Nghiên cứu, phân tích phẩm chất hệ thống ibfd sm ứng dụng lựa chọn ăng ten phát và chuyển tiếp vô tuyến

N 0, σ2Phân bố chuẩn trung bình bằng không, phươngsai σ2 Ω Độ lợi trung bình của kênh truyền ˜ Ω Khả năng SIC của thiết bị FD P Công suất trung bình của tín hiệu P∗ R Công suất phát tối

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN LÊ VÂN

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH PHẨM CHẤT HỆ THỐNG IBFD-SM ỨNG DỤNG LỰA CHỌN ĂNG-TEN PHÁT

VÀ CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2023

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN LÊ VÂN

NGHIÊN CỨU, PHÂN TÍCH PHẨM CHẤT HỆ THỐNG IBFD-SM ỨNG DỤNG LỰA CHỌN ĂNG-TEN PHÁT

VÀ CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số: 9.52.02.03

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

GS TS TRẦN XUÂN NAM

HÀ NỘI - 2023

Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiêncứu của tôi dưới sự định hướng của cán bộ hướng dẫn Các số liệu, kết quảtrình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trongbất kỳ công trình nào trước đây Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã đượctrích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.

Hà Nội, ngày 22 tháng 11 năm 2022

Tác giả

Tác giả xin chân thành cảm ơn Bộ môn Thông tin và Khoa Vô tuyến Điện

tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự là nơi tác giả học tập, sinh hoạt và công tác

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo điều kiện cho phép tác giả có thể thamgia nghiên cứu trong thời gian làm nghiên cứu sinh

Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học, Học viện Kỹ thuậtQuân sự đã luôn tạo điều kiện giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận án này.Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, đồngnghiệp và các anh chị em nghiên cứu sinh đã luôn động viên, giúp đỡ tác giảvượt qua khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC x

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 14

1.1 Tổng quan về điều chế không gian 14

1.1.1 Nguyên lý thực hiện điều chế không gian 16

1.1.2 Ưu, nhược điểm của điều chế không gian 19

1.2 Tổng quan về truyền thông song công trên cùng băng tần 22

1.2.1 Nguyên lý truyền thông song công 22

1.2.2 Ưu, nhược điểm của truyền thông song công 25

1.2.3 Một số mô hình truyền dẫn song công 27

1.3 Các tham số phân tích phẩm chất hệ thống 29

1.3.1 Xác suất dừng hệ thống 30

1.3.2 Xác suất lỗi ký hiệu 31

1.3.3 Dung lượng Ergodic của hệ thống 32

1.4 Kết luận chương 1 33

i

Chương 2 PHÂN TÍCH PHẨM CHẤT HỆ THỐNG IBFD-SM

TRONG TRƯỜNG HỢP LIÊN LẠC ĐIỂM - ĐIỂM 34

2.1 Phân tích phẩm chất hệ thống IBFD-SM khi không sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát 35

2.1.1 Động lực nghiên cứu 35

2.1.2 Mô hình hệ thống 38

2.1.3 Phân tích phẩm chất hệ thống 41

a Xác suất dừng 41

b Xác suất lỗi ký hiệu 42

c Dung lượng Ergodic 43

2.1.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận 45

2.1.5 Kết luận vấn đề nghiên cứu 2.1 49

2.2 Nâng cao phẩm chất hệ thống IBFD-SM thông qua sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát 50

2.2.1 Động lực nghiên cứu 50

2.2.2 Mô hình hệ thống 53

2.2.3 Phân tích phẩm chất hệ thống 54

a Xác suất dừng 55

b Xác suất lỗi ký hiệu 58

2.2.4 Kết quả mô phỏng và thảo luận 61

2.2.5 Kết luận vấn đề nghiên cứu 2.2 70

2.3 Kết luận chương 2 70

Chương 3 PHÂN TÍCH PHẨM CHẤT HỆ THỐNG IBFD-SM

TRONG MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP 72

3.1 Động lực nghiên cứu 72

3.2 Mô hình hệ thống 76

3.3 Phân tích phẩm chất hệ thống 78

3.3.1 Xác suất dừng 79

3.3.2 Xác suất lỗi ký hiệu 80

3.3.3 Dung lượng Ergodic 82

3.4 Phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FD 83

3.4.1 Xây dựng thuật toán 83

3.4.2 Phân tích độ phức tạp tính toán 89

3.5 Kết quả tính toán số và thảo luận 90

3.6 Kết luận chương 3 99

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 101

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 104

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Noise

Tạp âm trắng chuẩn cộngtính

Function

Hàm phân bố tích lũy

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

DSP Digital Signal Processor Xử lý tín hiệu số

Synchro-nization

Đồng bộ giữa các ăng-ten

tầnICI Inter-Channel Interference Nhiễu xuyên kênh

iv

IoT Internet of Things Internet kết nối vạn vật

MIMO Multi-Input Multi-Output Đa đầu vào đa đầu ra

MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỉ số cực đại

Access

Đa truy nhập không trựcgiao

Modulation

Điều chế biên độ cầuphương

RSI Residual Self-Interference Nhiễu tự thân còn lại

Multi-plexing

Ghép kênh không gian

SEP Symbol Error Probability Xác suất lỗi ký hiệu

trên công suất tạp âm

SIC Self-Interference

Cancella-tion

Triệt nhiễu tự thân

SINR Signal-to-Interference plus

Noise Ratio

Tỉ số công suất tín hiệutrên công suất nhiễu cộngtạp âm

Single-Output

Đơn đầu vào, đơn đầu ra

gian

VBLAST Vertical-Bell Labs Layered

Space-Time

Mã không gian thời gianphân lớp dọc của Bell LabsWiMAX Worldwide Interoperabil-

ity for Microwave Access

Tương thích toàn cầu chotruy nhập vi ba

1.1 Hoạt động của hệ thống SM với Nt = 4, điều chế QPSK 171.2 Chòm sao tín hiệu ba chiều của SM với Nt = 4, điều chế QPSK 181.3 Các sơ đồ song công: (a) Song công phân chia theo thời gian;

(b) Song công phân chia theo tần số; (c) Bán song công; (d)

Song công trên cùng băng tần 231.4 Bố trí ăng-ten tại thiết bị FD: (a) Sử dụng ăng-ten thu phát

riêng; (b) Sử dụng ăng ten chung 231.5 Ba mô hình truyền dẫn song công cơ bản: (a) Mô hình điểm-

điểm; (b) Mô hình chuyển tiếp; (c) Mô hình mạng tế bào 28

2.1 Mô hình hệ thống IBFD-SM 382.2 Xác suất dừng hệ thống theoSNRtrung bình với số lượng ăng-

ten thu phát (Nt, Nr) khác nhau; R0 = 3 bit/s/Hz; Ω =˜ −10

dB 452.3 Ảnh hưởng của RSI đến xác suất lỗi hệ thống IBFD-SM, Nt =

2, Nr = 4 472.4 Dung lượng Ergodic của hệ thống IBFD-SM khi so sánh với hệ

thống HD-SM với các giá trị RSI khác nhau, Nt = 2, Nr = 4 482.5 Phẩm chất OP của hệ thống IBFD-SM theo SNR trung bình

khi có và không có TAS; Nr = 2, Nt = 4, S = 2, R =

2 bit/s/Hz, Ω =˜ −10 dB 62

vii

2.6 Ảnh hưởng của tốc độ truyền chuẩn hóa tới phẩm chất xác

suất dừng của hệ thống IBFD-SM khi có và không có lựa chọn

ăng-ten phát; R = 2, 3, 4 bit/s/Hz, Nr = 2, Nt = 4, S = 2,

˜

Ω =−10 dB 632.7 Ảnh hưởng của RSI đến phẩm chất xác suất dừng của hệ

thống IBFD-SM khi có và không có lựa chọn ăng-ten phát;

