Tổng quan luận án
Bản mô tả học thuật này phân tích luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật điện tử (mã số 9.03) của tác giả Nguyễn Lê Vân, với đề tài "Nghiên cứu, phân tích phẩm chất hệ thống IBFD-SM ứng dụng lựa chọn ăng-ten phát và chuyển tiếp vô tuyến", được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Trần Xuân Nam tại Học viện Kỹ thuật Quân sự (Hà Nội, 2023).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong thông tin vô tuyến hiện đại, nhu cầu truyền tải dữ liệu tốc độ cao phục vụ các dịch vụ đa phương tiện và mạng Internet kết nối vạn vật (IoT) tăng nhanh trong khi tài nguyên phổ tần bị giới hạn. Kỹ thuật truyền dẫn đa đầu vào - đa đầu ra (MIMO) truyền thống như ghép kênh không gian VBLAST hay mã khối không gian - thời gian (OSTBC) tuy nâng cao được dung lượng và độ lợi phân tập nhưng lại gặp phải các trở ngại kỹ thuật lớn: nhiễu xuyên kênh (ICI) tại máy thu, yêu cầu đồng bộ nghiêm ngặt giữa các ăng-ten phát (IAS), và đòi hỏi số lượng chuỗi tần số vô tuyến (RF chain) tương ứng với số ăng-ten phát, dẫn đến chi phí phần cứng và mức tiêu thụ năng lượng cao.
Kỹ thuật điều chế không gian (Spatial Modulation - SM) được đề xuất nhằm khắc phục các nhược điểm trên bằng cơ chế chỉ kích hoạt một ăng-ten phát duy nhất tại mỗi chu kỳ ký hiệu; tuy nhiên, hiệu quả phổ của SM chỉ tăng theo hàm lô-ga-rít của số lượng ăng-ten phát và hệ thống không đạt được độ lợi phân tập phát. Song song với đó, kỹ thuật truyền thông song công trên cùng băng tần (In-Band Full-Duplex - IBFD) cho phép thu và phát đồng thời trên cùng một tần số tại cùng một thời điểm, mang lại tiềm năng tăng gấp đôi dung lượng lý thuyết so với bán song công (Half-Duplex - HD). Mặc dù vậy, IBFD phải đối mặt với nhiễu tự thân (Self-Interference - SI) công suất rất lớn lọt từ ăng-ten phát vào tuyến thu của chính thiết bị đó. Khi kết hợp IBFD với SM (hệ thống IBFD-SM), nhiễu tự thân còn lại (Residual Self-Interference - RSI) do triệt nhiễu tự thân (SIC) không hoàn hảo sẽ làm suy giảm nghiêm trọng phẩm chất hệ thống.
Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định bao gồm:
- Các công trình công bố trước đây về hệ thống IBFD-SM và mạng chuyển tiếp IBFD-SM chủ yếu dừng lại ở các biểu thức xấp xỉ tiệm cận hoặc đánh giá phẩm chất thông qua mô phỏng thống kê trung bình, thiếu các biểu thức giải tích tường minh chính xác trong điều kiện đầy đủ.
- Chưa có công trình nào nghiên cứu việc áp dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (Transmit Antenna Selection - TAS) cho hệ thống IBFD-SM nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của RSI.
- Việc tìm kiếm thuật toán phân bổ công suất tối ưu giải tích cho nút chuyển tiếp song công trong mạng chuyển tiếp IBFD-SM để cực tiểu hóa xác suất lỗi vẫn là bài toán mở chưa được giải quyết.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là phát triển khung toán học giải tích cho phép đánh giá các tham số phẩm chất cốt lõi của hệ thống IBFD-SM và mạng chuyển tiếp IBFD-SM, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nâng cao phẩm chất hệ thống. Luận án xác định các nhiệm vụ cụ thể:
- Thiết lập biểu thức toán học tường minh xác định xác suất dừng (Outage Probability - OP), xác suất lỗi ký hiệu (Symbol Error Probability - SEP) và dung lượng Ergodic của hệ thống IBFD-SM trong liên lạc điểm - điểm trên kênh pha-đinh Rayleigh khi có tác động của RSI.
- Đề xuất mô hình hệ thống IBFD-SM ứng dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (IBFD-SM-TAS); suy dẫn biểu thức tường minh tính toán OP và SEP; đánh giá mức độ suy giảm ảnh hưởng của RSI.
- Phân tích phẩm chất hệ thống IBFD-SM trong mạng vô tuyến giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF) một chiều; tìm biểu thức chính xác cho OP, SEP và dung lượng Ergodic.
- Xây dựng thuật toán phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp song công nhằm cực tiểu hóa SEP và phân tích độ phức tạp tính toán của thuật toán.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Phẩm chất truyền dẫn (OP, SEP, Dung lượng Ergodic) của hệ thống thông tin vô tuyến IBFD-SM trong cấu hình liên lạc hai chiều điểm - điểm và mạng vô tuyến chuyển tiếp một chiều.
- Phạm vi không gian và kênh truyền: Kênh truyền pha-đinh Rayleigh biến thiên chậm, không có đường truyền thẳng (Non-Line of Sight - NLOS), môi trường giàu tán xạ với các liên kết truyền dẫn độc lập.
