Nghiên cứu đánh giá và nâng cao phẩm chất hệ thống vô tuyến chuyển tiếp song công trên cùng băng tần

Trong những kỹthuật này, truyền thông FD nổi lên là một giải pháp hứa hẹn cho mạng vôtuyến 5G và thế hệ tiếp theo bởi khả năng tăng gấp đôi dung lượng và hiệuquả sử dụng phổ tần do thiết

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN BÁ CAO

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ NÂNG CAO PHẨM CHẤT HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP SONG CÔNG TRÊN CÙNG BĂNG TẦN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2020

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

NGUYỄN BÁ CAO

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ NÂNG CAO PHẨM CHẤT HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP SONG CÔNG TRÊN CÙNG BĂNG TẦN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

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 15 tháng 5 năm 2020

Tác giả

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, tác giả đã nhận được

sự hỗ trợ, giúp đỡ cũng như quan tâm, động viên từ nhiều cơ quan, tổ chức

và cá nhân

Trước tiên, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể cán

bộ hướng dẫn GS TS Trần Xuân Nam và TS Trần Đình Tấn Các thầy

đã dẫn đường, chỉ lối cho nghiên cứu sinh trên con đường tiếp thu, lĩnh hội vàphát triển các tri thức khoa học Đồng thời tạo cho nghiên cứu sinh phươngpháp làm việc, tác phong công tác chuẩn mực để hoàn thiện bản thân.Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các Thầy trong Ban chủ nhiệm Khoa

Vô tuyến điện tử và tập thể Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Thông tin đã luônquan tâm, tạo điều kiện, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình học tậpcũng như trong cuộc sống

Tiếp theo, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học, Họcviện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Thông tin liên lạc và Binh chủngThông tin đã luôn tạo điều kiện, giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành đượcluận án này

Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè

và đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn trong cuộc sống

để nghiên cứu sinh đạt được những kết quả như hôm nay

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC HÌNH VẼ vii

DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN SONG CÔNG TRÊN CÙNG BĂNG TẦN 13

1.1 Tổng quan về truyền dẫn song công trên cùng băng tần 13

1.2 Một số mô hình thu phát FD 17

1.2.1 Cấu trúc chuyển tiếp 17

1.2.2 Cấu trúc hai chiều 18

1.2.3 Cấu trúc trạm gốc 19

1.3 Các biện pháp triệt nhiễu trong hệ thống FD 20

1.3.1 Triệt nhiễu miền truyền sóng 22

1.3.2 Triệt nhiễu miền tương tự 24

1.3.3 Triệt nhiễu miền số 27

1.4 Kỹ thuật chuyển tiếp 29

1.5 Các tham số phân tích phẩm chất hệ thống 32

1.5.1 Xác suất dừng hệ thống 33

i

1.5.2 Thông lượng hệ thống 33

1.5.3 Xác suất lỗi ký hiệu 34

1.6 Kết luận chương 1 35

Chương 2 ĐÁNH GIÁ, NÂNG CAO PHẨM CHẤT MẠNG CHUYỂN TIẾP FDR VỚI PHẦN CỨNG LÝ TƯỞNG 36

2.1 Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR một chiều trong trường hợp có đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích 37

2.1.1 Động lực nghiên cứu 37

2.1.2 Mô hình hệ thống 40

2.1.3 Phân tích phẩm chất hệ thống 44

2.1.4 Lựa chọn công suất tối ưu cho truyền thông FD 46

2.1.5 Kết quả tính toán số và thảo luận 49

2.1.6 Kết luận vấn đề nghiên cứu 2.1 56

2.2 Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR một chiều trong trường hợp không có đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích 57

2.2.1 Động lực nghiên cứu 57

2.2.2 Mô hình hệ thống 60

2.2.3 Phân tích phẩm chất hệ thống 62

2.2.4 Kết quả tính toán số và thảo luận 63

2.2.5 Kết luận vấn đề nghiên cứu 2.2 70

2.3 Kết luận chương 2 70

Chương 3 ĐÁNH GIÁ, NÂNG CAO PHẨM CHẤT MẠNG CHUYỂN

TIẾP FDR VỚI PHẦN CỨNG KHÔNG LÝ TƯỞNG 72

3.1 Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp AF-FDR một chiều trong trường hợp có HI và RSI 72

3.1.1 Động lực nghiên cứu 72

3.1.2 Mô hình hệ thống 75

3.1.3 Phân tích phẩm chất hệ thống 79

3.1.4 Phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống AF-FDR một chiều 81

3.1.5 Kết quả tính toán số và thảo luận 81

3.1.6 Kết luận vấn đề nghiên cứu 3.1 88

3.2 Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp AF-FDR hai chiều trong trường hợp có HI và RSI 89

3.2.1 Động lực nghiên cứu 89

3.2.2 Mô hình hệ thống 91

3.2.3 Phân tích phẩm chất hệ thống 93

3.2.4 Phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống AF-FDR hai chiều 96

3.2.5 Kết quả tính toán số và thảo luận 97

3.2.6 Kết luận vấn đề nghiên cứu 3.2 103

3.3 Kết luận chương 3 103

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI 105

PHỤ LỤC 108

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 123

Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt

AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếpAWGN Additive White Gaussian

Noise

Tạp âm trắng chuẩn cộngtính

BER Bit Error Ratio Tỉ lệ lỗi bit

CDF Cumulative Distribution

Function

Hàm phân phối tích lũy

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh

truyền

DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếpDSP Digital Signal Processor Chíp xử lý tín hiệu số

EH Energy Harvesting Thu thập năng lượng

trên cùng băng tầnFDR Full-Duplex Relay Chuyển tiếp song công trên

cùng băng tầnIBFD In-Band Full-Duplex Truyền thông song công

trên cùng băng tần

iv

IEEE Institute of Electrical and

Electronics Engineers

Viện kỹ nghệ Điện và Điệntử

HPA High Power Amplifier Khuếch đại công suất cao

HI Hardware Impairments Lỗi phần cứng

LNA Low Noise Amplifier Khuếch đại tạp âm thấpLOS Light of Sight Tia trực tiếp

MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi

trườngMIMO Multi-Input Multi-Output Đa đầu vào đa đầu raMRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỉ số cực đạiNOMA Non-Orthogonal Multiple

tion

Hàm mật độ xác suất

RSI Residual Self-Interference Nhiễu tự giao thoa còn sót

lạiSDR Software-Defined Radio Vô tuyến cấu hình bằng

phần mềmSER Symbol Error Ratio Tỉ lệ lỗi ký hiệu

SEP Symbol Error Probability Xác suất lỗi ký hiệu

SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số công suất tín hiệu

trên công suất tạp âm

SI Self-Interference Nhiễu tự giao thoa

SIC Self-Interference

Cancella-tion

Triệt nhiễu tự giao thoa

SINR Signal-to-Interference plus

Noise Ratio

Tỉ số công suất tín hiệutrên công suất nhiễu cộngtạp âm

SINDR Signal-to-Interference plus

Noise and Distortion Ratio

Tỉ số công suất tín hiệutrên công suất nhiễu cộngtạp âm và méo dạng

SISO Single - Input Single -

Out-put

Đơn đầu vào, đơn đầu ra

TWRN Two-Way Relay Network Mạng chuyển tiếp hai chiềuV2V Vehicle-to-Vehicle Xe tới xe

