Tổng quan luận án
Trong xu thế phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến thế hệ mới (5G và 6G) cùng mạng Internet vạn vật (IoT), nhu cầu gia tăng dung lượng, mở rộng băng thông và bảo đảm chất lượng dịch vụ di động ngày càng trở nên cấp thiết. Do tài nguyên phổ tần số vô tuyến ở dải tần thấp dưới 6 GHz đang cạn kiệt, việc khai thác dải tần số sóng milimet (mmWave) từ 30 GHz đến 300 GHz (tiêu biểu là các băng tần 28 GHz và 38 GHz được đề xuất bởi Liên minh Viễn thông Quốc tế ITU trong chương trình WRC-19 và Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ FCC) đã trở thành hướng phát triển trọng tâm. Tuy nhiên, việc ứng dụng dải sóng milimet đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật lớn do suy hao truyền sóng trong không gian cao, tổn hao do che khuất, hấp thụ khí quyển và hiện tượng fading đa đường phức tạp trong môi trường đô thị. Để khắc phục các hạn chế này, các công nghệ như hệ thống đa anten (MIMO quy mô lớn), kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) và đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA) bắt buộc phải được triển khai.
Thực tế nghiên cứu cho thấy, việc dự đoán và ước lượng chính xác mô hình suy hao truyền sóng đóng vai trò nền tảng cho việc quy hoạch vùng phủ sóng của các tế bào nhỏ (small cells). Đồng thời, việc xác định chính xác các tham số kênh truyền như hướng sóng tới (AOA/DOA) tại máy thu là cơ sở để hệ thống vô tuyến tự động điều chỉnh đồ thị bức xạ, giảm thiểu can nhiễu và cấp phát tài nguyên không gian. Mặc dù vậy, các phương pháp đo đạc thực nghiệm truyền thống đòi hỏi chi phí lớn và khó bao quát diện rộng, trong khi các mô hình kinh điển chưa thích ứng linh hoạt với địa hình đô thị đặc thù. Mặt khác, các hệ thống thu đa anten truyền thống ở dải tần siêu cao thường đòi hỏi phần cứng phức tạp và tốc độ lấy mẫu cực lớn, gây khó khăn cho việc xử lý tín hiệu số khi gặp hiện tượng tín hiệu tương quan đa đường. Luận án của nghiên cứu sinh Vũ Thanh Quang được thực hiện nhằm giải quyết các khoảng trống nghiên cứu nêu trên.
Mục tiêu nghiên cứu tổng quát của luận án bao gồm hai nhiệm vụ trọng tâm:
- Nghiên cứu phát triển, xây dựng và ước lượng mô hình suy hao truyền sóng ở dải sóng milimet (28 GHz và 38 GHz) dựa trên các phương pháp khai phá và xử lý dữ liệu học máy.
- Đề xuất, cải tiến kiến trúc hệ thống thu vô tuyến đa anten và phát triển thuật toán ước lượng hướng sóng tới (AOA) có độ phân giải cao cho các nguồn tín hiệu tương quan và không tương quan ở dải sóng milimet với tốc độ lấy mẫu thấp và số lượng mẫu xử lý nhỏ.
Đối tượng nghiên cứu của luận án:
- Hệ thống vô tuyến đa anten hoạt động ở dải sóng milimet.
- Kênh truyền sóng trong hệ thống vô tuyến đa anten ở dải sóng milimet.
- Xử lý tín hiệu miền không gian và miền thời gian trong hệ thống vô tuyến đa anten dải sóng milimet.
- Kỹ thuật và thuật toán ước lượng các tham số tín hiệu, kênh vô tuyến ở dải sóng milimet.
Phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Không gian: Môi trường đô thị với các đặc tính truyền dẫn có tầm nhìn thẳng (LOS) và không có tầm nhìn thẳng (NLOS), tập trung vào các khu vực mô phỏng thực tế tại Hà Nội (Khu đô thị Vinhomes Times City và Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ); ước lượng hướng sóng tới trong mặt phẳng phương vị (azimuth).