- Phạm vi kỹ thuật và giả thiết: Xét sơ đồ điều chế SM kết hợp các chòm sao tín hiệu $M$-PSK và $M$-QAM; mô hình triệt nhiễu tự thân ba miền với tham số độ lợi triệt nhiễu $\tilde{\Omega}$ và phương sai nhiễu dư $\sigma_{RSI}^2$; giả thiết máy thu biết thông tin trạng thái kênh (CSI) hoàn hảo và ước lượng hoàn hảo chỉ số ăng-ten phát để tập trung đánh giá tác động của RSI.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu liên quan trong y văn
Luận án đã hệ thống hóa các công trình nghiên cứu trong nước và quốc tế theo các nhóm nội dung chính:
- Nghiên cứu về dung lượng và kỹ thuật MIMO: Foschini và Telatar (1995, 1999) [2] chứng minh dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính theo số lượng ăng-ten. Wolniansky và cộng sự [3] phát triển kiến trúc V-BLAST đạt độ lợi ghép kênh nhưng chịu ảnh hưởng của ICI và IAS. Tarokh, Alamouti và cộng sự [5, 6] phát triển mã khối không gian - thời gian trực giao (OSTBC) đạt độ lợi phân tập nhưng bị giới hạn về tốc độ mã hóa hoặc độ phức tạp giải mã.
- Nghiên cứu về điều chế không gian (SM): Mesleh và cộng sự (2006, 2008) [8, 9] đề xuất kỹ thuật SM. Jeganathan, Renzo, Haas và các tác giả khác [40, 41, 42] hoàn thiện nguyên lý giải điều chế ML độ phức tạp thấp và mô hình chòm sao 3D. Các nghiên cứu của Rajashekar, Yang, Sugiura [62–67] tập trung giảm độ phức tạp bộ tách sóng, tiền xử lý trên kênh tương quan và ước lượng xấp xỉ dung lượng MIMO-SM.
- Nghiên cứu về truyền thông song công IBFD và kỹ thuật SIC: Bharadia, Choi, Everett, Duarte, Sabharwal và các nhóm tác giả [12–17, 45–54] phát triển các kỹ thuật triệt nhiễu tự thân trên ba miền: miền truyền sóng (đạt mức triệt từ 46 dB đến 74 dB), miền tương tự (đạt khoảng 45 dB) và miền số (đạt khoảng 50 dB), nâng tổng mức triệt nhiễu lên tới 110–124 dB trên nền tảng thực nghiệm WARP.
- Nghiên cứu kết hợp IBFD và SM:
- Công trình [20] khảo sát hệ thống IBFD-SM với cấu hình MIMO $2 \times 2$, tìm ra công thức biểu diễn gần đúng của OP và dung lượng Ergodic.
- Công trình [22] xác định đường bao trên cho tỉ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống IBFD-SM đối với điều chế PSK và QAM trong điều kiện CSI không hoàn hảo.
- Công trình [23] nghiên cứu bảo mật cho máy thu IBFD-SM bằng tín hiệu gây nhiễu nhân tạo.
- Các công trình [24, 26, 28] khảo sát mạng chuyển tiếp IBFD-SM hai chiều, đưa ra đường bao trên của xác suất lỗi ký hiệu trung bình (ASEP) và ngưỡng SNR để lựa chọn chế độ chuyển mạch FD/HD dưới tác động của RSI.
- Công trình [25] nghiên cứu mạng chuyển tiếp IBFD-SM hai chiều có tích hợp kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến (EH).
- Nghiên cứu về lựa chọn ăng-ten (TAS) và phân bổ công suất: Các nghiên cứu [29–31] chứng minh TAS nâng cao chất lượng cho SM; các công trình [32–34] ứng dụng TAS cho IBFD-MIMO; các nghiên cứu [35–38] khảo sát tối ưu hóa công suất cho mạng chuyển tiếp IBFD truyền thống.
Vị trí và khoảng trống luận án giải quyết
Từ việc tổng thuật y văn, luận án xác định vị trí nghiên cứu là bước phát triển tiếp theo của hướng tích hợp IBFD-SM:
- Luận án chuyển đổi từ các đánh giá tiệm cận hoặc mô phỏng trung bình sang việc thiết lập các biểu thức giải tích chính xác, tường minh cho OP, SEP và dung lượng Ergodic của hệ thống IBFD-SM điểm - điểm.
- Luận án là công trình đầu tiên khảo sát mô hình IBFD-SM có tích hợp kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (IBFD-SM-TAS), chứng minh bằng giải tích và mô phỏng khả năng triệt giảm tác hại của RSI nhờ độ lợi phân tập phát.
- Luận án giải quyết bài toán tối ưu hóa phân bổ công suất phát tại nút chuyển tiếp song công trong mạng IBFD-SM giải mã và chuyển tiếp (DF), đưa ra thuật toán số có độ phức tạp tính toán thấp.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và mô hình toán học
Hệ thống nghiên cứu trong luận án được xây dựng dựa trên sự kết hợp giữa kỹ thuật điều chế không gian (SM), kỹ thuật truyền dẫn song công trên cùng băng tần (IBFD) và lý thuyết kênh truyền vô tuyến pha-đinh Rayleigh.