Wi-Fi Wireless Fidelity Công nghệ mạng cục bộ

không dây

1.1 Mô hình thiết bị FD sử dụng ăng-ten thu phát riêng 141.2 Mô hình thiết bị FD sử dụng ăng-ten thu phát chung 141.3 Mô hình hệ thống song công FD liên lạc điểm - điểm 151.4 Tín hiệu thu tại một nút FD khi chưa áp dụng kỹ thuật SIC 161.5 Ba ví dụ về cấu trúc hệ thống FD 181.6 Cấu trúc một thiết bị đầu cuối FD với ăng-ten thu phát riêng 201.7 Bố trí ăng-ten trong triệt nhiễu miền truyền sóng 221.8 Triệt nhiễu miền số trong chuyển tiếp FD một chiều 281.9 Triệt nhiễu miền số trong FD hai chiều 282.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp AF-FDR khi có đường trực tiếp 412.2 Xác suất dừng hệ thống khảo sát với hệ số khuếch đại thay đổi

theo công suất phát nút chuyển tiếp, Ω3 = 0.01 482.3 Xác suất dừng hệ thống hợp tác AF-FDR với hệ số khuếch đại

cố định theo sự thay đổi SNR, Ω3 = 0.1 502.4 Xác suất dừng hệ thống hợp tác AF-FDR với hệ số khuếch đại

thay đổi khi Ω3 = 0.1 502.5 OP hệ thống AF-FDR sử dụng Gf theo SNR trung bình với

những giá trị khác nhau của RSI, PR = PS 52

vii

2.6 OP hệ thống AF-FDR sử dụng Gv theo SNR trung bình khi

sử dụng và không sử dụng công suất tối ưu Giá trị công suất

tối ưu được xác định theo biểu thức (2.22) trong Định lý 2.3 522.7 Thông lượng hệ thống AF-FDR theo SNR trung bình với

những giá trị khác nhau của RSI, R = 2, Ω3 = 0.01 532.8 SEP của hệ thống AF-FDR khi nút chuyển tiếp sử dụng Gf,

Gv theo SNR trung bình tại nút chuyển tiếp 542.9 SEP của hệ thống khảo sát theo SNR trung bình với SNR =

PS/σ2

R Công suất phát tại nút chuyển tiếp được cố định với

PR/σ2

D = 25 dB 562.10 Mô hình hệ thống truyền thông FD-V2V 612.11 Xác suất dừng của hệ thống truyền thông FD-V2V theo SNR

với ϑ = 2, Ω =˜ −30 dB, và R = 1 bit/s/Hz 642.12 Ảnh hưởng của hệ số suy hao đường truyền đến xác suất dừng

hệ thống FD-V2V với Ω =˜ −30 dB; R = 1 bit/s/Hz 652.13 Xác suất dừng hệ thống truyền thông FD-V2V dưới sự ảnh

hưởng của RSI trong trường hợp dSR = dRD = 1 và ϑ = 2 662.14 Thông lượng mạng của hệ thống khảo sát FD-V2V theo SNR

trung bình với những tốc độ truyền dẫn khác nhau Ω =˜

−30 dB, dSR = dRD = 1, ϑ = 2 672.15 Xác suất lỗi ký hiệu SEP của hệ thống FD-V2V theo SNR

trung bình, sử dụng điều chế BPSK và 4QAM Ω =˜ −30 dB,

dSR = dRD = 1, ϑ = 2 68

2.16 Phẩm chấtSEPcủa hệ thống truyền thông FD-V2V theoSNR

trung bình với những giá trị khác nhau của công suất phát tại

nút chuyển tiếp dSR = dRD = 1, ϑ = 2, Ω =˜ −30 dB 693.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp FDR một chiều với phần cứng

không lý tưởng 773.2 Phẩm chất OP của hệ thống khảo sát trong sự so sánh với hệ

thống lý tưởng theoSNR trung bình với hai mức ngưỡng khảo

sát x = 3 và x = 31; k1 = kR = 0.1; Ω˜R = −30 dB 823.3 Phẩm chất OP hệ thống AF-FDR theo SNR khi sử dụng và

không sử dụng công suất tối ưu với x = 3 và x = 31; k1 =

kR = 0.1; Ω˜R = −30 dB 833.4 Phẩm chất OP của hệ thống không lý tưởng theo hệ số méo

dạng k sử dụng và không sử dụng công suất tối ưu; SNR =

40 dB, Ω˜R = −30 dB, R = 2, 3, 4, 5 bit/s/Hz 843.5 Phẩm chất OP của hệ thống khảo sát theo cả hệ số méo dạng

và RSI khi sử dụng phân bổ công suất tối ưu; SNR = 40 dB,

R = 1 bit/s/Hz 853.6 Thông lượng hệ thống theo SNR trung bình sử dụng phân bổ

công suất tối ưu tại nút chuyển tiếp với R = 2, 4, 5 bit/s/Hz;

k1 = kR = 0.1; Ω˜R = −30 dB 863.7 Xác suất lỗi ký hiệu SEP của hệ thống không lý tưởng theo

SNR trung bình khi sử dụng và không sử dụng phân bổ công

suất tối ưu với những giá trị khác nhau của RSI,Ω˜R = −10, −30 dB; k1 =

kR = 0.1 87

3.8 Mô hình hệ thống chuyển tiếp AF-FDR hai chiều với phần

cứng không lý tưởng 913.9 OP tại S2 của hệ thống khi sử dụng và không sử dụng phân

bổ công suất tối ưu 983.10 OP tại S2 theo hệ số phân bổ công suất 993.11 Ảnh hưởng của phần cứng không lý tưởng đến OP hệ thống 1003.12 Tác động đồng thời của hệ số méo dạng và RSI đến phẩm chất

OP hệ thống khi SNR cố định 1003.13 Thông lượng hệ thống không lý tưởng trong sự so sánh với hệ

thống lý tưởng theo tỉ số tín/tạp trung bình 1013.14 Xác suất lỗi ký hiệu tại S2 theo SNR 102

FX(x) Hàm phân phối tích lũy của X

G Hệ số khuếch đại tại R (Gf cho hệ số khuếch đại

cố định và Gv cho hệ số khuếch đại thay đổi)

h Hệ số pha-đinh của đường truyền (hSR, hRD, hSD

và ˜hRR lần lượt cho các đường truyền S–R, R–D,S–D và từ ăng-ten phát đến ăng-ten thu của R

|h|2 Độ lợi tức thì của kênh truyền (|hSR|2, |hRD|2 và

|hSD|2 tương ứng cho các kênh truyền S–R, R–D

và S–D)

IR Nhiễu tự giao thoa còn sót lại tại R

K0(·) Hàm Bessel sửa đổi bậc 0 loại 2

K1(·) Hàm Bessel sửa đổi bậc 1 loại 2

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

sai σ2

xi

Ω Độ lợi trung bình của kênh truyền (Ω1 =

E{|hSR|2}, Ω2 = E{|hRD|2}, Ω3 = E{|hSD|2})

˜

Ω Khả năng SIC của thiết bị FD

P Công suất trung bình của tín hiệu (PS tại S và PR

y Tín hiệu thu (yR tại R và yD tại D)

z Tạp âm AWGN tại máy thu (zR tại R và zD tại

D)

σ2

RSI Phương sai nhiễu tự giao thoa còn sót lại tại R

σ2 Phương sai tạp âm tại máy thu (σ2

R tại R và σ2

D

tại D)

Công nghiệp viễn thông đang trong giai đoạn bùng nổ về công nghệ vôtuyến, tạo nên sự ra đời và phát triển nhanh chóng của các thiết bị Internetkết nối vạn vật (IoT: Internet of Things) Đồng thời, các thiết bị vô tuyếnđược nâng cấp cả phần cứng và phần mềm, đáp ứng nhu cầu ngày càng caocủa người sử dụng không chỉ trong liên lạc thoại, dữ liệu mà trong tất cả cáchoạt động hàng ngày như điều khiển thiết bị, nhà thông minh, xe hơi hiệnđại Số lượng người dùng tăng nhanh, nhu cầu trao đổi dữ liệu lớn trong khitài nguyên phổ tần hạn chế đòi hỏi các nhà nghiên cứu, thiết kế mạng vôtuyến tìm cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần.

