Nghiên cứu kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến trong mạng truyền thông song công

Với các kỹ thuật giảm thiểu sự giao thoa cải tiến, ví dụ chúng ta có thể có được ? là bình phương tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR hoặc tín hiệu trên can nhiễu SINR để đạt được hiệu quả phổ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

CAO THỊ THU SƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS TS NGUYỄN LÊ HÙNG

2 TS BÙI THỊ MINH TÚ

Đà Nẵng – Năm 2017

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG 4

1.1 Giới thiệu chương 4

1.2 Giới thiệu về hệ thống truyền dẫn song công 4

1.2.1 Viễn cảnh của hệ thống truyền thông không dây 4

1.2.2 Khái niệm và ưu nhược điểm của truyền thông song công 5

1.2.2.1 Ưu điểm cơ bản của IBFD 5

1.2.2.2 Nhược điểm của IBFD 6

1.2.3 Quá trình khử nhiễu nội trong truyền thông song công 7

1.2.3.1 Miền lan truyền 7

1.2.3.2 Miền tương tự 10

1.2.3.3 Miền xử lý tín hiệu số 10

1.2.4 Các mô hình cơ bản của mạng truyền dẫn song công 11

1.2.4.1 Mạng truyền dẫn song công hai chiều 11

1.2.4.2 Mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp 11

1.2.4.3 Mạng truyền dẫn song công di động 12

1.3 Các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến 13

1.3.1 Nghiên cứu về đầu cuối vô tuyến 13

1.3.2 Truyền thông qua các trạm chuyển tiếp 14

1.4 Hệ thống IBFD mô hình hai chiều 16

1.4.1 Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn 16

1.4.1.1 Hệ thống BFD với thiết kế anten chia sẻ 16

1.4.1.2 Hệ thống BFD với ăng-ten tách rời 17

1.4.1.3 Hệ thống BFD trong kênh MIMO tương quan 18

1.4.1.4 Độ tin cậy của hệ thống BFD 18

1.4.2 Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội không hoàn toàn 19

1.4.2.1 Hệ thống BFD với các lỗi ước lượng kênh 19

1.4.2.2 Hệ thống BFD với những hạn chế phần cứng 19

1.4.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống BFD 19

1.5 Hệ thống IBFD với mô hình chuyển tiếp 20

1.5.1 Hệ thống FDR với một trạm chuyển tiếp (1-1-1) 20

1.5.1.3 Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật điều khiển công suất 22

1.5.1.4 Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật MIMO 22

1.5.1.5 Độ tin cậy của hệ thống FDR 1-1-1 22

1.5.2 Hệ thống FDR với nhiều trạm chuyển tiếp 23

1.5.2.1 Hệ thống FDR với sự phối hợp 23

1.5.2.2 Hệ thống FDR với sự giao thoa giữa các trạm chuyển tiêp 23

1.5.2.3 Hệ thống FDR với sự lựa chọn trạm chuyển tiếp 24

1.5.2.4 Hệ thống FDR đa bước nhảy 24

1.5.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDR 24

1.6 Hệ thống IBFD với mô hình di động 25

1.6.1 Hệ thống FDC với hai trạm 25

1.6.1.1 Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng 25

1.6.1.2 Hệ thống FDC với các anten định hướng 25

1.6.2 Hệ thống FDC với nhiều trạm 26

1.6.2.1 Hệ thống FDC với bộ tiền mã hóa cho đa người dùng 26

1.6.2.2 Hệ thống FDC với MIMO quy mô lớn 26

1.6.2.3 Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng từ nhiều trạm 27

1.6.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDC 27

1.7 Kết luận chương 28

Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN 29

2.1 Giới thiệu chương 29

2.2 Giới thiệu về kỹ thuật truyền và thu năng lượng 29

2.3 Các loại vùng trường truyền năng lượng 31

2.3.1 Vùng tầm gần hay không bức xạ 31

2.3.1.1 Kỹ thuật ghép nối cảm ứng 32

2.3.1.2 Kỹ thuật ghép nối điện dung 33

2.3.2 Vùng tầm xa hay bức xạ 34

2.3.2.1 Sóng vi ba 34

2.3.2.2 Laser 35

2.4 Giới thiệu về mạng thu năng lượng vô tuyến 36

2.4.1 Cấu trúc của mạng thu năng lượng vô tuyến 38

2.4.2 Các mô hình truyền năng lượng vô tuyến 42

2.4.3 Kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến 43

2.4.3.1 Các nguồn vô tuyến chuyên dụng 43

2.4.3.2 Các nguồn vô tuyến xung quanh 44

2.4.4 Các ứng dụng về thu năng lượng vô tuyến 45

2.5 Kết luận chương 46

LƯỢNG VÔ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG SONG CÔNG 47

3.1 Giới thiệu chương 47

3.2 Mô hình truyền dẫn cơ bản 47

3.2.1 Kênh nhiễu AWGN 47

3.2.2 Kênh fading Rayleigh 48

3.2.3 Điều chế và giải điều chế BPSK 51

3.2.4 Tính toán xác suất lỗi bit 52

3.3 Đánh giá hiệu năng của các hệ thống mô phỏng 55

3.3.1 Mô hình 1 – Truyền thông tin trong mạng bán song công 55

3.3.2 Mô hình 2 – Truyền thông tin và năng lượng trong mạng bán song công 56

3.3.3 Mô hình 3 – Truyền thông tin trong mạng song công 58

3.3.4 Mô hình 4 – Truyền thông tin và năng lượng trong mạng song công trong 59

3.4 Kỹ thuật ước đoán nhiễu nội 60

3.4.1 Thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo 60

3.4.2 Thông tin trạng thái kênh truyền không hoàn hảo 61

3.5 Kết luận chương 62

Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 63

4.1 Giới thiệu chương 63

4.2 Kết quả mô phòng và đánh giá 63

4.2.1 So sánh hiệu năng của các mô hình khảo sát 63

4.2.2 Ảnh hưởng của tham số 𝜌 đến hiệu năng hệ thống 64

4.2.3 Đánh giá hiệu năng theo tham số 𝜌 65

4.2.4 Ảnh hưởng của tham số  đến hiệu năng hệ thống 65

4.2.5 Đánh giá hiệu năng theo tham số  66

4.2.6 Đánh giá hiệu năng theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛 67

4.3 Kết luận chương 67

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 68

TÀI LIỆU THAM KHẢO 69

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN

TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG

Học viên: Cao Thị Thu Sương Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60520203 Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt - Thu năng lượng vô tuyến để cung cấp năng lượng hoạt động cho các thiết bị vô

tuyến, cảm biến là một hướng tiếp cận tiềm năng gần đây Truyền thông song công là mô hình không dây truyền và nhận dữ liệu đồng thời trên cùng một băng tần đáp ứng nhu cầu cao về dung lượng và hiệu năng mạng Luận văn này xây dựng mô hình để đánh giá hiệu năng khi truyền dữ liệu và năng lượng đồng thời trong mạng truyền thông song công hai chiều so với mạng truyền thông bán song công hai chiều trên kênh truyền fading Rayleigh Bên cạnh đó, xây dựng mô hình khử nhiễu nội trong truyền thông song công và đánh giá hiệu năng của nó với các mô hình chưa khử nhiễu nội Đồng thời, luận văn cũng khảo sát các tham số năng lượng, tham số tương quan, tham số kênh truyền ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống Từ các nghiên cứu lý thuyết đó tác giả đã đưa ra những công thức tính toán và thực hiện mô phỏng, sau đó phân tích kết quả đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo Thu năng lượng vô tuyến và truyền thông song công thực sự là những công nghệ của thế hệ 5G kế tiếp đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của mạng truyền thông không dây

Từ khóa – thu năng lượng không dây, truyền dẫn song công, truyền dẫn bán song công, nhiễu

in self-interference cancellation model is used in full-duplex communication and evaluates its performance against the non self-interference cancellation models At the same time, the thesis also examines the energy parameters, correlation parameters, gain channel parameters affecting the performance of the system From these theoretical studies, the author has introduced the formulas for calculating and performing the simulation, then analyzing the results achieved and perspective of the work is provided Radio energy harvesting and full- duplex communications are indeed the next generation of 5G technologies to answer the increasing demands of wireless communications

Key words – energy harvesting, full-duplex, half-duplex, self-interference, SWIPT

5GNOW 5th Generation Non-Orthogonal Waveforms for Asynchronous

Signalling 3GPP Third Generation Partnership Project

DUPLO Full-Duplex Radios for Local Access

EMF Electromotive force

FCC Federal Communications Commission

IBFD In-band full-duplex

ISM Bandsindustrial, scientific and medical bands

METIS Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty

Information Society MMSE Minimum mean square error

MMSESIC Minimum mean square error with successive interference cancellation NSP Null space projection

NOMA Non-orthogonal multiple access

RCI Extended regularized channel inversion

RF Radio Frequency

RFID Radio-frequency identification

SI Self-Interference

SNR Signal Noise Ratio

STBC Space-time block coding

STC Space-time coding

SVD Singular value decomposition

SWIPT Simultaneous Wireless Information and Power Transfer

TAS Transmit antenna-switched

ZF-BF Zero-forcing beam-forming

VDD Virtual-channel division duplexing

ZF Zero-forcing

Số hiệu

2.1 Các kỹ thuật truyền năng lượng khác nhau 29

2.2 So sánh sự khác nhau của các kỹ thuật truyền năng lượng không

2.3 Ví dụ về kết quả thực nghiệm thu năng lượng vô tuyến 44

Số hiệu

1.2 Cấu trúc các miền giảm nhiễu nội trong truyền thông song công

1.5 Mô hình mạng truyền dẫn song công hai chiều 11 1.6 Mô hình mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp 11 1.7 Mô hình mạng truyền dẫn song công di động 12

2.2 Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn không dây ghép nối cảm ứng 32 2.3 Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn không dây ghép nối điện dung 33 2.4 Cấu trúc chung của mạng thu năng lượng vô tuyến dựa trên hạ

3.3 Điều chế BPSK với hàm phân bố xác suất có điều kiện 52 3.4 Mô hình truyền thông tin trong mạng bán song công 56 3.5 Mô hình truyền thông tin và năng lượng trong mạng bán song công 57 3.6 Mô hình truyền thông tin trong mạng song công 58 3.7 Mô hình truyền thông tin và năng lượng trong mạng song công 59 4.1 So sánh hiệu năng của các mô hình khảo sát khi truyền và không

truyền năng lượng, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 5, = 0.3 63 4.2 Ảnh hưởng của tham số 𝜌 đến hiệu năng hệ thống, 𝑔𝑎𝑖𝑛 =

1000, 𝜌 = 0,95

4.6 Hiệu năng của hệ thống theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛, 𝑃 = 10 𝑑𝐵, 𝛼 =

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Trong các mạng không dây thông thường, như các mạng cảm biến hay các mạng di động, các thiết bị được trang bị pin có thể thay thế hoặc pin sạc Thời gian hoạt động của các loại pin này có giới hạn Mặc dù thay thế hay sạc pin định kỳ có thể là một lựa chọn khả thi nhưng nó rất là bất tiện (đối với một mạng cảm biến với hàng ngàn các nút cảm biến phân phối), nguy hiểm (đối với các thiết bị nằm trong môi trường độc hại), hay thậm chí là không thể (đối với các cảm biến cấy ghép trong cơ thể con người) Trong những tình huống như vậy, việc thu nhận năng lượng, với khả năng cung cấp một nguồn năng lượng lâu dài, trở thành một phương pháp hấp dẫn để kéo dài tuổi thọ các mạng không dây Nguồn điển hình cho việc thu năng lượng bao gồm năng lượng mặt trời và gió Gần đây tín hiệu vô tuyến xung quanh cũng nhận được sự quan tâm nghiên cứu nhiều như là một nguồn hữu hiệu mới cho việc thu nhận năng lượng, hỗ trợ bởi các lợi thế mà các tín hiệu không dây có thể mang theo cả năng lượng cũng như thông tin Bên cạnh đó, nhu cầu truyền dẫn dữ liệu không dây ngày càng tăng lên, ước đoán

có thể tăng gấp 10 lần từ nay đến năm 2020 Xu thế IoT (Internet of Things) hiện nay

đã có hơn 5 tỷ nút mạng đầu cuối và khả năng sẽ tăng đến 20 tỷ vào năm 2020 Phổ tần ngày càng trở nên đắt đỏ hơn, trong một cuộc đấu giá vào năm 2015 FCC đã bán một băng tần 65MHz với giá 44,9 tỷ đô la Bởi vậy, việc làm sao tăng được hiệu suất của phổ tần rất là quan trọng đối với các kỹ sư không dây để từ đó ngày càng tăng tốc độ dữ liệu Tuy nhiên, các hệ thống truyền thông không dây thường hoạt động theo mô hình bán song công, làm tiêu tốn nguồn tài nguyên phổ tần Nếu chúng có thể hoạt động theo

mô hình song công thì dung lượng sẽ tăng gấp đôi do truyền và nhận trong toàn bộ băng thông, cải thiện phổ tần cho hệ thống mạng không dây