+-------------------------------------------------------------------------+
| KHUNG PHÂN TÍCH HỆ THỐNG IBFD-SM |
+-------------------------------------------------------------------------+
| |
| [Chuỗi bit vào] ---> [Phân chia cụm bit: log2(Nt) + log2(M)] |
| | |
| +----------------------+----------------------+ |
| | | |
| [log2(Nt) bit] [log2(M) bit] |
| | | |
| [Kích hoạt 1 Anten phát] [Chòm sao M-PSK/QAM] |
| | | |
| +----------------------+----------------------+ |
| | |
| [Phát tín hiệu vô tuyến] |
| | |
| [Kênh Rayleigh h] <-----------+---------> [Nhiễu tự thân SI / RSI] |
| (Mức triệt Omega) |
| |
| [Máy thu FD] ---> [Tách tín hiệu ML] ---> [Đánh giá: OP, SEP, Dung lượng]|
+-------------------------------------------------------------------------+
-
Nguyên lý điều chế không gian (SM):
Chuỗi bit đầu vào được chia thành từng cụm gồm $[\log_2(N_t) + \log_2(M)]$ bit. Trong đó, $\log_2(N_t)$ bit được sử dụng để chọn và kích hoạt duy nhất một ăng-ten trong số $N_t$ ăng-ten phát; $\log_2(M)$ bit còn lại được ánh xạ vào ký hiệu điều chế thuộc chòm sao tín hiệu phức $M$-PSK hoặc $M$-QAM. Không gian tín hiệu được biểu diễn dưới dạng chòm sao ba chiều (không gian - biên độ - pha).
-
Mô hình truyền thông IBFD và triệt nhiễu tự thân (SIC):
Thiết bị FD phát và thu đồng thời trên cùng tần số. Nhiễu tự thân gồm hai thành phần: SI trực tiếp (rò rỉ qua circulator hoặc giữa các ăng-ten gần nhau) và SI phản xạ từ môi trường. Quá trình triệt nhiễu được thực hiện qua ba tầng (miền truyền sóng, miền tương tự, miền số). Công suất nhiễu tự thân còn lại (RSI) sau khi thực hiện SIC được đặc trưng bởi tham số độ lợi triệt nhiễu $\tilde{\Omega}$ với phương sai $\sigma_{RSI}^2$.
-
Mô hình kênh truyền và các tham số phẩm chất:
Kênh truyền tuân theo phân bố pha-đinh Rayleigh với hệ số kênh $h$, độ lợi kênh tức thời $\rho = |h|^2$ có hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân bố tích lũy (CDF) lần lượt là:
$$f_\rho(x) = \frac{1}{\Omega}\exp\left(-\frac{x}{\Omega}\right), \quad F_\rho(x) = 1 - \exp\left(-\frac{x}{\Omega}\right), \quad x \ge 0$$
trong đó $\Omega = \mathbb{E}{|h|^2}$.
Các tham số phẩm chất hệ thống được xác định theo khung toán học:
- Xác suất dừng (Outage Probability - OP):
$$P_{out} = \Pr{\log_2(N_t) + \log_2(1+\gamma) < R_0} = \Pr{\gamma < \gamma_{th}} = \int_0^{\gamma_{th}} f_\gamma(\gamma)d\gamma$$
với $\gamma$ là SINR tức thời, $R_0$ là tốc độ chuẩn hóa, $R = R_0 - \log_2(N_t)$, và $\gamma_{th} = 2^R - 1$.
- Xác suất lỗi ký hiệu (Symbol Error Probability - SEP):
$$SEP = a\mathbb{E}{Q(\sqrt{b\gamma})} = \frac{a\sqrt{b}}{2\sqrt{2\pi}} \int_0^\infty \frac{\exp(-bx/2)}{\sqrt{x}} F_\gamma(x)dx$$
trong đó $Q(\cdot)$ là hàm Gauss; $a$ và $b$ là các hằng số phụ thuộc vào sơ đồ điều chế.
- Dung lượng Ergodic ($C$):
$$C = \mathbb{E}{\log_2(1+\gamma)} = \frac{1}{\ln 2} \int_0^\infty \frac{1 - F_\gamma(x)}{1+x}dx$$
Bảng tham số điều chế
Các giá trị tham số $a$ và $b$ tương ứng với từng sơ đồ điều chế được luận án tổng hợp trong văn bản như sau:
| Kiểu điều chế |
Biểu thức SEP biểu diễn qua hàm Gauss $Q(\cdot)$ |
Tham số $a$ |
Tham số $b$ |
| BFSK |
$Q(\sqrt{\gamma})$ |
$1$ |
$1$ |
| BPSK |
$Q(\sqrt{2\gamma})$ |
$1$ |
$2$ |
| QPSK, 4-QAM |
$\approx 2Q(\sqrt{\gamma})$ |
$2$ |
$1$ |
| $M$-PAM |
$\approx \frac{2(M-1)}{M} Q\left(\sqrt{\frac{6}{M^2-1}\gamma}\right)$ |
$\frac{2(M-1)}{M}$ |
$\frac{6}{M^2-1}$ |
| $M$-PSK |
$\approx 2Q\left(\sqrt{2\sin^2(\frac{\pi}{M})\gamma}\right)$ |
$2$ |
$2\sin^2\left(\frac{\pi}{M}\right)$ |
| $M$-QAM chữ nhật |
$\approx \frac{4(\sqrt{M}-1)}{\sqrt{M}} Q\left(\sqrt{\frac{3}{M-1}\gamma}\right)$ |
$\frac{4(\sqrt{M}-1)}{\sqrt{M}}$ |
$\frac{3}{M-1}$ |
| $M$-QAM không chữ nhật |
$\approx 4Q\left(\sqrt{\frac{3}{M-1}\gamma}\right)$ |
$4$ |
$\frac{3}{M-1}$ |
Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích giải tích toán học và mô phỏng số trên máy tính:
- Phương pháp giải tích: Thiết lập phương trình vi phân và tích phân thống kê từ mô hình hệ thống; sử dụng các hàm toán học đặc biệt như hàm Gamma hoàn chỉnh $\Gamma(\cdot)$, hàm Gamma không hoàn chỉnh $\Gamma(\cdot,\cdot)$, hàm Beta $B(\cdot)$, hàm tích phân mũ $Ei(\cdot)$ để tìm ra nghiệm đóng tường minh cho CDF, PDF của SINR, từ đó suy dẫn biểu thức chính xác của OP, SEP và dung lượng Ergodic.
