiết kế và triển khai mở rộng: Triển khai trạm gốc vô tuyến sẽ dễ
dàng và nhanh hơn nhiều so với mạng hữu tuyến. Khi số lượng người
dùng tăng lên, chỉ cần phát sóng thêm trạm gốc mới, hoặc mở rộng cấu
hình của trạm gốc cũ cũng dễ dàng được thực hiện. Ngồi ra chi phí
triển khai của mạng khơng dây cũng rẻ hơn mạng có dây. Thời gian
triển khai mạng không dây cũng nhanh hơn nhiều so với mạng có dây.
 Bền vững: Do triển khai nhiều trạm gốc để phục vụ người dùng, khi
một trạm có sự cố xảy ra, các trạm lân cận vẫn có thể đảm bảo được
vùng phủ sóng.


Nhược điểm:
 An tồn và bảo mật: Vì mơi trường truyền sóng là khơng gian tự do nên
việc bị nghe lén là không thể tránh khỏi, do đó tính bảo mật của mạng
vơ tuyến là kém hơn mạng hữu tuyến. Vì vậy khi xây dựng mang vơ
tuyến thì vấn đề bảo mật phải hết sức được quan tâm.
 Nhiễu (suy hao): Tín hiệu truyền trong khơng gian thường xuyên bị ảnh
hưởng bởi các hiện tượng như fading, sự khúc xạ, tán xạ, bị che chắn,


6

… Làm cho tín hiệu thu được bị thăng giáng dẫn đến chất lượng tín
hiệu thu được khơng đảm bảo.
 Chất lượng dịch vụ: Do thường xuyên chịu tác động các yếu tố bên
ngoài lên đường truyền như nhiễu, fading, … nên chất lượng không
được ổn định, phụ thuộc vào vị trí của người dùng và trạm gốc cũng
như mật độ người dùng.
 Giới hạn phạm vi hoạt động: Các thiết bị chỉ hoạt động trong phạm vi
phủ sóng của mạng, khi ra khỏi khu vực này sẽ không hoạt động được.

1.2.3. Ứng dụng
a. Mạng thơng tin di động
Khi nói đến truyền thơng khơng dây, đầu tiên phải nói đến là mạng thông tin
di động. Sự ra đời của mạng thông tin di động đã cung cấp cho người dùng sự tiện
lợi, đáp ứng hầu hết các nhu cầu của người dùng như: xem film, nghe nhạc, video
call, học tập trực tuyến, …. Mạng di động hiện tại đã trãi qua 5 thế hệ, các phịng thí
nghiệm và cơng ty lớn trên thế giới đang chạy đua nghiên cứu mạng thế hệ thứ 6. Nếu
mạng 1G,2G đã đáp ứng tốt nhu cầu về thoại, sms. Qua các thế hệ tiếp theo, tốc độ
truyền tải dữ liệu đã tăng lên nhanh chóng. Đặt biệt khi mạng 5G được triển khai đã

cung cấp các dịch vụ mà gần như khơng có độ trễ như phẫu thuật từ xa, xe tự hành,
cho phép kết nối vạn vật.

Hình 1.1: Sơ đồ kết nối mạng 5G


7

Hình 1.1 mơ tả sơ đồ kết nối trạm gốc và core trong mạng 5G
 Next generation eNodeB (ng-eNB): Nút xuất hiện trong mạng truy cập
LTE từ 3GPP Rel 15 trở lên, cung cấp các đầu cuối giao thức mặt phẳng
điều khiển và mặt phẳng người dùng EUTRAN đối với UE và được kết
nối qua giao diện NG tới 5GC.
 Next generation NodeB (gNB): Nút xuất hiện trong mạng truy cập 5G
từ 3GPP Rel 15 trở lên, cung cấp các đầu cuối giao thức mặt phẳng điều
khiển và mặt phẳng người dùng NR (New Radio) đối với UE và được
kết nối qua giao diện NG tới 5GC.
 NG: Giao diện kết nối trạm gốc và AMF/UPF
 Xn: Giao diện kết nối các trạm gốc.
 AMF/UPF: Chịu trách nhiệm về các chức năng như xác minh danh tính
UE, xác thực, đăng ký, quản lý di chuyển, và quản lý kết nối.

b. Mạng Wireless LAN
Mạng không dây nội bộ (Wireless Lan) là mạng sử dụng công nghệ cho phép
hai hay nhiều thiết bị kết nối với nhau trong khu vực mạng nội bộ bằng cách sử dụng
một giao thức chuẩn (IEEE 802.11x) mà không cần những kết nối bằng dây mạng.
Các thiết bị trong WLAN chủ yếu giao tiếp với nhau bằng sóng Wifi. Hiện tại chuẩn
Wifi 6 có thể hỗ trợ tốc độ lên đến 10Gbps.

