MỞ ĐẦU 1. Bối cảnh nghiên cứu Ngày nay, công nghệ truyền thông không dây đã trở thành một phần thiết yếu của cuộc sống hàng ngày ở hầu hết các quốc gia trên thế giới. Trong thực tế, với khả năng truyền thông tức thời và truy cập vào dữ liệu đa phương tiện ở bất kỳ đâu trên toàn thế giới, công nghệ này đã thay đổi cuộc sống của con người và các hoạt động hàng ngày. Ngoài ra, với sự tăng trưởng theo cấp số nhân của các thiết bị di động (điện thoại thông minh, máy tính xách tay, máy tính bảng.), các ứng dụng của công nghệ truyền thông không dây đang ngày càng trở nên tiên tiến hơn, khả năng cung cấp các dịch vụ đầu cuối tốc độ cao: từ các ứng dụng định vị Global Positioning System (GPS) tới ứng dụng thoại, tin nhắn, internet di động, các ứng dụng đa phương tiện, trao đổi dữ liệu, điều khiển từ xa,., từ các hệ thống không dây ban đầu với tốc độ truyền dẫn vài kbps, đến các hệ thống hiện tại với tốc độ lên tới hàng trăm Mbps như Wireless Fidelity (WiFi) với chuẩn IEEE.11ac cho tốc độ truy cập tới 866,7 Mbps, hệ thống Worldwide Interoperability via Microwave Access (WiMAX) chuẩn IEEE 802.16m cho tốc độ lên tới 1 Gbps.
Số lượng dịch vụ tăng dẫn đến yêu cầu cấp bách về băng tần ngày càng lớn. Tuy nhiên, tài nguyên phổ tần số vô tuyến ngày càng trở lên khan hiếm và đã được phân bổ, cấp phép cho các dịch vụ khác nhau, việc chia sẻ các dải phổ này là không được phép. Việc phân bổ phổ tần cho các dịch vụ và ứng dụng không dây -2- Hình 1: Mẫu sử dụng phổ tần ở Mỹ [8] mới luôn là một bài toán khó cho các nhà quản lý. Các chính sách quản lý phổ tần nghiêm ngặt đã được các nhà quản lý áp dụng và dẫn đến việc sử dụng kém hiệu quả toàn bộ phổ tần hiện có.
Lấy ví dụ từ các tính toán do Ủy ban Truyền thông Liên bang Federal Communications Commission (FCC) [9] của Hoa Kỳ và Cơ quan quản lý viễn thông của Vương quốc Anh The Office of Communications (Ofcom) [10] đã cho thấy rằng tại một thời điểm bất kỳ luôn có một số lượng lớn dải phổ tần hiếm khi được sử dụng. Trong khi hầu hết băng tần của các mạng di động đang bị quá tải thì các băng tần khác khai thác không hiệu quả và luôn sử dụng không vượt quá 15 %. Do chính sách quản lý phổ tần thiếu linh hoạt này có thể dẫn đến việc sử dụng không hợp lý toàn bộ dải phổ tần. Do đó, yêu cầu một chính sách quản lý mới thay thế linh hoạt hơn để sử dụng hiệu quả phổ tần [11].
Hình 1 minh họa việc sử dụng phổ tần không hiệu quả trong hai thành phố ở Mỹ. Trong khi, phổ tần số đang quá tải ở một số băng tần (như GSM và -3- UMTS) thì gần như sử dụng không hiệu quả ở các băng tần khác (Quân sự và Vô tuyến nghiệp dư). Đối với băng tần của thông tin di động ở dải tần (806-902) MHz hiệu quả sử dụng rất cao chiếm tới 60 %, ngược lại ở băng tần vô tuyến nghiệp dư 1240 MHz hầu như không được sử dụng. Việc phân bổ tài nguyên tần số không cân bằng này đã yêu cầu các cơ quan chức năng quản lý phổ tần của chính phủ phải tìm cách thức mới phân bổ phổ tần dựa trên những khái niệm vô tuyến nhận thức.