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu hệ thống truyền thông song công

Nghiên cứu kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến trong mạng truyền thông vô tuyến Nghiên cứu đánh giá hiệu năng của mô hình đề xuất với các mô hình truyền thống

và các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Kiến thức tổng quan về mạng truyền thông song công

Kiến thức về thu nhận năng lượng vô tuyến

Việc thu nhận năng lượng trong hệ thống song công

Đánh giá kết quả thực hiện, đề xuất hướng phát triển đề tài

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng

để làm rõ nội dung của đề tài Cụ thể là:

 Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống song công

 Nghiên cứu lý thuyết về thu nhận năng lượng vô tuyến

 Nghiên cứu việc thu nhận năng lượng vô tuyến trong hệ thống song công

 Nghiên cứu hiệu năng và các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Song công không phải là một vấn đề mới và hiệu quả của nó thì không ai phủ nhận

về dung lượng, hiệu suất phổ tần nhưng do những bài toán nhược điểm quá nan giải nên

nó đã bị chìm trong một thời gian dài Ngày nay, với những nghiên cứu mới, công nghệ mới về phần cứng một phần nào đã khắc phục những nhược điểm đó, đưa mô hình song công trở thành một trong những công nghệ của mạng thế mới thứ 5 (5G) Bên cạnh đó, các dịch vụ viễn thông ngày càng đa dạng, nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cao cùng với xu thế IoT với hàng tỷ sensor của nhiều loại mạng không đồng nhất kết nối với nhau đòi hỏi băng thông, tốc độ kết nối phải bền vững và chuyển mạng linh hoạt Việc kết hợp thu nhận năng lượng vào hệ thống song công giúp cho các sensor luôn duy trì được nguồn năng lượng mà không phải phụ thuộc vào bộ sạc pin, đặc biệt

là các sensor trong lĩnh vực y tế, xây dựng

6 Cấu trúc của luận văn

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 4 chương:

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG

Truyền thông song công là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng dung lượng đáng kể cho một kênh truyền không dây, do đó cho phép các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai đáp ứng được nhu cầu phát triển nhanh chóng của các dịch vụ dữ liệu Trong truyền thông song công, một nút truyền và nhận tín hiệu không dây đồng thời trên cùng một phổ tần số Do vậy, dung lượng kênh tăng gần gấp đôi so với truyền thông bán song công, tạo đà cho sự phát triển của mạng thế hệ thứ 5 (5G) hướng tới việc chuyển tiếp linh hoạt giữa các mạng không đồng nhất với nhau

Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT THU NHẬN NĂNG LƯỢNG

VÔ TUYẾN

Có nhiều nguồn tự nhiên và các công nghệ liên quan khác nhau để thu nhận năng lượng như năng lượng mặt trời, ánh sáng trong nhà, rung động, nhiệt, sinh học, hóa chất, điện… Ngoài ra, năng lượng còn có thể được thu từ các nguồn nhân tạo qua việc truyền năng lượng không dây từ nút này đến nút khác một cách có kiểm soát Trong khi các thiết bị/mạch điện tử về mặt kỹ thuật liên tục được cải tiến về cơ chế thu nhận năng lượng thì tín hiệu/hệ thống về mặt kỹ thuật cũng nỗ lực để phát triển các mô hình truyền thông cho mạng lưới gồm các nút gồm cả các nút thu năng lượng

Chương 3 – XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG THU NĂNG

LƯỢNG VÔ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG

Nghiên cứu tính toán các kênh thông tin vô tuyến, điều chế và giải điều chế BPSK, xác suất lỗi bit trong mô hình mô phỏng

Nghiên cứu đánh giá hiệu năng của mô hình đề xuất với các mô hình truyền thống

và các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống

Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ

Kiểm chứng tính đúng đắn của các kết quả phân tích và tính toán cũng như các tham

số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống

Luận văn thực hiện mô phỏng bằng chương trình Matlab để đánh giá hiệu năng của

các hệ thống

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG

1.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, đầu tiên sẽ trình bày khái niệm cơ bản và những ưu nhược điểm của hệ thống song công với các ăng-ten chia sẻ và ăng-ten tách rời Tiếp đó là khảo sát các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến cho hệ thống Cuối cùng là nghiên cứu những ảnh hưởng của truyền dẫn song công đến hiệu suất của hệ thống trong các mạng khác nhau bao gồm mạng hai chiều, mạng chuyển tiếp và mạng di động

1.2 Giới thiệu về hệ thống truyền dẫn song công

1.2.1 Viễn cảnh của hệ thống truyền thông không dây

Cùng với sự gia tăng bùng nổ nhu cầu về lưu lượng dữ liệu là sự cải thiện năng lực

hệ thống, nhằm đáp ứng tốc độ truyền mong đợi gấp 1000 lần so với truyền thông không dây 4G, đó là truyền thông không dây 5G – một hệ thống truyền thông không dây dự kiến sẽ tiến triển trong 10 năm tới Một số tổ chức ở các nước và khu vực khác nhau đã phát động những chương trình cho 5G như 5GNOW (5th Generation Non-Orthogonal Waveforms for Asynchronous Signalling) và METIS (Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society) năm 2020 Các công nghệ chủ chốt cho các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai sẽ giúp nâng cao năng lực thông qua việc tăng hiệu quả phổ tần, mở rộng tần số và mật độ mạng lưới bằng cách sử dụng nhiều cell nhỏ

Khi chúng ta chú ý đến hiệu quả phổ tần tăng lên cho các dịch vụ và ứng dụng quy

mô lớn thì một câu hỏi được đặt ra là: Những công nghệ nào có thể ứng cử để định nghĩa được các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai? Có hai cách tiếp cận để tăng hiệu quả phổ tần đã được đề xuất trong 5G Một là, phương pháp liên quan đến việc tìm kiếm phổ mới bằng cách chia sẻ phổ tần số và kỹ thuật cảm biến [1] Hai là, phương pháp liên quan đến các hệ thống dựa trên việc sử dụng các công nghệ truyền dẫn giao diện cải tiến như các kỹ thuật giảm thiểu sự giao thoa cải tiến, kỹ thuật ăng-ten có đa ngõ vào và đa ngõ ra (MIMO) [1] và truyền dẫn phi trực giao Với các kỹ thuật giảm thiểu sự giao thoa cải tiến, ví dụ chúng ta có thể có được 𝑥 là bình phương tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) hoặc tín hiệu trên can nhiễu (SINR) để đạt được hiệu quả phổ tần tăng lên 𝑥 lần so với hệ thống truyền thông không dây hiện tại.Tuy nhiên với các hệ thống thực tế có công suất phát hạn chế thì không thể đạt 𝑥 Với kỹ thuật MIMO cũng nâng cao hiệu quả phổ tần, ví dụ trong các hệ thống truyền thông không dây 4G có bốn anten được sử dụng, mỗi trạm sẽ cần nhiều hơn 4 × 𝑥 ăng-ten để đạt được dung lượng kênh truyền tăng 𝑥 lần với kỹ thuật MIMO Tuy nhiên, trong môi trường thực tế, việc trang

bị cho mỗi trạm nhiều ăng-ten trong một khoảng không giới hạn, thì rất khó có thể nhận được các giá trị riêng đầy đủ do mối tương quan không gian giữa các ăng-ten phát và thu

Trong số các công nghệ, phương pháp truyền phi trực giao gần đây, chẳng hạn như truyền dẫn song công (IBFD) [2] - [4], đa truy nhập phi trực giao (NOMA), và giàn lọc

đa sóng mang (FBMC), đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong giới nghiên cứu hàn lâm (trong các trường đại học) và công nghiệp (trong các tập đoàn lớn) bởi vì chúng có tiềm năng tăng hiệu quả phổ tần mà không cần bổ sung thêm tần số Phương pháp NOMA sử dụng mã hóa chồng chập, có thể hỗ trợ nhiều người dùng trong một khối tài nguyên duy nhất, như thời gian hoặc tần số, để nâng cao hiệu suất phổ tần; nhưng vì việc sử dụng các khối tài nguyên không trực giao nên việc phân bổ công suất và định thời thích hợp

sử dụng kỹ thuật khử nhiễu liên tiếp là cần thiết để giảm thiểu nhiễu Phương pháp FBMC sử dụng các bộ lọc mẫu có hình dạng nhất định và có các đối tượng gian trùng lặp; một vài kỹ thuật FBMC không trực giao như ghép kênh phân chia tần số tổng quát (GFDM) và phương pháp tiếp Nyquist nhanh hơn, tạo thêm nhiễu phụ từ các sóng mang con lân cận Và phương pháp IBFD là phương pháp có một lịch sử lâu đời và đã từng được sử dụng trong việc thiết kế các hệ thống radar sóng liên tục (CW) ít nhất là từ thập niên 1940 và khi kết hợp với một hệ thống MIMO có thể tăng gấp đôi dung lượng kênh truyền

1.2.2 Khái niệm và ưu nhược điểm của truyền thông song công

Khái niệm về của cấu trúc truyền thông song công (IBFD) là sử dụng cùng tài nguyên thời gian và phổ tần để trao đổi thông tin, tức là truyền và nhận đồng thời dữ liệu trên cùng một băng tần Ngược lại với các hệ thống hiện tại, hoạt động trong chế độ bán song công (giao tiếp đơn hướng) hoặc trong chế độ song công ngoài băng (kỹ thuật

đa truy cập phân chia theo thời gian hoặc tần số), cách tiếp cận mới này cho phép một thiết bị đầu cuối hoạt động một cách đồng thời trên cùng một băng tần, tăng gấp đôi hiệu quả phổ tần của một hệ thống

1.2.2.1 Ưu điểm cơ bản của IBFD

 Có thể tăng gấp đôi dung lượng kênh truyền: sử dụng đầy đủ nguồn tài nguyên thời gian và tần số nên truyền dẫn song công, về mặt lý thuyết, có dung lượng kênh truyền tăng gấp đôi so với truyền dẫn bán song công

 Có thể giảm độ trễ phản hồi: Việc tiếp nhận tín hiệu phản hồi (ví dụ như thông tin điều khiển, thông tin trạng thái kênh (CSI) phản hồi, tín hiệu xác nhận / không xác nhận (ACK / NACK), thông tin phân bổ tài nguyên…) trong quá trình truyền

dữ liệu có độ trễ ngắn hơn

 Có thể giảm độ trễ toàn trình: Trong các hệ thống chuyển tiếp, các trạm chuyển tiếp với IBFD có thể giảm độ trễ toàn trình vì các trạm chuyển tiếp đồng thời nhận dữ liệu từ một trạm nguồn và truyền dữ liệu đến một trạm đích

 Có thể tăng cường bảo mật mạng: Việc sử dụng truyền tải đồng thời tại hai điểm nên tín hiệu nhận được là tín hiệu hỗn hợp do đó rất khó để giải mã

 Có thể nâng cao hiệu quả của các giao thức mạng tùy biến: Bởi vì tất cả các trạm đều là trạm phát nên IBFD có thể giải quyết vấn đề “trạm ẩn” trong mạng tùy biến Hơn nữa, thực tế là tín hiệu đang được truyền đi thì việc nghe và nhận đồng thời đang được thực hiện trên một dải tần số, có nghĩa là mỗi trạm có thể quyết định có hay không các trạm khác đang truyền tín hiệu và do đó ngăn ngừa xung đột

 Có thể tăng tính linh hoạt sử dụng phổ: Bằng cách giữ lại các tùy chọn để sử dụng một băng tần số (IBFD) hoặc hai dải tần số khác nhau (truyền dẫn bán song công) cho đường lên và đường xuống, mỗi máy phát có thể chọn một trong hai chế độ song công hoặc bán song công

1.2.2.2 Nhược điểm của IBFD

 Nhiễu nội (SI): Nhược điểm lớn nhất của IBFD là sự xuất hiện của nhiễu nội, đó

là sự nhiễu loạn của tín hiệu phát gây ra tại ăng-ten thu của cùng một đầu cuối (Hình 1.1) Do đó, một thiết bị đầu cuối có thể gây nhiễu cho chính nó khi phát tín hiệu trong cùng dải tần với tín hiệu mà nó cũng đang cố gắng lắng nghe Khoảng cách giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu tại một trạm (chứ không phải là khoảng cách giữa hai trạm) ngắn nên công suất của nhiễu nội lớn hơn rất nhiều

so với công suất của tín hiệu mong muốn Sự chênh lệch giữa công suất tín hiệu mong muốn và nhiễu nội tăng lên theo cấp số nhân khi khoảng cách dài hơn Lấy một femto-cell của hệ thống di động làm ví dụ: công suất chênh lệch giữa hai tín hiệu này là khoảng 40dB, trong khi nhiễu nền của máy thu là khoảng -100 dBm Hãy tưởng tượng rằng công suất của tín hiệu phát là 0dBm, công suất thu được tại một ăng-ten cách đó khoảng 15 cm là khoảng -40dBm, do đó nếu có 60dB bị loại bỏ thì tín hiệu là lý tưởng Lưu ý rằng giá trị này khá cao và do đó nó là vấn