- Phương pháp mô phỏng Monte-Carlo: Thiết lập các kịch bản mô phỏng truyền dữ liệu ngẫu nhiên qua các kênh pha-đinh độc lập để thu thập kết quả thống kê số liệu thực tế; đối chiếu các đường cong mô phỏng với các đường cong lý thuyết giải tích nhằm kiểm chứng tính chính xác tuyệt đối của các biểu thức toán học đã thiết lập.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Những vấn đề chung
Chương 1 cung cấp nền tảng lý thuyết và cơ sở toán học xuyên suốt toàn bộ luận án, tập trung vào ba khối kiến thức chính:
-
Tổng quan về điều chế không gian (SM):
- Phân tích nguyên lý ánh xạ khối bit vào chỉ số ăng-ten và ký hiệu chòm sao phức, xây dựng chòm sao không gian 3 chiều.
- Phân tích ưu điểm: Tăng hiệu quả phổ so với hệ thống đơn ăng-ten; loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nhiễu liên kênh (ICI); không yêu cầu đồng bộ giữa các ăng-ten phát (IAS); chỉ sử dụng duy nhất một chuỗi RF phát giúp tiết kiệm năng lượng và giảm kích thước thiết bị; cho phép sử dụng bộ tách tín hiệu hợp lẽ cực đại (ML) với số lượng phép tính khoảng cách Euclid chỉ là $M \cdot N_t \cdot N_r$.
- Phân tích nhược điểm: Hiệu quả phổ tăng theo hàm logarit $\log_2(N_t)$ thay vì tuyến tính như VBLAST; yêu cầu môi trường truyền sóng phải giàu tán xạ để các kênh thành phần độc lập; hệ thống không có độ lợi phân tập phát; việc ước lượng kênh phải thực hiện tuần tự làm tăng độ dài chuỗi huấn luyện.
-
Tổng quan về truyền thông song công trên cùng băng tần (IBFD):
- Trình bày nguyên lý thu phát đồng thời trên cùng dải tần số $f_1$, phân biệt với song công phân chia theo thời gian (TDD), song công phân chia theo tần số (FDD) và bán song công (HD).
- Phân tích cấu trúc phần cứng thiết bị FD: cấu hình sử dụng ăng-ten thu phát riêng biệt và cấu hình sử dụng ăng-ten chung kết hợp bộ lọc phân tách thu phát (circulator/duplexer).
- Đánh giá cơ chế nhiễu SI (trực tiếp và phản xạ) và các giải pháp triệt nhiễu ba miền (miền truyền sóng, miền tương tự, miền số). Phân tích các ưu thế (tăng gấp đôi dung lượng lý thuyết, giảm trễ hồi tiếp, giảm trễ đầu cuối, tăng cường bảo mật lớp vật lý) và các hạn chế (sự tồn tại của RSI, tăng xuyên nhiễu giữa các người dùng, độ phức tạp phần cứng).
- Giới thiệu ba mô hình truyền dẫn IBFD cơ bản: mô hình điểm - điểm hai chiều, mô hình mạng chuyển tiếp vô tuyến, và mô hình mạng tế bào đường lên/đường xuống.
-
Cơ sở toán học các tham số phẩm chất hệ thống:
- Xây dựng định nghĩa, ý nghĩa vật lý và công thức tích phân xác định xác suất dừng ($P_{out}$), xác suất lỗi ký hiệu ($SEP$), và dung lượng Ergodic ($C$) trên kênh pha-đinh Rayleigh.
Chương 2: Phân tích phẩm chất hệ thống IBFD-SM trong trường hợp liên lạc điểm - điểm
Chương 2 khảo sát mô hình liên lạc hai chiều điểm - điểm giữa hai nút mạng IBFD trang bị kỹ thuật SM, chia thành hai nội dung nghiên cứu chính:
+-------------------------------------------------------------------------+
| MÔ HÌNH HỆ THỐNG IBFD-SM ĐIỂM - ĐIỂM |
+-------------------------------------------------------------------------+
| |
| +-------------------+ +-------------------+ |
| | NÚT A | | NÚT B | |
| | (IBFD-SM) | | (IBFD-SM) | |
| | | | | |
| | Nt anten phát |=== Tín hiệu ===> Nr anten thu | |
| | Nr anten thu |<== mong muốn === Nt anten phát | |
| | | | | |
| | Nhiễu RSI (SI_A) | | Nhiễu RSI (SI_B) | |
| +-------------------+ +-------------------+ |
| | | |
| +------ Ứng dụng kỹ thuật TAS ----+ |
| (Chọn S anten từ Nt) |
+-------------------------------------------------------------------------+
-
Phân tích hệ thống IBFD-SM khi không sử dụng kỹ thuật TAS:
- Mô hình: Hai nút đầu cuối đều hoạt động ở chế độ song công, mỗi nút trang bị $N_t$ ăng-ten phát và $N_r$ ăng-ten thu. Tại mỗi chu kỳ tín hiệu, 1 ăng-ten phát được kích hoạt để truyền ký hiệu điều chế $M$-PSK/$M$-QAM. Máy thu của mỗi nút chịu tác động đồng thời của tín hiệu mong muốn từ nút đối diện, tạp âm trắng Gauss cộng tính (AWGN) và nhiễu tự thân còn lại (RSI).