Ngoài ra, một số dịch vụ không dây cũ, như truyền hình tương tự cần phải giải phóng phổ tần để cấp cho mạng không dây mới (ví dụ mạng 4G). Vô tuyến nhận thức (Cognitive radio) cần sử dụng một chính sách phổ cởi mở hơn [12, 13]. Mạng vô tuyến nhận thức cho phép người dùng không được cấp phép sử dụng tần số, người dùng thứ cấp Secondary User (SU) có thể truy nhập phổ trống của người dùng có phép sử dụng tần số, người dùng sơ cấp Primary User (PU). Nhờ vào đó, hiệu suất sử dụng phổ có thể được cải thiện đáng kể trong khi giảm được khoảng phổ trắng.
Vô tuyến nhận thức là một công nghệ hứa hẹn trong việc khai thác những phổ tần trống đã nhận được sự quan tâm đặc biệt trong cộng đồng nghiên cứu [10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19]. Trong mạng vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp SU có thể hoạt động cùng với các người dùng sơ cấp PU và truy nhập một phần phổ tần để truyền dẫn thông tin sao cho chỉ gây ra nhiễu tối thiểu tới các PU hoạt động trong dải tần. Ngày nay, công nghệ vô tuyến nhận thức đã được chuẩn hóa trong các mạng truy cập không dây băng rộng như IEEE 802. Mặt khác, tiến bộ mới trong công nghệ truyền thông không dây đã dẫn đến nhu cầu rất lớn cho việc triển khai các ứng dụng đòi hỏi phải có chất -4- lượng dịch vụ Quality of Service (QoS) tốt.
Để đạt được QoS tốt cho một kênh truyền không dây là một thách thức không nhỏ, điều quan trọng nhất là khắc phục những ảnh hưởng bất lợi của pha-đinh (fading). Khi một tín hiệu được truyền qua một kênh không dây, nhiều bản sao của tín hiệu nhận được tại máy thu do phản xạ và tán xạ. Những bản sao này làm tăng cường hoặc triệt tiêu tín hiệu tại phía máy thu gây ra sự thay đổi đột ngột trong tín hiệu điện gọi là hiện tượng pha-đinh [21, 22]. Có nhiều giải pháp khác nhau đã được đề xuất để khắc phục những vấn đề trên có thể kể như: các kỹ thuật bù pha-đinh; các kỹ thuật mã hóa kênh; các kỹ thuật trải phổ; các kỹ thuật san bằng; và các kỹ thuật phân tập, đặc biệt là các kỹ thuật phân tập không gian [23, 24, 25, 26, 27].
Trong số các kỹ thuật phân tập không gian, kỹ thuật truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra Multiple Input-Multiple Output (MIMO) đã được chứng minh là giải pháp mạnh mẽ, đầy tiềm năng và hứa hẹn trong việc nâng cao tốc độ truyền dẫn cũng như hiệu năng hệ thống qua môi trường pha-đinh giàu tán xạ [19, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35]. Hệ thống vô tuyến đa ăng-ten ở phía phát và phía thu MIMO ngày càng trở nên phổ biến trong khoảng hơn một thập kỷ qua nhờ vào những ưu điểm vượt trội; ưu điểm lớn nhất của hệ thống MIMO chính là khả năng nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần vô tuyến bằng cách ghép kênh không gian (spatial multiplexing) nhằm tăng dung lượng và phân tập không gian (spatial diversity) giúp tăng hiệu năng hệ thống, ngoài ra MIMO cung cấp độ lợi mảng (array gain) làm tăng khả năng chống nhiễu và do đó tăng vùng phủ sóng của hệ thống vô tuyến [29, 36]. Với MIMO, chúng ta có thể cải thiện đáng kể dung lượng cũng như hiệu năng của hệ thống vô tuyến mà không cần phải tăng công suất phát cũng như băng tần. -5- Trong điều kiện nguồn tài nguyên băng tần vô tuyến ngày càng cạn kiệt, công nghệ MIMO cũng là một trong những giải pháp hữu hiệu cho các ứng dụng thông tin vô tuyến yêu cầu tốc độ và hiệu năng cao.