đề không hề nhỏ [3] Vì những lý do này, cách đây không nhiều năm, cộng đồng mạng viễn thông cho rằng thiết bị vô tuyến không thể nhận và truyền trên cùng một băng tần Tuy nhiên, nhu cầu về luồng kết nối dữ liệu nhanh hơn và sự phân

bổ phổ tần giảm đã khuyến khích nghiên cứu về IBFD trong suốt 4-5 năm qua, khiến nó trở thành một ý tưởng mới với tiềm năng to lớn để tích hợp các công nghệ trong tương lai

 Sự khử nhiễu không hoàn toàn: Trong môi trường thực tế, nhiễu nội không thể

bị khử hoàn toàn do nhiều lý do, chẳng hạn như phi tuyến tính của các thành phần phần cứng trong chuỗi RF (công suất của nhiễu nội vượt quá phạm vi khả thi), các lỗi ước lượng trên kênh nội và tín hiệu nhiễu nội nhận được (nhiễu phản

xạ khác nhau), và các kỹ thuật triệt nhiễu khác nhau không hoàn toàn

 Nhiễu liên người dùng tăng lên: Bởi vì tất cả các trạm liền kề được phát đồng thời nên số lượng nhiễu liên người dùng tăng và do đó nhiễu tổng hợp tại một trạm cũng tăng

Hình 1.1 Sơ đồ khối của một trạm IBFD

 Công suất tiêu thụ tăng và phức tạp: Việc khử nhiễu nội và nhiễu liên người dùng tại mỗi trạm sẽ yêu cầu mỗi trạm có thêm các thành phần khác, do đó sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng và tài nguyên của hệ thống

1.2.3 Quá trình khử nhiễu nội trong truyền thông song công

Thông thường, quá trình triệt tiêu nhiễu nội được chia thành làm ba giai đoạn khác nhau Thứ nhất, về truyền dẫn không dây, có khả năng kết hợp các kỹ thuật như hướng ăng-ten, phân cực chéo hoặc điều hướng chùm sóng Thứ hai, bao gồm việc lấy tín hiệu thu được trừ đi bản sao của tín hiệu phát, đã điều chỉnh độ lợi, pha và độ trễ bởi các mạch tần số vô tuyến Mặc dù các ứng dụng của các phương pháp đã đề cập có thể đạt được mức yêu cầu về mối liên quan giữa năng lượng và nhiễu để truyền tin cậy trong các bài kiểm tra nhưng khi tính đến các ảnh hưởng của môi trường thực thì không đủ

Để xử lý các biến đổi kênh trong các tình huống như vậy, các bộ lọc miền số được sử dụng để xử lý tín hiệu Hơn nữa, các kỹ thuật như phân bổ năng lượng tối ưu, lọc thích nghi, điều hướng chùm sóng thích nghi…, được sử dụng để cải thiện hơn nữa việc giảm thiểu nhiễu nội SI Do vậy, thiết bị đầu cuối IBFD cần kết hợp các giai đoạn xử lý như được mô tả trong hình 1.2

1.2.3.1 Miền lan truyền

Phương pháp tiếp cận đầu tiên để giảm thiểu nhiễu nội trong miền lan truyền là dựa trên các đặc tính lan truyền của sóng điện từ Các thiết bị đầu cuối nếu ở quá xa để thiết lập một đường truyền tin cậy thì cần phải sử dụng các trạm chuyển tiếp Để tăng phạm

vi phủ sóng của mạng, trạm chuyển tiếp có thể hoạt động như là bộ khuếch đại thụ động

và cùng băng thông bằng cách nhận và truyền lại một tín hiệu mong muốn mới đã được khuếch đại, được gọi là kỹ thuật khuếch đại-chuyển tiếp (AF) Do đó, các kỹ thuật cách

ly truyền không dây đã được phát triển, nhằm mục đích tách biệt phần nhận và phần phát của một thiết bị đầu cuối Kỹ thuật này là giai đoạn đầu tiên của sự giảm thiểu nhiễu nội và là điều cần thiết để giảm cường độ tín hiệu để mà phạm vi của nó phù hợp với dải tần vô tuyến với đường xuống của máy thu Dựa trên thiết kế ăng-ten, có hai phương

án khác nhau về kỹ thuật truyền sóng như hình 1.3 và hình 1.4

Hình 1.2 Cấu trúc các miền giảm nhiễu nội trong truyền thông song công

 IBFD với thiết kế ăng-ten chia sẻ

Hình 1.3 IBFD với thiết kế ăng-ten chia sẻ

Thiết kế ăng-ten chia sẻ là việc sử dụng cùng một ăng-ten để truyền và nhận như thể hiện trong hình 1.3 Trong truyền thông không dây thông thường với song công phân chia theo thời gian (FDD), bộ song công phải được thiết kế để tách tín hiệu thu từ tín hiệu phát trong khi vẫn cho phép nó chia sẻ ăng-ten với nhau Tuy nhiên, trong hệ thống truyền thông song công với ăng ten chia sẻ, các bộ song công không thể làm như vậy được bởi vì máy phát và máy thu hoạt động trên cùng một băng tần Do đó, truyền thông song công sử dụng một bộ song công mới, gọi là bộ tuần hoàn, tức là một mạch dẫn các tín hiệu từ máy phát đến ăng-ten và từ ăng-ten tới máy thu [5] Như vậy, chúng ta có thể truyền và nhận đồng thời trong cùng băng tần với ăng-ten chia sẻ Tuy nhiên, trong một môi trường thực tế, tín hiệu phát trong bộ tuần hoàn bắt đầu từ chuỗi phát đến ăng-ten có thể ảnh hưởng đến các tín hiệu nhận được ở chuỗi thu, tạo ra nhiễu nội [4] Trong trường hợp có trạm chuyển tiếp, các ăng-ten thường đặt giáp lưng với nhau Hơn nữa, người ta

có thể áp dụng kỹ thuật như bẫy sóng (một loạt các mạch lọc loại sóng ở tần số nhất định) [6] để mở rộng cách ly chuyển tiếp bằng cách kết nối các đường truyền cộng hưởng ngắn mạch để giảm âm tần không thích hợp gây ra nhiễu

Trong truyền thông không dây, nhiều ăng-ten có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất hệ thống bằng cách khai thác các bậc tự do (DoF) trong miền không gian Tuy nhiên, bộ tuần hoàn không thể hỗ trợ nhiều cổng cho nhiều ăng-ten chia sẻ vì những hạn chế về phần cứng Còn khi có nhiều bộ tuần hoàn được trang bị để cho phép sử dụng nhiều anten thì xảy ra sự giao thoa nghiêm trọng giữa nhiều anten chia sẻ dẫn đến tình trạng thắt cổ chai, ảnh hưởng đến tính khả thi của hệ thống IBFD

 IBFD với thiết kế ăng-ten tách rời

Hình 1.4 IBFD với thiết kế ăng-ten tách rời

Thiết kế ăng-ten tách rời là việc sử dụng nhiều ăng ten khác nhau để truyền và nhận, như thể hiện trong hình 1.4 Thiết kế này được sử dụng để giảm thiểu nhiễu nội bởi sự suy hao tổn thất đường truyền, tăng khoảng cách ăng-ten để đồng thời tăng suy hao, hoặc bằng cách đặt vật liệu hấp thụ vào giữa chúng Tuy nhiên, cách tiếp cận này bị hạn chế bởi thiết kế đầu cuối phức tạp, một vấn đề đóng vai trò nghiêm trọng và quan trọng trong các sản phẩm thương mại ngày nay Phân cực chéo cũng là giải pháp thú vị để tách rời ăng-ten và cải thiện sự giảm thiểu nhiễu; tức là một tín hiệu theo phân cực sóng đứng và một tín hiệu khác theo phân cực sóng ngang trong cùng thời gian và tần số, khi cải hai tín hiệu đó cùng sử dụng cả hai phân cực thì thông lượng của hệ thống sẽ tăng lên một cách đáng kể Một giải pháp khác là khai thác mô hình bức xạ ăng-ten, tức là đặt các ăng-ten thu một cách cẩn trọng vào các điểm không bức xạ của mảng anten phát

Hệ thống IBFD tồn tại tín hiệu quay vòng hay còn gọi là nhiễu nội (SI), gây ra bởi các tín hiệu rò rỉ từ trạm phát vào trạm nhận của nó Tín hiệu SI bao gồm nhiễu trực tiếp

và nhiễu phản xạ như trong hình 1.3 và 1.4 [4] Nhiễu trực tiếp có thể là các tín hiệu bị

rò rỉ từ bộ tuần hoàn như trong hình 1.3 hoặc các thành phần nhìn thẳng (LOS) của các tín hiệu phát từ các ăng-ten phát như trong hình 1.4 Nhiễu phản xạ là do tổng hợp các thành phần không nhìn thắng (NLOS) của tín hiệu phát từ việc truyền qua nhiều đường dẫn bị tắc nghẽn một phần, thường là các vật chắn như tòa nhà, cây cối, và đồi Ví dụ

trong một hệ thống Wi-Fi, khoảng cách giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu tại mỗi trạm ngắn nên công suất của nhiễu nội là khoảng 104 dB, lớn hơn nhiều so với công suất của tín hiệu mong muốn [3] Do vậy, việc tìm các kỹ thuật để triệt nhiễu nội một cách hiệu quả nhất là một trong những thách thức quan trọng để thực hiện khả thi truyền thông song công trong các hệ thống truyền thông không dây tương lai

1.2.3.2 Miền tương tự

Các mạch tương tự trong miền tương tự có chức năng giảm thiểu nhiễu nội và là thành phần quan trọng trong hệ thống IBFD Các mạch này được đặt trước bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và hoạt động trên cả băng tần gốc hoặc băng tần rộng nhận được Ý tưởng chính là để theo dõi tín hiệu nhiễu và trừ nó khỏi tín hiệu nhận được bằng các phương pháp xử lý điện tử trong miền tương tự Hơn nữa, nó cũng có thể ảnh hưởng lên tín hiệu phát trong miền số, sử dụng hiệu ứng kênh nhiễu bằng các phương pháp điều chỉnh độ lợi và pha của nhiễu rồi chuyển nó trở lại miền tương tự để thực hiện trừ

nó khỏi tín hiệu nhận được [7]

Với miền lan truyền, một số mạch tương tự không thể theo dõi được sự biến đổi kênh trong điều kiện môi trường có sự phân tán nhiều, do các mạch không ý thức kênh chỉ tập trung vào việc ngăn chặn nhiễu nội trực tiếp Tuy nhiên, quá trình xử lý tương tự lại có các mạch ý thức kênh, có khả năng theo dõi sự biến đổi kênh, do đó tăng hiệu quả giảm thiểu nhiễu nội Với cả hai trường hợp đều bao gồm một đường trễ bị trì hoãn với biên độ và hiệu chỉnh pha Đối với trường hợp đầu tiên, mạch được hiệu chỉnh một lần lúc trước khi hoạt động Đối với trường hợp thứ hai, việc điều chỉnh diễn ra liên tục giúp theo dõi các biến đổi kênh Theo lý thuyết, các kênh di động thường được lựa chọn tần

số do có các tín hiệu đa đường mong muốn ở máy thu Đối với hầu hết các hệ thống hiện tại, điều cần thiết là phải có thuộc tính kênh này để khai thác sự đa dạng không gian

1.2.3.3 Miền xử lý tín hiệu số

Các kỹ thuật xử lý tín hiệu kỹ thuật số sẽ triệt tiêu nhiễu nội bằng cách áp dụng các

xử lý tín hiệu mạnh mẽ và phức tạp trong miền số (sau hệ thống chuyển đổi tương tự sang số) Trong miền số, các kỹ thuật lọc tinh vi được áp dụng mà không cần nỗ lực lớn (đặc biệt là với sự xuất hiện gần đây của các mạch xử lý tín hiệu số mạnh mẽ) Tuy nhiên, quá trình này chỉ có thể thực hiện được nếu hai quá trình ở trên được thực hiện thành công, vì dải động ADC có thể giới hạn số lượng nhiễu cho phép [8] Trong lý thuyết, người ta thường nói rằng quá trình xử lý tín hiệu số được thực hiện trên nhiễu nội thặng dư và hoạt động như bộ lọc tín hiệu tốt