Từ mô hình kênh đơn đầu vào, đơn đầu ra (SISO: Input Output), đến kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDM:Orthogonal Frequency Division Multiplexing), và phân tập theo không gian

Single-đa đầu vào, Single-đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) đã đượcnghiên cứu, áp dụng để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần Hiện nay, mạngthông tin vô tuyến thế hệ thứ 5 (5G: Fifth Generation) đang được triển khai

và áp dụng tại một số nước phát triển như Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ Dựkiến năm 2020, mạng 5G sẽ được triển khai trên toàn cầu với hơn 50 tỉ thiết

bị được kết nối, trung bình hơn 6 thiết bị trên một người [1,2] Sự kết nối vàtrao đổi dữ liệu của các thiết bị vô tuyến không chỉ để giao tiếp giữa ngườivới người, mà còn trong nhiều hệ thống và các nhiệm vụ khác như cảm biến,

1

ô tô không người lái, lĩnh vực y tế, Từ đó cung cấp một loạt các dịch vụtiên tiến như nhà, thành phố thông minh, xe tự động, bảo mật tiên tiến Đểđảm bảo sự kết nối dày đặc cho số lượng rất lớn thiết bị vô tuyến này, mạng

vô tuyến tương lai cần có dung lượng lớn hơn rất nhiều so với thế hệ hiện tại.Theo ước tính, mạng 5G cần cung cấp dung lượng cao hơn 1000 lần so vớimạng tế bào hiện nay [3,4] Mặt khác, sau thế hệ thứ 5 là mạng 6G, dự kiến

sẽ phát triển thành thương mại năm 2026 [5] với yêu cầu dung lượng cao hơnnữa Vì vậy, áp dụng các biện pháp để nâng cao dung lượng và hiệu quả sửdụng phổ tần trở nên bức thiết hơn bao giờ hết

Nhiều giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất nghiên cứu và thử nghiệm nhưtruyền thông ở tần số ứng với bước sóng cỡ mi-li-mét (mmWave: millimeterwave), MIMO cỡ lớn (massive MIMO), đa truy nhập không trực giao (NOMA:Non-Orthogonal Multiple Access), truyền thông song công trên cùng băng tần(IBFD: In-Band Full-Duplex hoặc FD: Full-Duplex) [4–6] Trong những kỹthuật này, truyền thông FD nổi lên là một giải pháp hứa hẹn cho mạng vôtuyến 5G và thế hệ tiếp theo bởi khả năng tăng gấp đôi dung lượng và hiệuquả sử dụng phổ tần do thiết bị FD có thể thu, phát trên cùng một tần số

và tại cùng một thời điểm Tuy nhiên, để đạt được dung lượng gấp đôi so vớimạng vô tuyến truyền thống (HD: Half-Duplex), truyền thông FD cần thựchiện tốt việc triệt nhiễu tự giao thoa (SIC: Self-Interference Cancellation) gâynên từ mạch phát đến mạch thu trên cùng một thiết bị Đây là trở ngại lớnnhất của kỹ thuật này [6–8]

Gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, công nghệ chế tạo ăng-ten

đã có những bước tiến nhảy vọt, đồng thời các chíp xử lý tín hiệu số (DSP:Digital Signal Processor) được tích hợp với mật độ cực cao, hoạt động chính

xác và hiệu quả tạo nên các mạch SIC chất lượng cao cho thiết bị FD Quanghiên cứu và thử nghiệm, thiết bị FD có thể SIC được lên tới 110 dB, từ

đó làm giảm đáng kể nhiễu tự giao thoa (SI: Self-Interference) [8–13], giúp

hệ thống FD hoạt động với dung lượng cao hơn nhiều so với hệ thống HDnhưng phẩm chất bị suy hao không đáng kể

Mặt khác, truyền thông FD không chỉ dừng lại ở ưu điểm tăng gấp đôidung lượng lý thuyết, mà nó còn nhiều ưu điểm khác như [6, 14]: giảm thờigian trễ cho thông tin phản hồi (feedback delay), giảm trễ truyền dẫn (end-to-end delay), tăng cường khả năng bảo mật mạng vô tuyến, nâng cao tính hiệuquả của mạng tùy biến không dây (ad hoc network), linh hoạt trong sử dụngphổ tần, tăng thông lượng hệ thống (system throughput), tránh xung đột(collision avoidance), giải quyết vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn (hidden terminalproblem), giảm tắc nghẽn thông qua giao thức điều khiển truy nhập môitrường (MAC: Medium Access Control)

Bên cạnh những ưu điểm trên, việc sử dụng thiết bị vô tuyến hoạt động

ở chế độ FD cũng có những nhược điểm nhất định, chẳng hạn như [6, 14]:nhiễu tự giao thoa còn sót lại (RSI: Residual Self-Interference) do triệt nhiễukhông hoàn hảo làm giảm phẩm chất hệ thống, tỉ lệ mất gói tin cao hơn sovới truyền thông HD, yêu cầu kích cỡ bộ đệm lớn, tăng nhiễu giữa các ngườidùng, tăng độ phức tạp thiết bị và công suất tiêu thụ Những nhược điểm nàycho thấy không phải lúc nào hệ thống FD cũng nổi trội hơn hệ thống HD, dovậy nhiều nghiên cứu đã lựa chọn thích ứng chế độ hoạt động FD/HD nhằmnâng cao phẩm chất và dung lượng hệ thống vô tuyến [15–17]

Ngoài ra, một trong những kỹ thuật hứa hẹn cho mạng 5G đó là kỹ thuậtchuyển tiếp (relay) [18] nhằm tăng cường độ tin cậy, vùng phủ sóng cho mạng

vô tuyến Để hạn chế nhược điểm, khai thác ưu điểm của truyền thông FD,đồng thời giảm trễ truyền dẫn cho mạng chuyển tiếp, nhiều nghiên cứu đã

sử dụng thiết bị FD ở nút chuyển tiếp (FDR: Full-Duplex Relay) cho mạng

vô tuyến [18] Không chỉ sử dụng FDR cho mạng chuyển tiếp một chiều,

mà FDR còn được sử dụng cho mạng chuyển tiếp hai chiều nhằm nâng caotốc độ truyền dẫn, trao đổi dữ liệu giữa 2 thiết bị đầu cuối Đồng thời, việc

sử dụng bộ đệm (Buffer-Aided), giao thức ảo mức độ khung (Frame-LevelVirtual Scheme) cũng được đề xuất cho mạng FDR [18] Trên cơ sở đó, cácphương pháp sử dụng ăng-ten, các kỹ thuật SIC cũng như những ưu nhượcđiểm của mô hình FDR đã được phân tích và đánh giá trong sự so sánh với

kỹ thuật truyền thống (HDR: Half-Duplex Relay) Thông qua kết quả nghiêncứu [18], nhóm tác giả đã xem xét toàn diện khi khảo sát mô hình FDR chođầy đủ các ứng dụng như: ăng-ten riêng biệt (Separate-Antenna), ăng-tenthu/phát chung (Shared-antenna); trạm chuyển tiếp sử dụng giao thức giải

mã và chuyển tiếp (DF: Decode-and-Forward), khuếch đại và chuyển tiếp (AF:Amplify-and-Forward) hay nén và chuyển tiếp (CF: Compress-and-Forward);trạm chuyển tiếp SISO và trạm chuyển tiếp MIMO

Với những ưu điểm nổi trội của kỹ thuật FD so với kỹ thuật HD truyềnthống, truyền thông FD được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống khácnhau, chẳng hạn như: thu thập năng lượng (EH: Energy Harvesting), massiveMIMO, mạng tế bào nhỏ (small cell), mmWave, trong quân sự, truyền thôngthiết bị-thiết bị (D2D: Device-to-Device), mạng chuyển tiếp, mạng cục bộ(localization network), vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), truyềnthông hợp tác (Cooperative communications), hệ thống vận tải thông minh(ITS: Intelligent Transportation Systems), [6]

