MỞ ĐẦU 1. Bối cảnh nghiên cứu Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp viễn thông đang trong giai đoạn phát triển bùng nổ về công nghệ vô tuyến nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người sử dụng, đặc biệt là nhu cầu về truyền thông tốc độ cao trên kênh vô tuyến. Với truyền thông vô tuyến, một trong các thách thức lớn nhất là vấn đề truyền lan sóng đa đường, trong đó tín hiệu phát sẽ lan truyền theo các cơ chế phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ và đến máy thu tại cùng một thời điểm với góc pha biến đổi ngẫu nhiên, làm cho tín hiệu thu được biến thiên lúc mạnh, lúc yếu. Hiện tượng này được gọi là pha-đinh đa đường, và kênh truyền được gọi là kênh pha-đinh với các hệ số kênh truyền biến thiên theo thời gian.
Dưới tác động của pha-đinh, phẩm chất lỗi bit của hệ thống có thể bị suy giảm nghiêm trọng. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng lên về truyền thông đa phương tiện tốc độ cao trên kênh vô tuyến pha-đinh, kỹ thuật truyền dẫn đa đầu vào-đa đầu ra (Multiple-Input Multiple-Output - MIMO) là một giải pháp hiệu quả và đã được áp dụng trong nhiều chuẩn thông tin vô tuyến hiện đại như IEEE 802.11, WiMAX, hệ thống di động 4G LTE (Long Term Evolution) [1]. Trong các hệ thống thông tin MIMO, cả máy phát và máy thu đều được trang bị nhiều ăng-ten. Theo lý thuyết được chứng minh bởi Foschini và Telatar [2], dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính theo số lượng ăng-ten, nhờ đó cho 1 luan an 2 phép truyền dữ liệu với tốc độ cao hơn nhiều lần so với các hệ thống đơn ăng-ten truyền thống.
Nhiều hệ thống MIMO đã được thiết kế để đạt được độ lợi phân tập hoặc độ lợi ghép kênh, thậm chí cả hai. Để khai thác độ lợi ghép kênh, hệ thống ghép kênh phân chia theo không gian, mà điển hình là hệ thống không gian thời gian phân lớp dọc của Bell Labs (Vertical-Bell Labs Layered Space Time - VBLAST) [3], thực hiện chia nhỏ luồng dữ liệu tốc độ cao thành các luồng dữ liệu tốc độ thấp và phát song song đồng thời qua các ăng-ten phát, nhờ đó làm tăng dung lượng kênh truyền mà không cần mở rộng dải tần và không cần thông tin trạng thái kênh truyền (Channel State Information - CSI) tại máy phát. Tuy nhiên, vì phát dữ liệu song song đồng thời trên nhiều ăng-ten tại cùng một tần số nên phía phát yêu cầu đồng bộ nghiêm ngặt giữa các ăng-ten phát (Inter- Antenna Synchronization - IAS) còn phía thu xảy ra hiện tượng nhiễu xuyên kênh (Inter-Channel Interference - ICI), làm phẩm chất hệ thống giảm đáng kể [4]. Khác với ghép kênh không gian, mã không gian-thời gian khai thác tối đa độ lợi phân tập để cải thiện chất lượng hệ thống MIMO bằng cách gửi các bản sao tín hiệu theo thời gian và không gian [5].
Trong các loại mã đã được đề xuất thì mã khối không gian-thời gian trực giao (Orthogonal Space-Time Block Code - OSTBC) [6] được chú ý hơn cả do có cấu trúc thiết kế đơn giản tại máy phát và có độ phức tạp giải mã thấp tại máy thu. Tuy nhiên, đa phần mã không gian-thời gian bị giới hạn về tốc độ mã hóa khi so sánh với kỹ thuật ghép kênh không gian, hoặc thỏa mãn tốc độ mã hóa thì lại có độ phức tạp giải mã lớn [7]. Gần đây, một kỹ thuật truyền dẫn MIMO đặc biệt có tên gọi điều chế luan an 3 không gian (Spatial Modulation - SM) đã được đề xuất [8, 9] nhằm tận dụng được các ưu điểm đồng thời khắc phục được những thách thức hiện có của hệ thống MIMO. Ý tưởng của điều chế không gian là tại mỗi chu kỳ tín hiệu, máy phát sẽ kích hoạt một ăng-ten duy nhất trong số Nt ăng-ten phát tùy theo dữ liệu lối vào để truyền đi một symbol điều chế (lấy từ chòm sao M -PSK hoặc M -QAM).
Như vậy, trong hệ thống SM, thông tin không chỉ được truyền tải đi bởi ký hiệu điều chế mà còn cả bởi chỉ số của ăng-ten được kích hoạt, nhờ đó hiệu quả phổ của hệ thống SM được nâng cao so với các hệ thống đơn ăng-ten. Bên cạnh đó, do chỉ sử dụng một ăng-ten, và tương ứng là một chuỗi tần số vô tuyến (Radio Frequency - RF), được kích hoạt tại một thời điểm nên hệ thống SM hoàn toàn tránh được yêu cầu về ICI và IAS của các hệ thống MIMO trước đó, trong khi máy thu chỉ cần sử dụng các bộ tách tín hiệu hợp lẽ cực đại (Maximum Likelihood - ML) độ phức tạp thấp. Vì thế SM được coi là sơ đồ truyền dẫn MIMO hiệu quả về mặt năng lượng và có độ phức tạp thấp. Với những ưu thế đó, SM là sơ đồ truyền dẫn nhiều triển vọng và phù hợp để triển khai cho các hệ thống MIMO yêu cầu độ phức tạp thấp.
