Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng chuyển đổi số và phát triển hạ tầng mạng truyền thông thế hệ mới, nhu cầu tiếp cận nội dung số, truyền hình chất lượng cao và kết nối di động liên tục của người dùng ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, các hệ thống mạng viễn thông mặt đất truyền thống thường gặp hạn chế lớn về diện tích phủ sóng tại các khu vực xa xôi, vùng sâu, hải đảo hoặc địa hình hiểm trở. Ngược lại, hệ thống thông tin vệ tinh tuy có ưu thế vượt trội về tầm phủ sóng địa lý rộng lớn nhưng lại đối mặt với các nhược điểm nghiêm trọng như độ trễ truyền dẫn cao, suy hao tín hiệu do điều kiện thời tiết (mưa, mây) và hiện tượng che khuất đường truyền thẳng (Line of Sight - LOS) trong môi trường đô thị hoặc đồi núi.

Để khắc phục những hạn chế riêng lẻ của từng mạng, đồ án tốt nghiệp "Hệ thống hợp tác lai giữa vệ tinh di động và phát sóng mặt đất" do sinh viên Lý Thanh Sang và Vũ Việt Phương thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. TS Phạm Ngọc Sơn tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (tháng 6/2024) đã tập trung nghiên cứu mô hình tích hợp phát sóng giữa vệ tinh và các trạm mặt đất.

Đề tài xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể như sau:

  1. Xây dựng kênh truyền dẫn và thiết lập cơ sở hạ tầng kết nối liền mạch giữa nút vệ tinh với các thiết bị/trạm phát sóng mặt đất.
  2. Tính toán các tham số kênh truyền quan trọng bao gồm độ lợi kênh, công suất phát và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (SNR) trên các chặng liên lạc.
  3. Thiết lập giải thuật, xây dựng chương trình mô phỏng trên phần mềm Matlab để phân tích và đánh giá xác suất ngừng hoạt động (Outage Probability - $P_{out}$) của hệ thống dưới các điều kiện can nhiễu và mức độ che bóng khác nhau.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống vệ tinh di động mặt đất hợp tác (Cooperative Hybrid Land Mobile Satellite - LMS) sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF). Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở mô hình mạng gồm 1 nút nguồn vệ tinh ($S$) và 2 thiết bị mặt đất (gồm 1 nút chuyển tiếp Relay $R$ và 1 nút đích Destination $D$), mỗi nút trang bị một ăng-ten đơn, hoạt động trên các mô hình kênh truyền phai-đinh pha tạp đặc thù.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng nền tảng dựa trên lý thuyết truyền thông không dây, kỹ thuật trạm mặt đất và lý thuyết xác suất thống kê cho các kênh truyền fading:

  • Phân loại quỹ đạo và dải tần số vệ tinh: Khảo sát các dạng quỹ đạo chính gồm GEO (địa tĩnh, độ cao ~36.000 km), LEO (tầm thấp, 160–480 km hoặc 500–1.500 km), MEO (tầm trung, 6.000–20.000 km) và HEO (hình elip nghiêng). Hệ thống băng tần được phân định theo tiêu chuẩn IEEE với các dải tần số đặc trưng:
Dải tần Downlink (GHz) Uplink (GHz) Băng thông (MHz)
L 1,5 1,6 15
S 1,9 2,2 70
C 4,0 7,0 500
Ku 11,0 16,0 500
Ka 20,0 30,0 3500
  • Mô hình phân bố thống kê kênh truyền:
    • Phân bố Rayleigh: Mô tả thành phần khuếch tán đa đường trong môi trường đô thị khi tín hiệu trực tiếp bị che khuất hoàn toàn.
    • Phân bố Nakagami-m: Áp dụng cho liên kết truyền dẫn mặt đất ($R-D$), đặc trưng bởi tham số định hình $m$ ($m \ge 0,5$) và hàm mật độ xác suất (PDF) thể hiện mức độ suy hao fading; công suất tín hiệu tuân theo phân bố Gamma.
    • Phân bố Shadowed-Rician: Áp dụng cho các liên kết vệ tinh - mặt đất ($S-D$ và $S-R$), kết hợp giữa fading Rician và hiệu ứng che bóng (shadowing) với ba tham số: $\Omega$ (công suất trung bình của thành phần LOS), $b_0$ (công suất trung bình của thành phần đa đường tán xạ), và $m$ (hệ số fading Nakagami).
  • Kỹ thuật trạm mặt đất: Phân tích cấu trúc phần cứng của hai nhánh thu/phát. Khảo sát các bộ khuếch đại công suất cao (HPA) như Đèn sóng chạy (TWT), Klystron (KLY) và Transistor hiệu ứng trường (FET); phân tích méo do xuyên điều chế (xử lý bằng điểm lùi Back-off từ 6 dB đến 10 dB hoặc mạch tuyến tính hóa); kỹ thuật khuếch đại tạp âm thấp (LNA), hệ số tạp âm $F$, hệ số phẩm chất hệ thống ($G/T$) và các cấu hình dự phòng 1:1 bảo đảm tính liên tục.