Như vậy, kỹ thuật FD là một công nghệ hứa hẹn, trong điều kiện lý tưởng,truyền thông FD cho phép tăng gấp đôi dung lượng lý thuyết của hệ thống

vô tuyến, đáp ứng tốt yêu cầu cho 5G và thế hệ mạng vô tuyến tiếp theo.Đồng thời, kỹ thuật này có thể được sử dụng rộng khắp trong sự kết hợp vớinhững kỹ thuật khác Từ đó cho thấy, nghiên cứu lý thuyết về truyền thông

FD là nội dung quan trọng, cập nhật kịp thời sự phát triển của ngành viễnthông cũng như kỹ thuật xử lý tín hiệu trên thế giới

Gần đây, những nghiên cứu và thử nghiệm về kết quả SIC cho hệ thống

FD đã chứng minh tính khả thi của truyền thông FD [8, 12, 13, 19–24] Trên

cơ sở đó, nhiều nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật FD vào các hệ thống vôtuyến để phân tích, đánh giá hệ thống, đồng thời tìm biện pháp nâng caochất lượng hệ thống Trong đó, mạng chuyển tiếp FDR được phân tích kháđầy đủ thông qua đánh giá phẩm chất và dung lượng hệ thống bằng các biểuthức lý thuyết về xác suất dừng (OP: Outage Probability), xác suất lỗi kýhiệu (SEP: Symbol Error Probability) và dung lượng trung bình (ErgodicCapacity) [25–32] Mặt khác, các biện pháp nhằm cải thiện phẩm chất hệthống được áp dụng như phân bổ công suất tối ưu [29,31,33], lựa chọn ăng-ten [34], lựa chọn nút chuyển tiếp [27,35]

Có thể thấy rằng, những nghiên cứu về mạng vô tuyến sử dụng kỹ thuật

FD đã đạt được nhiều kết quả quan trọng Tuy nhiên, do kỹ thuật FD có thểđược áp dụng rộng rãi, trong nhiều hệ thống và lĩnh vực khác nhau nên việckhai thác tiềm năng của kỹ thuật này vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếptục nghiên cứu và phát triển Cụ thể như sau:

• Nghiên cứu về mạng chuyển tiếp FDR một chiều trong kịch bản truyền

thông hợp tác (khi có đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích)còn nhiều thiếu sót Do sự phức tạp tính toán nên hầu hết các kết quảnghiên cứu về truyền thông hợp tác FDR chưa tìm ra được biểu thứctường minh cho phân tích phẩm chất hệ thống như OP, SEP Vì thế,không thể đề xuất phân bổ công suất tối ưu nhằm nâng cao phẩm chất

hệ thống Mặt khác, những nghiên cứu về hệ thống FDR hợp tác sử dụnggiao thức AF đều khảo sát cho hệ số khuếch đại thay đổi mà chưa cónghiên cứu cho trường hợp hệ số khuếch đại cố định

• Ứng dụng của mạng chuyển tiếp FDR trong truyền thông V2V vẫn cònhạn chế Mặc dù những nghiên cứu về hệ thống kết hợp FD-V2V đãđược thực hiện trong các công trình [36–38], tuy nhiên những kết quảnày chỉ tập trung vào những ứng dụng về an toàn và thiết kế giao thứcMAC [36], thiết kế mảng ăng-ten cho FD-V2V [37] và phân tích về tổngbậc tự do (sum degrees of freedom) mà chưa đưa ra được biểu thức chínhxác cho đánh giá hệ thống như OP, SEP

• Phần cứng và phần mềm là hai yếu tố bắt buộc cho một thiết bị vôtuyến để thiết bị đó hoạt động và thực hiện được các chức năng đã định.Tuy nhiên các nghiên cứu về mạng chuyển tiếp FDR một chiều và haichiều hầu hết chỉ tập trung vào các thuật toán và xử lý tín hiệu, bỏ quavai trò của phần cứng Tức là những nghiên cứu này đã xem xét phầncứng hệ thống là lý tưởng (Ideal Hardwares) và hoạt động đúng chứcnăng định sẵn Trong thực tế, phần cứng hệ thống chịu ảnh hưởng củanhiều yếu tố như tạp pha bộ dao động, mất cân bằng trong điều chế,tính phi tuyến ở bộ khuếch đại công suất cao ở phía phát (HPA: High

Power Amplifier) và bộ khuếch đại tạp âm thấp ở phía thu (LNA: LowNoise Amplifier), [39,40] từ đó làm giảm phẩm chất hệ thống.

Xuất phát từ những thảo luận trên, ta thấy rằng việc nghiên cứu và pháttriển lý thuyết cho mạng chuyển tiếp FDR cần tiếp tục được triển khai tronggiai đoạn hiện nay, đặc biệt là trong bối cảnh truyền thông FD đang là vấn

đề có ý nghĩa thời sự và sẽ được áp dụng cho hệ thống vô tuyến tương lai Do

đó đề tài “Nghiên cứu đánh giá và nâng cao phẩm chất hệ thống vôtuyến chuyển tiếp song công trên cùng băng tần” mang tính cấp thiết,

có ý nghĩa khoa học cao và phù hợp với xu thế thời đại Kết quả nghiên cứu

sẽ bổ sung thêm lý thuyết mới về kỹ thuật FD và những ứng dụng của nó.Đồng thời, đó là tài liệu tham khảo quan trọng trong việc nghiên cứu, pháttriển và triển khai hệ thống FD trong thực tế

1 Mục tiêu nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn song công trên cùng băng tần, ứng dụngtrong chuyển tiếp vô tuyến một chiều và hai chiều Tìm ra các biểu thứctường minh cho đánh giá hệ thống, làm cơ sở để đề xuất các biện pháp nângcao phẩm chất hệ thống Cụ thể:

• Nghiên cứu, đánh giá phẩm chất hệ thống chuyển tiếp FDR một chiềuqua kênh pha-đinh Rayleigh và pha-đinh Rayleigh kép trong trường hợpphần cứng hoàn hảo, đề xuất sử dụng công suất tối ưu cho hệ thống

• Nghiên cứu, đánh giá phẩm chất hệ thống chuyển tiếp FDR một chiều

và hai chiều qua kênh pha-đinh Rayleigh trong trường hợp phần cứngkhông hoàn hảo, đề xuất sử dụng công suất tối ưu nhằm nâng cao phẩmchất hệ thống

2 Phạm vi nghiên cứu của luận án

• Nghiên cứu lý thuyết thông tin vô tuyến, đặc tính kênh truyền vô tuyến,các kỹ thuật chuyển tiếp

• Nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật truyền dẫn song công trên cùng băng tần

và khả năng áp dụng kỹ thuật này trong các hệ thống vô tuyến

• Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu tự giao thoa còn sót lại, phần cứngkhông hoàn hảo, tốc độ truyền dẫn lên phẩm chất hệ thống chuyển tiếpFDR

3 Đối tượng nghiên cứu của luận án

• Nghiên cứu hệ thống chuyển tiếp FDR một chiều với phần cứng hoànhảo qua kênh pha-đinh Rayleigh và pha-đinh Rayleigh kép

• Nghiên cứu hệ thống chuyển tiếp FDR một chiều và hai chiều với phầncứng không hoàn hảo qua kênh pha-đinh Rayleigh

4 Phương pháp nghiên cứu của luận án

Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp phân tích tổng hợp, môhình hóa và thực nghiệm sử dụng mô phỏng máy tính

• Dựa trên phương pháp phân tích, tổng hợp các tài liệu tham khảo, công

bố khoa học có liên quan, luận án xác lập các vấn đề mở có tính thời sự,cần nghiên cứu và giải quyết làm chủ đề nghiên cứu cho luận án