- Thời gian và tần số: Nghiên cứu tập trung vào hai dải tần số sóng milimet chính là 28 GHz và 38 GHz với các cấu hình băng thông và công suất phát xác định.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Luận án đã tổng hợp và phân tích các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến mô hình hóa kênh truyền, suy hao truyền sóng và kỹ thuật ước lượng hướng sóng tới ở dải sóng milimet:
- Nhóm nghiên cứu của GS. Theodore S. Rappaport tại Trung tâm Nghiên cứu NYU Wireless (Hoa Kỳ): Đây là nhóm nghiên cứu phát triển các mô hình suy hao truyền sóng Close-In (CI) và Floating-Intercept (FI) ở các dải tần 28 GHz, 38 GHz, 60 GHz và 73 GHz, đồng thời xây dựng công cụ mô phỏng kênh thống kê 3D NYUSIM. Tuy nhiên, các công trình của NYU Wireless chủ yếu tập trung vào mô phỏng bán thực nghiệm và đo đạc tại các đô thị ở Hoa Kỳ mà không đi sâu vào việc phát triển kiến trúc phần cứng hệ thống máy thu số hóa trung tần hoặc xử lý tín hiệu tương quan với tốc độ lấy mẫu thấp.
- Nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Institute of Technology, Nhật Bản): Đã triển khai các bộ dò kênh vô tuyến và đo đạc thông số suy hao ở dải tần 60 GHz phục vụ truyền thông tốc độ cao trong nhà. Hạn chế của hướng tiếp cận này là sử dụng các khối phần cứng tương tự truyền thống, chưa tích hợp các thuật toán học máy và kỹ thuật khai phá dữ liệu để tối ưu hóa tham số mô hình suy hao.
- Nhóm nghiên cứu tại Đại học Rennes (Cộng hòa Pháp): Tập trung xây dựng hệ thống đo đạc và công cụ mô phỏng cho bộ dò kênh vô tuyến ở nhiều dải tần số khác nhau nhưng không nghiên cứu sâu về kiến trúc máy thu vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR).
- Các mô hình chuẩn hóa quốc tế: Báo cáo kỹ thuật 3GPP TR 38.901 của Tổ chức chuẩn hóa viễn thông 3GPP đề xuất các mô hình kênh cho môi trường vi tế bào đô thị (UMi) và đại tế bào đô thị (UMa); mô hình Stanford University Interim (SUI) phục vụ tính toán suy hao đường truyền ở các dải tần cố định.
- Tình hình nghiên cứu trong nước: Các đơn vị nghiên cứu như Đại học Bách khoa Hà Nội, Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông, Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM, Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự đã có một số công bố về thiết kế anten mảng vi dải dải sóng milimet, ứng dụng mạng nơ-ron trong tối ưu hóa lớp vật lý hoặc xử lý tín hiệu ra-đa. Tuy nhiên, các nghiên cứu này hầu hết sử dụng phương pháp sai số bình phương nhỏ nhất truyền thống, chưa kết hợp khai phá dữ liệu địa hình thực tế và chưa đưa ra giải pháp cấu trúc máy thu SDR trung tần số lấy mẫu thấp để ước lượng AOA khi có sóng phản xạ tương quan.