Phương pháp nghiên cứu thực tế được triển khai theo hai hướng kết hợp:

  1. Phương pháp giải tích toán học: Thiết lập công thức hàm mật độ xác suất (PDF), hàm phân phối tích lũy (CDF) và tính toán tích phân xác suất dừng $P_{out}$ dựa trên các hàm Gamma không đầy đủ cho hai giao thức: Chuyển tiếp cố định (Fixed Relaying - FR) và Chuyển tiếp lựa chọn (Selection Relaying - SR).
  2. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo: Sử dụng ngôn ngữ và môi trường tính toán Matlab để xây dựng lưu đồ thuật toán, khởi tạo mẫu ngẫu nhiên kênh truyền (ShadowedRicianRandGen), khảo sát với số lượng mẫu thử $N = 10^4$ khung bit (bit_frame) nhằm kiểm chứng và so sánh với công thức lý thuyết.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 trình bày lý do chọn đề tài xuất phát từ nhu cầu phân phối nội dung số và truyền hình kết hợp giữa nền tảng vệ tinh và mặt đất. Tác giả nêu rõ 3 mục tiêu nghiên cứu trọng tâm, xác định giới hạn đề tài ở mô hình 1 vệ tinh và 2 thiết bị mặt đất được mô phỏng trên công cụ Matlab, đồng thời giới thiệu tổng quan cấu trúc 5 chương của báo cáo đồ án.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này cung cấp hệ thống lý thuyết toàn diện về thông tin vô tuyến vệ tinh và kỹ thuật trạm mặt đất:

  • Phân tích ưu nhược điểm của các loại quỹ đạo (GEO, LEO, MEO, HEO) và thống kê các dải tần số chuẩn IEEE (L, S, C, Ku, Ka).
  • Trình bày toán học các mô hình kênh truyền: phân bố Rayleigh, kênh truyền mặt đất Nakagami-m (phương trình tín hiệu thu và hàm PDF của SNR), kênh truyền vệ tinh Shadowed-Rician (sử dụng hàm Bessel loại 1 bậc 0 $I_0$).
  • Đánh giá chi tiết phần cứng trạm mặt đất: cấu hình chung, công nghệ máy phát HPA (so sánh thông số kỹ thuật giữa Klystron, TWT và FET về công suất, băng tần, kích thước, làm mát, điện áp), giải pháp triệt méo xuyên điều chế và cấu hình dự phòng máy phát/máy thu (LNA).

Chương 3: Nội dung thực hiện

Chương 3 đi sâu vào thiết lập mô hình toán học và phân tích hiệu năng cho hệ thống LMS hợp tác lai:

  • Mô tả quá trình truyền dẫn theo hai khe thời gian: Khe 1, nút nguồn $S$ phát tín hiệu $x_s(t)$ tới nút chuyển tiếp $R$ và nút đích $D$; Khe 2, nút $R$ giải mã và phát lại tín hiệu $x_r(t)$ tới $D$ theo giao thức DF. Tại nút đích $D$, tín hiệu nhận từ hai nhánh được kết hợp theo kỹ thuật kết hợp chọn lọc/MRC để xác định SNR tức thời: $\gamma = \max{\min{\gamma_{sr}, \gamma_{rd}}, \gamma_{sd}}$.
  • Xây dựng phương trình giải tích tính xác suất ngừng hoạt động ($P_{out}$) dựa trên ngưỡng chuẩn hóa $I_{th.norm}$ và $\gamma_{th} = 2^{2I_{th.norm}} - 1$.
  • Thiết lập biểu thức xác suất dừng phân biệt giữa giao thức chuyển tiếp cố định (FR - luôn chuyển tiếp tín hiệu dù liên kết $S-R$ tốt hay xấu) và giao thức chuyển tiếp lựa chọn (SR - chỉ chuyển tiếp khi $R$ giải mã thành công, nếu lỗi thì $D$ chỉ nhận trực tiếp từ $S$).