Nr = 2, Nt = 4, S = 2,R = 2 bit/s/Hz 642.8 So sánh thông lượng của hệ thống IBFD-SM-MIMO khi có và

không có lựa chọn ăng-ten phát theo SNR trung bình với hệ

thống HD-SM-MIMO; R = 2, 3, 5bit/s/Hz, Nr = 2, Nt = 4,

S = 2, Ω =˜ −10 dB 652.9 Xác suất lỗi ký hiệu hệ thống IBFD-SM theo SNR trung bình

sử dụng sơ đồ điều chế BPSK với Nr = 2, Nt = 4, S = 2,

˜

Ω =−10 dB 662.10 Ảnh hưởng của RSI đến phẩm chất SEP của hệ thống IBFD-

SM khi có và không có lựa chọn ăng-ten phát 682.11 Ảnh hưởng của số ăng-ten thu phát tới SEP của hệ thống

IBFD-SM trong hai trường hợp khi có và không có TAS 69

3.1 Mô hình hệ thống IBFD-SM trong mạng chuyển tiếp một chiều 763.2 Xác suất lỗi ký hiệu hệ thống IBFD-SM trong mạng chuyển

tiếp theo công suất phát tại nút nguồn,NR

r = ND

r = 4, a = 2,

b = 1, Ω =˜ −10 dB 88

3.3 Xác suất dừng hệ thống theo SNR trung bình dưới sự ảnh

hưởng của tốc độ truyền dẫn chuẩn hóa và nhiễu dư, NR

r =

ND

r = 4, Ω =˜ −10 dB 923.4 Xác suất lỗi ký hiệu hệ thống IBFD-SM trong mạng chuyển

tiếp với số ăng-ten thu khác nhau 933.5 Ảnh hưởng của RSI đến SEP của hệ thống IBFD-SM trong

mạng chuyển tiếp một chiều 943.6 Xác suất lỗi ký hiệu của hệ thống IBFD-SM trong mạng chuyển

tiếp trong trường hợp có và không có phân bổ công suất tối ưu

khi dùng điều chế BPSK, NR

r = ND

r = 2, 3, 4; Ω =˜ −10 dB,

α∗ ≈ 0.22 953.7 Ảnh hưởng của RSI đến phẩm chất lỗi ký hiệu của hệ thống

IBFD-SM trong mạng chuyển tiếp trong trường hợp có và

không có phân bổ công suất tối ưu;NR

r = ND

r = 4, α∗ ≈ 0.33( ˜Ω = 0 dB); α∗ ≈ 0.81 (˜Ω =−5 dB); α∗ ≈ 2.2 (˜Ω = −10 dB) 973.8 Dung lượng Ergodic hệ thống IBFD-SM trong mạng chuyển tiếp 98

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC

Ký hiệu Ý nghĩa

a, b Hằng số phụ thuộc sơ đồ điều chế

α Hệ số phân bổ công suất cho nút chuyển tiếp

α∗ Hệ số phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển

FX(x) Hàm phân bố tích lũy của X

γ Tỉ số SINR tức thời của tín hiệu thu

¯ Tỉ số SINR trung bình của tín hiệu thu

γe2e Tỉ số SINR tức thời từ đầu cuối-đầu cuối của hệ

thống chuyển tiếp

γth Ngưỡng SINR để xác định xác suất dừng hệ thống

h Hệ số pha đinh của kênh truyền

|h|2 Độ lợi tức thì của kênh truyền

Nt Số lượng ăng-ten phát

Nr Số lượng ăng-ten thu

x

N (0, σ2)Phân bố chuẩn trung bình bằng không, phương

sai σ2

Ω Độ lợi trung bình của kênh truyền

˜

Ω Khả năng SIC của thiết bị FD

P Công suất trung bình của tín hiệu

P∗

R Công suất phát tối ưu của nút chuyển tiếp R để

cực tiểu hóa SEP

Pout Xác suất dừng hệ thống

Q (·) Hàm Gauss

R0 Tốc độ truyền dẫn chuẩn hóa của hệ thống

R Tốc độ dữ liệu đạt được nhờ sơ đồ điều chế

S Số lượng ăng-ten được lựa chọn

σ2 Phương sai tạp âm tại máy thu

y Véc-tơ tín hiệu thu

z Véc-tơ tạp âm AWGN tại máy thu

MỞ ĐẦU

1 Bối cảnh nghiên cứu

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông đang trong giaiđoạn phát triển bùng nổ về công nghệ vô tuyến nhằm đáp ứng nhu cầu ngàycàng cao của người sử dụng, đặc biệt là nhu cầu về truyền thông tốc độ caotrên kênh vô tuyến Với truyền thông vô tuyến, một trong các thách thức lớnnhất là vấn đề truyền lan sóng đa đường, trong đó tín hiệu phát sẽ lan truyềntheo các cơ chế phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ và đến máy thu tại cùng một thờiđiểm với góc pha biến đổi ngẫu nhiên, làm cho tín hiệu thu được biến thiênlúc mạnh, lúc yếu Hiện tượng này được gọi là pha-đinh đa đường, và kênhtruyền được gọi là kênh pha-đinh với các hệ số kênh truyền biến thiên theothời gian Dưới tác động của pha-đinh, phẩm chất lỗi bit của hệ thống có thể

bị suy giảm nghiêm trọng

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng lên về truyền thông đa phương tiệntốc độ cao trên kênh vô tuyến pha-đinh, kỹ thuật truyền dẫn đa đầu vào-đađầu ra (Multiple-Input Multiple-Output - MIMO) là một giải pháp hiệu quả

và đã được áp dụng trong nhiều chuẩn thông tin vô tuyến hiện đại như IEEE802.11, WiMAX, hệ thống di động 4G LTE (Long Term Evolution) [1] Trongcác hệ thống thông tin MIMO, cả máy phát và máy thu đều được trang bịnhiều ăng-ten Theo lý thuyết được chứng minh bởi Foschini và Telatar [2],dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính theo số lượng ăng-ten, nhờ đó cho

1

phép truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn nhiều lần so với các hệ thống đơnăng-ten truyền thống Nhiều hệ thống MIMO đã được thiết kế để đạt được

độ lợi phân tập hoặc độ lợi ghép kênh, thậm chí cả hai

Để khai thác độ lợi ghép kênh, hệ thống ghép kênh phân chia theo khônggian, mà điển hình là hệ thống không gian thời gian phân lớp dọc của BellLabs (Vertical-Bell Labs Layered Space Time - VBLAST) [3], thực hiện chianhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp và phátsong song đồng thời qua các ăng-ten phát, nhờ đó làm tăng dung lượng kênhtruyền mà không cần mở rộng dải tần và không cần thông tin trạng tháikênh truyền (Channel State Information - CSI) tại máy phát Tuy nhiên, vìphát dữ liệu song song đồng thời trên nhiều ăng-ten tại cùng một tần sốnên phía phát yêu cầu đồng bộ nghiêm ngặt giữa các ăng-ten phát (Inter-Antenna Synchronization - IAS) còn phía thu xảy ra hiện tượng nhiễu xuyênkênh (Inter-Channel Interference - ICI), làm phẩm chất hệ thống giảm đáng

kể [4]

Khác với ghép kênh không gian, mã không gian-thời gian khai thác tối đa

độ lợi phân tập để cải thiện chất lượng hệ thống MIMO bằng cách gửi cácbản sao tín hiệu theo thời gian và không gian [5] Trong các loại mã đã được