• Phương pháp mô hình hóa được sử dụng để xây dựng các mô hình vật

lý, mô hình toán học và mô hình mô phỏng của hệ thống phục vụ chophân tích và đánh giá phẩm chất hệ thống

• Phương pháp thực nghiệm sử dụng tính toán số và mô phỏng Carlo để đánh giá và kiểm chứng các kết quả phân tích, đồng thời đưa

Monte-ra các kết luận về phẩm chất hệ thống trong các điều kiện khác nhau

5 Đóng góp của luận án

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

• Đề xuất mô hình và phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR mộtchiều trong trường hợp phần cứng hệ thống là lý tưởng Với trường hợpnày, luận án có hai đóng góp chính như sau:

– Đề xuất mô hình và phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR mộtchiều trong kịch bản truyền thông hợp tác khi nút FDR sử dụng giaothức AF Luận án đưa ra biểu thức chính xác và biểu thức xấp xỉ củaxác suất dừng cho cả trường hợp hệ số khuếch đại cố định và thay đổitại nút FDR Từ đó biểu thức gần đúng xác suất lỗi ký hiệu được tìm

ra Kết quả cho thấy, trong kịch bản truyền thông hợp tác, khi tồn tạiđường trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích, phẩm chất hệ thống được cảithiện đáng kể Đồng thời, xác suất dừng và xác suất lỗi ký hiệu tránhđược sàn lỗi do RSI gây nên Để cải thiện phẩm chất hệ thống, luận án

đề xuất phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FDR Kết quả tínhtoán cho thấy rằng, với công suất tối ưu, phẩm chất hệ thống được cảithiện đáng kể so với trường hợp không sử dụng công suất tối ưu

– Đề xuất mô hình ứng dụng mạng chuyển tiếp FDR một chiều khi nútchuyển tiếp hoạt động ở chế độ DF trong truyền thông V2V Trên cơ sở

mô hình hệ thống, luận án phân tích phẩm chất hệ thống khi nút chuyểntiếp và nút đích di chuyển, trong khi nút nguồn được khảo sát với hai

trường hợp: cố định và di chuyển Trong trường hợp nút nguồn cố định,đường liên lạc từ nút nguồn tới nút chuyển tiếp là pha-đinh Rayleightrong khi kênh truyền còn lại (từ nút chuyển tiếp tới nút đích) là kênhpha-đinh Rayleigh kép (double hay cascaded) [41–44] Với trường hợpnút nguồn di chuyển, cả hai kênh truyền (từ nguồn tới chuyển tiếp và từchuyển tiếp tới đích) đều là kênh pha-đinh Rayleigh kép [41–44] Thôngqua biến đổi toán học, luận án đã tìm ra biểu thức chính xác về xác suấtdừng, xác suất lỗi ký hiệu cho hai trường hợp khảo sát Từ đó, đánh giáđược ảnh hưởng của nhiều yếu tố lên phẩm chất hệ thống như ảnh hưởngcủa RSI do chế độ hoạt động FD gây nên, ảnh hưởng của kênh pha-đinhRayleigh kép so với kênh đơn, ảnh hưởng của tốc độ truyền dẫn,

• Đề xuất mô hình, đánh giá và nâng cao phẩm chất mạng chuyển tiếpFDR một chiều và hai chiều sử dụng kỹ thuật AF trong trường hợp phầncứng không hoàn hảo (HI: Hardware Impairments) ở tất cả các nút trong

hệ thống Thông qua phương pháp giải tích, luận án tìm ra biểu thứcchính xác về xác suất dừng hệ thống qua kênh pha-đinh Rayleigh Đồngthời, luận án đưa ra biểu thức xấp xỉ và giá trị tiệm cận của xác suấtdừng nhằm chỉ rõ ảnh hưởng của HI đến phẩm chất hệ thống Trên cơ

sở đó, biểu thức về xác suất lỗi ký hiệu được tìm ra cho hệ thống khảosát Để nâng cao phẩm chất hệ thống, giảm sự ảnh hưởng của HI và RSI,luận án tiến hành phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống này Bằng cách

sử dụng phân bổ công suất tối ưu, phẩm chất hệ thống được cải thiện

so với trường hợp phân bổ ngẫu nhiên Đặc biệt cho hệ thống AF-FDRmột chiều, phẩm chất hệ thống tránh được sàn lỗi khi sử dụng giá trị

công suất tối ưu Mặt khác, những kết quả của luận án có thể sử dụngcho trường hợp phần cứng lý tưởng khi thay hệ số méo dạng phần cứngbằng 0 trong các biểu thức giải tích.

6 Bố cục luận án

Luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương trình bày nội dung và kết luận

• Chương 1: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN SONG CÔNG TRÊN CÙNGBĂNG TẦN

Chương này trình bày những vấn đề cơ bản về truyền thông FD, các môhình thu phát FD và các biện pháp SIC cho FD Đồng thời, tóm lượcmột số vấn đề liên quan đến kỹ thuật chuyển tiếp Sau đó, đưa ra cácyếu tố và biểu thức đi kèm để phân tích phẩm chất hệ thống, làm cơ sởcho những chương tiếp theo

• Chương 2: ĐÁNH GIÁ, NÂNG CAO PHẨM CHẤT MẠNG CHUYỂNTIẾP FDR VỚI PHẦN CỨNG LÝ TƯỞNG

Chương này xây dựng mô hình và phân tích phẩm chất hệ thống chuyểntiếp một chiều trong cả hai kịch bản: khi có đường trực tiếp từ nút nguồntới nút đích (truyền thông hợp tác) và khi không có đường trực tiếp từnút nguồn tới nút đích Trong trường hợp thứ nhất, nút FDR sử dụng

hệ số khuếch đại cố định và thay đổi cho mô hình AF Trong trường hợpthứ hai, nút FDR sử dụng giao thức DF Ngoài việc đưa ra biểu thứcgiải tích cho phân tích phẩm chất hệ thống, luận án còn đề xuất phân

bổ công suất tối ưu để nâng cao phẩm chất hệ thống

• Chương 3: ĐÁNH GIÁ, NÂNG CAO PHẨM CHẤT MẠNG CHUYỂNTIẾP FDR VỚI PHẦN CỨNG KHÔNG LÝ TƯỞNG

Chương này đề xuất mô hình, phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếpFDR một chiều và hai chiều trong trường hợp tất cả các nút đều hoạtđộng ở chế độ FD và chịu sự ảnh hưởng của phần cứng không lý tưởng,trong đó nút FDR sử dụng mô hình AF Thông qua biểu thức giải tíchcho đánh giá phẩm chất hệ thống, luận án đưa ra phương án phân bổcông suất tối ưu nhằm làm giảm ảnh hưởng của HI và RSI đến phẩmchất hệ thống.

KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN SONG CÔNG TRÊN CÙNG

BĂNG TẦN

1.1 Tổng quan về truyền dẫn song công trên cùng băng tần

Trước đây, khi nói đến thông tin vô tuyến song công, nhiều nhà nghiêncứu đã khẳng định rằng, việc thu và phát tín hiệu đồng thời trên cùng mộtbăng tần và tại cùng một thời điểm cho một thiết bị vô tuyến là không thựchiện được do SI quá mạnh, tức là tín hiệu truyền đi tại ăng-ten phát sẽ lànguyên nhân gây nhiễu mạnh tại ăng-ten thu trên cùng một thiết bị Điều

đó được thể hiện rõ qua nhận định của Andrea Goldsmith: “It is generallynot possible for radios to receive and transmit on the same frequency bandbecause of the interference that results” [45] Tuy nhiên, khi nguồn tài nguyênphổ có hạn đang dần mất đi khả năng đáp ứng yêu cầu lưu lượng lớn chomạng 5G, những nghiên cứu và thiết kế gần đây đã tập trung vào vô tuyếnsong công trên cùng băng tần (từ đây luận án sẽ gọi tắt là song công hoặc

FD hay IBFD) Mặt khác, sự phát triển mạnh mẽ của kỹ thuật DSP đã tạonên các chip xử lý tín hiệu có độ tích hợp cao và làm việc hiệu quả Kết hợpvới những kỹ thuật hiện đại trong thiết kế ăng-ten và mạch điện tử, cho phépcác nhà nghiên cứu và thiết kế mạng thử nghiệm kỹ thuật FD Trong tươnglai, kỹ thuật FD sẽ được sử dụng cho nhiều hệ thống vô tuyến như 5G và cácthế hệ tiếp theo, khi các kỹ thuật hiện tại không thể đáp ứng được yêu cầu

13

đặt ra [6,13,46,47].