Không giống như quá trình lan truyền và tương tự, không có một tiêu chuẩn kỹ thuật nào được sử dụng trong lĩnh vực miền số Lĩnh vực nghiên cứu này đang phát triển và chiếm nhiều bút giấy tờ trong những năm gần đây về việc đề xuất các quan điểm và cách giải quyết mới đối với nhiễu Điều quan trọng nhất trong quá trình này là mô hình chuỗi kênh từ máy phát chuyển đổi số sang tương tự đến máy thu chuyển đổi tương tự sang

số, do đó lọc sẽ hiệu quả hơn Sau đó có thể thực hiện định hướng chùm tín hiệu truyền

đi, tối ưu sự kiểm soát và phân bổ năng lượng, lựa chọn ăng ten, các phép chiếu không gian rỗng và các bộ lọc ước lượng bình phương tối thiểu (MMSE) [9]

1.2.4 Các mô hình cơ bản của mạng truyền dẫn song công

Hệ thống IBFD có 03 mô hình cơ bản, mỗi mô hình giả định rằng các trạm sử dụng song công và bán song công có thể được trang bị nhiều ăng-ten và số lượng ăng ten trên mỗi trạm có thể khác nhau

1.2.4.1 Mạng truyền dẫn song công hai chiều

Hình 1.5 Mô hình mạng truyền dẫn song công hai chiều

Trong hình 1.5, mô hình hai chiều gồm hai trạm a và b muốn trao đổi tín hiệu với nhau để giao tiếp hai chiều Gọi các đường truyền từ trạm a đến trạm b như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 và từ trạm b đến trạm a là (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 Với truyền dẫn bán song công thì (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 sử dụng tài nguyên thời gian hay tần số riêng biệt cho truyền trực giao, điều này có thể làm giảm hiệu quả phổ tần Trong khi với truyền dẫn IBFD, các cặp trạm có thể truyền và nhận các tín hiệu đồng thời với một dải tần số duy nhất, do đó về mặt lý thuyết có thể tăng gấp đôi hiệu suất phổ tần so với truyền dẫn bán song công

1.2.4.2 Mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp

Hình 1.6 Mô hình mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp

Mô hình tiếp theo là mô hình chuyển tiếp được thể hiện như trong hình 1.6 Truyền dẫn chuyển tiếp thường bao gồm ba loại trạm, một trạm nguồn s, một trạm chuyển tiếp

r và một trạm đích d Mỗi trạm nguồn muốn phát tín hiệu dữ liệu của nó đến trạm đích tương ứng thông qua trạm chuyển tiếp được chọn Đặt các đường truyền

từ s đến r như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và từ r đến d như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 Với truyền dẫn bán song công thì (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 sử dụng nguồn tài nguyên riêng biệt, các trạm nguồn và trạm chuyển tiếp truyền tín hiệu dữ liệu theo thời gian hoặc tần số khác nhau Còn với truyền dẫn IBFD, các trạm nguồn và trạm chuyển tiếp đồng thời truyền tín hiệu của chúng thông qua (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 bằng cách sử dụng cùng băng tần số Tùy thuộc vào loại chuyển tiếp như khuếch đại-chuyển tiếp (AF) hay giải mã-chuyển tiếp (DF), mô hình chuyển tiếp có thể được mở rộng đến một mô hình truyền thông tổng thể nơi mà tín hiệu dữ liệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 khác nhau cho mỗi loại Với hệ thống chuyển tiếp AF, trạm chuyển tiếp chuyển tiếp tín hiệu nhận được tới trạm đích theo thời gian thực mà không xử lý và các tín hiệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟

và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 là giống nhau Mặt khác, với hệ thống chuyển tiếp DF, tín hiệu được giải mã tại trạm chuyển tiếp rồi mới chuyển tiếp nên các tín hiệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟

và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 là khác nhau Do đó, hệ thống chuyển tiếp DF có thể được mở rộng đến

mô hình chung nơi mà trạm nguồn và trạm chuyển tiếp có các trạm đích khác nhau

1.2.4.3 Mạng truyền dẫn song công di động

Hình 1.7 Mô hình mạng truyền dẫn song công di động

Hình 1.7 mô tả mô hình di động, trong đó bao gồm một trạm gốc (BS) và nhiều trạm

di động (MS) Trong mô hình này có hai loại đường truyền dữ liệu là đường lên và đường xuống, trong đó mỗi trạm di động truyền tín hiệu dữ liệu đến một trạm gốc gọi

là đường lên và một trạm gốc truyền tín hiệu dữ liệu cho nhiều trạm di động gọi là đường xuống Với truyền dẫn bán song công, các kênh đường lên và đường xuống được vận hành trực tiếp với kỹ thuật song công phân chia theo thời gian hoặc tần số Còn với truyền dẫn IBFD, nhiều trạm di động có thể đồng thời truy cập vào trạm gốc trên cùng một dải phổ tần, nghĩa là đồng thời truyền và nhận các tín hiệu dữ liệu với trạm gốc sử dụng các kênh đường lên và đường xuống, trong khi trạm di động trong truyền dẫn bán song công chỉ có thể truy cập trạm gốc thông qua đường lên hoặc đường xuống

1.3 Các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến

1.3.1 Nghiên cứu về đầu cuối vô tuyến

Trong vài năm gần đây, một số thiết bị đầu cuối IBFD đã được phát triển trong giới học viện, chủ yếu là tại Đại học Stanford và Đại học Rice Các nhóm nghiên cứu này chủ yếu tập trung vào việc thực hiện hệ thống thực tế, hơn là nghiên cứu các kỹ thuật

xử lý tín hiệu số Một số công việc của họ là xem xét các đặc tính quan trọng nhiễu, sẽ được trình bày chi tiết dưới đây

Một trong những phương pháp đầu tiên đề xuất để giảm nhiễu nội là sử dụng ăng ten tách rời cùng với mạch tương tự khử nhiễu và một số xử lý tín hiệu số Melissa Duarte và Ashutosh Sabharwal, từ Đại học Rice, cho thấy trên lý thuyết rằng các hệ thống song công với những đặc tính này có thể vượt trội hơn nhiều so với hệ thống bán song công [7] Họ cũng tập trung vào mô tả hệ thống song công không dây với ăng-ten khử tương tự và số, cũng như nghiên cứu các kỹ thuật lan truyền để giảm thiểu nhiễu nội

Nhóm nghiên cứu từ Đại học Stanford công bố bài báo đầu tiên của họ vào năm

2010 [10] Họ tiến hành một kế hoạch khử ăng-ten, bao gồm sự kết hợp của việc đặt ăng-ten đúng vị trí (trong miền lan truyền) và sự khử nhiễu trong miền tương tự và số Phương pháp hai ăng-ten phát được tách ra từ một ăng-ten nhận được đề xuất, để giảm

đi nhiễu ở ăng-ten nhận Tuy nhiên, phương pháp này có thể có các ràng buộc về băng thông, vì nó tạo ra một kênh chọn lọc tần số (sự khử chỉ đạt được ở tần số sóng mang)

và với sự phân bổ năng lượng từ xa, bằng cách làm nhiễu loạn dạng bức xạ ăng-ten Mặc

dù vậy, bài báo cho rằng sự kết hợp việc khử nhiễu tương tự và số có thể làm cho hệ thống IBFD khả thi Trong một công trình khác [11], người ta lập luận rằng sử dụng hệ thống MIMO 𝑁 × 𝑁 có thể tăng N lần thông lượng của hệ thống, trong khi việc sử dụng song công chỉ tăng gấp đôi do đó lợi ích đạt được khi sử dụng song công có thể là sai lầm Sau đó đề xuất sử dụng mạch “balun” (một thiết bị kết nối một tín hiệu cân bằng

và một tín hiệu không cân bằng, tương tự như chất phóng xạ) trong miền lan truyền, cho phép sử dụng cùng một ăng-ten để truyền và nhận Thành phần này tạo ra một bản sao nghịch đảo hoàn hảo của tín hiệu phát rồi sau đó được trừ đi (nghich đảo tín hiệu), làm cho suy hao giảm thêm 40 – 50dB Ước lượng kênh trong miền số được dử dụng khử hoàn toàn nhiễu nội chính và nhiễu nội thặng dư Tuy nhiên, cách tiếp cận này đòi hỏi

độ trễ với độ phân giải cao và sự suy hao khi qua mạch “balun” làm cho chất lượng hệ thống không được đảm bảo

Gần đây, một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Stanford đã đưa ra một hệ thống IBFD cho vô tuyến Wi-Fi [4] Ăng-ten cùng được sử dụng để truyền và nhận trong đề xuất này được trang bị mạch tuần hoàn Họ cũng đề xuất các mạch và các thuật toán về nhiễu nội mới, đạt được độ suy giảm 100dB trên tiêu chuẩn Wi-Fi Thứ nhất, một mạch khử tương tự dựa trên các đường cố định song song với các độ trễ khác nhau tạo ra hiệu ứng kênh và có được sự suy giảm 60dB nhiễu nội Thứ hai, quá trình xử lý số được sử dụng để làm sạch nhiễu nội thặng dư Thành phần tuyến tính tín hiệu được ước tính bằng phương pháp cực đại (ML) tạo ra sự suy giảm thêm 50dB rồi sau đó ước lượng thành phần không tuyến tính còn lại Bài báo này là bước đi đầu tiên và là nền tảng quan trọng cho các giải pháp truyền thông vô tuyến song công sau này

1.3.2 Truyền thông qua các trạm chuyển tiếp

Việc sử dụng các trạm chuyển tiếp không dây là để ngăn chặn hiệu ứng che khuất (shadowing), mở rộng phạm vi phủ sóng mạng và tăng cường tối đa thông lượng Ngày nay, mạng truyền thông vô tuyến đang phát triển rất nhanh, trạm chuyển tiếp có thể được

sử dụng để rút ngắn khoảng cách giữa các người dùng Ban đầu, các trạm chuyển tiếp hoạt động ở chế độ bán song công, sử dụng hai kênh truyền khác nhau để truyền và nhận cùng một thông tin, gây lãng phí tài nguyên phổ tần Vì lý do đó, trong những năm gần đây các trạm chuyển tiếp IBFD đã được nghiên cứu, để tăng hiệu quả sử dụng phổ tần Tất nhiên, các kỹ thuật giảm thiểu nhiễu nội ở trên cần phải được áp dụng để nhiễu không quay ngược ảnh hưởng tín hiệu thu tại trạm chuyển tiếp Hình 1.4 cho thấy một trạm chuyển tiếp IBFD trong mạng truyền thông có hai bước nhảy với nhiều trạm nguồn

và trạm đích khác nhau

Hình 1.8 Mô hình các trạm chuyển tiếp song công

Taneli Riihonen, Stefan Werner và Risto Wichman [12], từ các trường đại học Aalto

và Tampere, là những người nghiên cứu đầu tiên, tập trung vào xử lý tín hiệu và giả định

sự suy giảm nhất định đối với cho miền lan truyền và miền tương tự Đầu tiên họ đề xuất một phương pháp khuếch đại-chuyển tiếp (AF) trong phạm vi miền lan truyền và cho rằng tốt hơn là để tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) giảm đi bằng cách sử dụng chế độ song công hơn là không có hiệu quả phổ tần của chế độ bán song công Trong [13], các tác giả trình bày một bài báo dựa trên các liên kết truyền dẫn MIMO với sự ngăn chặn nhiễu nội bằng phương pháp giải mã-chuyển tiếp (DF), có nghĩa là trạm chuyển tiếp sẽ tái tạo hoàn toàn tín hiệu số Họ giả sử thông tin trạng thái kênh (CSI) tại trạm chuyển tiếp và

sử dụng phương pháp cưỡng bức về không (ZF), được gọi là phép chiếu không gian (NSP), hoặc ước lượng MMSE để lọc đầu vào và đầu ra của trạm chuyển tiếp Tuy nhiên, ước lượng sai lệch của kênh và độ lệch của tín hiệu truyền, gây ra bởi sự suy giảm tần số vô tuyến, có thể gây ra các làm giảm hiệu suất của trạm một cách nhanh chóng Một sự so sánh giữa ưu điểm của việc sử dụng IBFD và truyền dẫn bán song công được

mô tả trong [14] Phân tích tỷ lệ đạt được tức thời và dài hạn của mỗi mô hình, xem xét bất kỳ giao thức chuyển tiếp và phương pháp khử nhiễu nội Các tác giả lấy đưa ra biểu thức có thể đạt được cho các chế độ khuếch đại-chuyển tiếp (AF) và giải mã-chuyển tiếp (DF), chế độ bán song công, và truyền dẫn trực tiếp, sử dụng công suất truyền dẫn tối

ưu để tối đa hóa công suất Sau đó, một trạm chuyển tiếp lai để chọn chế độ đạt công suất cao hơn được giới thiệu, bằng cách hiển thị một ngưỡng theo tỷ lệ tín hiệu với nhiễu (SINR), do đó làm giảm hiệu ứng nhiễu nội trong toàn bộ hệ thống chuyển tiếp