Vị trí của luận án: Luận án kết nối giữa kỹ thuật khai phá dữ liệu học máy (Hồi quy tuyến tính, K-Nearest Neighbor, thuật toán phân cụm CoIEE) với mô phỏng lan truyền sóng 3D để tinh chỉnh mô hình suy hao truyền sóng tại 28 GHz và 38 GHz; đồng thời đề xuất kiến trúc máy thu SDR đa kênh trung tần kết hợp bộ dịch pha 90 độ và giải thuật MUSIC kết hợp làm mịn không gian để giải quyết bài toán ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu tương quan.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng hệ thống cơ sở lý thuyết và các mô hình toán học chuẩn mực trong lĩnh vực truyền sóng vô tuyến và xử lý tín hiệu mảng:
- Mô hình suy hao truyền sóng:
- Mô hình suy hao không gian tự do ($PL_{FS}$) dựa trên công thức Friis:
$$PL_{FS}(f, d) = 20\log_{10}(d) + 20\log_{10}(f) + 20\log_{10}\left(\frac{4\pi}{c}\right)$$
- Mô hình Close-In (CI) với cự ly tham chiếu $d_0 = 1\text{ m}$:
$$PL_{CI}(f, d) = PL_{FS}(f, 1\text{ m}) + 10n\log_{10}(d) + X_{\sigma}^{CI}$$
trong đó $n$ là số mũ suy hao truyền sóng (PLE), $X_{\sigma}^{CI}$ là biến ngẫu nhiên Gauss biểu diễn hiệu ứng che khuất (shadow fading) với độ lệch chuẩn $\sigma$.
- Mô hình Floating-Intercept (FI):
$$PL_{FI}(d) = \alpha + 10\beta\log_{10}(d) + X_{\sigma}^{FI}$$
trong đó $\alpha$ là hệ số chặn (tính bằng dB), $\beta$ là độ dốc suy hao.
- Các mô hình thực nghiệm mở rộng: Mô hình 3GPP TR 38.901 và mô hình SUI (Stanford University Interim).
- Lý thuyết kênh vô tuyến MIMO và các hàm đặc trưng:
- Đáp ứng xung của kênh (CIR) và hàm truyền đạt kênh $h_{m,k}(f)$ giữa anten phát $m$ và anten thu $k$.
- Phân bố trễ công suất (PDP - Power Delay Profile) định hướng và đẳng hướng.
- Phổ công suất góc tới (AOA/DOA) và phổ công suất góc đi (AOD/DOD) trong miền không gian.
- Thuật toán học máy và khai phá dữ liệu:
- Thuật toán Hồi quy tuyến tính (Linear Regression): Sử dụng thuật toán Gradient Descent để tối ưu hóa hàm mất mát lỗi bình phương trung bình tối thiểu (MMSE) đối với mô hình CI và sai số bình phương nhỏ nhất (LSE) đối với mô hình FI. Tập dữ liệu mô phỏng được phân chia theo tỷ lệ 80% cho tập huấn luyện (training) và 20% cho tập kiểm thử (testing).
- Thuật toán K láng giềng gần nhất (K-Nearest Neighbor - KNN): Dự đoán mức suy hao dựa trên việc tính toán khoảng cách Euclidean giữa các điểm dữ liệu không gian $N_k(x)$ với tham số $k$ biến thiên.
- Thuật toán phân cụm CoIEE: Kết hợp đánh giá chỉ số Silhouette trung bình để tối ưu hóa việc phân nhóm số mũ suy hao và giảm thiểu độ lệch chuẩn $\sigma$.
- Lý thuyết xử lý tín hiệu không gian con và ước lượng AOA:
- Ma trận hiệp phương sai tín hiệu nhận được:
$$\mathbf{R}{xx} = E[\mathbf{x}(t)\mathbf{x}^H(t)] = \mathbf{A}\mathbf{R}{ss}\mathbf{A}^H + \sigma_{noise}^2\mathbf{I}$$
- Phân tích giá trị riêng (EVD) để tách không gian tín hiệu $\mathbf{V}s$ và không gian tạp âm $\mathbf{V}{noise}$.