Hầu hết các hệ thống thông tin hiện hành bao gồm các thiết bị đầu cuốihoạt động như các máy thu phát Thông thường, các máy thu phát này hoạtđộng ở chế độ bán song công (HD) hoặc song công khác băng tần (phân chiatheo tần số) hoặc song công khác thời gian (phân chia theo thời gian) Truyềnthông FD cho phép các thiết bị đầu cuối vô tuyến thu và phát đồng thời trêncùng một băng tần và tại cùng một thời điểm, từ đó tạo nên khả năng tănggấp đôi hiệu quả sử dụng phổ tần [13,19,48–50]

Tx

Rx

Tín hiệu phátTín hiệu p

hản xạ

Đường trực tiếp

Vùng tán xạ gần

Tín hiệu mong muốn Hình 1.1: Mô hình thiết bị FD sử dụng ăng-ten thu phát riêng.

Tx

Rx

Tín hiệu phát Tín hiệu phản xạ

Đường trực tiếp

Bộ dẫn sóng (Circulator)

Vùng tán

xạ gần Tín hiệu mong muốn

Hình 1.2: Mô hình thiết bị FD sử dụng ăng-ten thu phát chung.

Truyền thông FD đã được sử dụng từ những năm 40 của thế kỷ trước,trong các hệ thống ra đa sử dụng sóng liên tục (CW: Continuous Wave) Hệthống này sử dụng hai ăng-ten riêng biệt như Hình 1.1 hoặc một ăng-tenchung thông qua bộ dẫn sóng (circulator) như Hình 1.2 để phát và thu đồngthời

Hình 1.3: Mô hình hệ thống song công FD liên lạc điểm - điểm.

Hình 1.3 thể hiện một mô hình đơn giản cho truyền thông FD, giữa hainút của một mạng vô tuyến Để dễ dàng nhận ra SI từ hệ thống, luận án sửdụng hai ăng-ten riêng biệt cho mỗi nút Trên hình này, đường mũi tên liềnnét thể hiện tín hiệu cần thu – phát, đường đứt nét thể hiện tín hiệu SI Từ

đó cho thấy, khi hai nút đồng thời thu phát trên cùng một tần số thì sẽ tựgây nhiễu cho chính nó Chẳng hạn khi nút 1 phát, đồng thời nhận tín hiệu

từ nút 2, thì tín hiệu từ ăng-ten phát của nút 1 sẽ gây nhiễu cho tín hiệucần thu ở ăng-ten thu nút 1, do hai ăng-ten này cùng nằm trên một thiết bị.Đồng thời, tín hiệu nhiễu này sẽ mạnh hơn rất nhiều so với tín hiệu cần thu

Từ Hình 1.3, ta xác định được tín hiệu tại ăng-ten thu thông qua biểu thức:

y1 = h21s2+ ˜h11s1 + z1,

y2 = h12s1+ ˜h22s2 + z2,

(1.1)

trong đó y1 và y2 là tín hiệu thu tại ăng-ten thu nút 1 và nút 2 tương ứng;

h21 và h12 tương ứng là hệ số pha-đinh của kênh truyền từ ăng-ten phát nút

2 đến ăng-ten thu nút 1 và ăng-ten phát nút 1 đến ăng-ten thu nút 2; s1 và

s2 tương ứng là tín hiệu phát tại ăng-ten phát nút 1 và nút 2; ˜h11 và ˜h22 là

SI tại nút 1 và nút 2; z1 và z2 tương ứng là tạp âm trắng chuẩn cộng tính(AWGN: Additive White Gaussian Noise) tại đầu vào máy thu nút 1 và nút

2, với trung bình bằng 0 và phương sai σ2

Một cách tổng quát ta có:

yi = hjisj + ˜hiisi+ zi, (1.2)với i, j = 1, 2 và i 6= j Từ đó ta xác định được tỉ số tín hiệu trên tạp âmcộng nhiễu (SINR: Signal-to-Interference plus-Noise Ratio):

SINRi = |hji|2Pj

|˜hii|2Pi + σ2 (1.3)vớiPj, Pi lần lượt là công suất phát trung bình của nútj và i Thông thường,khoảng cách giữa 2 nút là lớn hơn rất nhiều so với khoảng cách giữa ăng-tenphát và ăng-ten thu trên cùng 1 nút, vì vậy |˜hii|2 ≫ |hji|2 dẫn đến SINRi

rất nhỏ, làm cho việc giải mã tín hiệu thu là vô cùng khó khăn nếu không ápdụng các kỹ thuật triệt nhiễu Rõ ràng hệ thống FD cho hiệu quả phổ cao,nhưng việc loại bỏ SI là vấn đề vô cùng khó khăn

Tín hiệu thu tại một nút FD

S (trong khe thời gian lẻ) và chuyển tới D (trong khe thời gian chẵn) Tuy nhiên, nếu R có thể hoạt động ở chế độ IBFD, nó có thể nhận và chuyển đồng thời (trên cùng 1 băng tần tại mọi khe thời gian) Vì vậy, khi hoạt động ở chế độsong công IBFD, mạng chuyển tiếp có tiềm năng gấp đôi hiệu quả phổ (đượctính bằng bit/s/Hz) so với hoạt động ở chế độ bán song công Trong mô hìnhnày, mạng chuyển tiếp IBFD chỉ yêu cầu chuyển tiếp hoạt động song công,không yêu cầu thiết bị đầu cuối nguồn hoặc đích đồng thời

SI

mong muốn

Hình 1.4: Tín hiệu thu tại một nút FD khi chưa áp dụng kỹ thuật SIC.

Hình 1.4 thể hiện dạng tín hiệu thu của một nút FD, bao gồm tín hiệu thuđược, tín hiệu thu mong muốn và tín hiệu SI Từ đó ta thấy rằng, việc giảm SI

cho thiết bị FD quyết định đến sự tồn tại của hệ thống Nhiều nhà nghiên cứu

đã đưa ra những giải pháp chính để giảm nhiễu, thực hiện trên ba miền: miềntruyền sóng (hay miền ăng-ten), miền tương tự và miền số [9, 13, 19, 48–51].Các biện pháp triệt nhiễu này sẽ được trình bày chi tiết trong phần sau

1.2 Một số mô hình thu phát FD

Hình 1.5 là ba cấu trúc cơ bản của hệ thống FD khi so sánh với hệ thống

HD bao gồm cấu trúc chuyển tiếp, cấu trúc 2 chiều và cấu trúc trạm gốc

1.2.1 Cấu trúc chuyển tiếp

Hình 1.5(a) mô tả cấu trúc chuyển tiếp từ nguồn phát (S: Source) đến đíchnhận (D: Destination) Trong đó, thiết bị trung gian (R: Relay) hoạt độngnhư một nút chuyển tiếp cho dòng dữ liệu đơn được gửi từ S đến D Cấutrúc này thường được sử dụng trong các đường hầm hoặc ở những nơi có địahình phức tạp, gây trở ngại cho việc đặt đường dây đến thiết bị đầu cuốihoặc chi phí lắp đặt quá lớn Khi hoạt động ở chế độ HD, nút chuyển tiếp Rcần thực hiện luân phiên giữa việc nhận tín hiệu từ S (trong khe thời gianlẻ) và chuyển tới D (trong khe thời gian chẵn) Tuy nhiên, nếu R có thể hoạtđộng ở chế độ FD, nó có thể thu và phát đồng thời (trên cùng 1 băng tầntại mọi khe thời gian) Vì vậy, khi hoạt động ở chế độ FD, mạng chuyển tiếp

có tiềm năng tăng gấp đôi hiệu quả sử dụng phổ tần (được tính bằng đơn vịbit/s/Hz) so với hoạt động ở chế độ HD Trong mô hình này, chỉ R hoạt động

ở chế độ FD, còn hai thiết bị đầu cuối (S và D) hoạt động ở chế độ HD

(a) C ấu trúc chuyển tiếp

(b) C ấu trúc 2 chiều

(c) C ấu trúc trạm gốc

Ba ví dụ về cấu trúc hệ thống FD.