Chương 4: Mô phỏng và đánh giá

Chương 4 trình bày cấu trúc thuật toán và kết quả mô phỏng số trên Matlab:

  • Xây dựng lưu đồ giải thuật cho chương trình chính (MAIN) và các hàm chức năng (OP_SM) của hai giao thức FR và SR với 2 vòng lặp (vòng ngoài theo SNR/công suất kênh truyền, vòng trong theo $10^4$ mẫu bit).
  • Thiết lập thông số đầu vào: ngưỡng tỉ số tín hiệu trên nhiễu $\gamma_t = 3$, dải can nhiễu ràng buộc SNR_dB từ -10 dB đến 30 dB (bước nhảy 5 dB), công suất kênh truyền từ 0 đến 0,5 (bước nhảy 0,05).
  • Khảo sát trên 3 bộ tham số che phủ của mô hình Shadowed-Rician: Che phủ nhẹ ($\Omega = 0,835; m = 10,1; b = 1$), Che phủ trung bình ($\Omega = 0,251; m = 2; b = 0,279$), Che phủ nặng ($\Omega = 0,005; m = 0,739; b = 0,1$).
  • Trích xuất và đánh giá đồ thị cùng hai bảng số liệu xác suất dừng theo SNR và theo công suất kênh truyền.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

Chương 5 tóm tắt các kết quả đạt được từ việc nghiên cứu lý thuyết, tính toán giải tích đến mô phỏng số; đồng thời đề xuất định hướng nghiên cứu mở rộng sang mô hình nhiều vệ tinh và nhiều trạm phát sóng mặt đất.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã thu được các số liệu mô phỏng định lượng chi tiết về xác suất dừng ($P_{out}$) của hệ thống LMS hợp tác lai, thể hiện qua hai bảng tổng hợp sau:

Bảng giá trị xác suất dừng của giao thức FR và SR theo hệ số ràng buộc can nhiễu SNR_dB:

Tham số che phủ Giao thức -10 dB -5 dB 0 dB 5 dB 10 dB 15 dB 20 dB 25 dB 30 dB
Che phủ nhẹ
($\Omega=0,835; m=10,1; b=1$)		 FR 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 0,9664 0,2831 0,0101 0,0004 0,0000
SR 1,0000 0,9947 0,6326 0,1720 0,0139 0,0016 0,0001 0,0000 0,0000
Che phủ trung bình
($\Omega=0,251; m=2; b=0,279$)		 FR 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 0,9134 0,1877 0,0093 0,0006
SR 1,0000 1,0000 0,9768 0,5868 0,0978 0,0131 0,0015 0,0003 0,0001
Che phủ nặng
($\Omega=0,005; m=0,739; b=0,1$)		 FR 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 1,0000 0,8907 0,2423 0,0181
SR 1,0000 1,0000 1,0000 0,9885 0,5952 0,1399 0,0184 0,0015 0,0004

Bảng giá trị xác suất dừng của giao thức FR và SR theo công suất kênh truyền:

Tham số che phủ Giao thức 0,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40
Che phủ nhẹ
($\Omega=0,835; m=10,1; b=1$)		 FR 0,9856 0,9852 0,8357 0,3422 0,0829 0,0154 0,0033 0,0007 0,0000
SR 0,9006 0,8931 0,6147 0,1294 0,0082 0,0004 0,0000 0,0000 0,0000
Che phủ trung bình
($\Omega=0,251; m=2; b=0,279$)		 FR 1,0000 1,0000 0,9973 0,7659 0,2645 0,0547 0,0110 0,0012 0,0002
SR 0,9998 0,9998 0,9736 0,5570 0,0694 0,0029 0,0000 0,0000 0,0000
Che phủ nặng
($\Omega=0,005; m=0,739; b=0,1$)		 FR 1,0000 1,0000 1,0000 0,9970 0,7071 0,2099 0,0395 0,0048 0,0011
SR 1,0000 1,0000 1,0000 0,9898 0,4975 0,0495 0,0014 0,0000 0,0000