đề xuất thì mã khối không gian-thời gian trực giao (Orthogonal Space-TimeBlock Code - OSTBC) [6] được chú ý hơn cả do có cấu trúc thiết kế đơn giảntại máy phát và có độ phức tạp giải mã thấp tại máy thu Tuy nhiên, đaphần mã không gian-thời gian bị giới hạn về tốc độ mã hóa khi so sánh với

kỹ thuật ghép kênh không gian, hoặc thỏa mãn tốc độ mã hóa thì lại có độphức tạp giải mã lớn [7]

Gần đây, một kỹ thuật truyền dẫn MIMO đặc biệt có tên gọi điều chế

M-PSK hoặc M-QAM) Như vậy, trong hệ thống SM, thông tin không chỉđược truyền tải đi bởi ký hiệu điều chế mà còn cả bởi chỉ số của ăng-ten đượckích hoạt, nhờ đó hiệu quả phổ của hệ thống SM được nâng cao so với các

hệ thống đơn ăng-ten Bên cạnh đó, do chỉ sử dụng một ăng-ten, và tươngứng là một chuỗi tần số vô tuyến (Radio Frequency - RF), được kích hoạttại một thời điểm nên hệ thống SM hoàn toàn tránh được yêu cầu về ICI vàIAS của các hệ thống MIMO trước đó, trong khi máy thu chỉ cần sử dụngcác bộ tách tín hiệu hợp lẽ cực đại (Maximum Likelihood - ML) độ phức tạpthấp Vì thế SM được coi là sơ đồ truyền dẫn MIMO hiệu quả về mặt nănglượng và có độ phức tạp thấp Với những ưu thế đó, SM là sơ đồ truyền dẫnnhiều triển vọng và phù hợp để triển khai cho các hệ thống MIMO yêu cầu

độ phức tạp thấp

Bên cạnh đó, trong kỷ nguyên Internet kết nối vạn vật (Internet of Things

- IoT) ngày nay, nhu cầu của người sử dụng không chỉ dừng lại ở liên lạcthoại hay trao đổi dữ liệu mà còn trong tất cả các hoạt động hàng ngày nhưđiều khiển thiết bị, ô tô không người lái, xây dựng nhà thông minh, thànhphố thông minh Số lượng người dùng tăng nhanh với nhu cầu trao đổi dữliệu tốc độ ngày càng lớn trong khi tài nguyên phổ tần hạn chế Theo dựkiến, năm 2020, mạng 5G sẽ được triển khai trên toàn cầu với hơn 50 tỉ thiết

bị được kết nối, cần đảm bảo dung lượng cao gấp 1000 lần so với mạng 4G

hiện nay [10, 11] Vì vậy, tìm ra các biện pháp để nâng cao dung lượng vàhiệu quả sử dụng phổ tần vô tuyến đã trở thành đòi hỏi bức thiết đối với cácnhà nghiên cứu, thiết kế mạng vô tuyến.

Nhiều giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất nghiên cứu và thử nghiệm nhưtruyền thông ở dải sóng mi-li-mét (millimeter Wave - mmWave), MIMO cỡlớn (massive MIMO), đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal MultipleAccess - NOMA), truyền thông song công trên cùng băng tần (In-Band Full-Duplex - IBFD hoặc Full-Duplex - FD) Trong những kỹ thuật này, truyềnthông IBFD nổi lên như là một giải pháp hứa hẹn cho mạng vô tuyến 5G vàthế hệ tiếp theo Ý tưởng của truyền thông song công là thiết bị FD có thểthu, phát trên cùng một tần số và tại cùng một thời điểm, nhờ đó có khảnăng tăng gấp đôi dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ tần Tuy nhiên, cơchế truyền thông song công sẽ gây ra nhiễu tự thân (Self Interference - SI)công suất cao xuất phát từ ăng-ten phát lọt vào tuyến thu của chính thiết

bị FD đó Để đạt được dung lượng gấp đôi như mong đợi so với mạng vôtuyến truyền thống bán song công (Half-Duplex - HD), truyền thông IBFDcần thực hiện tốt việc triệt nhiễu tự thân (Self-Interference Cancellation -SIC) Đây là trở ngại lớn nhất của kỹ thuật này

2 Các công trình nghiên cứu liên quan

Gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật xử lý tín hiệu

số, nhiều kỹ thuật SIC tiên tiến đã được nghiên cứu cho thiết bị FD Quanghiên cứu và thử nghiệm, thiết bị FD có thể triệt nhiễu được tới 110 dB, từ

đó làm giảm đáng kể SI [12–17], giúp triệt nhiễu SI xuống mức có thể chấpnhận được ở máy thu Nhờ vậy, ý tưởng về truyền thông song công có thểđược triển khai trong các hệ thống thực tế

Ngoài ưu thế về hiệu quả phổ, truyền dẫn IBFD còn có nhiều ưu điểmkhác như [18, 19]: giảm trễ phản hồi (feedback delay), giảm trễ truyền dẫn(end-to-end delay), tăng cường khả năng bảo mật mạng vô tuyến, linh hoạttrong sử dụng phổ tần, tăng thông lượng hệ thống (system throughput) Nhưvậy, IBFD là một công nghệ hứa hẹn, cho phép tăng gấp đôi dung lượng lýthuyết của hệ thống truyền thông vô tuyến, đáp ứng tốt yêu cầu cho 5G vàthế hệ mạng vô tuyến tiếp theo Đồng thời, kỹ thuật này có thể được sử dụngrộng khắp khi kết hợp cùng với những kỹ thuật khác Từ đó cho thấy, nghiêncứu lý thuyết về truyền thông IBFD là nội dung quan trọng, cập nhật kịpthời sự phát triển của ngành viễn thông cũng như kỹ thuật xử lý tín hiệutrên thế giới

Gần đây, nhiều công trình nghiên cứu đã thực hiện kết hợp truyền dẫnIBFD vào hệ thống SM để tận dụng ưu điểm của hai sơ đồ truyền dẫnnày [20–23] Trong [20], hệ thống IBFD-SM được đề xuất với cấu hình ăng-ten MIMO 2× 2, trong đó công thức biểu diễn gần đúng của xác suất dừng(Outage Probability - OP) và dung lượng Ergodic đã được tìm ra và so sánhvới hệ thống HD-SM và IBFD truyền thống Tác giả trong [21] đã nghiên cứuphẩm chất của hệ thống IBFD-SM trên kênh pha đinh Rayleigh và xác địnhđược công thức tính đường bao trên (upper bound ) cho xác suất lỗi bit trungbình (Average Bit Error Probability - ABEP) cho hệ thống đề xuất khi cóảnh hưởng của nhiễu tự thân còn lại (Residual Self Interference - RSI) Kếtquả phân tích lý thuyết và mô phỏng cho thấy hệ thống đề xuất đạt phẩmchất tốt hơn so với hệ thống HD-SM truyền thống Trong công trình [22],phẩm chất của hệ thống IBFD-SM đã được nghiên cứu và tìm ra công thứcbiểu diễn đường bao trên cho tỉ lệ lỗi bit (Bit Error Rate - BER) cho cả hai

trường hợp điều chế khóa dịch pha (Phase Shift Keying - PSK) và điều chếbiên độ cầu phương (Quadrature Amplitude Modulation - QAM) khi có thôngtin trạng thái kênh không hoàn hảo Tác giả trong [23] đã đề xuất và nghiêncứu máy thu IBFD được hỗ trợ bởi sơ đồ SM bảo mật (secure SM ), trong đóvấn đề bảo mật được tăng cường bằng cách gửi đi tín hiệu nhiễu từ một máythu IBFD hợp pháp khác Các tín hiệu gây nhiễu này được thiết kế để chophép máy thu hợp pháp không còn nhiễu SI nữa, trong khi gây nhiễu biếnđổi thời gian cho các máy thu trộm.