Cấu trúc hai chiều

mô tả cấu trúc 2 chiều, trong đó một luồng dữ liệu được gửi

từ thiết bị đầu cuối A đến thiết bị đầu cuối B và một luồng dữ liệu được gửi từ

B về A Nếu A hoặc B chỉ hoạt động ở chế độ bán

truyền từ A đến B không thể xảy ra đồng thời với thông tin truyền từ B về A.

Hơn nữa, hai luồng thông tin này phải được thực hiện trên các khe thời gian

1.2.2 Cấu trúc hai chiều

Hình 1.5(b) mô tả cấu trúc 2 chiều điểm – điểm, trong đó một luồng dữliệu được gửi từ thiết bị đầu cuối A đến thiết bị đầu cuối B và một luồng dữliệu được gửi từ B về A Nếu A hoặc B chỉ hoạt động ở chế độ HD thì thôngtin truyền từ A đến B không thể xảy ra đồng thời với thông tin truyền từ

B về A Hơn nữa, hai luồng thông tin này phải được thực hiện trên các khethời gian trực giao nhau Tuy nhiên, nếu cả A và B hoạt động được ở chế độ

FD thì thông tin truyền từ A đến B và thông tin từ B về A có thể xảy ra

đồng thời Vì thế, FD có tiềm năng tăng gấp đôi hiệu quả phổ so với HD.

1.2.3 Cấu trúc trạm gốc

Cấu trúc trạm gốc được mô tả ở Hình 1.5(c) Hai luồng dữ liệu được gửi từthiết bị đầu cuối phát (TU: Terminal Uplink) tới trạm gốc (BS: Base Station)trên đường lên và từ BS tới thiết bị đầu cuối thu (TD: Terminal Downlink)trên đường xuống Nếu BS chỉ hoạt động ở chế độ HD, nó cần luân phiêngiữa việc nhận từ TU ở một khe thời gian và phát tới TD ở một khe thờigian trực giao Tuy nhiên, nếu BS có thể hoạt động ở chế độ FD, nghĩa làthông tin ở đường lên và đường xuống được thực hiện đồng thời trên cùngmột băng tần, thì có tiềm năng tăng gấp đôi hiệu quả phổ Giống như cấutrúc chuyển tiếp, chỉ cần hỗ trợ cho trạm gốc BS hoạt động ở chế độ FD, cònthiết bị đầu cuối TU và TD hoạt động ở chế độ HD

Trong Hình 1.5, với các hệ thống FD, tín hiệu nhiễu được mô tả gồm haithành phần chính Một là SI gây ra do thiết bị đầu cuối thu và phát trêncùng một băng tần (từ mạch phát đến mạch thu của cùng một thiết bị) Hai

là nhiễu liên thiết bị gây ra giữa các thiết bị đầu cuối không hoạt động ở chế

độ FD nếu kỹ thuật kết hợp tín hiệu không được sử dụng tại thiết bị đầucuối này Chẳng hạn như ở Hình 1.5(a), khi S phát sẽ gây nhiễu đến D, ởHình 1.5(c), khi TU phát sẽ gây nhiễu đến TD Nhiễu liên thiết bị đầu cuốikhông xuất hiện ở chế độ HD của những mạng này Để đạt được lý tưởng gấpđôi hiệu quả phổ tần trong mạng FD, yêu cầu đặt ra là cần kiểm soát chặtchẽ SI và nhiễu liên thiết bị Do cường độ thành phần SI lớn hơn rất nhiều sovới nhiễu liên thiết bị nên nó là nguyên nhân chính làm hạn chế tính khả thicủa mạng FD Vì vậy, các giải pháp nhằm loại bỏ SI là vô cùng quan trọng

để hệ thống FD có thể hoạt động được.

1.3 Các biện pháp triệt nhiễu trong hệ thống FD

Như đã trình bày ở trên, vấn đề sống còn trong hệ thống FD là phải loại bỏđược SI từ mạch phát sang mạch thu trên cùng một thiết bị Nhiệm vụ đặt

ra là thiết kế các mạch và thuật toán để trừ khử tín hiệu SI này Trước tiên,

ta phân tích cấu trúc của một thiết bị đầu cuối FD để tìm ra giải pháp loại

bỏ SI Hình 1.6 là cấu trúc thiết bị đầu cuối FD dùng ăng-ten riêng biệt vớinhiều ăng-ten phát và nhiều ăng-ten thu Trường hợp dùng chung ăng-ten thìthay mỗi cặp ăng-ten thu phát bằng bộ dẫn sóng rồi gắn với ăng-ten chungnhư cấu trúc ở Hình 1.2(b)

Các biện pháp triệt nhiễu trong hệ thống MIMO song công

ồ ắ ới ăng ten chung như cấ ở

Tia trực tiếp Mạch

triệt nhiễu

Thiết bị đầu cuối IBFD

N chuỗi phát

N chuỗi thu Chuỗi bit truyền

Chuỗi bit nhận

Miền truyền sóng Miền tương tự

Miền số

Vùng tán

xạ gần

Cấu trúc một thiết bị đầu cuối IBFD với ăng

ề ố, sau đó đưa ộ ển đổ ố tương tự DAC để đổ ầ

ự ế ạ ệu không lý tưởng do tác độ ủ

ế ố như tạp âm lượ ử ộ ạ ộ ạo dao độ

Hình 1.6: Cấu trúc một thiết bị đầu cuối FD với ăng-ten thu phát riêng.

Chuỗi bít cần truyền được mã hóa và điều chế trong miền số, sau đó đưavào bộ chuyển đổi số - tương tự (DAC: Digital-to-Analog Converter), sau