- Thuật toán Phân loại nhiều tín hiệu (MUSIC) với hàm phổ giả:
$$P_{MUSIC}(\varphi) = \frac{1}{\mathbf{a}^H(\varphi)\mathbf{V}{noise}\mathbf{V}{noise}^H\mathbf{a}(\varphi)}$$
- Kỹ thuật làm mịn không gian (Spatial Smoothing - SS / Forward-Backward Spatial Smoothing - FBSS): Phân đoạn dàn anten thẳng đồng dạng (ULA) thành các mảng con dịch chuyển nhằm khôi phục hạng của ma trận hiệp phương sai tín hiệu khi các nguồn sóng tới bị tương quan hoàn toàn.
Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết phân tích toán học và mô phỏng số trên máy tính. Các công cụ phần mềm chuyên dụng được sử dụng gồm có: phần mềm NYUSIM (mô phỏng đặc tính kênh truyền thống kê 3D), phần mềm Wireless InSite của Remcom (mô phỏng dò tia 3D Ray Tracing dựa trên cấu trúc hình học công trình thực tế) và môi trường MATLAB để lập trình các thuật toán xử lý dữ liệu và ước lượng hướng sóng tới.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Hệ thống và kênh truyền vô tuyến đa anten ở dải sóng milimet
Chương 1 hệ thống hóa các đặc trưng vật lý của truyền sóng milimet, phân tích cơ chế lan truyền sóng đa đường, suy hao do hấp thụ khí quyển và suy giảm do môi trường che chắn. Tác giả trình bày cấu trúc toán học của các mô hình suy hao truyền sóng tiêu biểu (không gian tự do, 3GPP TR 38.901, SUI và mô hình NYU) cùng các phương pháp đo đạc, dò kênh vô tuyến trong miền thời gian và miền tần số.
Nội dung trọng tâm của chương là việc triển khai mô phỏng đặc trưng kênh truyền vô tuyến đa anten bằng công cụ NYUSIM tại hai tần số 28 GHz và 38 GHz:
- Kênh MIMO 2x2 tại tần số 28 GHz: Phân tích phổ công suất AOA, AOD, PDP định hướng công suất cực đại và PDP đẳng hướng.
- Kênh MIMO 8x8 tại tần số 38 GHz với băng thông RF 800 MHz: Kết quả mô phỏng tại cự ly 196 m (LOS) và 42,6 m chỉ ra phổ công suất AOA và AOD phân bố tại các mức năng lượng -96 dBm, -88 dBm và -81 dBm. Ở cự ly 42,6 m, suy hao đường truyền định hướng đạt 110,6 dB (công suất thu -31,x dBm), trong khi suy hao đẳng hướng là 104 dB (công suất thu -74 dBm). Mô phỏng cũng chứng minh tính đồng nhất của PDP giữa các phần tử anten trong dàn.
Cuối chương, tác giả phân tích chi tiết các tồn tại khoa học trong và ngoài nước, từ đó xác lập hai bài toán cần giải quyết: xây dựng mô hình suy hao kênh thích ứng môi trường đô thị bằng xử lý dữ liệu và thiết kế giải pháp ước lượng hướng sóng tới AOA cho tín hiệu tương quan trên nền tảng vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm.
Chương 2: Thuật toán xử lý dữ liệu trong ước lượng mô hình suy hao truyền sóng ở dải sóng milimet
Chương 2 tập trung giải quyết bài toán xây dựng mô hình suy hao truyền sóng chính xác dựa trên việc khai phá dữ liệu mô phỏng lan truyền sóng 3D Ray Tracing từ phần mềm Wireless InSite tại hai khu vực đô thị cụ thể ở Hà Nội: Khu đô thị Vinhomes Times City và Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ. Các kịch bản mô phỏng được thiết lập với chiều cao anten phát $h_{Tx} \in {7\text{ m}, 17\text{ m}}$, công suất phát $P_{Tx} \in {35\text{ dBm}, 43\text{ dBm}}$, tần số 28 GHz và 38 GHz trong cả hai điều kiện LOS và NLOS.