Bên cạnh đó, để tăng cường độ tin cậy thông tin, mở rộng vùng phủ sóng,mạng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật IBFD-SM đã được nghiên cứu trong nhiềutài liệu [24–28] Tác giả trong [24] đã xem xét hệ thống kết hợp IBFD-SMtrong kênh chuyển tiếp hai chiều, trong đó tìm ra đường bao trên của biểuthức xác suất lỗi bit trung bình cũng như ngưỡng SNR chính xác để lựa chọnchế độ FD/HD phù hợp với hệ thống này Phẩm chất hệ thống SM với nútchuyển tiếp FD hai chiều đã được đánh giá trong [26] khi có tồn tại kết nốitrực tiếp từ nút nguồn đến nút đích, trong đó đã xác định được công thứcbiểu diễn xác xuất lỗi ký hiệu trung bình (Average Symbol Error Probability

- ASEP) dưới tác động của nhiễu dư Như vậy, các công trình trên đã chothấy IBFD-SM là hệ thống có hiệu quả phổ cao và độ phức tạp thấp, tuynhiên phải chịu thiệt hại về mặt phẩm chất do tác động của nhiễu dư gây bởiSIC không hoàn hảo tại máy thu gây nên Trong [28] các tác giả đã xác địnhđược đường bao trên và dưới cho biểu thức xác suất dừng của mạng chuyểntiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật IBFD-SM ở tất cả các nút qua kênh ghéptầng (cascaded ) α, µ Ảnh hưởng của RSI, kỹ thuật mã hóa mạng (NetworkCoding - NC) và số lượng ăng-ten thu phát đã được khảo sát cho mô hình

này Tương tự như kết quả ở [28], các tác giả ở [25] đã khảo sát mạng chuyểntiếp IBFD-SM hai chiều có thực hiện kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến(Energy Harvesting - EH) tại nút chuyển tiếp, xác định được đường bao trêncho biểu thức tỉ lệ lỗi bit đối với cả trường hợp FD và HD

3 Vấn đề nghiên cứu của Luận án

Có thể thấy rằng, những nghiên cứu về hệ thống IBFD-SM đã đạt đượcnhiều kết quả quan trọng Tuy nhiên, việc khai thác tiềm năng của kỹ thuậtnày vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu thêm, cụ thể như sau:

• Mặc dù phẩm chất của hệ thống SM và mạng chuyển tiếp

IBFD-SM đã được quan tâm đánh giá thông qua nhiều công trình tiên phongnhư đã phân tích ở trên, tuy nhiên, các kết quả công bố trước đây mớidừng lại ở việc tìm được biểu thức về phẩm chất hệ thống ở dạng biểuthức tiệm cận hoặc thực hiện đánh giá phẩm chất bằng kết quả mô phỏngthông qua kết quả trung bình thống kê Điều này dẫn đến hạn chế về sựhiểu biết chính xác hoạt động của hệ thống trong các điều kiện đầy đủ

• Để cải thiện phẩm chất hệ thống, một giải pháp đơn giản và hiệu quả cóthể được áp dụng là kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (Transmit AntennaSelection - TAS) Các công trình [29–31] đã chứng minh được rằng hệthống SM có áp dụng TAS sẽ đạt được phẩm chất tốt hơn so với khikhông áp dụng TAS Kỹ thuật lựa chọn ăng-ten cũng đã được nghiêncứu áp dụng cho hệ thống IBFD-MIMO trong các công trình [32–34],kết quả cho thấy phẩm chất của hệ thống IBFD-MIMO có thể cải thiệnđáng kể khi có lựa chọn ăng-ten thu phát Tuy nhiên, theo hiểu biết củatác giả, chưa có công trình nào nghiên cứu về hệ thống IBFD-SM khi có

áp dụng TAS.

• Để giảm thiểu ảnh hưởng của RSI trong mạng chuyển tiếp song công,giải pháp phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp là một giải pháphiệu quả Nhiều tài liệu đã nghiên cứu việc phân bổ công suất tối ưu chomạng IBFD chuyển tiếp [35–38] Tuy nhiên, việc tìm ra thuật toán phân

bổ công suất tối ưu cho mạng chuyển tiếp song công sử dụng kỹ thuật

SM vẫn còn thách thức và là bài toán mở cần được tiếp tục nghiên cứu

Từ việc khảo sát, đánh giá kết quả nghiên cứu của nhiều công trình đã đềcập ở trên, tác giả thấy rằng việc nghiên cứu và phát triển lý thuyết cho hệthống IBFD-SM và mạng chuyển tiếp IBFD-SM vẫn cần tiếp tục được triểnkhai trong giai đoạn hiện nay, đặc biệt là trong bối cảnh truyền thông FDđang là vấn đề nghiên cứu có ý nghĩa thời sự và có nhiều tiềm năng được triểnkhai trong tương lai Trên cơ sở phân tích này, tác giả đã lựa chọn vấn đề

"Nghiên cứu, phân tích phẩm chất hệ thống IBFD-SM ứng dụnglựa chọn ăng-ten phát và chuyển tiếp vô tuyến" làm chủ đề nghiêncứu chính của luận án

4 Mục tiêu nghiên cứu của Luận án

Trong Luận án này, tác giả đặt mục tiêu nghiên cứu và đánh giá phẩm chất

hệ thống IBFD-SM để giải quyết các vấn đề vẫn còn thách thức, góp phầnđóng góp cho sự hiểu biết đầy đủ về hoạt động của hệ thống này Để thựchiện được mục tiêu này, Luận án hướng tới phát triển một khung toán họccho phép đánh giá các tham số phẩm chất quan trọng của hệ thống IBFD-SMnhư xác suất dừng, dung lượng kênh Ergodic, xác suất lỗi bằng phương pháptính toán số thông qua các biểu thức toán học tường minh Khung toán học

được phát triển cho các hệ thống IBFD-SM mở rộng với kỹ thuật lựa chọnăng-ten phát và sử dụng chuyển tiếp vô tuyến nhằm đạt được cải thiện vềphẩm chất hệ thống Kết quả nghiên cứu của Luận án sẽ bổ sung thêm lýthuyết mới về hệ thống IBFD-SM, đóng góp thêm hiểu biết trong việc nghiêncứu, phát triển và triển khai hệ thống IBFD-SM nói riêng và hệ thống IBFDnói chung trong thực tế

5 Phương pháp nghiên cứu của Luận án

Phương pháp nghiên cứu sử dụng trong Luận án là kết hợp giải tích với

mô phỏng Monte-Carlo trên máy tính, cụ thể:

• Phương pháp giải tích được sử dụng để thiết lập phương trình hệ thống,

từ đó tìm ra các công thức tường minh để xác định xác suất dừng, xácsuất lỗi ký hiệu, dung lượng Ergodic của các hệ thống xem xét;

• Mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để khảo sát đưa ra minh chứngbằng đồ thị các tham số đánh giá phẩm chất hệ thống Các kết quả môphỏng được so sánh để kiểm chứng cho kết quả tính toán giải tích

6 Đóng góp của luận án

Một số đóng góp chính của luận án có thể được tóm tắt như sau:

1 Luận án phân tích và đánh giá phẩm chất hệ thống IBFD-SM trongtrường hợp liên lạc điểm-điểm (point-to-point) Với nội dung này, Luận

án có hai đóng góp chính như sau:

• Tìm ra biểu thức tường minh về xác suất dừng (OP), xác suất lỗi kýhiệu (Symbol Error Probability - SEP) và dung lượng trung bình (Er-godic capacity) của hệ thống IBFD-SM trên kênh pha-đinh Rayleigh

Trên cơ sở các biểu thức giải tích tường minh, luận án đánh giá phẩmchất hệ thống IBFD-SM và so sánh với hệ thống HD-SM Kết quảcho thấy, khi RSI có thể được triệt tiêu đến mức đủ nhỏ, hệ thốngIBFD-SM cho phẩm chất tương đương hệ thống HD-SM trong khidung lượng đạt được gần gấp đôi Ngược lại, khi RSI lớn, phẩm chất

hệ thống IBFD-SM giảm so với hệ thống HD-SM trong khi dunglượng vẫn cao hơn tùy thuộc vào giá trị cụ thể của RSI và tỉ số tínhiệu trên tạp âm