Các phát hiện và đóng góp chính của đề tài bao gồm:

  • Hiệu năng vượt trội của giao thức chuyển tiếp lựa chọn (SR): Kết quả phân tích chỉ ra rằng giao thức SR luôn đạt xác suất dừng thấp hơn rõ rệt so với FR trong toàn bộ các mức SNR và công suất kênh truyền. Khi điều kiện kênh $S-R$ kém, giao thức FR bị nghẽn do chuyển tiếp tín hiệu lỗi, trong khi SR chuyển đổi linh hoạt sang truyền trực tiếp $S-D$, giúp tối ưu hóa tài nguyên và giảm xác suất lỗi hệ thống.
  • Ngưỡng suy giảm hiệu năng: Ở vùng SNR cao ($\ge 10$ dB) dưới điều kiện che phủ nhẹ, xác suất dừng của SR giảm mạnh xuống $0,0016$ tại SNR = 15 dB và đạt mức $< 10^{-3}$ tại khoảng SNR = 20 dB, trong khi giao thức FR chỉ đạt được mức này khi SNR đạt khoảng 25 dB.
  • Tác động của mức độ che bóng: Mức độ che phủ tăng dần từ nhẹ đến nặng làm tăng đáng kể xác suất dừng ở cả hai giao thức; tuy nhiên, giao thức SR vẫn duy trì khả năng truyền tin tốt hơn (tại SNR = 30 dB trong điều kiện che phủ nặng, $P_{out}$ của SR là $0,0004$ so với $0,0181$ của FR).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của đề tài:
    • Mô hình nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở cấu hình mạng cơ bản gồm 1 nút vệ tinh, 1 nút chuyển tiếp mặt đất và 1 nút đích ($1S - 1R - 1D$), mỗi nút sử dụng một ăng-ten đơn.
    • Chưa khảo sát các kịch bản mạng phức tạp có sự xuất hiện của can nhiễu đồng kênh từ nhiều người dùng sơ cấp/thứ cấp trong mạng vô tuyến nhận thức (Cognitive Radio) hoặc hiện tượng chuyển giao (handover) liên tục giữa các vệ tinh quỹ đạo thấp.
  • Hướng phát triển:
    • Mở rộng mô hình nghiên cứu bằng cách tăng số lượng nút vệ tinh (hệ thống chòm vệ tinh LEO/MEO) và bổ sung thêm các trạm phát sóng mặt đất (mô hình đa relay, đa người dùng).
    • Nghiên cứu áp dụng kỹ thuật đa anten (MIMO) tại các trạm mặt đất và nút chuyển tiếp để tăng độ lợi phân tập.
    • Phát triển các thuật toán phân bổ công suất động và thuật toán quản lý can nhiễu tiên tiến nhằm tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn của mạng lai quy mô lớn.
    • Đề xuất các giao thức bảo mật lớp vật lý phù hợp với đặc thù truyền dẫn không dây lai giữa không gian và mặt đất.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu học thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông, Kỹ thuật Máy tính, Mạng và Hệ thống Truyền thông Không dây.
  • Kỹ sư thiết kế hệ thống viễn thông tham khảo phương pháp mô hình hóa toán học cho kênh truyền hỗn hợp (kết hợp kênh Shadowed-Rician và kênh Nakagami-m).
  • Người làm nghiên cứu về kỹ thuật chuyển tiếp (Relaying protocols) có thể khai thác thuật toán mô phỏng Monte Carlo trên Matlab để đánh giá độ tin cậy và dung lượng kênh truyền.
  • Phần lý thuyết ở Chương 2 cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về kỹ thuật trạm mặt đất, đặc tính kỹ thuật các bộ khuếch đại HPA (TWT, Klystron, FET) và các giải pháp tuyến tính hóa chống méo xuyên điều chế.