Trong [9], các tác giả đã khám phá ra kỹ thuật khử nhiễu tiên tiến hơn, sử dụng các

kỹ thuật tần số vô tuyến cơ bản như sự tách rời ăng-ten và sự triệt nhiễu tương tự kết hợp với các phương pháp giảm thiểu không gian (tận dụng lợi thế của MIMO khai thác thêm các bậc tự do (DoF)) Thiết kế bộ lọc độc lập, tách rời và chung được đề xuất bởi các tác giả Lựa chọn anten cho các kênh fading phức tạp như là sự lựa chọn tạo ra một tập hợp anten chung cho kênh nhị phân Sau đó, nó được tiếp tục phát triển để lựa chọn chùm tia đặc trưng dựa trên phép phân tích giá trị đơn Phương pháp này thường bị nhiễu nội thặng dư ngay cả khi không có lỗi ước lượng trạng thái kênh Việc giảm thiểu không gian được trình bày như là một phương pháp có thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu nội khi xem đến trạng thái kênh hoàn hảo và có kích thước đầy đủ, nghĩa là có đủ ăng-ten để dự đoán được nhiễu Do đó, thiết kế bộ lọc được thực hiện sao cho một trạm chuyển tiếp có thể truyền và nhận trong các vùng không gian con khác nhau Một bộ lọc MMSE cũng được

đề xuất để giảm thiểu sự biến dạng và suy hao của nhiễu nội, trong khi vẫn đảm bảo đường dẫn tín hiệu mong muốn qua trạm Cuối cùng, một sự kết hợp giữa sự khử nhiễu

và giảm thiểu không gian được trình bày Tuy nhiên, nhược điểm chính của các phương pháp này là rất nhạy cảm với các lỗi ước lượng của nhiễu nội kênh MIMO Khi ước lượng kênh trở nên lớn, hiệu suất của hệ thống sẽ giảm nhanh chóng

Công suất phát chuyển tiếp được tối ưu hóa trong [15], đối với tỷ lệ tổng hợp toàn trình hệ thống Các tác giả giả định rằng một bộ lọc điều hướng chùm sóng để giảm nhiễu và cho thấy rằng dưới dưới những hạn chế về công suất đỉnh có một công suất

truyền tải tối ưu Phương pháp này cho phép chỉ ra nhiễu nội thặng dư theo hướng gây hại ít nhất Hơn nữa, họ suy luận ra một biểu thức tối ưu hóa công suất tại trạm chuyển tiếp cho trường hợp SISO và so sánh các kết quả với mô hình bán song công Cách tiếp cận khác là sử dụng sự khử miền thời gian thay vì lọc sự giảm thiểu khi bậc tự do ít hơn

Sự khử miền thời gian sẽ trừ đi ước lượng nhiễu từ tín hiệu nhận được áp dụng các hệ thống MIMO để thực hiện lọc và đảm bảo tính trực giao giữa tín hiệu mong muốn và nhiễu

Trong [16], các tác giả khám phá một sự kết hợp tiên tiến các kỹ thuật khử nhiễu trong miền lan truyền, miền tương tự và miền số cho trạm chuyển tiếp IBFD, trong đó các thông số thực của hệ thống thực thu được xem xét Họ đề xuất thiết kế các vòng lặp trên mặt đất, dựa trên mô phỏng sóng trường gần bằng lý thuyết các phần tử hữu hạn Ý tưởng là tạo ra các trường điện từ để triệt các sóng truyền qua trạm chuyển tiếp Họ cũng

đề xuất một phương pháp khử nhiễu nội không tuyến tính, cho rằng các bộ lọc tuyến tính có thể bóp méo tín hiệu tạo ra tín hiệu không tuyến tính và làm giảm đi hiệu suất của hệ thống song công Các tín hiệu không tuyến tính được mô tả bởi các đa thức, trong

đó mỗi hệ số được ước tính bằng phương pháp tuyến tính bình phương nhỏ nhất

1.4 Hệ thống IBFD mô hình hai chiều

Nhờ vào các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến ở trên mà nhiễu nội gần như không còn gây ra tình trạng thắt cổ chai nghiêm trọng khi thực thi một hệ thống IBFD thưc tế nữa Trong mục này sẽ nói về hiệu suất của hệ thống IBFD mô hình hai chiều (BFD) với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn và không hoàn toàn

1.4.1 Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn

Mục này sẽ xem xét hiệu suất của hệ thông BFD với một kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn trên quan điểm đảm bảo dung lượng kênh truyền và độ tin cậy của đường truyền Đây là điều kiện lý tưởng của một hệ thống

1.4.1.1 Hệ thống BFD với thiết kế anten chia sẻ

Trước tiên là những tổng quan ngắn gọn về dung lượng kênh truyền cho một hệ thống BFD ăng-ten chia sẻ Giả định các trạm a và b với N ăng-ten muốn giao tiếp với nhau bằng cách sử dụng băng tần số nhất định Trong hệ thống bán song công hai chiều (BHD) truyền thống, mỗi trạm được hoạt động theo song công phân chia theo thời gian hoặc tần số nên dung lượng kênh truyền tổng cộng có thể được biểu diễn như sau:

CBHD = 1

2 x ∑ log2 (1 + ρab,i

H )N

i=1

+1

2 x ∑ log2 (1 + ρba,i

H )N

i=1

trong đó, ρab,iH và ρba,iH tương ứng là tỷ số SNR nhận được với 𝑖 − 𝑡ℎ là giá trị đặc trưng trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 Hệ số (1 2⁄ ) phải được nhân với mỗi dung

(1.1)

lượng kênh truyền do việc sử dụng các nguồn tài nguyên trực giao chia làm nhiều lần,

do đó làm giảm hiệu quả phổ tần đi một nửa

Mặt khác, hệ thống BFD với ăng-ten chia sẻ có thể đạt được gấp hai lần hiệu quả phổ tần so với một hệ thống BHD Dung lượng kênh truyền tổng cộng có thể được biểu diễn như sau:

CBFDSha = 1 x ∑ log2 (1 + ρab,iF,Sha)

Những kết quả cơ bản này có thể dễ dàng được mở rộng cho các hệ thống song công

đã ngõ vào đa ngõ ra (FD-MIMO) và đa phổ tần Trong môi trường MIMO, dung lượng kênh truyền tăng tuyến tính khi số lượng ăng-ten gia tăng Trong môi trường đa phổ tần, mỗi trạm có được sự đa dạng lựa chọn bằng cách chọn dải phổ có độ lợi kênh tối đa trong các dải phổ hiện có Trong hệ thống BHD, mỗi trạm có thể chọn băng tần có lợi ích kênh tốt nhất và băng tần này có thể được phân bổ độc lập cho mỗi đường truyền để đạt được sự lựa chọn đầy đủ Tuy nhiên, đối với hệ thống BFD, mỗi trạm phải chọn dải tần số trong khi xem xét cả hai đường truyền (băng tần được chọn khác với hệ thống BHD) và điều này sẽ làm giảm sự đa dạng lựa chọn Tuy nhiên, hệ thống BFD nhờ có

hệ số trong công thức cao hơn nên nó có thể đạt được dung lượng kênh truyền cao hơn

hệ thống BHD mặc dù sự đa dạng lựa chọn trong môi trường đa phổ tần nhỏ hơn Các kết quả này cho thấy các hệ thống BFD với một ăng-ten chia sẻ mang lại hiệu suất vượt trội so với hệ thống BHD về dung lượng kênh truyền khi nhiễu nội bị khử hoàn toàn

1.4.1.2 Hệ thống BFD với ăng-ten tách rời

Như đã đề cập ở trên, truyền dẫn song công với một ăng ten chia sẻ hiện tại không thể được áp dụng trực tiếp vào một hệ thống FD-MIMO Tuy nhiên, hệ thống BFD với các ăng-ten tách rời có thể sử dụng trong miền không gian Nếu mỗi (𝑁 2⁄ ) anten được

sử dụng như là ăng-ten phát và ăng ten thu thì tổng dung lượng kênh truyền thể được biểu diễn như sau [42]:

CBFDSep = 1 x ∑ log2 (1 + ρab,iF,Sep)

trong đó ρab,iF,Sep và ρba,iF,Sep tương ứng là tỷ số 𝑆𝑁𝑅 nhận được với 𝑖 − 𝑡ℎ là giá trị đặc trưng trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 Chỉ sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu như phân tích giá trị riêng (SVD), miền không gian có thể được thêm vào danh sách các ứng

cử viên để tách biệt hai kết nối trực giao, ngược với các miền tần số và miền thời gian Song công phân chia kênh ảo (VDD) sử dụng bộ tiền mã hóa và bộ giải mã cho kỹ thuật khử nhiễu nội đã được đề xuất cho các hệ thống BFD [29] Ví dụ, một 4 × 4 kênh MIMO có 4 luồng với giá trị riêng khác nhau sau khi áp dụng phân tích giá trị riêng Sau

đó, mỗi trạm sẽ chọn luồng tốt nhất có tỷ số 𝑆𝑁𝑅 lớn nhất từ tất cả các luồng với giả định đầy đủ thông tin trạng thái kênh truyền Khi các kỹ thuật lựa chọn này được sử dụng, hệ thống BFD có thể được chứng minh là đạt được dung lượng kênh truyền cao hơn hệ thống BHD

1.4.1.3 Hệ thống BFD trong kênh MIMO tương quan

Mặc dù các kết quả trên đầy hứa hẹn do tất cả trường hợp đều dựa trên giả định rằng

có đầy đủ thông tin trạng thái kênh truyền ở cả máy phát và máy thu Tuy nhiên, nếu không có thông tin trạng thái kênh truyền tại máy phát (CSIT), các trạm riêng lẻ không thể chọn được luồng hay dải phổ tốt nhất Điều này dẫn đến một số công việc đầu tư vào hoạt động của hệ thống BFD khi không có thông tin trạng thái kênh truyền ở máy phát (CSIT) và thông tin trạng thái kênh truyền ở máy thu (CSIR)

Hơn nữa, trong môi trường MIMO, một sự tương quan fading không gian sẽ tồn tại giữa nhiều anten, làm giảm độ tự do của kênh MIMO (DoF) Do đó, trong môi trường MIMO tương quan không gian thì số lượng các luồng truyền đi giảm xuống khi hệ số tương quan gia tăng và hiệu năng của các hệ thống đa ăng-ten giảm đi

Với tình hình này, truyền dẫn IBFD có thể làm giảm tác động của tương quan fading không gian và tăng dung lượng kênh truyền cho các hệ thống FD-MIMO [17] Mỗi trạm phải chia ăng-ten thành hai tập hợp ăng-ten Một tập hợp ăng-ten được chọn để hoạt động như ăng-ten phát trong khi tập còn lại như ăng-ten thu Do vậy, ảnh hưởng của sự tương quan fading không gian trên hệ thống BFD là nhỏ hơn so với các hệ thống BHD

Cụ thể, khi mỗi trạm được trang bị 𝑁 = 2 ăng-ten, tỷ lệ tổng có thể đạt được của một

hệ thống BFD không bị ảnh hưởng bởi tương quan fading không gian vì hai liên kết hoạt động như hai hệ thống SISO độc lập Hơn nữa, Ju et al đã đánh giá các điều kiện theo

đó tỷ lệ tổng thể đạt được của hệ thống BFD là lớn hơn của hệ thống BHD theo hệ số tương quan không gian [21] Từ những kết quả đó, có thể kết luận rằng truyền dẫn song công làm giảm hiệu quả nhạy cảm với tương quan không gian, trong khi vẫn đảm bảo

tỷ lệ tổng thể đạt tương đương trong môi trường không gian lý tưởng

1.4.1.4 Độ tin cậy của hệ thống BFD

Thật không may, độ tin cậy của hệ thống BFD là ít hơn so với các hệ thống BHD vì ảnh hưởng của nhiễu nội tại mỗi trạm Hơn nữa, các nguồn tài nguyên không gian bị

phân chia trong các hệ thống BFD với ăng-ten tách rời cũng có thể là một nguyên nhân làm giảm độ tin cậy của hệ thống do việc giảm ăng-ten được phân bổ Việc sử dụng tràn băng thông và đảo qua lại giữa thời gian và tần số cho phép hệ thống BFD giảm khoảng thời gian kí tự Do đó, việc giảm này có thể được sử dụng để cải thiện độ tin cậy của hệ thống

Để tăng độ tin cậy của hệ thống BFD trong môi trường fading nhanh, Kim et al đề xuất một (TAS) kỹ thuật chuyển ăng-ten phát [18] và một khối mã hóa không gian-thời gian (STBC) [19] để cải thiện hệ thống BFD Sử dụng phương án đề xuất, các hệ thống BFD với N anten có thể đạt được sự phân tập là 2(𝑁 − 1) và 2( 𝑁 − 2) trong môi trường fading nhanh mà không có khử nhiễu nội ở bộ phát, trong khi các kỹ thuật thông thường trong BHD hệ thống chỉ có thể đạt được sự phân tập là N