• Đề xuất sử dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (TAS) để nâng caophẩm chất cho hệ thống IBFD-SM, từ đó nghiên cứu phẩm chất của

hệ thống IBFD-SM-TAS dưới tác động của RSI gây bởi SIC khônghoàn hảo tại hai máy thu phát đầu cuối và tìm ra biểu thức tườngminh của xác suất dừng và xác suất lỗi ký hiệu Phẩm chất hệ thốngtrong trường hợp này được so sánh với trường hợp không áp dụngTAS để thấy rõ được ưu điểm của kết quả đề xuất Ngoài ra, phẩmchất hệ thống khảo sát cũng được so sánh với hệ thống HD-SM truyềnthống Kết quả cho thấy phẩm chất OP vàSEP của hệ thống IBFD-SM-TAS không những tốt hơn đáng kể so với trường hợp hệ thốngIBFD-SM không sử dụng TAS mà còn tốt hơn nhiều so với hệ thốngHD-SM không sử dụng TAS Ngoài ra, ảnh hưởng của RSI, số lượngăng-ten thu phát đến phẩm chất hệ thống cũng được phân tích Vớiviệc sử dụng TAS trong hệ thống IBFD-SM có thể giảm được ảnhhưởng của RSI, do đó hệ thống khảo sát có thể được hiện thực hóatrong tương lai gần

2 Luận án phân tích và đánh giá phẩm chất hệ thống IBFD-SM trongmạng vô tuyến giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF) mộtchiều Với nội dung này, Luận án có hai đóng góp sau:

• Thông qua phương pháp giải tích, phẩm chất và dung lượng hệ thốngIBFD-SM vô tuyến chuyển tiếp đã được phân tích đầy đủ có xét đếnảnh hưởng của số lượng ăng-ten thu và mức độ RSI khi so sánhvới hệ thống chuyển tiếp HD-SM Kết quả cho thấy, khi nhiễu dư

˜

Ω < −10 dB thì hệ thống IBFD-SM vô tuyến chuyển tiếp luôn chodung lượng cao hơn hệ thống chuyển tiếp HD-SM với phẩm chấtthấp hơn không đáng kể ở vùng tỉ số tín hiệu trên tạp âm (Signal toNoise Ratio - SNR) thấp Tuy nhiên, khi nhiễu dư lớn, chẳng hạn

˜

Ω = 0 dB, dung lượng hệ thống IBFD-SM vô tuyến chuyển tiếp chỉcao hơn không đáng kể so với hệ thống chuyển tiếp HD-SM ở vùng

SNR rất thấp, trong khi phẩm chất bị ảnh hưởng rất lớn

• Đề xuất thuật toán để tính toán công suất phát tối ưu cho nút chuyểntiếp FD, từ đó phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống IBFD-SM vôtuyến chuyển tiếp Thuật toán đề xuất này giúp cải thiện đáng kểphẩm chất SEP của hệ thống, đặc biệt là ở vùng SNR thấp Từ biểuthức SEP nhận được, ta có thể đánh giá ảnh hưởng của số lượngăng-ten thu/phát cũng như ảnh hưởng của RSI đến phẩm chất hệthống trong trường hợp có và không có phân bổ công suất tối ưu.Thuật toán tối ưu giúp giảm thời gian tính toán, nâng cao đáng kểphẩm chất hệ thống Từ đó, hệ thống có thể được ứng dụng trongtruyền thông V2V, mạng Hetnets và các hệ thống IoT tương lai

1, bao gồm nguyên lý truyền thông song công, ưu nhược điểm và một số

mô hình truyền thông song công Cuối cùng là một số tham số để phântích phẩm chất hệ thống, làm cơ sở cho những chương tiếp theo

• Chương 2: PHÂN TÍCH PHẨM CHẤT HỆ THỐNG IBFD-SM TRONGTRƯỜNG HỢP LIÊN LẠC ĐIỂM - ĐIỂM

Chương này khảo sát mô hình hệ thống IBFD-SM và phân tích giải tíchphẩm chất cũng như dung lượng hệ thống khi có sự tác động của RSI doSIC không hoàn hảo tại máy thu, đồng thời so sánh với hệ thống HD-SMtruyền thống Để nâng cao phẩm chất hệ thống, Luận án đề xuất sửdụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát cho hệ thống IBFD-SM nhằm giảmthiểu ảnh hưởng của RSI đến phẩm chất hệ thống Kết quả nghiên cứucho thấy áp dụng sơ đồ TAS cho hệ thống IBFD-SM giúp cải thiện hiệuquả phổ trong khi vẫn đảm bảo phẩm chất hệ thống tốt hơn so với hệthống HD-SM khi không TAS

• Chương 3: PHÂN TÍCH PHẨM CHẤT HỆ THỐNG IBFD-SM TRONGMẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP

Chương này khảo sát mô hình hệ thống IBFD-SM trong mạng vô tuyếnchuyển tiếp trong đó cả hai nút nguồn và nút chuyển tiếp đều sử dụng

kỹ thuật IBFD và SM, từ đó phân tích giải tích phẩm chất hệ thống khi

có tác động của RSI do SIC không hoàn hảo tại nút chuyển tiếp FD.Ngoài việc đưa ra biểu thức giải tích chính xác cho OP và SEP, Luận

án còn đề xuất thuật toán phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp

để nâng cao phẩm chất hệ thống

1.1 Tổng quan về điều chế không gian

Để đáp ứng nhu cầu về truyền thông đa phương tiện tốc độ cao trên kênh

vô tuyến, các hệ thống truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO) với nhiềuăng-ten được trang bị ở máy phát và máy thu là giải pháp hiệu quả và đãđược ứng dụng trong các chuẩn vô tuyến hiện đại như 3GPP LTE, IEEE802.11n, IEEE 802.16e Bằng cách sử dụng các ma trận truyền dẫn/mã trướcphù hợp, các hệ thống MIMO có thể đạt được độ lợi ghép kênh, độ lợi phântập hoặc độ lợi ăng-ten Nhờ đó, các hệ thống MIMO đạt được tốc độ truyềndẫn cao với chất lượng hệ thống được cải thiện Tuy nhiên, việc triển khai hệthống MIMO gặp phải một số hạn chế về chi phí cũng như độ phức tạp [39],

cụ thể là do:

• Nhiễu liên kênh (ICI) xảy ra do sử dụng đồng thời nhiều ăng-ten đểtruyền tin;

• Yêu cầu nghiêm ngặt về đồng bộ giữa các ăng-ten (IAS) ở phía phát để

có thể khai thác lợi ích của mã hóa không gian-thời gian và truyền dẫnMIMO đa người dùng;

• Cần nhiều chuỗi tần số vô tuyến (RF chain) ở phía phát (tương ứng với

số ăng-ten phát) để có thể phát đi nhiều luồng dữ liệu đồng thời Việctriển khai nhiều chuỗi RF dẫn đến gia tăng chi phí triển khai cũng như

14

năng lượng tiêu thụ của hệ thống MIMO

Ngoài ra, hệ thống MIMO rất khó triển khai cho thông tin di động do cần

bố trí nhiều ăng-ten thu trên một thiết bị cầm tay nhỏ gọn bị giới hạn về kíchthước và trọng lượng Đây chính là những rào cản khi triển khai hệ thốngMIMO trong thực tế Vì vậy, việc thiết kế sơ đồ truyền dẫn mới khai thácđược các ưu điểm của hệ thống MIMO đồng thời khắc phục được những ràocản trên đã thu hút được nhiều sự quan tâm nghiên cứu Trong bối cảnh đó,Mesleh và cộng sự [8] đã đề xuất kỹ thuật điều chế không gian (SM) để giảiquyết các vấn đề của hệ thống MIMO Kỹ thuật SM được phát triển với mụctiêu giảm chi phí và độ phức tạp của hệ thống MIMO mà vẫn đảm bảo chấtlượng hoạt động của hệ thống cũng như có tốc độ truyền dẫn cao Bên cạnh