- Đóng góp giải tích: Luận án tìm ra biểu thức tường minh cho hàm phân bố tích lũy CDF của SINR thu, từ đó dẫn xuất biểu thức dạng đóng chính xác của xác suất dừng $P_{out}$, xác suất lỗi ký hiệu $SEP$, và dung lượng Ergodic $C$.
- Kết quả khảo sát:
- Khảo sát hệ thống với cấu hình $(N_t = 2, N_r = 4)$, tốc độ truyền chuẩn hóa $R_0 = 3\text{ bit/s/Hz}$, tham số triệt nhiễu $\tilde{\Omega} = -10\text{ dB}$.
- Khi khả năng SIC tốt ($\tilde{\Omega} \le -10\text{ dB}$), hệ thống IBFD-SM đạt phẩm chất lỗi tương đương với hệ thống bán song công HD-SM truyền thống trong khi dung lượng kênh tăng gần gấp đôi.
- Khi mức độ RSI lớn ($\tilde{\Omega}$ cao, ví dụ $0\text{ dB}$), phẩm chất SEP và OP của IBFD-SM bị suy giảm đáng kể ở vùng SNR trung bình và cao do xuất hiện hiện tượng sàn lỗi (error floor) gây bởi công suất RSI tăng tỷ lệ thuận với công suất phát.
-
Nâng cao phẩm chất hệ thống IBFD-SM thông qua kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (TAS):
- Mô hình đề xuất (IBFD-SM-TAS): Thay vì cố định mảng ăng-ten phát, hệ thống thực hiện lựa chọn một tập hợp con gồm $S$ ăng-ten phát tốt nhất ($1 \le S \le N_t$) từ tổng số $N_t$ ăng-ten phát dựa trên thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) nhằm tạo độ lợi phân tập phát.
- Đóng góp giải tích: Luận án dẫn xuất thành công biểu thức tường minh tính toán $P_{out}$ và $SEP$ cho hệ thống IBFD-SM-TAS khi có mặt RSI.
- Kết quả khảo sát và so sánh:
- Khảo sát với thông số $N_t = 4, N_r = 2, S = 2$, tốc độ $R = 2, 3, 4, 5\text{ bit/s/Hz}$, mức RSI $\tilde{\Omega} = -10\text{ dB}$.
- Phẩm chất OP và SEP của hệ thống IBFD-SM-TAS vượt trội hoàn toàn so với hệ thống IBFD-SM không có TAS.
- Phẩm chất của IBFD-SM-TAS thậm chí vượt trội hơn hệ thống bán song công HD-SM không sử dụng TAS ở cùng cấu hình ăng-ten.
- Kỹ thuật TAS giúp triệt giảm đáng kể ảnh hưởng tiêu cực của RSI, hạ thấp sàn lỗi và nâng cao độ dốc của đường cong SEP theo SNR.
Chương 3: Phân tích phẩm chất hệ thống IBFD-SM trong mạng vô tuyến chuyển tiếp
Chương 3 mở rộng nghiên cứu sang mô hình mạng vô tuyến chuyển tiếp một chiều hỗ trợ bởi nút chuyển tiếp song công:
+-------------------------------------------------------------------------+
| MÔ HÌNH HỆ THỐNG IBFD-SM TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP |
+-------------------------------------------------------------------------+
| |
| +--------------+ +------------------+ +--------------+ |
| | NÚT NGUỒN S |== Tín hiệu | NÚT CHUYỂN TIẾP R|===> | NÚT ĐÍCH D | |
| | (HD-SM) |== chặng 1 =| (IBFD-SM / DF) |Chặng| (HD-SM) | |
| | | | - Thu từ S | 2 | | |
| | NtS anten | | - Phát tới D | | NrD anten | |
| +--------------+ | - Nhiễu RSI (SI)| +--------------+ |
| +------------------+ |
| | |
| +--- Thuật toán phân bổ |
| công suất tối ưu alpha* |
+-------------------------------------------------------------------------+
-
Mô hình hệ thống mạng chuyển tiếp IBFD-SM:
- Nút Nguồn ($S$) truyền dữ liệu tới nút Đích ($D$) thông qua sự trợ giúp của nút Chuyển tiếp ($R$). Cả ba nút đều trang bị đa ăng-ten và sử dụng kỹ thuật điều chế SM.
- Nút $R$ hoạt động ở chế độ song công (IBFD) và sử dụng giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF). Nút $R$ đồng thời thu tín hiệu từ $S$ và phát tiếp tín hiệu đã giải mã tới $D$ trên cùng một tần số, do đó tại $R$ xuất hiện nhiễu RSI.
- Số lượng ăng-ten thu tại nút chuyển tiếp và nút đích lần lượt là $N_{rR}$ và $N_{rD}$.