1.4.2 Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội không hoàn toàn

1.4.2.1 Hệ thống BFD với các lỗi ước lượng kênh

Khi các trạm có sự khử nhiễu nội không hoàn toàn tại máy thu do lỗi ước lượng kênh thì hiệu suất hệ thống sẽ giảm đi do tỷ số SINR giảm Trong môi trường thực tế,

hệ thống BFD không thể khử hoàn toàn nhiễu nội, phần nhiễu nội thặng dư là rất quan trọng đối với tính khả thi của hệ thống BFD Kim et al đã nghiên cứu những ảnh hưởng của lỗi ước lượng kênh trên hiệu năng hệ thống BFD về dung lượng kênh truyền Bên cạnh đó, các tiêu chí mà dung lượng kênh truyền của hệ thống BFD lớn hơn của hệ thống BHD được đánh giá theo phương sai do lỗi ước lượng kênh [20]

1.4.2.2 Hệ thống BFD với những hạn chế phần cứng

Đối với truyền thông song công, hạn chế về thành phần phần cứng có thể là lý do chính khiến nhiễu nội không bị khử hoàn toàn Thông thường, nhiễu nội nhận được công suất lớn hơn rất nhiều so với các tín hiệu mong muốn Theo phạm vi hoạt động hạn chế

ở máy thu, hệ thống BFD thường không phải là một lựa chọn do các lỗi lượng tử quan trọng của nhiễu nội Do đó, điều quan trọng xem xét những ảnh hưởng của phạm vi hoạt động hạn chế với hiệu năng hệ thống BFD

Thứ nhất, vấn đề của phạm vi hoạt động hạn chế có thể được giải quyết nếu nhiễu nội bị loại bỏ hoàn toàn bằng cách tiền mã hóa kênh Ju et al đã đưa ra tỷ lệ tổng thể đạt được đối với hệ thống BFD với một bộ tiền mã hóa cho phương án khử nhiễu nội [21] Tuy nhiên, kết quả này được dựa trên những giả định lý tưởng, chẳng hạn như hiệu suất khử của bộ tiền mã hóa lý tưởng, và thật khó để đưa ra một cách chính xác những ảnh hưởng của phạm vị hoạt động hạn chế đến hiệu suất của hệ thống BFD Những ảnh hưởng của các phạm vi hoạt động hạn chế ở máy phát và máy thu được mô hình hóa bằng cách tạo thêm nhiễu vào máy phát, nhiễu này có công suất tỷ lệ với năng lượng của tín hiệu phát và bóp méo đi tín hiệu nhận tỷ lệ với năng lượng thu thập của ăng-ten

1.4.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống BFD

Hiệu năng hệ thống BFD với nhiều anten chia sẻ: Các nghiên cứu trước đây đã tập trung vào hiệu suất của hệ thống BFD với ăng-ten tách rời vì nhiễu nội là nút thắt cổ

chai trong một hệ thống FD-MIMO với nhiều anten chia sẻ Gần đây, kỹ thuật khử nhiễu nội đã được đề xuất cho các hệ thống FD-MIMO với anten chia sẻ và đạt mức tăng thông lượng trung bình 1,95 lần so với hệ thống HD Tuy nhiên, không có kết quả lý thuyết và thuật toán tiên tiến cho các hệ thống BFD với nhiều anten chia sẻ

Hệ thống BFD trong môi trường thực tế: Các nghiên cứu trước đây đã đánh giá hiệu năng hệ thống BFD dựa trên việc mỗi trạm có sự đồng bộ hoàn hảo và lưu lượng dữ liệu đối xứng ở nơi hai liên kết mang cùng một lượng dữ liệu Tuy nhiên trong một môi trường thực tế, giữa hai trạm sẽ không đồng bộ do lỗi đồng bộ thời gian và sự khác biệt

về độ trễ truyền tín hiệu giữa các kênh mong muốn và kênh truyền Hơn nữa, trong các

hệ thống di động như 3GPP LTE, lưu lượng dữ liệu bất đối xứng có ở một trong hai liên kết đang mang nhiều dữ liệu hơn

1.5 Hệ thống IBFD với mô hình chuyển tiếp

Trong hệ thống truyền dẫn bán song công có chuyển tiếp (HDR), hiệu suất toàn trình

bị hạn chế bởi việc sử dụng tài nguyên trực giao (ví dụ, tài nguyên thời gian và tần số) tại trạm chuyển tiếp [22] Truyền dẫn IBFD có thể được sử dụng tại trạm chuyển tiếp để tăng hiệu suất toàn trình của hệ thống chuyển tiếp Trong một hệ thống IBFD có chuyển tiếp (FDR), trạm chuyển tiếp có thể nhận các tín hiệu dữ liệu từ trạm nguồn và truyền tín hiệu dữ liệu đến các trạm đích cùng một lúc trong cùng một băng tần

1.5.1 Hệ thống FDR với một trạm chuyển tiếp (1-1-1)

1.5.1.1 Hệ thống FDR 1-1-1 với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn

Đầu tiên, chúng ta sẽ xem xét dung lượng kênh truyền toàn trình của một hệ thống FDR có một trạm nguồn, một trạm chuyển tiếp và một trạm đích (1-1-1) Khi mỗi trạm được trang bị một ăng-ten thu hoặc phát Trong một hệ thống FDR lý tưởng thì nhiễu nội tại trạm chuyển tiếp được khử hoàn toàn, dung lượng kênh truyền toàn trình cao gấp đôi so với hệ thống HDR Trong các hệ thống HDR với song công phân chia theo thời gian hoặc tần số, dung lượng kênh truyền toàn trình của hệ thống giải mã-chuyển tiếp (DF) và khuếch đại-chuyển tiếp (AF) được biểu diễn như sau:

(1.4)

thức phải được nhân với dung lượng mỗi kết nối do nguồn tài nguyên thời gian hoặc tần

số sử dụng tại trạm chuyển tiếp

Mặt khác, hệ thống FDR đạt được gấp đôi hiệu suất phổ so với hệ thống HDR bằng cách sử dụng truyền dẫn IBFD tại trạm chuyển tiếp Do đó, dung lượng kênh truyền toàn trình cho hệ thống FDR DF và AF có thể được biểu diễn như sau:

1.5.1.2 Hệ thống FDR 1-1-1 với nhiễu nội thặng dư

Trong môi trường thực tế, việc cách ly hoàn toàn các tín hiệu phát và tín hiệu thu là không thể Điều này ảnh hưởng đến tính khả thi của hệ thống FDR do vẫn còn nhiễu nội tại trạm chuyển tiếp Trong mô hình chuyển tiếp, có một tình huống đặt ra giữa các hệ thống FDR và HDR là: Nhiễu nội nên được dung hòa để cho phép sử dụng trong hệ thống FDR, hay nhiễu nội nên được loại trừ bằng cách sử dụng hệ thống HDR với dung lượng kênh truyền giảm đi một nữa?

Riihonen et al đã so sánh dung lượng kênh truyền của FDR, HDR và phương thức trực tiếp đối với trường hợp này [14] Hơn nữa, bằng cách sử dụng phân tích giải tích cho hệ thống FDR và HDR, họ đã tính toán hai mức dung hòa để đưa ra điều kiện đủ và cần thiết cho hệ thống FDR có thể tốt hơn hệ thống HDR Xét năng lượng dưới sự ràng buộc của công suất trung bình hoặc đỉnh tại trạm chuyển tiếp, Nikjah et al đã nghiên cứu và so sánh tốc độ có thể đạt được trong sáu loại giao thức truyền tải, như truyền trực tiếp, 03 phương thức HDR và 02 phương thức FDR Khi (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 yếu hơn (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 thì (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑑 có thể đạt được hiệu suất cao hơn so với hệ thống chuyển tiếp Do đó, một thuật toán đã được đề xuất để quyết định có hay không sử dụng truyền dẫn IBFD tại trạm chuyển tiếp để đạt được tốc độ cũng như công suất toàn trình Đặc biệt, Kang et al cũng có đưa ra các điều kiện cần và đủ mà hệ thống FDR tốt hơn

so với các hệ thống HDR về tỷ số 𝑆𝑁𝑅 [23] Từ đó, cho thấy rằng hệ thống FDR thể đạt được dung lượng toàn trình trung bình tốt hơn so với hệ thống HDR khi tổng các 𝑆𝑁𝑅 tại trạm chuyển tiếp và trạm đích lớn hơn 0,75 Tuy nhiên, hầu hết các công trình trước

(1.5)

đó tập trung vào truyền dẫn FDR một chiều và đã có vài công trình về FDR hai chiều với kỹ thuật triệt nhiễu nội hoàn toàn

1.5.1.3 Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật điều khiển công suất

Các kết quả trên cho thấy mức nhiễu nội thặng dư là tham số quan trọng đối với tính khả thi của hệ thống FDR Do đó, các kỹ thuật khác nhau đã được đề xuất để giảm tác động của nhiễu nội vào dung lượng của hệ thống Công suất phát tại trạm chuyển tiếp liên quan đến công suất nhận được của cả nhiễu nội tại trạm chuyển tiếp và tín hiệu mong muốn tại trạm đích Quan sát thấy rằng cần thúc đẩy công suất truyền tại trạm chuyển tiếp nếu hiệu suất toàn trình của hệ thống bị giới hạn do các bước nhảy yếu Do

đó, nếu yếu tố giới hạn là bước nhảy đầu tiên do nhiễu nội quá lớn thì việc hiệu suất toàn trình có thể được cải thiện bằng cách giảm công suất phát tại trạm chuyển tiếp Riihonen et al đề xuất phương án công suất phát thích ứng tức thời và lâu dài như

là một cách hiệu quả làm giảm nhiễu nội thặng dư và sau đó đề xuất một kỹ thuật lựa chọn chế độ song công lai có thể chuyển đổi qua lại giữa chế độ HDR hoặc FDR dựa trên sự khử nhiễu nội tức thời hoặc thống kê [14] Đồng thời, Meng et al đề xuất một

kỹ thuật điều khiển công suất giới hạn phạm vi hoạt động tại trạm nguồn và trạm chuyển tiếp [24] Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng công suất phát thích hợp làm để lựa chọn giữa các phương thức FDR và HDR, làm cho sự chọn lựa của truyền thông IBFD tại trạm chuyển tiếp càng hấp dẫn hơn Bên cạnh đó cũng đã chỉ ra rằng một hệ thống FDR

có thiết kế phù hợp với lựa chọn chế độ thích hợp giúp cải thiện hiệu suất rất đáng kể

1.5.1.4 Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật MIMO

Không giống như các môi trường SISO, nhiễu nội thặng dư trong một hệ thống FDR

có thể được mô hình hóa như một kênh MIMO Do đó, các kỹ thuật giảm nhiễu nội trước đây không thể điều chỉnh trực tiếp trong hệ thống MIMO FDR Khi hai anten tại trạm chuyển tiếp được sử dụng để phát, năng lượng của nhiễu nội có thể giảm bằng các thiết kế tiền mã hóa và giải mã tại trạm chuyển tiếp Ju et al đề nghị hai trường hợp cho

ma trận tiền mã hóa và giải mã theo giả định nhiễu nội bị khử hoàn toàn tại trạm chuyển tiếp [25] Kết quả cho thấy rằng hệ thống FDR có dung lượng và độ lợi gấp đôi so với

hệ thống HDR Hơn nữa, trong một hệ thống MIMO FDR, lựa chọn đa dạng có thể đạt được bằng cách chọn đúng ăng-ten phát và thu Một số công trình đã xem xét hiệu năng của hệ thống FDR sử dụng các kỹ thuật lựa chọn ăng-ten Riihonen et al đề xuất các giải pháp mới với các lựa chọn ăng ten để ngăn chặn nhiễu trong miền không gian như các thuật toán lựa chọn ăng-ten, phép chiếu không gian (NSP), và lọc ước lượng MMSE

1.5.1.5 Độ tin cậy của hệ thống FDR 1-1-1

Độ tin cậy của hệ thống FDR cũng đã được nghiên cứu về khả năng ổn định Khả năng này bị ảnh hưởng bởi nhiễu nội thặng dư tại trạm chuyển tiếp IBFD trong kênh fading Rayleigh và kênh fading Nakagami- m [44] Kwon et al nghiên cứu các điều kiện 𝑆𝑁𝑅 và 𝑆𝐼𝑅 đối với trường hợp các hệ thống FDR hoạt động không ổn định bằng các hệ thống HDR [45] Tại nơi 𝑆𝑁𝑅 thấp, nhiễu bên ngoài là một yếu tố chi phối nhiều

hơn can nhiễu và việc áp dụng chế độ chuyển tiếp truyền dẫn IBFD sẽ đạt được hiệu quả tài nguyên Mặt khác, tại nơi 𝑆𝑁𝑅 cao, can nhiễu là một yếu tố chi phối nhiều hơn là nhiễu bên ngoài Trong trường hợp này, áp dụng chế độ HDR sẽ đảm bảo tỷ số 𝑆𝐼𝑁𝑅