đó, kỹ thuật SM còn cho phép thiết kế máy thu phát có độ phức tạp thấpcũng như hiệu quả phổ tần cao nhờ sơ đồ điều chế và mã hóa đơn giản nhưsau:

• Tại mỗi thời điểm chỉ một ăng-ten phát được kích hoạt để truyền dữ liệu

Do đó, kỹ thuật SM cho phép loại bỏ hoàn toàn hiện tượng ICI tại máythu cũng như không cần IAS tại phía phát Việc thiết kế và triển khaimáy phát SM trở nên dễ dàng vì chỉ cần sử dụng một chuỗi RF [40].Ngoài ra, kỹ thuật SM cho phép thực hiện tách tín hiệu ML tối ưu tạimáy thu với độ phức tạp thấp [41]

• Vị trí không gian của mỗi ăng-ten phát trong mảng ăng-ten được sử dụngnhư một thành phần mang tin thông qua việc ánh xạ một-một giữa cácbit thông tin cần truyền đi với chỉ số của các ăng-ten phát Vì vậy, kỹthuật SM cho phép đạt được độ lợi ghép kênh theo không gian so với hệ

thống đơn ăng-ten truyền thống Nhờ đó, dù chỉ kích hoạt một ăng-tentại mỗi chu kỳ tín hiệu, SM vẫn có thể đạt được hiệu quả truyền dẫncao.

Qua hai đặc điểm nổi bật nêu trên có thể coi SM là một kỹ thuật truyềndẫn lớp vật lý mới, về cơ bản là sự kết hợp trong một cấu trúc đơn nhất baogồm điều chế số, mã hóa và việc sử dụng đa ăng-ten nhằm đạt được tốc độ

dữ liệu cao và độ phức tạp thấp trong quá trình triển khai thực hiện Dướiđây sẽ trình bày tổng quan về nguyên lý thực hiện điều chế không gian, đưa

ra khái niệm chòm sao tín hiệu ba chiều của điều chế không gian và phântích các ưu-nhược điểm chính của điều chế không gian

1.1.1 Nguyên lý thực hiện điều chế không gian

Ý tưởng cơ bản của điều chế không gian là ánh xạ một khối bit thông tinlên hai thành phần mang tin sau:

• Một symbol tín hiệu được lấy từ một biểu đồ chòm sao tín hiệu phức

khoảng thời gian này; ii) nhóm bit thứ hai có độ dài log2(M ) bit được dùng

để lựa chọn một ký hiệu từ biểu đồ chòm sao tín hiệu Hình 1.1 mô tả hoạtđộng của hệ thống SM với số ăng-ten phát Nt = 4, số ăng-ten thu Nr = 4

và sử dụng điều chế QPSK Máy phát xử lý dữ liệu theo từng cụm, mỗi cụmgồm 4bit Hai bit đầu dùng để kích hoạt ăng-ten phát và hai bit sau dùng đểchọn ký hiệu phát từ chòm sao QPSK Ví dụ với 4 bit dữ liệu "1101", hai bit

"11" đầu tiên dùng để kích hoạt ăng-ten phát thứ tư trong 4 ăng-ten phát,còn hai bit sau "01" được ánh xạ lên chòm sao điều chế QPSK để tạo ký hiệuphát Cuối cùng, ký hiệu điều chế QPSK được phát đi từ ăng-ten phát thứ

tư Như vậy, thông tin được truyền đi bao gồm thông tin không gian và thôngtin tín hiệu được thể hiện thành một chòm sao tín hiệu ba chiều Hình 1.2minh họa cụ thể về chòm sao tín hiệu ba chiều của SM trong ví dụ trên

Điều chế không gian

4

H

Máy thu Máy phát

Cụm bit

11 00 11 01 00 10

Hình 1.1: Hoạt động của hệ thống SM với N t = 4, điều chế QPSK.

Tín hiệu phát trên ăng-ten được kích hoạt sau đó được đưa lên kênh truyền

Do được truyền đi từ mỗi ăng-ten có vị trí không gian khác nhau, tín hiệu

Thực

Ăng-ten 1

(00)

Chòm sao tín hiệu cho ăng-ten 2

Chòm sao tín hiệu cho ăng-ten 1

Chòm sao tín hiệu cho ăng-ten 4

Hình 1.2: Chòm sao tín hiệu ba chiều của SM với N t = 4, điều chế QPSK.

sẽ chịu ảnh hưởng bởi một điều kiện kênh truyền khác nhau từ máy phát tớimáy thu Hơn nữa, chỉ có một ăng-ten phát được kích hoạt tại chu kỳ tín hiệubất kỳ, các ăng-ten khác hoàn toàn không hoạt động Từ đặc điểm kỹ thuậtnày có thể thấy rằng kênh truyền đóng vai trò như một thành phần mang tin.Cùng một tín hiệu, nhưng được truyền đi từ mỗi ăng-ten khác nhau tại phíaphát thì phía thu sẽ thu được những tín hiệu khác nhau và từ đó xác địnhđược tín hiệu nào đã được phát đi trên ăng-ten nào Nếu như kênh truyền

vô tuyến từ mỗi ăng-ten phát đến ăng-ten thu không thật sự khác biệt thìviệc sử dụng kỹ thuật SM sẽ khó thực hiện được do phía máy thu nhận đượcnhững tín hiệu tương tự nhau và có thể không phân biệt được tín hiệu đãđược phát đi từ ăng-ten nào Như vậy, hệ thống SM phù hợp với môi trườngpha-đinh giàu tán xạ, do các kênh truyền sẽ trở nên độc lập

Tại phía thu, máy thu SM lợi dụng đặc tính điều chế ngẫu nhiên tạo ra bởikênh truyền vô tuyến để tách tín hiệu Hình 1.1 biểu diễn một máy thu SM

sử dụng bộ tách tín hiệu ML trong trường hợp máy thu biết đầy đủ thông tin

về CSI của kênh truyền [42] Để tách được tín hiệu, máy thu cần biết trước

độ lợi (gain) của tất cả các kênh truyền thành phần từ máy phát đến máythu (xác định qua ước lượng kênh) Cụ thể trong Hình 1.1, do Nt = 4 và

Nr = 4, máy thu cần ước lượng được độ lợi của 16 kênh truyền thành phầngiữa các ăng-ten phát và ăng-ten thu Một cách tổng quát, máy thu cần ướclượng được NtNr kênh truyền Theo nguyên lý tách tín hiệu ML, máy thu sẽtính toán khoảng cách Euclid giữa tín hiệu thu được với tập hợp tín hiệu cóthể đã được gửi qua kênh truyền vô tuyến, và thực hiện quyết định tín hiệucho khoảng cách Euclid ngắn nhất là tín hiệu đã được truyền đi Nói cáchkhác, máy thu cần tính M NtNr khoảng cách Euclid để xác định được tínhiệu phát Bằng cách này, tất cả các bit trong nhóm bit đã được truyền đi sẽđược giải điều chế và khôi phục lại chính xác tại máy thu [42]

Tóm lại, nguyên lý hoạt động của SM dựa trên cơ sở thực tế sau:

• Tín hiệu phát đi được điều chế một cách hoàn toàn tự nhiên bởi môitrường vô tuyến

• Mỗi liên kết vô tuyến từ một ăng-ten phát tới một ăng-ten thu là mộtkênh truyền khác nhau