-
Phân tích giải tích phẩm chất mạng chuyển tiếp:
- Luận án thiết lập biểu thức SINR tức thời tại chặng thứ nhất ($S \to R$) có tính đến RSI tại $R$, và SNR tại chặng thứ hai ($R \to D$). Tỉ số SINR đầu cuối - đầu cuối được xác định theo nguyên lý giải mã và chuyển tiếp: $\gamma_{e2e} = \min(\gamma_{SR}, \gamma_{RD})$.
- Luận án tìm ra biểu thức giải tích chính xác của CDF và PDF cho $\gamma_{e2e}$, từ đó suy dẫn biểu thức tường minh tính toán xác suất dừng ($P_{out}$), xác suất lỗi ký hiệu ($SEP$) và dung lượng Ergodic ($C$) của toàn mạng.
- Kết quả khảo sát:
- Khi mức nhiễu dư nhỏ ($\tilde{\Omega} \le -10\text{ dB}$), hệ thống IBFD-SM chuyển tiếp luôn đạt dung lượng cao hơn hệ thống HD-SM chuyển tiếp, trong khi phẩm chất lỗi SEP chỉ suy giảm không đáng kể ở vùng SNR rất thấp.
- Khi mức nhiễu dư lớn ($\tilde{\Omega} = 0\text{ dB}$), dung lượng của hệ thống chuyển tiếp song công bị bão hòa nhanh và chỉ nhỉnh hơn HD-SM ở vùng SNR rất thấp, trong khi phẩm chất lỗi bị suy thoái nặng nề.
-
Thuật toán phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FD:
- Bài toán tối ưu: Tổng công suất phát của toàn hệ thống được cố định $P_{total} = P_S + P_R$. Đặt hệ số phân bổ công suất là $\alpha$ ($0 < \alpha < 1$) sao cho $P_S = (1-\alpha)P_{total}$ và công suất phát tại nút chuyển tiếp là $P_R = \alpha P_{total}$. Mục tiêu là tìm giá trị $\alpha^*$ tối ưu nhằm cực tiểu hóa hàm mục tiêu SEP đầu cuối - đầu cuối.
- Xây dựng thuật toán: Dựa trên đạo hàm giải tích của biểu thức SEP theo $\alpha$, luận án thiết lập thuật toán tìm kiếm nghiệm tối ưu $\alpha^*$ với số bước lặp hội tụ nhanh.
- Phân tích độ phức tạp tính toán: Thuật toán đề xuất có độ phức tạp thấp, đảm bảo thời gian xử lý ngắn phù hợp cho triển khai thời gian thực trên các bộ xử lý tín hiệu số (DSP).
- Kết quả tối ưu: Khi áp dụng phân bổ công suất tối ưu $\alpha^*$, phẩm chất SEP của hệ thống chuyển tiếp IBFD-SM được cải thiện đáng kể, đặc biệt là ở vùng SNR thấp và trung bình, giúp hệ thống hoạt động ổn định và tiết kiệm năng lượng phát.
Kết quả và những đóng góp mới
Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới cụ thể như sau:
Đóng góp về mặt lý luận khoa học
- Thiết lập hệ thống biểu thức giải tích tường minh cho hệ thống IBFD-SM điểm - điểm: Đã tìm ra các công thức toán học dạng đóng chính xác để tính toán xác suất dừng (OP), xác suất lỗi ký hiệu (SEP) và dung lượng Ergodic trên kênh pha-đinh Rayleigh có xét đến tác động của RSI. Kết quả này khắc phục hoàn toàn hạn chế của các nghiên cứu trước đây vốn chỉ dừng lại ở các biểu thức tiệm cận hoặc ước lượng mô phỏng.
- Đề xuất và chứng minh hiệu năng của mô hình IBFD-SM-TAS: Lần đầu tiên tích hợp kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (TAS) vào hệ thống IBFD-SM. Xây dựng thành công khung giải tích chính xác đánh giá OP và SEP của hệ thống IBFD-SM-TAS, chứng minh bằng toán học rằng việc khai thác độ lợi phân tập phát từ TAS có thể bù đắp và triệt giảm tác hại của nhiễu RSI gây bởi SIC không hoàn hảo.
- Phát triển khung giải tích và thuật toán tối ưu cho mạng chuyển tiếp IBFD-SM: Thiết lập các biểu thức giải tích chính xác đánh giá phẩm chất và dung lượng của mạng vô tuyến chuyển tiếp một chiều IBFD-SM DF; xây dựng thành công thuật toán phân bổ công suất tối ưu $\alpha^*$ cho nút chuyển tiếp FD với độ phức tạp tính toán thấp, giúp cực tiểu hóa xác suất lỗi ký hiệu của toàn mạng.
Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng
- Cung cấp công cụ tính toán số học nhanh chóng và tin cậy: Các biểu thức giải tích tường minh và thuật toán tối ưu hóa do luận án xây dựng cho phép các kỹ sư thiết kế hệ thống vô tuyến đánh giá nhanh chóng, chính xác phẩm chất hệ thống mà không cần thực hiện các chương trình mô phỏng Monte-Carlo tốn kém thời gian tính toán.