Hình 1.2: Kết nối các thiết bị trong mạng WLAN



8

c. Mạng cảm biến không dây
Mạng cảm biến không dây (Wireless Sensor Network) bao gồm một tập hợp
các thiết bị cảm biến sử dụng các liên kết không dây (vô tuyến, hồng ngoại hoặc
quang học) để phối hợp thực hiện nhiệm vụ thu thập thông tin dữ liệu phân tán với
quy mô lớn trong bất kỳ điều kiện và ở bất kỳ vùng địa lý nào kể cả các môi trường
nguy hiểm khơng thể sử dụng mạng cảm biến có dây truyền thống. Mạng cảm biến
khơng dây có thể liên kết trực tiếp với nút quản lý giám sát trực tiếp hay gián tiếp
thông qua một điểm thu phát (Sink) và môi trường mạng công cộng như Internet hay
vệ tinh.
Các nút cảm biến khơng dây có thể được triển khai cho các mục đích chuyên
dụng như điều khiển giám sát và an ninh, tạo ra không gian sống thông minh, kiểm
tra giám sát môi trường, giám sát hoạt động sản xuất nơng nghiệp, theo dõi sức khỏe
y tế,...

Hình 1.3: Kiến trúc mạng cảm biến không dây

d. Truyền thông tin vệ tinh
Đặc điểm thơng tin vệ tinh
 Có khả năng đa truy cập
 Vùng phủ rộng, chỉ cần 3 vệ tinh có thể phủ sóng tồn cầu
 Ổn định cao, băng thông lớn


9

 Có thể ứng dụng cho thơng tin di động

 Thích hợp với dịch vụ truyền hình
 Hiệu quả kinh tế cao trong thông tin cự ly lớn, đặc biệt khi liên lạc
xuyên lục địa (phục vụ trong lĩnh vực hằng hải)

Hình 1.4: Vệ tinh quỹ đạo địa tĩnh

1.2. Kênh truyền vơ tuyến

Hình 1.5: Hiện tượng fading đa đường

Để truyền dữ liệu từ thiết bị phát đến thiết bị thu trên kênh vô tuyến, thông tin
số (các bit) tại thiết bị phát cần được điều chế thành tín hiệu tương tự. Sau đó, tín hiệu
tương tự này sẽ được gửi đến thiết bị thu. Tín hiệu với bản chất là sóng điện từ, tín


10

hiệu bị suy hao (path-loss), bị phản xạ (Reflection), nhiễu xạ (Diffraction) hoặc tán
xạ (Scatering) khi gặp vật cản. Như mơ tả trong Hình 1.5, thiết bị phát sẽ gửi các tín
hiệu điều chế đến thiết bị thu. Tín hiệu sẽ đi theo nhiều đường khác nhau để đến thiết
bị thu. Đường ngắn nhất chính là đường LOS (Line of Sight) giữa thiết bị phát và
thiết bị thu, tiếp đến là các đường phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ. Tín hiệu đi theo các
đường phản xạ, nhiễu xạ và tán xạ sẽ đến thiết bị thu với thời gian trễ và biên độ khác
nhau, do quãng đường di chuyển khác nhau và gặp các bề mặt khác nhau. Sau đó, các
tín hiệu này sẽ cộng vào nhau, và điều này làm biên độ của tín hiệu thu được tại thiết
bị thu sẽ thăng/giáng theo thời gian. Đây chính là hiện tượng fading kênh truyền.