Tác giả đề xuất và triển khai hai nhóm giải pháp xử lý dữ liệu:
- Ứng dụng thuật toán học máy giám sát:
- Hồi quy tuyến tính: Sử dụng giải thuật Gradient Descent tối ưu hóa hàm MMSE cho mô hình CI và LSE cho mô hình FI trên tập dữ liệu chia tỷ lệ 80% train / 20% test.
- Thuật toán KNN: Đánh giá sai số dự đoán suy hao theo tham số láng giềng $k$, phân tích sự biến thiên của độ lệch chuẩn $\sigma$ khi $k$ thay đổi.
- Thuật toán CoIEE và 4 phương pháp xử lý dữ liệu suy hao:
- Phương pháp 1: Sử dụng các số mũ suy hao truyền sóng tham chiếu.
- Phương pháp 2: Nội suy từ bộ dữ liệu các số mũ suy hao truyền sóng của các điểm thu.
- Phương pháp 3: Nội suy từ bộ dữ liệu suy hao truyền sóng và khoảng cách Tx-Rx của các điểm thu.
- Phương pháp 4: Phương pháp sai số bình phương trung bình tối thiểu (MMSE).
Quá trình mô phỏng thuật toán CoIEE được khảo sát chi tiết thông qua sự biến thiên của chỉ số Silhouette trung bình, số cụm, tổng sai số số mũ và độ lệch chuẩn $\sigma$ theo số bước lặp $p$ (với các giá trị khảo sát cụ thể như $p = 2, 25, 50, 55, 888, 11950, 19930, 32160, 44560$). Kết quả ước lượng mô hình suy hao sau đó được so sánh đối chuẩn với dữ liệu chuẩn của 3GPP và NYU Wireless, chứng minh phương pháp xử lý dữ liệu đề xuất giúp giảm độ lệch chuẩn sai số và bám sát đặc tính truyền sóng thực tế của từng khu vực.
Chương 3: Giải pháp xác định hướng sóng tới của nguồn tín hiệu vô tuyến ở dải sóng mm
Chương 3 trình bày các đề xuất về kiến trúc hệ thống máy thu và thuật toán xử lý tín hiệu không gian nhằm ước lượng chính xác hướng sóng tới (AOA) trong mặt phẳng phương vị:
- Kiến trúc máy thu SDR trung tần kết hợp bộ di pha 90 độ (Tiểu mục 3.1 & 3.2): Đề xuất mô hình máy thu đa kênh song song số hóa tại tần số trung gian (IF) thay vì số hóa trực tiếp tại tần số siêu cao mmWave. Việc tích hợp bộ di pha 90 độ cho phép thực hiện phép biến đổi cầu phương (tạo hai thành phần đồng pha I và vuông pha Q) ngay trên miền trung tần. Cấu trúc này giúp giảm yêu cầu về tần số lấy mẫu của bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC), giảm khối lượng tính toán nhưng vẫn bảo đảm thông tin pha chính xác phục vụ thuật toán MUSIC.
- Giải pháp xử lý tín hiệu tương quan sử dụng phân đoạn và làm mịn không gian (Tiểu mục 3.3): Trong môi trường sóng milimet đô thị, hiện tượng phản xạ đa đường tạo ra các tín hiệu có tính tương quan cao hoặc kết hợp chặt chẽ (coherent), làm suy giảm hạng của ma trận hiệp phương sai tín hiệu và khiến thuật toán MUSIC thông thường mất khả năng phân tách góc tới. Tác giả đề xuất kết hợp dàn anten tuyến tính đồng dạng (ULA) với kỹ thuật làm mịn không gian thuận nghịch (FBSS / Modified Spatial Smoothing) để khôi phục cấu trúc ma trận hiệp phương sai, sau đó áp dụng thuật toán MUSIC có độ phân giải cao.
- Đánh giá hiệu năng: Khảo sát sai số căn quân phương (RMSE) của góc tới ước lượng theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) và số lượng mẫu thu nhận. Kết quả mô phỏng khẳng định hệ thống có khả năng phân tách chính xác các hướng sóng tới với số lượng mẫu tín hiệu nhỏ và hoạt động ổn định ở các mức SNR khác nhau.