- Định hướng cấu hình thiết kế cho mạng vô tuyến thế hệ mới: Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi của việc triển khai hệ thống IBFD-SM khi kết hợp kỹ thuật TAS và tối ưu hóa công suất, mở ra giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần cho các mạng truyền thông tương lai như mạng truyền thông giữa các phương tiện giao thông (V2V), mạng dị thể (HetNets) và hệ thống IoT mật độ cao.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
Căn cứ theo nội dung và các giả thiết được nêu trong văn bản luận án:
- Mô hình kênh truyền: Luận án mới tập trung khảo sát trên mô hình kênh pha-đinh Rayleigh biến thiên chậm (không có thành phần tia truyền thẳng LOS), chưa mở rộng đánh giá trên các mô hình kênh pha-đinh tổng quát khác như Rician, Nakagami-$m$, hay kênh có tương quan không gian giữa các ăng-ten.
- Giả thiết về thông tin trạng thái kênh (CSI): Các phân tích giải tích được thực hiện dưới giả thiết máy thu có thông tin trạng thái kênh hoàn hảo (perfect CSI) và ước lượng chính xác hoàn toàn chỉ số ăng-ten phát, chưa xét đến ảnh hưởng của sai số ước lượng kênh (imperfect CSI) và lỗi nhận dạng chỉ số ăng-ten.
- Cấu hình mạng chuyển tiếp: Luận án mới dừng lại ở mô hình mạng chuyển tiếp một chiều với một nút chuyển tiếp duy nhất hoạt động theo giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF).
Hướng nghiên cứu tiếp theo
Dựa trên phạm vi và các bài toán mở được gợi mở từ văn bản:
- Mở rộng đánh giá phẩm chất hệ thống IBFD-SM và IBFD-SM-TAS trong điều kiện thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo (imperfect CSI) và có sai số đồng bộ hoặc sai số ước lượng kênh tại máy thu.
- Phân tích phẩm chất hệ thống IBFD-SM trên các môi trường truyền sóng phức tạp hơn, bao gồm kênh pha-đinh Rician (có tia trực tiếp LOS), kênh Nakagami-$m$, và kênh truyền thông ở dải sóng mi-li-mét (mmWave).
- Nghiên cứu mở rộng mô hình cho mạng chuyển tiếp hai chiều (two-way relaying), mạng chuyển tiếp đa chặng, mạng đa người dùng kết hợp kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA) hoặc hệ thống MIMO cỡ lớn (Massive MIMO).
Giá trị tham khảo
Luận án có giá trị khoa học và giá trị ứng dụng cụ thể đối với các nhóm đối tượng:
- Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Vô tuyến - Điện tử, Viễn thông: Bản luận án là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp luận toán học trong việc mô hình hóa thống kê kênh truyền, kỹ thuật giải tích tích phân dẫn xuất các biểu thức dạng đóng cho các hệ thống MIMO phức hợp, và phương pháp kết hợp mô phỏng Monte-Carlo để kiểm chứng lý thuyết.
- Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Cung cấp hệ thống tài liệu tổng quan toàn diện, có cấu trúc chặt chẽ về hai công nghệ lớp vật lý quan trọng là Điều chế không gian (SM) và Song công trên cùng băng tần (IBFD), cùng các kỹ thuật triệt nhiễu tự thân (SIC) ba miền.
- Kỹ sư và chuyên gia thiết kế hệ thống thông tin vô tuyến: Luận án cung cấp các công thức tính toán số cụ thể và thuật toán phân bổ công suất tối ưu, phục vụ trực tiếp cho việc đánh giá hiệu năng, tính toán quỹ đường truyền và tối ưu hóa tham số phần cứng khi thiết kế các thiết bị thu phát FD-MIMO trong mạng 5G/B5G, hệ thống thông tin V2V và mạng cảm biến IoT.
Các phần nội dung có giá trị tham khảo nổi bật nhất:
- Bảng ánh xạ tham số tích phân cho các sơ đồ điều chế số (Bảng 1.1 - Chương 1).
- Phương pháp dẫn xuất giải tích tường minh hệ thống kết hợp TAS (Chương 2).
- Thuật toán tối ưu hóa phân bổ công suất giải mã và chuyển tiếp (Chương 3).
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao kỹ thuật Điều chế không gian (SM) lại giúp giảm độ phức tạp phần cứng so với các hệ thống MIMO truyền thống?
Trong hệ thống SM, tại mỗi chu kỳ tín hiệu, máy phát chỉ kích hoạt duy nhất một ăng-ten trong toàn bộ mảng $N_t$ ăng-ten để phát ký hiệu điều chế. Do đó, máy phát chỉ cần sử dụng một chuỗi tần số vô tuyến (RF chain) duy nhất thay vì cần $N_t$ chuỗi RF như các hệ thống MIMO thông thường (như VBLAST). Điều này giúp giảm thiểu chi phí phần cứng và tiêu thụ năng lượng. Đồng thời, do chỉ phát trên một ăng-ten tại một thời điểm, hệ thống loại bỏ hoàn toàn hiện tượng nhiễu xuyên kênh (ICI) tại máy thu và không đòi hỏi đồng bộ nghiêm ngặt giữa các ăng-ten phát (IAS), cho phép máy thu sử dụng bộ tách sóng ML với độ phức tạp tính toán thấp.
