MỞ ĐẦU Công nghiệp viễn thông đang trong giai đoạn bùng nổ về công nghệ vô tuyến, tạo nên sự ra đời và phát triển nhanh chóng của các thiết bị Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of Things). Đồng thời, các thiết bị vô tuyến được nâng cấp cả phần cứng và phần mềm, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng không chỉ trong liên lạc thoại, dữ liệu mà trong tất cả các hoạt động hàng ngày như điều khiển thiết bị, nhà thông minh, xe hơi hiện đại. Số lượng người dùng tăng nhanh, nhu cầu trao đổi dữ liệu lớn trong khi tài nguyên phổ tần hạn chế đòi hỏi các nhà nghiên cứu, thiết kế mạng vô tuyến tìm cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần. Từ mô hình kênh đơn đầu vào, đơn đầu ra (SISO: Single-Input Single- Output), đến kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing), và phân tập theo không gian đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) đã được nghiên cứu, áp dụng để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần.
Hiện nay, mạng thông tin vô tuyến thế hệ thứ 5 (5G: Fifth Generation) đang được triển khai và áp dụng tại một số nước phát triển như Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ. Dự kiến năm 2020, mạng 5G sẽ được triển khai trên toàn cầu với hơn 50 tỉ thiết bị được kết nối, trung bình hơn 6 thiết bị trên một người [1, 2]. Sự kết nối và trao đổi dữ liệu của các thiết bị vô tuyến không chỉ để giao tiếp giữa người với người, mà còn trong nhiều hệ thống và các nhiệm vụ khác như cảm biến, 1 luan an 2 ô tô không người lái, lĩnh vực y tế,. Từ đó cung cấp một loạt các dịch vụ tiên tiến như nhà, thành phố thông minh, xe tự động, bảo mật tiên tiến.
Để đảm bảo sự kết nối dày đặc cho số lượng rất lớn thiết bị vô tuyến này, mạng vô tuyến tương lai cần có dung lượng lớn hơn rất nhiều so với thế hệ hiện tại. Theo ước tính, mạng 5G cần cung cấp dung lượng cao hơn 1000 lần so với mạng tế bào hiện nay [3, 4]. Mặt khác, sau thế hệ thứ 5 là mạng 6G, dự kiến sẽ phát triển thành thương mại năm 2026 [5] với yêu cầu dung lượng cao hơn nữa. Vì vậy, áp dụng các biện pháp để nâng cao dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ tần trở nên bức thiết hơn bao giờ hết.
Nhiều giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất nghiên cứu và thử nghiệm như truyền thông ở tần số ứng với bước sóng cỡ mi-li-mét (mmWave: millimeter wave), MIMO cỡ lớn (massive MIMO), đa truy nhập không trực giao (NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access), truyền thông song công trên cùng băng tần (IBFD: In-Band Full-Duplex hoặc FD: Full-Duplex) [4–6]. Trong những kỹ thuật này, truyền thông FD nổi lên là một giải pháp hứa hẹn cho mạng vô tuyến 5G và thế hệ tiếp theo bởi khả năng tăng gấp đôi dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ tần do thiết bị FD có thể thu, phát trên cùng một tần số và tại cùng một thời điểm. Tuy nhiên, để đạt được dung lượng gấp đôi so với mạng vô tuyến truyền thống (HD: Half-Duplex), truyền thông FD cần thực hiện tốt việc triệt nhiễu tự giao thoa (SIC: Self-Interference Cancellation) gây nên từ mạch phát đến mạch thu trên cùng một thiết bị. Đây là trở ngại lớn nhất của kỹ thuật này [6–8].
Gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, công nghệ chế tạo ăng-ten đã có những bước tiến nhảy vọt, đồng thời các chíp xử lý tín hiệu số (DSP: Digital Signal Processor) được tích hợp với mật độ cực cao, hoạt động chính luan an 3 xác và hiệu quả tạo nên các mạch SIC chất lượng cao cho thiết bị FD. Qua nghiên cứu và thử nghiệm, thiết bị FD có thể SIC được lên tới 110 dB, từ đó làm giảm đáng kể nhiễu tự giao thoa (SI: Self-Interference) [8–13], giúp hệ thống FD hoạt động với dung lượng cao hơn nhiều so với hệ thống HD nhưng phẩm chất bị suy hao không đáng kể. Mặt khác, truyền thông FD không chỉ dừng lại ở ưu điểm tăng gấp đôi dung lượng lý thuyết, mà nó còn nhiều ưu điểm khác như [6, 14]: giảm thời gian trễ cho thông tin phản hồi (feedback delay), giảm trễ truyền dẫn (end-to- end delay), tăng cường khả năng bảo mật mạng vô tuyến, nâng cao tính hiệu quả của mạng tùy biến không dây (ad hoc network), linh hoạt trong sử dụng phổ tần, tăng thông lượng hệ thống (system throughput), tránh xung đột (collision avoidance), giải quyết vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn (hidden terminal problem), giảm tắc nghẽn thông qua giao thức điều khiển truy nhập môi trường (MAC: Medium Access Control). Bên cạnh những ưu điểm trên, việc sử dụng thiết bị vô tuyến hoạt động ở chế độ FD cũng có những nhược điểm nhất định, chẳng hạn như [6, 14]: nhiễu tự giao thoa còn sót lại (RSI: Residual Self-Interference) do triệt nhiễu không hoàn hảo làm giảm phẩm chất hệ thống, tỉ lệ mất gói tin cao hơn so với truyền thông HD, yêu cầu kích cỡ bộ đệm lớn, tăng nhiễu giữa các người dùng, tăng độ phức tạp thiết bị và công suất tiêu thụ.
Những nhược điểm này cho thấy không phải lúc nào hệ thống FD cũng nổi trội hơn hệ thống HD, do vậy nhiều nghiên cứu đã lựa chọn thích ứng chế độ hoạt động FD/HD nhằm nâng cao phẩm chất và dung lượng hệ thống vô tuyến [15–17]. Ngoài ra, một trong những kỹ thuật hứa hẹn cho mạng 5G đó là kỹ thuật chuyển tiếp (relay) [18] nhằm tăng cường độ tin cậy, vùng phủ sóng cho mạng luan an 4 vô tuyến. Để hạn chế nhược điểm, khai thác ưu điểm của truyền thông FD, đồng thời giảm trễ truyền dẫn cho mạng chuyển tiếp, nhiều nghiên cứu đã sử dụng thiết bị FD ở nút chuyển tiếp (FDR: Full-Duplex Relay) cho mạng vô tuyến [18]. Không chỉ sử dụng FDR cho mạng chuyển tiếp một chiều, mà FDR còn được sử dụng cho mạng chuyển tiếp hai chiều nhằm nâng cao tốc độ truyền dẫn, trao đổi dữ liệu giữa 2 thiết bị đầu cuối.
Đồng thời, việc sử dụng bộ đệm (Buffer-Aided), giao thức ảo mức độ khung (Frame-Level Virtual Scheme) cũng được đề xuất cho mạng FDR [18]. Trên cơ sở đó, các phương pháp sử dụng ăng-ten, các kỹ thuật SIC cũng như những ưu nhược điểm của mô hình FDR đã được phân tích và đánh giá trong sự so sánh với kỹ thuật truyền thống (HDR: Half-Duplex Relay). Thông qua kết quả nghiên cứu [18], nhóm tác giả đã xem xét toàn diện khi khảo sát mô hình FDR cho đầy đủ các ứng dụng như: ăng-ten riêng biệt (Separate-Antenna), ăng-ten thu/phát chung (Shared-antenna); trạm chuyển tiếp sử dụng giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF: Decode-and-Forward), khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify-and-Forward) hay nén và chuyển tiếp (CF: Compress-and-Forward); trạm chuyển tiếp SISO và trạm chuyển tiếp MIMO. Với những ưu điểm nổi trội của kỹ thuật FD so với kỹ thuật HD truyền thống, truyền thông FD được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống khác nhau, chẳng hạn như: thu thập năng lượng (EH: Energy Harvesting), massive MIMO, mạng tế bào nhỏ (small cell), mmWave, trong quân sự, truyền thông thiết bị-thiết bị (D2D: Device-to-Device), mạng chuyển tiếp, mạng cục bộ (localization network), vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), truyền thông hợp tác (Cooperative communications), hệ thống vận tải thông minh (ITS: Intelligent Transportation Systems),.