Bảng tổng hợp các thông số kỹ thuật và cấu hình mô phỏng chính trong luận án:
| Thông số / Hạng mục |
Cấu hình trong mô phỏng NYUSIM (Chương 1) |
Cấu hình mô phỏng Wireless InSite & Học máy (Chương 2) |
Cấu hình hệ thống ước lượng AOA (Chương 3) |
| Tần số hoạt động |
28 GHz và 38 GHz |
28 GHz và 38 GHz |
28 GHz và 38 GHz |
| Cấu trúc mảng anten |
MIMO 2x2 (28 GHz), MIMO 8x8 (38 GHz) |
Anten phát định hướng, anten thu đẳng hướng |
Mảng anten thẳng đồng dạng (ULA) đa phần tử |
| Chiều cao anten phát ($h_{Tx}$) |
Theo kịch bản trạm gốc chuẩn |
7 m và 17 m |
Theo mô hình thu phát trung tần |
| Công suất phát ($P_{Tx}$) |
Chuẩn hóa theo mô hình NYU |
35 dBm và 43 dBm |
Tín hiệu vô tuyến dải sóng mm |
| Băng thông khảo sát |
Lên đến 800 MHz (tại 38 GHz) |
Băng thông kênh vô tuyến mmWave |
Tín hiệu băng hẹp tại trung tần IF |
| Môi trường / Địa bàn |
Kênh thống kê đô thị 3D |
Vinhomes Times City, THPT Chuyên Nguyễn Huệ |
Môi trường đa đường có tín hiệu tương quan |
| Kỹ thuật xử lý / Thuật toán |
Ước lượng trễ, công suất PDP, góc AOA/AOD |
Hồi quy tuyến tính, KNN, Phân cụm CoIEE, MMSE |
Máy thu IF-SDR, Di pha 90°, FBSS, MUSIC |
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới về mặt học thuật và thực tiễn của luận án bao gồm:
- Về mô hình hóa suy hao truyền sóng:
- Đề xuất quy trình ứng dụng các thuật toán học máy (Hồi quy tuyến tính với tối ưu Gradient Descent và thuật toán K-Nearest Neighbor) kết hợp thuật toán phân cụm CoIEE để xây dựng và tinh chỉnh mô hình suy hao truyền sóng ở dải tần số 28 GHz và 38 GHz.
- Đề xuất và so sánh 4 phương pháp xử lý dữ liệu suy hao (sử dụng số mũ suy hao tham chiếu, nội suy số mũ suy hao điểm thu, nội suy từ khoảng cách Tx-Rx và phương pháp MMSE), giúp nâng cao độ chính xác dự đoán suy hao và giảm độ lệch chuẩn che khuất $\sigma$ trong môi trường đô thị đặc thù tại Việt Nam khi so sánh với các mô hình 3GPP TR 38.901 và NYU Wireless.
- Về kiến trúc hệ thống và thuật toán ước lượng hướng sóng tới:
- Đề xuất cấu trúc hệ thống thu vô tuyến đa anten định nghĩa bằng phần mềm (SDR) đa kênh song song dựa trên kiến trúc số hóa trung tần kết hợp bộ dịch pha 90 độ để tạo tín hiệu trực giao cầu phương I/Q. Cấu trúc này giải quyết được hạn chế về yêu cầu tốc độ lấy mẫu quá cao của bộ chuyển đổi ADC ở dải tần milimet.
- Đề xuất giải pháp tích hợp kỹ thuật phân đoạn mảng anten và làm mịn không gian (Spatial Smoothing / FBSS) kết hợp với thuật toán MUSIC độ phân giải cao. Giải pháp này cho phép ước lượng chính xác hướng sóng tới của các nguồn tín hiệu tương quan đa đường trong mặt phẳng phương vị với số lượng mẫu tín hiệu nhỏ và độ chính xác cao.