Do vậy, hệ thống FDR là vượt trội so với các hệ thống HDR với tỷ số 𝑆𝑁𝑅 thấp chứ không phải nơi 𝑆𝑁𝑅 cao, khác với dung lượng kênh truyền của hệ thống FDR

1.5.2 Hệ thống FDR với nhiều trạm chuyển tiếp

Như đã trình bày trong mục trước, tính đa dạng không gian như một cách để chống lại các kênh fading trong một hệ thống MIMO FDR Tuy nhiên, do những hạn chế về chi phí, kích cỡ và mức tiêu thụ năng lượng nên không phải lúc nào triển khai nhiều ăng-ten tại một thiết bị đầu cuối di động Để đối phó với vấn đề này, đã có đề xuất phối hợp nhiều trạm chuyển tiếp một cách hiệu quả để đạt được sự đa dạng về không gian theo cách phân tán

1.5.2.1 Hệ thống FDR với sự phối hợp

Đòi hỏi kết hợp với việc thiết kế truyền thông phối hợp là làm thế nào để ngăn chặn những tác động chồng chất giữa các tín hiệu giống nhau truyền các hướng độc lập nhau đến trạm đích để đạt được sự đa dạng không gian Trong một hệ thống HDR thông thường, hiệu ứng chồng chất có thể tránh được bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên trực giao như thời gian hoặc tần số Trong một hệ thống IBFD có sự phối hợp chuyển tiếp, giả định này là không được phép do việc truyền dẫn đồng thời xảy ra tại các trạm chuyển tiếp Sự đơn giản của mã hóa không gian-thời gian (STC) làm cho nó trở thành một phương pháp hấp dẫn để đạt được sự đa dạng không gian

Hơn nữa, khi số lượng các trạm chuyển tiếp tăng thì số lượng các nguồn lực cho sự phối hợp ngày càng lớn, làm giảm đáng kể thông lượng hệ thống Các nghiên cứu trước đây đã không xem xét những ảnh hưởng về chi phí của hệ thống cao hơn việc hợp tác

về hiệu năng hệ thống Để khắc phục điều này, Stankovi et al đề xuất một kỹ thuật phối hợp với các trạm chuyển tiếp với sự phối hợp tối thiểu khi bắt đầu truyền thông và không

có trao đổi về sự khử nhiễu nội [26] Kỹ thuật này đòi hỏi pilot ít hơn cho việc ước đoán nhiễu nội và ít phức tạp hơn so với các thuật toán thông thường nêu trên

1.5.2.2 Hệ thống FDR với sự giao thoa giữa các trạm chuyển tiêp

Khi có nhiều trạm chuyển tiếp truyền dữ liệu cùng một lúc thì sự giao thoa giữa các trạm đó sẽ xuất hiện cùng với nhiễu nội thặng dư tại mỗi trạm chuyển tiếp Để đối phó với cả hai nhiễu, Liu và các cộng sự đã đề xuất một lược đồ không gian-thời gian (STC) chập, trong đó nhiễu liên trạm cũng được sử dụng như là một phần của kế hoạch đề xuất [27] Các kết quả cho thấy rằng đề xuất có thể đạt được một sự đa dạng hợp tác đầy đủ của hai

Hơn nữa, tất cả các trạm chuyển tiếp có thể được phân phối về mặt hình học, do đó

sẽ có trễ tín hiệu thu được tại mỗi trạm chuyển tiếp Khi nhiều chuyển tiếp đang hoạt động một cách phân tán trong mạng, các tín hiệu trễ được truyền từ trạm chuyển tiếp có thể được đồng bộ nhận tại trạm đích Han et al đã đề xuất các giao thức truyền dẫn để

đạt được sự đa dạng không gian và bù nhiễu liên trạm không đồng bộ, đồng thời cũng

đề xuất một phương pháp khử nhiễu liên tiếp (SIC) với bộ cân bằng cưỡng bức về không (ZF) dựa trên giả định rằng trạm đích sẽ có tất cả đủ thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) [28]

1.5.2.3 Hệ thống FDR với sự lựa chọn trạm chuyển tiếp

Hệ thống phối hợp nhiều trạm chuyển tiếp cũng có thể được sử dụng để đạt được lợi ích đa dạng về sự lựa chọn bằng cách chọn đúng trạm chuyển tiếp Không giống như các hệ thống HDR, sự lựa chọn đa dạng có thể làm giảm nhiễu nội thặng dư trong hệ thống FDR Rui et al đã nghiên cứu những ảnh hưởng của nhiễu nội SI thặng dư vào dung lượng toàn trình của một hệ thống với một kỹ thuật lựa chọn chuyển tiếp FDR Kết quả cho thấy hệ thống FDR có thể cải thiện hiệu suất phổ khi nhiễu nội bị nén một cách hiệu quả

1.5.2.4 Hệ thống FDR đa bước nhảy

Trọng tâm của các nghiên cứu trước đây phần lớn bị giới hạn trong các hệ thống chuyển tiếp hai bước nhảy Khi khoảng cách giữa trạm nguồn và trạm đích dài thì nhiều trạm chuyển tiếp được sử dụng để khắc phục ảnh hưởng tổn thất đường truyền Tuy nhiên, trong các mạng chuyển tiếp đa bước nhảy với hệ thống HD, mỗi bước nhảy sử dụng nguồn thời gian hay tần số không chồng chéo nhau, làm tăng độ trễ và giảm hiệu quả của việc truyền các gói tin

Đối với một số lượng nhất định các trạm chuyển tiếp trong hệ thống IBFD thì đó là một điều thú vị để tối ưu hóa khoảng cách giữa mỗi trạm chuyển tiếp và công suất phát của mỗi trạm chuyển tiếp Baranwal et al cũng đã nghiên cứu khả năng ổn định toàn trình như các mức nhiễu nội SI và sự giao thoa giữa các trạm chuyển tiếp của hệ thống FDR [29] Đồng thời, Tamaki et al cũng đã đề xuất một giao thức MAC cho một hệ thống FDR nhiều bước nhảy bằng cách giám sát lưu lượng các trạm liền kề nhau [30]

Từ các kết quả, có thể kết luận rằng truyền dẫn FDR có lợi về hiệu suất toàn trình hơn

so với các mạng chuyển tiếp HDR nhiều bước nhảy truyền thống

1.5.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDR

Giao thức lớp MAC cho các hệ thống FDR: Kết quả liên quan đến các giao thức lớp MAC cho hệ thống FDR phối hợp và hệ thống FDR đa bước nhảy rất ít và xa vời Ví

dụ, các giao thức lớp MAC tiên tiến là cần thiết để tăng hiệu suất của hệ thống FDR sử dụng truyền dẫn IBFD đồng thời xem xét sự giao thoa giữa các trạm chuyển tiếp trong

hệ thông FDR đa bước nhảy

Mạng trục không dây với hệ thống FDR: Trong các mạng di động nhỏ, mạng trục không dây là cần thiết và hiệu suất mạng bị hạn chế do năng lực của mạng trục Hệ thống FDR có thể là một công nghệ chủ chốt cho mạng trục không dây cell nhỏ Do đó, điều quan trọng là để xem xét những ảnh hưởng của truyền thông IBFD khi thực hiện mạng lưới không đồng nhất với các mạng trục không dây

1.6 Hệ thống IBFD với mô hình di động

Trong mạng di động, nhiều trạm truyền dẫn bán song công có thể truy cập vào trạm gốc tương ứng (BS) thông qua các kỹ thuật MIMO đa người dùng (MU-MIMO) khác nhau (đường lên hoặc đường xuống riêng biệt trong miền thời gian hoặc tần số) Trong trường hợp một trạm gốc / trạm di động có truyền dẫn IBFD thì các trạm di động trong đường lên và đường xuống (có truyền dẫn bán song công hoặc song công) có thể đồng thời truy cập vào trạm gốc trên cùng một dải tần, do đó dung lượng hệ thống tăng gấp hai lần nếu trạm gốc / trạm di động đó sử dụng truyền dẫn song công

Tuy nhiên, để thực hiện việc truyền dẫn song công khả thi trong hệ thống di động (FDC), trước tiên chúng ta phải giải quyết hai vấn đề chính là: 1) Làm thế nào để thiết

kế bộ giải mã trạm gốc để hỗ trợ đa người dùng và 2) Làm thế nào để khử nhiễu nội cũng như kiểm soát được sự giao thoa liên người dùng từ trạm di động trong đường lên với trạm di động trong đường xuống

1.6.1 Hệ thống FDC với hai trạm

Hiệu suất của hệ thống FDC đã được đánh giá dựa trên mạng ba trạm, ở đó trạm gốc truyền thông với hai trạm còn lại sử dụng truyền dẫn HD (một trạm ở đường lên và một trạm ở đường xuống) Có hai loại nhiễu trong trường hợp này: nhiễu nội và nhiễu giao thoa liên người dùng từ đường lên với đường xuống Hình thức ảnh hưởng của mỗi loại nhiễu khác nhau: Vì máy phát và máy thu ở cùng chỗ nên nhiễu nội đã được biết tại trạm gốc nhưng nhiễu giao thoa không được biết đến bởi trạm đường xuống Nhờ các phương pháp hiện đại nhất được sử dụng bởi các kỹ thuật triệt nhiễu nội đã được trình bày ở trên, có thể giả định rằng nhiễu nội được khử hoàn toàn để tập trung vào việc xử

lý nhiễu giao thoa liên người dùng

1.6.1.1 Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng

Nhiễu giao thoa đa người dùng có tác động rất lớn đối với hệ thống FDC Bởi trong các thiết bị di động hiện đại đã có sẵn giao tiếp đa tần số nên có thể tùy chọn sử dụng được kênh không dâygiữa hai trạm mạng Điều này mở ra cánh cửa tiếp cận mới để giảm thiểu nhiễu giao thoa liên người dùng Sử dụng một kênh không dây giữa hai trạm, Bai et

al đã đề xuất một giải pháp giải mã -khử (DC) nhằm giảm thiểu nhiễu giao thoa liên người dùng, trong đó trạm đường xuống có thể giải mã và khử nhiễu giao thoa liên người dùng bằng cách sử dụng hai mã Gaussian độc lập và thông tin nhận được qua kênh không dây [31] Từ phân tích lý thuyết thông tin, có thể kết luận rằng đề xuất không chỉ làm giảm nhiễu giao thoa liên người dùng mà còn tạo điều kiện cho việc thiết kế một máy phát đơn giản

1.6.1.2 Hệ thống FDC với các anten định hướng

Trái ngược với các hệ thống BFD và FDR, hai người bất kỳ dùng đều được bố trí theo các hướng khác nhau từ trạm gốc trong một hệ thống FDC Vì vậy, một ăng-ten định hướng có thể được sử dụng để hỗ trợ kỹ thuật khử nhiễu nội thụ động tại một trạm gốc truyền dẫn IBFD Everett et al cho thấy khả năng của kỹ thuật khử nhiễu nội mới

với các ăng-ten thụ động giúp mở rộng phạm vi hoạt động của các hệ thống FDC [32] Với mục đích phát triển sự hiểu biết về các khả năng và các hạn chế của các kỹ thuật khử nhiễu nội, một đặc trưng dựa trên đo lường của kỹ thuật khử nhiễu nội được trình bày cho các mạng lưới cơ sở hạ tầng truyền dẫn song công Kết quả của những thí nghiệm đã chỉ ra rằng truyền dẫn song công thể khả thi trong một phạm vi 100 mét và thích hợp cho các mô hình cell nhỏ

1.6.2 Hệ thống FDC với nhiều trạm

Như đã đề cập ở trên, với một kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn, các hệ thống BFD

và FDR có thể tăng gấp đôi dung lượng kênh truyền, đặc biệt là trong các kết nối cách

ly như kết nối điểm-điểm (P2P) và mạng lõi không dây Tuy nhiên, trong các hệ thống

di động có nhiều trạm mạng (ví dụ, một mạng cell nhỏ có tối đa 16 trạm mạng), khi một trạm gốc được trang bị nhiều ăng-ten (lớn hơn số trạm), tất cả các trạm sử dụng truyền dẫn IBFD hoặc bán song công có thể truy cập trạm gốc bằng cách sử dụng truyền dẫn song công MU-MIMO Tuy nhiên, tình huống này có thể gây ra nhiều vấn đề như thiết

kế bộ tiền mã hóa, phân bổ ăng-ten cho nhiều trạm và nhiễu giao thoa giữa các trạm rất phức tạp