• Máy thu sử dụng thông tin về kênh truyền đã được biết trước để giảiđiều chế tín hiệu

1.1.2 Ưu, nhược điểm của điều chế không gian

So với các sơ đồ truyền dẫn MIMO khác, SM có các ưu và nhược điểm sau:

Ưu điểm:

• Thông lượng truyền dẫn cao Nhờ sử dụng chòm sao tín hiệu ba chiều(có thêm chòm sao không gian) để truyền thông tin, nên hiệu quả phổtần của hệ thống truyền dẫn SM-MIMO cao hơn so với hệ thống đơnăng-ten và hệ thống mã khối không gian-thời gian (Space-Time BlockCode - STBC) [41]

• Thiết kế máy thu phát đơn giản Trong hệ thống SM-MIMO, do chỉ cómột ăng-ten phát được kích hoạt tại một thời điểm để truyền dữ liệu nênmáy phát không cần IAS và chỉ cần sử dụng một chuỗi RF Do đó, việcthiết kế máy phát trở nên đơn giản hơn với chi phí thấp hơn [43] Mặtkhác, do không bị ảnh hưởng bởi ICI nên ở phía thu chỉ cần bộ tách tínhiệu ML có độ phức tạp thấp để khôi phục dữ liệu phát [44]

• Hiệu quả về mặt năng lượng Do hệ thống SM-MIMO chỉ sử dụng mộtchuỗi RF nên lượng điện năng tiêu thụ sẽ giảm và không phụ thuộc vào

số lượng ăng-ten được triển khai Kết quả là hệ thống SM-MIMO đượclợi hơn về hiệu quả năng lượng

• Số lượng ăng-ten thu linh hoạt Hệ thống SM-MIMO vẫn có thể hoạtđộng hiệu quả khi số lượng ăng-ten thu nhỏ hơn số lượng ăng-ten phát,

vì mục đích triển khai nhiều ăng-ten tại máy thu chỉ là để đạt được độlợi phân tập thu Về mặt nguyên lý, để triển khai mô hình SM chỉ cầnmột ăng-ten thu, do đó SM phù hợp với truyền dẫn đường xuống trongthông tin di động, trong đó thiết bị cầm tay có yêu cầu nhỏ gọn, độ phứctạp thấp

Nhược điểm:

• Hiệu quả phổ bị giới hạn So với hệ thống MIMO ghép kênh không gian

có hiệu quả phổ tăng tuyến tính theo số lượng ăng-ten phát, hiệu quảphổ của hệ thống SM-MIMO chỉ tăng theo hàm lô-ga-rít của số lượngăng-ten phát Điều này có nghĩa là để đạt cùng hiệu quả phổ như với

hệ thống ghép kênh không gian, hệ thống SM-MIMO sẽ cần triển khainhiều ăng-ten hơn rất nhiều lần, dẫn đến khó khăn khi triển khai trongthực tế

• Yêu cầu môi trường truyền giàu tán xạ Hiệu quả hoạt động của hệthống truyền dẫn SM-MIMO phụ thuộc rất nhiều vào môi trường truyền

vô tuyến, yêu cầu đáp ứng xung kênh của các kết nối từ phía phát đếnphía thu phải có sự khác biệt đủ lớn Vì SM sử dụng chòm sao khônggian để truyền tin, nếu các kênh này càng khác nhau thì càng dễ phânbiệt các điểm tín hiệu trên chòm sao không gian này, giúp cải thiện chấtlượng của hệ thống SM-MIMO

• Không có phân tập phát chỉ có phân tập thu Do tại một thời điểm chỉ

có một ăng-ten được kích hoạt để phát tín hiệu nên hệ thống SM-MIMOkhông đạt được độ lợi phân tập phát Vì vậy, SM-MIMO phải dựa vàoviệc triển khai nhiều phần tử ăng-ten thu để chống lại ảnh hưởng củakênh pha đinh

• Ước lượng kênh phức tạp Để khôi phục thành công dữ liệu phát, máy thuSM-MIMO cần phải biết được thông tin đầy đủ về kênh truyền Trongkhi đó, do SM chỉ sử dụng một chuỗi RF để phát tín hiệu nên ước lượngkênh phải được thực hiện lần lượt, dẫn tới gia tăng độ phức tạp cũng

như chiều dài chuỗi huấn luyện khi thực hiện ước lượng kênh.

Những ưu, nhược điểm của SM vừa nêu trên cho thấy SM là một kỹ thuậttruyền dẫn có nhiều ưu điểm nổi bật, có triển vọng và thích hợp để triển khaicho các hệ thống MIMO yêu cầu độ phức tạp thấp

1.2 Tổng quan về truyền thông song công trên cùng băng tần

Ngày nay, trong kỷ nguyên bùng nổ về nhu cầu lưu lượng dữ liệu, 5G vàcác hệ thống vô tuyến tương lai khác cần đảm bảo cho người dùng truy cậpcác dịch vụ với tốc độ dữ liệu cao hơn đáng kể so với các hệ thống hiện tạivới phổ tần hạn chế Nhu cầu tốc độ dữ liệu cao này đặt ra đòi hỏi bức thiếtvới các nhà nghiên cứu, thiết kế mạng vô tuyến phải tìm cách nâng cao hiệuquả sử dụng phổ tần vô tuyến Trong số các giải pháp kỹ thuật đang đượcnghiên cứu và thử nghiệm hiện nay, truyền thông song công trên cùng băngtần (từ đây luận án sẽ gọi tắt là song công hay FD hay IBFD) đang nhậnđược nhiều sự chú ý vì khả năng tăng gấp đôi hiệu quả phổ mà không cần

mở rộng băng tần

1.2.1 Nguyên lý truyền thông song công

Với hầu hết các hệ thống truyền thông hiện nay, các máy thu phát đềuhoạt động ở chế độ song công phân chia theo thời gian (thu/phát trên cùngtần số nhưng khác khe thời gian) như biểu diễn trên Hình 1.3(a), hoặc songcông phân chia theo tần số (thu/phát đồng thời nhưng khác băng tần) nhưHình 1.3(b), hoặc bán song công như Hình 1.3(c) Truyền thông song côngcho phép các thiết bị đầu cuối vô tuyến thu và phát đồng thời trên cùng mộtbăng tần như Hình 1.3(d), nhờ đó có khả năng tăng gấp đôi hiệu quả phổ

con-• in the time domain: time division duplexing (TDD), as in Figure 16.1(a)

• in the frequency domain: frequency division duplexing (FDD), as in Figure 16.1(b)

• in both: half-duplex FDD as in Figure 16.1(c).

The term “full-duplex” (FD) was traditionally used when the device had simultaneous tional communication, in contrast to half-duplex” (HD), which assumed time-division duplex- ing Previously, use of the term full-duplex assumed utilizing a pair of frequencies to transmit and receive simultaneously However, in recent years the term has carried a new concept: the device can transmit and receive at the same time and over the same frequency, as Figure 16.1(d) depicts Many papers use the term “in-band full duplex” (IBFD) to clarify this new concept [1, 2]; however, most refer to it by an abbreviated version: “full duplex”, which we will adopt

bidirec-in this chapter as well.

It is intuitive that enabling wireless devices to use full-duplex offers the potential to double the spectral efficiency (bit/second/Hz), considering that traditional approaches for increasing spectral efficiency, such as adaptive coding and modulation, multiple-input, multiple-output (MIMO) and smart antennas have almost reached their maximum limits An additional advan- tage of full duplex is the improvement it provides to the reliability and flexibility of dynamic spectrum allocation in wireless systems, such as cognitive radio networks, either with in-band full duplex or partial band-overlap FDD systems This will provide cheaper unpaired spectrum, which is traditionally allocated for TDD operations, and also simplify spectrum management.