Kiến nghị và ứng dụng đề xuất:
- Kết quả mô hình suy hao là tài liệu phục vụ việc quy hoạch vị trí trạm gốc tế bào nhỏ (small cell) và tính toán quỹ đường truyền cho mạng 5G/6G tại các khu đô thị có mật độ xây dựng cao.
- Cấu trúc máy thu SDR trung tần và thuật toán ước lượng AOA đề xuất có thể áp dụng trực tiếp trong thiết kế các hệ thống vô tuyến nhận thức, định dạng búp sóng thích nghi (Adaptive Beamforming) và hệ thống đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA).
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của luận án:
- Cơ sở dữ liệu kênh truyền và suy hao truyền sóng trong luận án chủ yếu được thu thập thông qua các công cụ mô phỏng số 3D Ray Tracing (Wireless InSite) và phần mềm mô phỏng thống kê NYUSIM áp dụng trên hai mô hình khu vực cụ thể (Times City và THPT Nguyễn Huệ), chưa có điều kiện triển khai hệ thống đo đạc thực nghiệm diện rộng ngoài hiện trường với phần cứng hoàn chỉnh.
- Bài toán ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu vô tuyến mới chỉ tập trung xử lý trong mặt phẳng phương vị 2D (góc Azimuth), chưa mở rộng đồng thời cho cả góc ngẩng 3D (Elevation angle).
- Kiến trúc máy thu SDR đa kênh mới dừng lại ở mức mô hình hóa, thiết kế thuật toán và mô phỏng kiểm chứng trên phần mềm, chưa chế tạo thành bo mạch phần cứng tích hợp hoàn chỉnh trên nền tảng chip nhúng FPGA/DSP.
Hướng nghiên cứu tiếp theo:
- Chế tạo phần cứng thử nghiệm hệ thống máy thu đa anten SDR trung tần trên nền tảng mảng cổng logic khả trình (FPGA) hoặc bộ xử lý tín hiệu số (DSP) chuyên dụng.
- Mở rộng thuật toán ước lượng hướng sóng tới sang không gian 3D (ước lượng đồng thời cả góc phương vị và góc ngẩng) cho các mảng anten phẳng (planar array).
- Triển khai các chiến dịch đo đạc kênh truyền sóng thực tế tại nhiều môi trường địa hình và điều kiện thời tiết nhiệt đới khác nhau ở Việt Nam nhằm kiểm chứng và hoàn thiện mô hình suy hao truyền sóng.
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Viễn thông, Kỹ thuật Điện tử: Cung cấp phương pháp luận chi tiết về mô hình hóa kênh truyền sóng milimet, kỹ thuật mô phỏng 3D Ray Tracing và cách áp dụng các giải thuật học máy trong xử lý dữ liệu viễn thông.
- Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Nguồn tài liệu tham khảo cho các môn học và đề tài về xử lý tín hiệu mảng anten, lý thuyết không gian con, kỹ thuật làm mịn không gian và công nghệ vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR).
- Kỹ sư thiết kế và chuyên gia quy hoạch mạng viễn thông: Tham khảo các thông số suy hao, số mũ suy hao (PLE) tại tần số 28 GHz và 38 GHz để thiết lập thông số trong các phần mềm quy hoạch vùng phủ sóng mạng 5G/6G đô thị.
Các phần có giá trị tham khảo cao nhất gồm: Chương 2 với quy trình chi tiết về ứng dụng học máy tối ưu hóa mô hình suy hao kênh; Chương 3 với sơ đồ khối kiến trúc máy thu SDR trung tần và thuật toán kết hợp FBSS-MUSIC xử lý tín hiệu tương quan.