Câu hỏi thường gặp

1. Các kênh truyền trong hệ thống LMS hợp tác lai của đồ án được mô hình hóa theo những phân bố xác suất nào? Liên kết vệ tinh - mặt đất (gồm liên kết từ vệ tinh đến nút chuyển tiếp $S-R$ và liên kết trực tiếp $S-D$) được mô hình hóa theo phân bố Shadowed-Rician, kết hợp giữa fading Rician và hiệu ứng che bóng Nakagami. Liên kết vô tuyến mặt đất giữa nút chuyển tiếp và đích ($R-D$) được mô hình hóa theo phân bố Nakagami-m với công suất tín hiệu tuân theo phân bố Gamma. Thành phần nhiễu tại các nút thu đều là nhiễu Gauss trắng cộng (AWGN).

2. Giao thức chuyển tiếp cố định (FR) và chuyển tiếp lựa chọn (SR) hoạt động khác nhau như thế nào? Trong giao thức FR, nút chuyển tiếp $R$ luôn thực hiện giải mã và truyền lại tín hiệu nhận được tới nút đích $D$ trong khe thời gian thứ hai, bất kể chất lượng liên kết $S-R$. Trong giao thức SR, nút $R$ chỉ truyền lại tín hiệu khi đã giải mã chính xác; nếu $R$ giải mã lỗi, nó sẽ không truyền và hệ thống tự động chuyển sang cơ chế truyền trực tiếp từ $S$ đến $D$.

3. Ý nghĩa của các tham số $\Omega, m, b$ trong mô hình Shadowed-Rician ở 3 mức độ che phủ là gì? $\Omega$ đại diện cho công suất trung bình của thành phần đường ngắm trực tiếp (LOS), $m$ là hệ số fading Nakagami thể hiện mức độ suy giảm, và $b$ (hoặc $b_0$) là công suất trung bình của các thành phần sóng tán xạ đa đường. Ba trạng thái khảo sát trong đồ án gồm:

  • Che phủ nhẹ: $\Omega = 0,835; m = 10,1; b = 1$ (thành phần LOS chiếm ưu thế, suy hao ít).
  • Che phủ trung bình: $\Omega = 0,251; m = 2; b = 0,279$.
  • Che phủ nặng: $\Omega = 0,005; m = 0,739; b = 0,1$ (thành phần LOS bị suy giảm nghiêm trọng).

4. Kỹ thuật trạm mặt đất trong đồ án đề xuất giải pháp nào để hạn chế méo do xuyên điều chế ở bộ khuếch đại HPA? Văn bản trình bày hai giải pháp chính: thứ nhất là điều khiển mức công suất đầu vào/đầu ra hoạt động lùi lại (Back-off) từ 6 dB đến 10 dB dưới mức bão hòa; thứ hai là kỹ thuật tuyến tính hóa (Linearization) bằng cách chèn thêm một mạch điện bổ sung ở tầng trước nhằm bù đắp cho đặc tính phi tuyến của bộ khuếch đại.

5. Tại sao xác suất dừng của giao thức SR lại tốt hơn giao thức FR khi SNR tăng cao? Xác suất dừng của giao thức FR bị giới hạn trực tiếp bởi điều kiện truyền dẫn của liên kết $S-R$ (khi $S-R$ lỗi, toàn bộ chu trình hợp tác ở khe 2 bị hỏng và gây lãng phí công suất). Giao thức SR khắc phục điểm nghẽn này nhờ cơ chế chọn lọc: chỉ kích hoạt chuyển tiếp khi nút $R$ giải mã thành công, giúp tối ưu hóa công suất truyền và đạt mức xác suất dừng $< 10^{-3}$ tại SNR khoảng 20 dB (nhanh hơn mức 25 dB của FR).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống hợp tác lai giữa vệ tinh di động và phát sóng mặt đất" đã xây dựng thành công mô hình giải tích và mô phỏng đánh giá xác suất ngừng hoạt động cho hệ thống truyền thông lai kết hợp vệ tinh và mặt đất. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính ưu việt của giao thức chuyển tiếp lựa chọn (SR) so với chuyển tiếp cố định (FR) trong việc nâng cao độ tin cậy và tối ưu chất lượng truyền dẫn dưới nhiều điều kiện che bóng khác nhau. Công trình cung cấp cơ sở toán học vững chắc và số liệu tham chiếu giá trị cho việc nghiên cứu, phát triển các mạng viễn thông vô tuyến tích hợp trong tương lai.