2. Nhiễu tự thân (SI) trong truyền thông IBFD gồm những thành phần nào và được triệt tiêu bằng cách nào?
Nhiễu tự thân (SI) gồm hai thành phần: SI trực tiếp (phần tín hiệu truyền thẳng từ ăng-ten phát sang ăng-ten thu trong cấu hình ăng-ten riêng, hoặc rò rỉ qua bộ lọc circulator trong cấu hình ăng-ten chung) và SI phản xạ (tín hiệu phát tán xạ vào các vật cản môi trường xung quanh rồi quay trở lại máy thu). Để triệt tiêu SI xuống mức sàn tạp âm của máy thu (thường cần triệt từ 90 dB đến 124 dB), thiết bị FD phải áp dụng đồng thời các kỹ thuật triệt nhiễu (SIC) trên cả ba miền:
- Miền truyền sóng: Phân tách không gian, đặt tấm chắn RF, sử dụng phân cực chéo và ăng-ten định hướng (khử được 46–74 dB).
- Miền tương tự: Khử tín hiệu nhiễu trong mạch tương tự của chuỗi RF (khử thêm khoảng 45 dB).
- Miền số: Sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu số hiện đại (DSP) trên tín hiệu thu (khử thêm khoảng 50 dB).
3. Việc ứng dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (TAS) trong Chương 2 mang lại lợi ích gì cho hệ thống IBFD-SM?
Hệ thống SM thông thường không có độ lợi phân tập phát vì chỉ sử dụng một ăng-ten tại một thời điểm. Khi kết hợp kỹ thuật TAS, máy phát sẽ chọn ra tập hợp $S$ ăng-ten tốt nhất từ $N_t$ ăng-ten phát dựa trên thông tin trạng thái kênh (CSI) để thực hiện truyền dẫn SM. Việc này giúp hệ thống đạt được độ lợi phân tập phát, từ đó cải thiện đáng kể phẩm chất xác suất dừng (OP) và xác suất lỗi ký hiệu (SEP). Độ lợi phân tập bổ sung từ TAS giúp bù đắp sự suy giảm phẩm chất do nhiễu tự thân còn lại (RSI) gây ra, làm giảm sàn lỗi và giúp hệ thống IBFD-SM-TAS đạt chất lượng vượt trội hơn cả hệ thống bán song công HD-SM không có TAS.
4. Thuật toán phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FD trong Chương 3 hoạt động theo nguyên lý nào?
Trong mạng chuyển tiếp một chiều giải mã và chuyển tiếp (DF), tổng công suất phát của nút nguồn $S$ và nút chuyển tiếp $R$ được cố định ($P_{total} = P_S + P_R$). Nút chuyển tiếp $R$ hoạt động ở chế độ FD nên chịu ảnh hưởng của nhiễu RSI (công suất RSI tăng khi công suất phát $P_R$ tăng). Thuật toán tối ưu hóa phân bổ công suất thiết lập hệ số $\alpha$ ($P_R = \alpha P_{total}$, $P_S = (1-\alpha)P_{total}$) và tìm giá trị $\alpha^*$ tối ưu dựa trên việc giải phương trình đạo hàm giải tích của hàm xác suất lỗi ký hiệu (SEP) toàn mạng. Thuật toán này có độ phức tạp tính toán thấp, giúp cực tiểu hóa SEP đầu cuối - đầu cuối, đặc biệt hiệu quả ở vùng SNR thấp và trung bình.
5. Hiệu năng dung lượng của hệ thống IBFD-SM chuyển tiếp so với hệ thống HD-SM chuyển tiếp phụ thuộc vào mức nhiễu dư (RSI) như thế nào?
Theo kết quả phân tích giải tích và tính toán số trong Chương 3:
- Khi mức độ triệt nhiễu tốt, nhiễu dư nhỏ ($\tilde{\Omega} \le -10\text{ dB}$): Hệ thống chuyển tiếp IBFD-SM luôn đạt được dung lượng Ergodic cao hơn đáng kể so với hệ thống chuyển tiếp HD-SM trên toàn bộ dải SNR, trong khi phẩm chất lỗi chỉ suy giảm không đáng kể ở vùng SNR thấp.
- Khi mức độ triệt nhiễu kém, nhiễu dư lớn ($\tilde{\Omega} = 0\text{ dB}$): Dung lượng của hệ thống chuyển tiếp IBFD-SM chỉ cao hơn không đáng kể so với HD-SM ở vùng SNR rất thấp, sau đó nhanh chóng bị bão hòa và phẩm chất lỗi bị suy thoái nghiêm trọng do công suất RSI lấn át tín hiệu thu mong muốn.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Lê Vân đã giải quyết trọn vẹn các mục tiêu nghiên cứu đặt ra về việc phân tích phẩm chất và đề xuất giải pháp nâng cao hiệu năng cho hệ thống điều chế không gian song công trên cùng băng tần (IBFD-SM). Bằng phương pháp nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa suy dẫn giải tích toán học và kiểm chứng mô phỏng Monte-Carlo, tác giả đã xây dựng thành công hệ thống các biểu thức tường minh dạng đóng cho xác suất dừng, xác suất lỗi ký hiệu và dung lượng Ergodic trên kênh pha-đinh Rayleigh trong cả hai cấu hình liên lạc điểm - điểm và mạng chuyển tiếp vô tuyến giải mã - chuyển tiếp. Việc đề xuất ứng dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (TAS) và thuật toán phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp đã chứng minh được tính hiệu quả trong việc hạn chế tác động tiêu cực của nhiễu tự thân còn lại (RSI). Các kết quả lý thuyết và thuật toán đạt được trong luận án cung cấp cơ sở khoa học và công cụ tính toán tin cậy cho việc phát triển, tối ưu hóa các hệ thống truyền thông vô tuyến thế hệ mới.