Câu hỏi thường gặp
1. Luận án tập trung nghiên cứu trên những dải tần số nào và tại sao lại lựa chọn các dải tần này?
Luận án tập trung nghiên cứu ở hai dải tần số 28 GHz và 38 GHz. Đây là các dải tần số sóng milimet trọng điểm được Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) và Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC) quy hoạch cho mạng 5G/6G, có đặc tính suy hao do hấp thụ khí quyển, hơi nước và oxy thấp hơn đáng kể so với các dải tần số cao khác như 60 GHz.
2. Tác giả đã sử dụng những thuật toán học máy nào để dự đoán mô hình suy hao truyền sóng?
Tác giả đã đề xuất sử dụng thuật toán Hồi quy tuyến tính (tối ưu hóa bằng giải thuật Gradient Descent với hàm mất mát MMSE cho mô hình CI và LSE cho mô hình FI) và thuật toán K láng giềng gần nhất (KNN), kết hợp với thuật toán phân cụm CoIEE để phân tích và tối ưu hóa số mũ suy hao cũng như độ lệch chuẩn che khuất.
3. Dữ liệu mô phỏng môi trường truyền sóng 3D được xây dựng dựa trên những địa bàn thực tế nào?
Dữ liệu lan truyền sóng 3D Ray Tracing được xây dựng trên phần mềm Wireless InSite dựa trên bản đồ cấu trúc hình học công trình thực tế của hai địa điểm tại Hà Nội: Khu đô thị Vinhomes Times City và Trường THPT Chuyên Nguyễn Huệ, với các kịch bản chiều cao anten phát 7 m, 17 m và công suất phát 35 dBm, 43 dBm.
4. Kiến trúc máy thu đề xuất trong Chương 3 có giải pháp gì để giảm tốc độ lấy mẫu của bộ chuyển đổi ADC?
Tác giả đề xuất kiến trúc máy thu vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR) đa kênh số hóa tại tần số trung gian (IF) kết hợp với bộ di pha 90 độ để thực hiện phép biến đổi trực giao cầu phương I/Q trên miền trung tần. Giải pháp này tránh việc phải số hóa trực tiếp ở dải tần số siêu cao mmWave, qua đó giảm yêu cầu tốc độ lấy mẫu của ADC và giảm độ phức tạp tính toán của phần cứng.
5. Luận án giải quyết hiện tượng tín hiệu tương quan đa đường trong bài toán ước lượng AOA bằng cách nào?
Để khắc phục hiện tượng ma trận hiệp phương sai tín hiệu bị suy giảm hạng do các tia sóng phản xạ bị tương quan hoàn toàn, luận án sử dụng mảng anten thẳng đồng dạng (ULA) kết hợp với kỹ thuật phân đoạn và làm mịn không gian thuận nghịch (Forward-Backward Spatial Smoothing - FBSS) nhằm khôi phục hạng của ma trận trước khi áp dụng thuật toán MUSIC độ phân giải cao.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Vũ Thanh Quang đã giải quyết trọn vẹn hai vấn đề cốt lõi trong hệ thống vô tuyến đa anten dải sóng milimet (28 GHz và 38 GHz) là mô hình hóa suy hao truyền sóng và ước lượng hướng sóng tới. Bằng việc kết hợp các công cụ mô phỏng 3D hiện đại với các thuật toán học máy và kỹ thuật phân cụm CoIEE, luận án đã xây dựng được mô hình suy hao chính xác, phù hợp với đặc thù đô thị. Đồng thời, đề xuất về kiến trúc máy thu SDR số hóa trung tần kết hợp bộ di pha 90 độ và kỹ thuật làm mịn không gian đã mang lại giải pháp hiệu quả để ước lượng hướng sóng tới của tín hiệu tương quan với số lượng mẫu nhỏ. Công trình là tài liệu khoa học có giá trị lý luận và thực tiễn cao, đóng góp thiết thực cho quá trình nghiên cứu và triển khai mạng thông tin vô tuyến băng rộng thế hệ mới.