Furthermore, full-duplex technology will enable the small cells in 5G to reuse radio resources simultaneously for access and backhaul In addition, full duplex can be a potential solution for other wireless problems, which are expected to be solved in next generation systems:

Nút 2 Nút 1

f1

X X X

f1

Nút 2 Nút 1

f1

(a)

(b)

Nút 2 Nút 1

f1

(c)

f2

Nút 2 Nút 1

f1

X X X X X X

Hình 1.3: Các sơ đồ song công: (a) Song công phân chia theo thời gian; (b) Song công

phân chia theo tần số; (c) Bán song công; (d) Song công trên cùng băng tần.

Tx

Rx

Thiết bị FD

to completely cancel out the SI signal This is of course the worst case; generally the differencebetween transmitted power and the receiver noise floor is between 90–110 dB It is important

to mention that these cancellation values cannot be achieved by one technique of cancellation,

so hybrid methods are used in order to meet the cancellation requirement

Figure 16.2 depicts the two cases of antenna setup in wireless communication transceiver:

the first uses two separated antenna, one for transmission and another for reception, whilethe second uses one shared antenna for transmission and reception, with a circulator used

to separate the signals In both cases the SI signal consists of two components: the first iscaused by the direct path/circulator leakage (and we may add here the mismatch between thetransmission-line impedance and the antenna’s input impedance), while the other component iscaused by reflection paths The direct and reflected paths of the SI channel may be considered

as Rician and Rayleigh channels respectively [7]

Another classification of self-interference is presented in work by Bharadia et al [8], which

lists the components as follows:

Linear Components

This corresponds to the carrier itself, which is attenuated and reflected from the environment

The received distortion can be written as a linear combination of different delayed copies ofthe original carrier

Non-linear Components

These higher-order signal terms have significant frequency content at frequencies close to thetransmitted frequencies, which directly correspond to all the other harmonics [8]

Transmitter Noise

Transmitter noise is also referred to as broadband noise [9] It appears as an increase – about

50 dB above receiver noise floor [8] – in the base signal level on the sides of the carrier at the

Vật tán

SI phản xạ

SI trực tiếp

Tín hiệu mong muốn

SI trực tiếp

Vật tán

xạ gần

circulator

Hình 1.4: Bố trí ăng-ten tại thiết bị FD: (a) Sử dụng ăng-ten thu phát riêng; (b) Sử

dụng ăng ten chung.

Để thực hiện thu và phát tín hiệu đồng thời, thiết bị FD có thể sử dụngcấu hình ăng-ten riêng hoặc sử dụng một ăng ten chung kết hợp với một bộlọc ngăn cách thu phát (circulator 1) để phân chia đường đi cho tín hiệu phát

và thu như biểu diễn trên Hình 1.4 Từ hình vẽ ta thấy, khi thiết bị FD đồngthời thu phát trên cùng một tần số thì một phần tín hiệu phát sẽ lọt đượcvào tuyến thu và tự gây nhiễu cho máy thu của chính nó, nhiễu này được gọi

1 Bộ circulator trong trường hợp này chính là bộ lọc duplexer ngăn cách thu phát Tham khảo thêm http://www.tscm.com/circulat.pdf để phân biệt circulator và duplexer.

là nhiễu tự thân (SI) Nhiễu SI này gồm hai thành phần: SI trực tiếp (truyềnthẳng từ ăng-ten phát đến ăng-ten thu trong trường hợp sử dụng ăng-tenriêng, hoặc là phần tín hiệu phát bị rò rỉ qua bộ circulator lọt vào tuyến thutrong trường hợp sử dụng ăng-ten chung) và SI phản xạ (từ máy phát đếncác vật phản xạ, tán xạ trong môi trường xung quanh rồi quay ngược trở lạimáy thu) Do khoảng cách giữa ăng-ten thu và ăng-ten phát trong cùng mộtthiết bị FD thường nhỏ hơn rất nhiều so với cự ly liên lạc của một tuyến, nênnhiễu SI sẽ mạnh hơn rất nhiều so với tín hiệu thu mong muốn Vì vậy việcgiải mã tín hiệu thu là vô cùng khó khăn nếu không áp dụng các kỹ thuậttriệt nhiễu Như vậy, các giải pháp nhằm triệt nhiễu SI (SIC) sẽ đóng vai trò

vô cùng quan trọng để đảm bảo cho hệ thống IBFD có thể hoạt động được,

và khả năng SIC của thiết bị FD sẽ quyết định đến chất lượng liên lạc củatruyền thông song công

Gần đây, với sự phát triển của công nghệ điện tử và xử lý tín hiệu số,nhiều kỹ thuật SIC tiên tiến đã được đề xuất trong các công trình nghiêncứu như [46–49] Nhìn chung, các kỹ thuật SIC cho truyền dẫn IBFD đượcthực hiện trên ba miền: miền truyền sóng, miền tương tự và miền số [17,50,51].Giải pháp triệt nhiễu trên miền truyền sóng (nhằm loại bỏ SI trước khi

nó đi vào mạch của chuỗi RF thu) liên quan đến các phương pháp ngăn cáchtín hiệu phát đi vào tuyến thu như sử dụng 2 ăng-ten thu phát riêng biệtđặt cách xa nhau, đặt các tấm chắn hấp thụ tín hiệu RF giữa ăng-ten phát

và thu [45, 52, 53]; sử dụng phân cực sóng khác nhau cho tín hiệu thu vàphát [45, 48]; sử dụng ăng-ten thu phát có độ định hướng cao [48, 54] Cácnghiên cứu thử nghiệm trong [51] đã cho thấy khi sử dụng kết hợp các giảipháp này, nhiễu SI có thể được khử tới 74 dB trong môi trường ít phản xạ

và tới 46 dB trong môi trường giàu tia phản xạ

Để tiếp tục triệt nhiễu SI thì cần sử dụng thêm các giải pháp triệt nhiễutrên miền tương tự (nhằm khử SI trong phần mạch tương tự của chuỗi RF)

và triệt nhiễu miền số (nhằm khử SI trong phần mạch số bằng cách sử dụngcác kỹ thuật xử lý tín hiệu số hiện đại cho tín hiệu thu) Các giải pháp triệtnhiễu trình bày ở [17] cho thấy có thể đạt được thêm 45 dB triệt nhiễu trênmiền tương tự và 50 dB trên miền số

Cần chú ý rằng, không một kỹ thuật SIC đơn lẻ nào đủ hiệu quả để đápứng yêu cầu triệt nhiễu SI xuống mức chấp nhận được ở máy thu, vì thế trongcác công trình nghiên cứu tiên phong về truyền thông IBFD đều đề xuất giảipháp sử dụng đồng thời kỹ thuật SIC trên cả ba miền này để đảm bảo hiệuquả triệt nhiễu cho thiết bị FD, đưa nhiễu SI xuống mức có thể chấp nhậnđược ở máy thu Nhờ đó, ý tưởng về truyền thông IBFD có thể hiện thực hóatrong các hệ thống thực tế

1.2.2 Ưu, nhược điểm của truyền thông song công

Từ những phân tích ở trên, ta có thể thấy truyền thông song công có những

ưu, nhược điểm sau:

Ưu điểm:

• Tăng gấp đôi dung lượng Việc sử dụng chung tài nguyên thời gian vàtần số cho thu và phát về mặt lý thuyết có thể giúp hệ thống song côngtăng gấp đôi dung lượng so với các sơ đồ bán song công khác [17, 46]

• Giảm trễ hồi tiếp Do máy thu có thể thu được tín hiệu báo hiệu hồi tiếp(ví dụ như thông tin điều khiển, thông tin trạng thái kênh, xác nhậnACK/NACK, thông tin liên quan đến phân bổ tài nguyên ) ngay trong