đó thực hiện đổi tần lên phù hợp với tần số sóng mang, khuếch đại công

suất và bức xạ ra ăng-ten phát Trong thực tế, quá trình này tạo ra tín hiệukhông lý tưởng do tác động của các yếu tố như tạp âm lượng tử bộ DAC, tạppha bộ tạo dao động, méo do khuếch đại công suất cao (HPA: High PowerAmplifier), Tất cả các yếu tố này làm cho tín hiệu phát thực tế khônggiống với tín hiệu cần truyền Ngoài ra, nếu xét trong cùng một băng tầnthì thiết bị đầu cuối FD cũng đóng vai trò như một máy thu Tín hiệu thuđược từ mỗi ăng-ten được đưa vào bộ khuếch đại tạp âm thấp (LNA: LowNoise Amplifier), bộ đổi tần xuống và mạch chuyển đổi tương tự - số (ADC:Analog-to-Digital Converter) Tín hiệu số sau đó được xử lý trong miền sốbao gồm giải điều chế, triệt nhiễu và giải mã để tạo nên luồng bit thu được.Nếu xét tín hiệu ở đầu vào ăng-ten thu của thiết bị đầu cuối FD, ta cóthể chia thành ba thành phần như sau: tín hiệu thu mong muốn, tín hiệu SItruyền trực tiếp từ chuỗi phát đến chuỗi thu do thu phát cùng tần số và tínhiệu SI do phản xạ từ môi trường, nhất là vùng tán xạ gần Trong các thiết

kế ăng-ten riêng biệt, tín hiệu SI trực tiếp truyền từ ăng-ten phát tới ăng-tenthu như mô tả ở Hình 1.6 Với thiết kế ăng-ten dùng chung, SI trực tiếp gây

ra bởi sự rò rỉ của bộ dẫn sóng như Hình 1.2(b) Tuy nhiên, nhiễu trực tiếpnày có thể được dự đoán và loại bỏ khi thiết kế hệ thống nhờ kết hợp khửnhiễu miền truyền sóng và miền tương tự Trong khi đó, nhiễu phản xạ khôngthể xác định được chính xác vì nó phụ thuộc vào điều kiện môi trường Dovậy, loại nhiễu này luôn thay đổi và không dự đoán được Từ những phântích trên, ta thấy rằng, thiết bị đầu cuối FD phải sử dụng kết hợp các kỹthuật triệt nhiễu để loại bỏ cả nhiễu trực tiếp và nhiễu phản xạ mà khônglàm ảnh hưởng đến tín hiệu thu mong muốn Một số giải pháp được đề xuất

để loại bỏ SI bao gồm: triệt nhiễu miền truyền sóng, triệt nhiễu miền tương

tự và triệt nhiễu miền số.

1.3.1 Triệt nhiễu miền truyền sóng

Công nghệ triệt nhiễu miền truyền sóng (PDSIS: Propagation-Domain Interference Suppression) nhằm mục đích cách ly (isolation) điện từ trường

Self-từ chuỗi phát sang chuỗi thu, tức là loại bỏ SI trước khi nó đi vào mạch chuỗithu Trong các hệ thống ăng-ten riêng biệt, PDSIS được thực hiện bằng cáchkết hợp các biện pháp suy hao đường truyền [10, 19, 48, 52–54], phân cựcchéo [22,48,55,56] và ăng-ten định hướng [22,55] Trong khi đó, các hệ thốngăng-ten dùng chung thì sử dụng bộ dẫn sóng [50]

Hình 1.7: Bố trí ăng-ten trong triệt nhiễu miền truyền sóng.

Trong hệ thống ăng-ten riêng biệt, suy hao đường truyền giữa ăng-tenphát và ăng-ten thu của thiết bị đầu cuối FD có thể tăng bởi khoảng cách

bố trí ăng-ten hoặc bởi tấm chắn hấp thụ giữa chúng Phương pháp bố tríăng-ten được thực hiện như Hình 1.7 thông qua: bố trí ăng-ten thu phát nằmcùng một phía của thiết bị và cách nhau một khoảng d (Hình 1.7(a)); bố trí

ăng-ten thu phát nằm hai bên thiết bị (Hình 1.7(b)); bố trí hai ăng-ten phátcách ăng-ten thu một khoảng là d và d + λ/2 (Hình 1.7(c)) Như vậy, kíchthước thiết bị chi phối đáng kể đến việc bố trí các ăng-ten thu và phát Thiết

bị càng nhỏ thì khoảng cách ăng-ten càng gần Do đó, giải pháp này chỉ hiệuquả đối với các thiết bị đầu cuối FD có kích thước lớn Bên cạnh kỹ thuậtsuy hao đường truyền, ta có thể sử dụng phân cực chéo để tạo ra cơ chế cách

ly điện từ trường giữa ăng-ten thu với ăng-ten phát Chẳng hạn, chỉ truyền

đi tín hiệu phân cực ngang và thu tín hiệu phân cực đứng Nhờ vậy, tín hiệuđầu ra ăng-ten phát sẽ không đi vào ăng-ten thu và do đó loại bỏ được SItrực tiếp gây ra do thiết bị đầu cuối FD thu phát trên cùng một băng tần.Một giải pháp nữa để loại bỏ nhiễu trực tiếp này là sử dụng ăng-ten thu,phát định hướng trong trường hợp sử dụng nút chuyển tiếp hoạt động ở chế

độ FD (Hình 1.7(d))

Mặc dù các kỹ thuật suy hao đường truyền, phân cực chéo, sử dụng ăng-tenđịnh hướng có hiệu quả trong loại bỏ SI trực tiếp nhưng vẫn không thể loại

bỏ hoàn toàn thành phần nhiễu này do trở ngại trong việc tích hợp thiết bị

và độ nhạy máy thu Thực tế, cần phải kết hợp thêm mạch triệt nhiễu miềntương tự và miền số Tuy nhiên, công nghệ này rất nhạy cảm với nhiễu phản

xạ khi đặc tính kênh là không biết trước ở thời điểm thiết kế hệ thống Ví

dụ, với cùng thiết kế, môi trường ít phản xạ khử được 74 dB SI [22], trongkhi đó môi trường trong nhà phản xạ cao chỉ khử được 46 dB Đối với các

hệ thống ăng-ten dùng chung sử dụng bộ dẫn sóng có độ chính xác cao (rò

rỉ rất thấp khi phát) có thể khử nhiễu trực tiếp rất hiệu quả Mặc dù vậy, nóvẫn không thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu trực tiếp ra khỏi tuyến thu Ngoài ra,

kỹ thuật này không thể phân biệt nhiễu phản xạ và tín hiệu thu mong muốn

Sự ảnh hưởng của việc tán xạ đa đường vùng gần đến các thiết bị cầm tayyêu cầu phương pháp nhận biết kênh (channel-aware) để có những đáp ứngphù hợp với ảnh hưởng này Việc tạo chùm tia phát (transmit beamforming)

là một ví dụ cho việc SIC miền truyền sóng thông qua nhận biết kênh Sửdụng mảng ăng-ten phát cho thiết bị FD để lái chùm tia điện tử (thông quaviệc điều chỉnh trọng số ăng-ten) để xóa hết bức xạ của ăng-ten phát tại mỗiăng-ten thu [57–63] Để thực hiện thành công việc này khi có nhiễu phản xạthì cần phải biết chính xác độ trễ và độ lợi kênh SI (cả trực tiếp và phảnxạ) Việc này có thể thực hiện thông qua quá trình ước lượng kênh hoặc sửdụng thích ứng các trọng số Hơn nữa, mỗi điểm 0 (null placement) tiêu thụmột bậc tự do (degree-of-freedom) trong việc thiết kế véc tơ trọng số (bị ràngbuộc bởi công suất phát), vì thế hiệu quả việc tạo chùm phát yêu cầu nhiềuăng-ten phát hơn là ăng-ten thu [46,50] Chú ý rằng, khi chùm thu được thựchiện, việc triệt nhiễu miền truyền sóng cũng không thể hoàn hảo bởi điểm 0xảy ra ở điểm kết hợp tại ăng-ten ở trong miền mạch

Cho dù nhận biết kênh hay không, thì kỹ thuật triệt nhiễu miền truyềnsóng có nhược điểm lớn nhất là việc triệt SI có thể vô tình làm triệt đi tínhiệu cần thu, phát Vì vậy, cần thực hiện những biện pháp tiếp theo sau đây

1.3.2 Triệt nhiễu miền tương tự

Kỹ thuật triệt nhiễu miền tương tự (ADSIC: Analog-circuit-Domain Interference Cancellation) nhằm khử SI trong phần mạch tương tự, trướcmạch ADC [47, 50] Việc khử này có thể thực hiện trước hoặc sau mạch đổitần xuống và mạch LNA Hình 1.6 cho thấy một ví dụ về ADSIC, trong đótín hiệu phát trên ăng-ten phát được dẫn, xử lý điện tử trong mạch tương tự