Hình 1.6: Chất lượng tín hiệu biến thiên theo thời gian do hiện tượng
fading kênh truyền


Hình 1.6 vẽ sự thăng giáng của tín hiệu nhận được theo thời gian. Ta có thể thấy
rằng chất lượng tín hiệu có lúc được tăng cường, tuy nhiên cũng có lúc bị suy giảm
nghiêm trọng. Bởi vì sự biến thiên biên độ tín hiệu là ngẫu nhiên nên ta khơng thể dự
đốn trước khi nào tín hiệu tốt và khi nào tín hiệu xấu. Điều này có thể dẫn đến sự rớt
mạng bất cứ lúc nào và đây là điều khơng mong muốn.
Trong thực tế, có nhiều kênh truyền fading phổ biến như kênh fading Rayleigh,
fading Nakagami, fading Rician. Đề án này sẽ nghiên cứu về kênh fading Rayleigh.
Trong kênh fading Rayleigh, đường truyền LOS giữa thiết bị phát và thiết bị thu
không tồn tại. Thật vậy, trong môi trường có nhiều vật cản như nhà cửa, xe cộ, tịa


11

nhà, v.v., thiết bị phát và thiết bị thu thường sẽ bị che khuất bởi các vật chắn giữa
chúng nên khơng có đường LOS giữa thiết bị phát và thu.

1.2.1. Mơ hình truyền tín hiệu

hSD

S

D

Hình 1.7: Sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh

Hình 1.7 miêu tả sự truyền dữ liệu trên kênh fading Rayleigh giữa nguồn S
và đích D. Tín hiệu nhận được tại nút đích D là
yD  PS hSD x  nD


(1.1)

Trong công thức (1.1), x là tín hiệu chứa dữ liệu của nút nguồn S, PS ký hiệu
công suất phát của nút nguồn S, hSD là hệ số kênh fading Rayleigh giữa nút nguồn S
và nút đích D, nD là nhiễu Gauss trắng (AWGN: Additive White Gaussian Noise) tại
nút đích D.
Nhiễu AWGN nD được biểu diễn bằng biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss
với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là  02 , với hàm mật độ xác suất (PDF:
Probability Density Function) là:
f nD  x  

1
2 02



e

x2
2 N0

 x2 

exp   2 
2 02
 2 0 
1

(1.2)


trong đó, exp(.) là ký hiệu của hàm mũ cơ số tự nhiên: exp  a   e a .
Đối với hệ số kênh truyền fading hSD , đây cũng là một biến ngẫu nhiên và
biên độ | hSD | có phân phối Rayleigh với hàm mật độ xác suất là:
f|hSD |  x  

 x2 
exp
  2 , x  0
2
 2 
x

(1.3)

Hơn nữa, biên độ bình phương của hSD , còn được gọi là độ lợi kênh | hSD |2 ,
sẽ có phân phối mũ và hàm mật độ xác suất của | hSD |2 là (xem tài liệu [1]):


12

 x2 
exp
 2 
2 2
 2 
  exp   x 

 x 

f |h


2
SD |

với  

1
2 2

1

(1.4)

còn được gọi là tham số đặc trưng của kênh truyền fading Rayleigh.

Tiếp đến, hàm phân phối tích lũy (CDF: Cummulative Distribution Function)
của | hSD |2 được đưa ra như sau:
F|h

2
SD |

 x   1  exp   x 

(1.5)

Trở lại với công thức (1.1), tỷ số SNR (Signal-to-noise ratio) tức thời đạt được
tại nút đích D được tính như sau:

 SD 


PS | hSD |2

 02

(1.6)

Tỷ số SNR trong công thức (1.6) được gọi là tỷ số SNR tức thời bởi vì tỷ số
này thay đổi theo thời gian. Tiếp đến, dung lượng kênh tức thời trên 01 đơn vị băng
thông (BW = 1) được viết như sau:
CSD

 PS | hSD |2 
 log 2 1   SD   log 2 1 

 02 


(1.7)

1.2.2. Hiệu năng mạng vô tuyến
Các hiệu năng mạng vô tuyến có thể kể đến như xác suất dừng (OP: Outage
Probability), tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate), dung lượng kênh trung bình (EC:
Ergodic Capacity). Trong đề án này, học viên nghiên cứu hiệu năng xác suất dừng,
đó là xác suất mà dung lượng kênh CSD nhỏ hơn một ngưỡng cho trước, ký hiệu Cth
. Sử dụng công thức (1.7), ta có xác suất dừng của đường truyền từ nguồn S sang đích
D như sau:


13



2Cth  1 
OP  Pr  CSD  Cth   Pr  | hSD |2 

PS /  02 

 2Cth  1 
 F|h |2 
2 
SD
 PS /  0 

(1.8)