luan an 5 Như vậy, kỹ thuật FD là một công nghệ hứa hẹn, trong điều kiện lý tưởng, truyền thông FD cho phép tăng gấp đôi dung lượng lý thuyết của hệ thống vô tuyến, đáp ứng tốt yêu cầu cho 5G và thế hệ mạng vô tuyến tiếp theo. Đồng thời, kỹ thuật này có thể được sử dụng rộng khắp trong sự kết hợp với những kỹ thuật khác. Từ đó cho thấy, nghiên cứu lý thuyết về truyền thông FD là nội dung quan trọng, cập nhật kịp thời sự phát triển của ngành viễn thông cũng như kỹ thuật xử lý tín hiệu trên thế giới. Gần đây, những nghiên cứu và thử nghiệm về kết quả SIC cho hệ thống FD đã chứng minh tính khả thi của truyền thông FD [8, 12, 13, 19–24].
Trên cơ sở đó, nhiều nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật FD vào các hệ thống vô tuyến để phân tích, đánh giá hệ thống, đồng thời tìm biện pháp nâng cao chất lượng hệ thống. Trong đó, mạng chuyển tiếp FDR được phân tích khá đầy đủ thông qua đánh giá phẩm chất và dung lượng hệ thống bằng các biểu thức lý thuyết về xác suất dừng (OP: Outage Probability), xác suất lỗi ký hiệu (SEP: Symbol Error Probability) và dung lượng trung bình (Ergodic Capacity) [25–32]. Mặt khác, các biện pháp nhằm cải thiện phẩm chất hệ thống được áp dụng như phân bổ công suất tối ưu [29, 31, 33], lựa chọn ăng- ten [34], lựa chọn nút chuyển tiếp [27, 35]. Có thể thấy rằng, những nghiên cứu về mạng vô tuyến sử dụng kỹ thuật FD đã đạt được nhiều kết quả quan trọng.
Tuy nhiên, do kỹ thuật FD có thể được áp dụng rộng rãi, trong nhiều hệ thống và lĩnh vực khác nhau nên việc khai thác tiềm năng của kỹ thuật này vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển. Cụ thể như sau: • Nghiên cứu về mạng chuyển tiếp FDR một chiều trong kịch bản truyền luan an 6 thông hợp tác (khi có đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích) còn nhiều thiếu sót. Do sự phức tạp tính toán nên hầu hết các kết quả nghiên cứu về truyền thông hợp tác FDR chưa tìm ra được biểu thức tường minh cho phân tích phẩm chất hệ thống như OP, SEP. Vì thế, không thể đề xuất phân bổ công suất tối ưu nhằm nâng cao phẩm chất hệ thống.
Mặt khác, những nghiên cứu về hệ thống FDR hợp tác sử dụng giao thức AF đều khảo sát cho hệ số khuếch đại thay đổi mà chưa có nghiên cứu cho trường hợp hệ số khuếch đại cố định. • Ứng dụng của mạng chuyển tiếp FDR trong truyền thông V2V vẫn còn hạn chế. Mặc dù những nghiên cứu về hệ thống kết hợp FD-V2V đã được thực hiện trong các công trình [36–38], tuy nhiên những kết quả này chỉ tập trung vào những ứng dụng về an toàn và thiết kế giao thức MAC [36], thiết kế mảng ăng-ten cho FD-V2V [37] và phân tích về tổng bậc tự do (sum degrees of freedom) mà chưa đưa ra được biểu thức chính xác cho đánh giá hệ thống như OP, SEP. • Phần cứng và phần mềm là hai yếu tố bắt buộc cho một thiết bị vô tuyến để thiết bị đó hoạt động và thực hiện được các chức năng đã định.