Với ưu điểm đó, MIMO được chọn lựa làm nền tảng cho nhiều chuẩn vô tuyến như Wireless Local Area Network (WLAN) IEEE 802.16, các chuẩn thông tin di động 3G, 4G như 3GPP LTE (Long Term Evolution)/LTE Advanced, 3GPP2 UMB (Ultra Mobile Broadband).11n đã được phê chuẩn và thương mại hóa [37]. Tuy nhiên, đối với kỹ thuật MIMO chỉ có thể đạt được độ lợi mảng, độ lợi phân tập, độ lợi ghép kênh với giả thiết khoảng cách giữa các ăng-ten phải đủ lớn để đảm bảo không tương quan và các ma trận kênh truyền MIMO phải là ma trận có hạng đầy đủ [35]. Hơn nữa, thực hiện công nghệ MIMO thường đòi hỏi phải xử lý phần cứng và chi phí tiêu thụ năng lượng cao hơn, đó là một hạn chế quan trọng cho một sản phẩm không dây tiêu biểu. Một số thiết bị cầm tay và các nút trong một mạng cảm biến không dây có thể không có khả năng hỗ trợ nhiều ăng-ten vì kích thước thiết bị hoặc chi phí phần cứng không cho phép.
Những lợi ích và hạn chế của hệ thống MIMO đã khuyến khích các nghiên cứu sâu rộng về một hệ thống MIMO ảo hay còn gọi là truyền thông hợp tác sử dụng các thiết bị đơn ăng ten [38]. Truyền thông hợp tác (Cooperative Communication) [25, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45] hứa hẹn cung cấp vùng phủ sóng theo yêu cầu ở tốc độ dữ liệu cao mà các mạng không dây không có cơ sở hạ tầng (Ad Hoc) và các mạng tế bào đòi hỏi trong tương lai. Trong chuyển tiếp hợp tác, một hoặc nhiều nút trung gian được dùng để hỗ trợ truyền tín hiệu khi đường truyền trực tiếp từ nguồn tới đích bị suy hao mạnh. Nhờ sự hỗ trợ của các trạm chuyển tiếp -6- sẽ làm giảm suy hao đường truyền và tăng độ phân tập không gian dẫn tới có thể cung cấp khả năng tiết kiệm công suất truyền cho các người dùng đầu cuối.
Ví dụ, giả sử một người dùng có một số thiết bị đầu cuối di động đơn ăng-ten, trong đó một hoặc nhiều thiết bị được sử dụng làm nút chuyển tiếp. Trong thực tế, khoảng cách giữa các thiết bị thường ngắn hơn rất nhiều so với khoảng cách từ thiết bị tới trạm gốc Base Station (BS), các thiết bị người dùng này có thể hợp tác để truyền thông sử dụng các kênh ở cự ly ngắn như Wi-Fi, Bluetooth, hoặc Ultra-Wideband. Với sự hợp tác này, người dùng có thể mong đợi những lợi ích của kỹ thuật MIMO truyền thống trong khi đó mỗi thiết bị chỉ sử dụng duy nhất một ăng-ten. Ngoài ra, còn cho phép việc tái sử dụng tần số thông qua sử dụng các kênh trực giao.
Hệ thống truyền thông hợp tác đã được chuẩn hóa trong các chuẩn cho thông tin di động như 3GPP LTE-Advanced và WiMAX trong IEEE 802. Động lực thúc đẩy nghiên cứu Cơ sở lý thuyết để phân tích các mạng chuyển tiếp hợp tác đã được thiết lập bởi Meulen năm 1968 [48]. Năm 1971, Meulen đã đưa ra giới hạn trên và dưới cho dung lượng kênh của mạng chuyển tiếp [49]. Dung lượng kênh của hệ thống chuyển tiếp được tiếp tục nghiên cứu và cải thiện bởi Cover and El Gamal năm 1979 [50].
Công bố này vẫn được coi là một trong các các công trình quan trọng nhất và có ảnh hưởng đối với mạng chuyển tiếp. Cover và El Gamal đã xem xét mô hình mạng chuyển tiếp đơn giản gồm một nút Nguồn, một nút Chuyển tiếp và một nút Đích. Một số công trình nghiên cứu khác góp phần tăng sự hiểu biết về mạng chuyển tiếp hợp tác [51, 52].