Thay hàm phân phối tích lũy của | hSD |2 trong công thức (1.5) vào công thức
(1.8), ta có:



 

  2Cth  1
OP  1  exp  

PS /  02






(1.9)

1.2.3. Mô phỏng Monte Carlo
Để kiểm chứng kết quả các bài toán ngẫu nhiên, người ta thường sử dụng mô
phỏng Monte Carlo. Mô phỏng Monte Carlo là một phương pháp tính tốn dựa trên
việc sử dụng các số ngẫu nhiên để tính tốn hoặc mơ phỏng một q trình ngẫu nhiên.
Cách thức hoạt động của phương pháp Monte Carlo là dựa trên việc lặp lại một q
trình nhiều lần để tính tốn giá trị trung bình hoặc xác suất của một biểu thức. Bằng
cách tạo ra các số ngẫu nhiên và áp dụng chúng vào biểu thức, chúng ta có thể xây
dựng một ước lượng xấp xỉ cho kết quả mong đợi.
Phương pháp Monte Carlo được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như
tính tốn khoa học, tài chính, kỹ thuật, xử lý hình ảnh, và các vấn đề xác suất. Với sự
phát triển của máy tính và khả năng tính tốn cao, phương pháp Monte Carlo đã trở
thành một công cụ quan trọng trong việc giải quyết các bài toán phức tạp có tính ngẫu
nhiên.
Ví dụ để kiểm chứng tính chính xác của biểu thức xác suất dừng được đưa ra
trong công thức (1.9), mô phỏng Monte Carlo được áp dụng để mô phỏng kênh truyền
fading Rayleigh. Phần mềm MATLAB [23] hỗ trợ hàm tạo ra biến ngẫu nhiên, sử dụng
cấu trúc sau:

h = 1/sqrt(2* )*(randn(1,1) + j*randn(1,1));

(1.10)


14

Trong công thức (1.10), randn(1,1) là hàm MATLAB tạo ra biến ngẫu nhiên
có phân phối Gauss với giá trị trung bình bằng 0 và phương sai bằng 1.


1.3. Mạng vơ tuyến ngẫu nhiên và chọn lựa người dùng
Trong mạng vô tuyến ngẫu nhiên (random wireless networks), các thiết bị
không dây như điểm truy cập, điện thoại di động, thiết bị cảm biến, thiết bị IoTs, v.v.
được đặt hoặc chuyển động ngẫu nhiên trong một khu vực xác định và tương tác với
nhau hoặc với trạm gốc thơng qua sóng vơ tuyến. Bởi vì vị trí của các nút là ngẫu
nhiên nên khoảng cách giữa các thiết bị này hoặc giữa các thiết bị và trạm gốc là
những biến ngẫu nhiên.
Để đánh giá hiệu năng của các mơ hình mạng này, các mơ hình mơ phỏng
mạng vơ tuyến ngẫu nhiên đã được đưa ra và đánh giá. Các mơ hình mạng vô tuyến
ngẫu nhiên thường xuyên sử dụng các phân phối xác suất để mơ phỏng vị trí và cách
tương tác của các thiết bị không dây. Các phân phối này có thể dựa trên các đặc tính
thực tế của mơi trường, chẳng hạn như phân phối đều hoặc phân phối Poisson, để tạo
ra khoảng cách ngẫu nhiên hoặc vị trí ngẫu nhiên của các thiết bị vơ tuyến.
Mơ hình mạng ngẫu nhiên được nghiên cứu trong đề án này là mơ hình những
người dùng US (User) xuất hiện ngẫu nhiên xung quanh 01 trạm gốc BS (Base
Station). Do đó, khoảng cách giữa các US và BS là một biến ngẫu nhiên. Hơn nữa,
trạm BS thường phải phục vụ cùng lúc nhiều người dùng US bởi số lượng người dùng
xuất hiện trong mạng thường lớn. Người dùng US có thể yêu cầu dữ liệu cùng lúc từ
trạm gốc, tuy nhiên chỉ một số lượng giới hạn người dùng có thể được phục vụ tại
một thời điểm nhất định. Cũng vì vậy, việc chọn lựa người dùng hay lập lịch trình
phục vụ các người dùng sẽ nâng cao chất lượng dịch vụ và quản lý tài nguyên hiệu
quả. Hơn nữa, việc tính toán về khoảng cách và ước lượng kênh truyền giữa người
dùng và trạm gốc có ý nghĩa quan trọng trong việc chọn lựa người dùng để phục vụ.
Việc ước lượng thông tin trạng thái kênh truyền và chọn lựa người dùng theo thông
tin này mang lại độ tin cậy cao hơn. Tuy nhiên, phương pháp này phức tạp và tiêu tốn
nhiều năng lượng hơn phương pháp chọn lựa người dùng theo khoảng cách.