1.6.2.1 Hệ thống FDC với bộ tiền mã hóa cho đa người dùng

Thiết kế bộ tiền mã hóa và các nghiên cứu phân bổ ăng-ten được sử dụng ở trạm gốc, khi số lượng các trạm tăng lên, sao cho đạt được tối đa hiệu năng hệ thống trong khi có xem xét cả nhiễu nội và nhiễu giao thoa liên người dùng là rất quan trọng Đối với các hệ thống MU-MIMO thông thường, các tác giả của [33] đề xuất một bộ mã hoá cưỡng bức về không (ZF) tuyến tính cho kênh đường xuống cùng với xem xét nhiễu giao thoa liên người dùng Đối với hệ thông truyền dẫn song công MU-MIMO, Nguyễn et al đã đề xuất một bộ tiền mã hóa cho một cell nhỏ [34], [35] Spencer et

al đã đề xuất một kỹ thuật cưỡng bức về không (ZF) được giới hạn trong kênh đường xuống Đối với kênh đường lên, máy thu được giả định là có sai số bình phương trung bình nhỏ nhất với sự khử nhiễu kế tiếp (MMSESIC) và có thể đạt được dung lượng kênh đường lên Từ những kết quả này, kết luận rằng hiệu quả phổ tần của hệ thống truyền song công MU-MIMO tốt hơn hệ thống truyền thống dựa trên truyền dẫn bán song công M-MIMO

1.6.2.2 Hệ thống FDC với MIMO quy mô lớn

Mạng truyền dẫn song công nhiều trạm mạng trong các mạng di động cỡ nhỏ đòi hỏi các trạm gốc phải được trang bị với một số lượng lớn các ăng-ten Điều này khiến

sự phân bổ ăng-ten phát và thu phải được giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống trong các nguồn tài nguyên không gian đã cho Trong một hệ thống MU-MIMO với số lượng ăng-ten lớn thì việc tiền mã hóa tín hiệu đường xuống có thể đưa thẳng tới ăng-ten nhận để tăng 𝑆𝑁𝑅 ở mỗi trạm vì số lượng anten phát ở trạm gốc tăng lên [36] Tuy nhiên, nó không làm giảm nhiễu nội ở các trạm gốc Do đó, công suất nhiễu nội SI tương

ứng với công suất phát của mỗi BS, làm cho nghiên cứu phân bổ ăng-ten trở nên quan trọng khi thiết kế hiệu suất của hệ thống trong các kênh đường lên và đường xuống

Do tính chất của đường lên / đường xuống không đối xứng nên các kỹ thuật thông thường thường giải quyết các vấn đề tối ưu hóa đường xuống và đường lên một cách riêng biệt Tuy nhiên, khi nhiễu nội lớn thì tỷ lệ của kênh đường lên bị suy giảm đáng

kể do nhiễu nội thặng dư tại trạm gốc Vì vậy, cách tốt nhất là tối ưu hóa các kênh đường lên và đường xuống cùng một lúc

Nguyễn et Al đã đề xuất một kỹ thuật phân bổ ăng-ten đường lên / đường xuống cho một hệ thống song công MU-MIMO với tổng thông lượng hệ thống với công suất ràng buộc tổng ở kênh đường xuống và công suất ràng buộc riêng lẻ ở kênh đường lên [37] Khi nhiễu nội SI thặng dư nhỏ, hệ thống song công MU-MIMO thì hoàn hảo hơn

so với hệ thống HD thông thường, giúp triển khai các kỹ thuật song công đầy hứa hẹn cho các cell nhỏ có công suất truyền tải tương đối nhỏ Hơn nữa, để tối đa hóa tốc độ của một hệ thống di động có nhiều ăng-tenten (chẳng hạn như MIMO cỡ lớn), một thuật toán phân bổ ăng ten cũng được đề xuất bằng cách đưa ra tỉ lệ tối ưu giữa số anten phát

và thu tại một trạm gốc có xem xét đến nhiễu nội thặng sư Thêm nữa, nhiễu giao thoa liên người dùng cũng phải được xem xét Kết quả cho thấy hệ thống MU-MIMO quy

mô lớn có thể làm cho truyền thông IBFD trở nên linh hoạt hơn khi có nhiễu giao thoa

và giảm được nhiễu nội thặng dư

1.6.2.3 Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng từ nhiều trạm

Với trường hợp này, giả định rằng nhiễu nội bị khử hoàn toàn ở trạm gốc Khi nhiều trạm IBFD đồng thời truy cập vào một trạm gốc nhất định sẽ xảy ra nhiễu giao thoa liên người dùng, làm giới hạn hiệu suất của hệ thống FDC Hơn nữa, nhiễu giao thoa liên người dùng cũng tồn tại giữa các cell lớn và các cell nhỏ Trong tình huống này, Goyal et

al đã đề xuất một thuật toán định thời để tối đa hóa độ lợi đạt được từ truyền dẫn IBFD khi có nhiễu giao thoa liên người dùng Dựa trên mô hình phân tích nhiều cell bằng cách

sử dụng hình học ngẫu nhiên, các lý thuyết để đạt được độ lợi từ việc triển khai các trạm gốc truyền dẫn IBFD nhỏ trong một mạng di động không đồng nhất Kết quả của họ cho thấy việc truyền tải đường lên thì nhạy hơn với nhiễu giao thoa liên người dùng so với đường xuống

Sabharwal et al đã đề xuất các nghiên cứu mới về quản lý nhiễu để chống lại nhiễu giao thoa liên người dùng trong hệ thống FDC nhằm đạt được hiệu suất hệ thống song công FDC [38] Sử dụng thuật toán khử nhiễu liên tục, tốn nhiều thời gian hơn nhưng nhiễu giao thoa liên người dùng có thể được loại bỏ hiệu quả trong nhiều trạm làm cho các hệ thống FDC khả thi hơn

1.6.3 Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDC

Kỹ thuật khử nhiễu nội mạnh hơn cho các hệ thống FDC: Nói chung, công suất phát của một trạm gốc là cao hơn so với một hệ thống Wi-Fi Ví dụ, cần khử 140 dB nhiễu

nội với một trạm gốc lớn và 130 dB nhiễu nội với trạm gốc nhỏ của một hệ thống truyền dẫn IBFD

Thiết kế bộ tiền mã hóa tiên tiến cho hệ thống FDC: MIMO quy mô lớn cũng là một công nghệ then chốt để tăng dung lượng hệ thống cho các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai Trong môi trường này, mỗi trạm có thể sử dụng một số lượng lớn ăng-ten cho nhiều người sử dụng có hỗ trợ khả năng khử nhiễu nội Do đó, một kỹ thuật tiền mã hóa mới mới sẽ cần thiết cho mô hình MU-MIMO có tính đến nhiễu nội SI

Kỹ thuật mới để khử nhiễu giao thoa liên người dùng: Trong các hệ thống FDC, nhiễu giao thoa giữa các người dùng di động trong truyền dẫn IBFD có thể gây ra tình trạng thắt cổ chai ảnh hưởng hiệu năng của hệ thống Thật không may, không có giải pháp nào được đề xuất cho đến nay để khử nhiễu giao thoa này Do đó, các kỹ thuật giảm nhiễu mới, như các thuật toán định thời, phân bổ tài nguyên và các kỹ thuật khử điểm mù là cần thiết để đem lại tính khả thi cao cho các hệ thống FDC

1.7 Kết luận chương

Như vậy, chương này đã nghiên cứu được cấu trúc ăng-ten và hiệu suất hoạt động của các mô hình hệ thống truyền thông song công so với truyền thông bán song công

về chất lượng mạng, dung lượng mạng, độ tin cậy Tuy nhiên, ngoài những hiệu quả

về dung lượng kênh truyền thì hạn chế lớn nhất của truyền dẫn song công chính là nhiễu

tự sinh hay còn gọi là nhiễu nội Việc làm sao khử được nhiễu nội này ảnh hưởng rất lớn đến tính khả thi của hệ thống Do đó, trong thực tế đòi hỏi những thách thức phải nghiên cứu phương pháp khử nhiễu nội một cách hiệu quả nhất mà vẫn đảm bảo được những ưu điểm vốn có cũng như độ phức tạp vừa phải của hệ thống truyền thông song công

Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ

TUYẾN

2.1 Giới thiệu chương

Trong chương này, đầu tiên sẽ giới thiệu về các kỹ thuật truyền và thu năng lượng khác nhau gồm cảm ứng từ, điện dung, sóng vi ba, tia laser Tiếp đó là nghiên cứu về cấu trúc mạng thu năng lượng vô tuyến, các kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến từ các nguồn vô tuyến tự nhiên hay chuyên dụng Cuối cùng là trình bày về các ứng dụng rất hữu ích về việc thu năng lượng vô tuyến

2.2 Giới thiệu về kỹ thuật truyền và thu năng lượng

Thu năng lượng là một quá trình trong đó năng lượng từ các nguồn bên ngoài như năng lượng mặt trời, năng lượng nhiệt, năng lượng gió… được thu thập và lưu trữ cho các thiết bị không dây nhỏ như những thiết bị điện tử cầm tay và mạng cảm biến không dây [39] Nguồn năng lượng xung quanh có thể đến từ điện từ, từ trường hoặc sóng vô tuyến từ các thiết bị điện tử gần đó, ánh sáng, năng lượng nhiệt hoặc động năng Hiệu suất chuyển đổi năng lượng thường thấp và công suất thu được thường là mW hoặc µW nhưng đủ để nạp điện các thiết bị công suất nhỏ như bộ cảm biến điều khiển từ xa Công nghệ này đang được phát triển để loại bỏ việc phải dùng pin hoặc bộ sạc của các thiết bị không dây

"Truyền năng lượng không dây" là một thuật ngữ chung để đề cập đến một số công nghệ khác nhau về truyền năng lượng bằng các trường điện từ Các công nghệ được liệt

kê trong bảng 2.1 là khác nhau về khoảng cách truyền năng lượng giữa máy phát và máy thu, và loại năng lượng trường điện từ được sử dụng là các điện trường, từ trường, sóng

vô tuyến, song vi ba, tia hồng ngoại, ánh sáng thấy được biến đổi theo thời gian

Bảng 2.1 Các kỹ thuật truyền năng lượng khác nhau [59]

Kỹ thuật Phạm

vi

Định hướng

Tần số Thiết bị Ứng dụng

Ghép nối

cảm ứng

Tầm ngắn

Thấp Hz – Mhz Dây điện Lò nướng cảm ứng

Bàn chải đánh răng bằng điện

Sạc pin dao cạo râu

Lò sưởi công nghiệp Ghép nối

cảm ứng

cộng hưởng

Tầm trung

Thấp MHz – GHz Dây điện

được điều chỉnh, bộ cộng hưởng gộp

Sạc pin thiết bị cầm tay, dụng cụ cấy ghép

y sinh học xe điện, tàu điện

RFID, thẻ thông minh

Ghép nối

điện dung

Tầm ngắn

Thấp KHz – MHz Điện cực Sạc xe điện, xe buýt,

dụng cụ y sinh học Định tuyến điện trong các mạch tích hợp quy

Vệ tinh năng lượng mặt trời

Máy bay không người lái

Tia laser Tầm

xa

cảm biến quang, kính thiên văn

Máy bay không người lái

Thang máy vũ trụ cho người leo núi

Nói chung một hệ thống điện không dây (Hình 2.1) bao gồm một "thiết bị phát" kết nối với một nguồn năng lượng như nguồn điện sau đó chuyển đổi điện năng sang trường điện từ biến đổi theo thời gian, và một hoặc nhiều "thiết bị thu" nhận điện năng và chuyển trở lại dòng điện một chiều hoặc xoay chiều, gọi là tải điện Tại máy phát, công suất đầu vào được chuyển đổi sang trường điện từ động bởi một thiết bị gọi là "ăng ten" hay nói một cách khác có thể là một cuộn dây tạo ra một từ trường, một tấm kim loại tạo ra một điện trường, một ăng-ten phát ra sóng vô tuyến hoặc một tia laser tạo ra ánh sáng Một ăng-ten hoặc thiết bị ghép nối tương tự như vậy tại máy thu sẽ chuyển các trường động sang dòng điện Một tham số quan trọng xác định loại sóng là tần số 𝑓 Tần

số xác định bước sóng λ = 𝑐 𝑓⁄ của sóng mang năng lượng truyền, trong đó 𝑐 là vận tốc ánh sáng

Hình 2.1 Sơ đồ khối của hệ thống điện không dây

Năng lượng không dây sử dụng chung trường và sóng với các thiết bị truyền thông không dây như di động, phát thanh truyền hình và WiFi Trong truyền thông vô tuyến, mục tiêu là truyền tải thông tin, do đó lượng năng lượng tới thiết bị thu không quan