15


US1

R

USK

BS

USn
Hình 1.8: Mơ hình mạng ngẫu nhiên

Hình 1.8 xét mơ hình mạng vơ tuyến ngẫu nhiên, trong đó trạm gốc BS có
vùng phủ là hình trịn bán kính R, và các người dùng xuất hiện ngẫu nhiên trong
đường tròn này. Giả sử có K người dùng xuất hiện ngẫu nhiên trong mạng, các người
dùng này được ký hiệu là US1, …, USK. Khoảng cách giữa người dùng USm và trạm
gốc BS, ký hiệu là d BSUSm là một biến ngẫu nhiên và có hàm CDF và PDF được đưa
ra như trong các tài liệu [3], [4] như sau:
FdBSUS

m

x2
2x
 x   2 , f dBSUSm  x   2 ,0  x  R
R
R

(1.11)


Mơ hình này có thể được áp dụng cho các mạng trong thực tế như mô hình
mạng thơng tin di động với các người dùng di động xuất hiện ngẫu nhiên xung quanh
trạm gốc, mơ hình mạng vô tuyến cảm biến với sự yêu cầu dữ liệu ngẫu nhiên của
các thiết bị cảm biến đối với một trạm gốc (Sink).
1.4. Đa truy nhập phi trực giao (NOMA)
Cho đến nay, tất cả các công nghệ truyền thông vô tuyến hiện tại đều sử dụng
các kỹ thuật đa truy nhập trực giao. Đó là đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA
(Frequency Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA
(Time Division Multiple Access), đa truy nhập phân chia theo mã CDMA (Code
Division Multiple Access).


16

Hình 1.9: Kỹ thuật FDMA

Hình 1.10: Kỹ thuật TDMA

Hình 1.11: Kỹ thuật CDMA


17

Hình 1.9 mơ tả kỹ thuật đa truy nhập FDMA, trong đó, tồn bộ băng tần được
phân chia thành các băng tần nhỏ để phân phối đến từng người dùng. Sự trực giao
trong FDMA là trực giao về mặt tần số. Tuy nhiên, tốc độ truyền của mỗi người dùng
bị giới hạn bởi việc chỉ được sử dụng một băng con. Hình 1.10 mơ tả kỹ thuật đa truy
nhập TDMA, trong đó mỗi người dùng được sử dụng tồn bộ băng tần nhưng bị giới
hạn thời gian được sử dụng. Cụ thể, mỗi người dùng chỉ được sử dụng băng tần trong
01 khoảng thời gian nhất định (time slot), và sự trực giao trong TDMA là sự trực giao

về thời gian. Hình 1.11 vẽ kỹ thuật đa truy nhập CDMA, trong đó mỗi người dùng
được cấp một mã (code) trực giao lẫn nhau. Kỹ thuật CDMA cho phép các người
dùng sử dụng tồn bộ băng thơng và bất kỳ lúc nào.

D1
D2

S
DM
Hình 1.12: Kỹ thuật NOMA

Đa truy nhập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) [5]-[7]
là kỹ thuật mới cho phép một thiết bị phát gửi dữ liệu đến nhiều thiết bị thu cùng lúc,
trên cùng tần số và cùng mã. NOMA được kỳ vọng là kỹ thuật nâng cao đáng kể tốc
độ truyền dữ liệu cho mạng thông tin vô tuyến. Thật vậy, thiết bị phát sẽ phân bổ mức
công suất phát khác nhau cho các tín hiệu của các thiết bị thu. Thơng thường, thiết bị
thu nào có kênh truyền đến thiết bị phát tốt hơn sẽ được phân bổ cơng suất phát cho
tín hiệu thấp hơn. Cụ thể, khi một thiết bị thu nhận tín hiệu từ thiết bị phát, thiết bị
thu này sẽ lần lượt giải mã các tín hiệu theo thứ tự được phân bổ mức công suất cao