Bên cạnh đó, trong kỷ nguyên Internet kết nối vạn vật (Internet of Things - IoT) ngày nay, nhu cầu của người sử dụng không chỉ dừng lại ở liên lạc thoại hay trao đổi dữ liệu mà còn trong tất cả các hoạt động hàng ngày như điều khiển thiết bị, ô tô không người lái, xây dựng nhà thông minh, thành phố thông minh. Số lượng người dùng tăng nhanh với nhu cầu trao đổi dữ liệu tốc độ ngày càng lớn trong khi tài nguyên phổ tần hạn chế. Theo dự kiến, năm 2020, mạng 5G sẽ được triển khai trên toàn cầu với hơn 50 tỉ thiết bị được kết nối, cần đảm bảo dung lượng cao gấp 1000 lần so với mạng 4G luan an 4 hiện nay [10, 11]. Vì vậy, tìm ra các biện pháp để nâng cao dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ tần vô tuyến đã trở thành đòi hỏi bức thiết đối với các nhà nghiên cứu, thiết kế mạng vô tuyến.
Nhiều giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất nghiên cứu và thử nghiệm như truyền thông ở dải sóng mi-li-mét (millimeter Wave - mmWave), MIMO cỡ lớn (massive MIMO), đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access - NOMA), truyền thông song công trên cùng băng tần (In-Band Full- Duplex - IBFD hoặc Full-Duplex - FD). Trong những kỹ thuật này, truyền thông IBFD nổi lên như là một giải pháp hứa hẹn cho mạng vô tuyến 5G và thế hệ tiếp theo. Ý tưởng của truyền thông song công là thiết bị FD có thể thu, phát trên cùng một tần số và tại cùng một thời điểm, nhờ đó có khả năng tăng gấp đôi dung lượng và hiệu quả sử dụng phổ tần. Tuy nhiên, cơ chế truyền thông song công sẽ gây ra nhiễu tự thân (Self Interference - SI) công suất cao xuất phát từ ăng-ten phát lọt vào tuyến thu của chính thiết bị FD đó.
Để đạt được dung lượng gấp đôi như mong đợi so với mạng vô tuyến truyền thống bán song công (Half-Duplex - HD), truyền thông IBFD cần thực hiện tốt việc triệt nhiễu tự thân (Self-Interference Cancellation - SIC). Đây là trở ngại lớn nhất của kỹ thuật này. Các công trình nghiên cứu liên quan Gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật điện tử và kỹ thuật xử lý tín hiệu số, nhiều kỹ thuật SIC tiên tiến đã được nghiên cứu cho thiết bị FD. Qua nghiên cứu và thử nghiệm, thiết bị FD có thể triệt nhiễu được tới 110 dB, từ đó làm giảm đáng kể SI [12–17], giúp triệt nhiễu SI xuống mức có thể chấp nhận được ở máy thu.
Nhờ vậy, ý tưởng về truyền thông song công có thể được triển khai trong các hệ thống thực tế. luan an 5 Ngoài ưu thế về hiệu quả phổ, truyền dẫn IBFD còn có nhiều ưu điểm khác như [18, 19]: giảm trễ phản hồi (feedback delay), giảm trễ truyền dẫn (end-to-end delay), tăng cường khả năng bảo mật mạng vô tuyến, linh hoạt trong sử dụng phổ tần, tăng thông lượng hệ thống (system throughput). Như vậy, IBFD là một công nghệ hứa hẹn, cho phép tăng gấp đôi dung lượng lý thuyết của hệ thống truyền thông 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 khi kết hợp cùng với những kỹ thuật khác.
Từ đó cho thấy, nghiên cứu lý thuyết về truyền thông IBFD 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, nhiều công trình nghiên cứu đã thực hiện kết hợp truyền dẫn IBFD vào hệ thống SM để tận dụng ưu điểm của hai sơ đồ truyền dẫn này [20–23]. Trong [20], hệ thống IBFD-SM được đề xuất với cấu hình ăng- ten MIMO 2 × 2, trong đó công thức biểu diễn gần đúng của xác suất dừng (Outage Probability - OP) và dung lượng Ergodic đã được tìm ra và so sánh với hệ thống HD-SM và IBFD truyền thống. Kết quả phân tích lý thuyết và mô phỏng cho thấy hệ thống đề xuất đạt phẩm chất tốt hơn so với hệ thống HD-SM truyền thống.
Trong công trình [22], phẩm chất của hệ thống IBFD-SM đã được nghiên cứu và tìm ra công thức biểu diễn đường bao trên cho tỉ lệ lỗi bit (Bit Error Rate - BER) cho cả hai luan an 6 trường hợp điều chế khóa dịch pha (Phase Shift Keying - PSK) và điều chế biên độ cầu phương (Quadrature Amplitude Modulation - QAM) khi có thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo. Tác giả trong [23] đã đề xuất và nghiên cứu máy thu IBFD được hỗ trợ bởi sơ đồ SM bảo mật (secure SM ), trong đó vấn đề bảo mật được tăng cường bằng cách gửi đi tín hiệu nhiễu từ một máy thu IBFD hợp pháp khác. Các tín hiệu gây nhiễu này được thiết kế để cho phép máy thu hợp pháp không còn nhiễu SI nữa, trong khi gây nhiễu biến đổi thời gian cho các máy thu trộm. Bên cạnh đó, để tăng cường độ tin cậy thông tin, mở rộng vùng phủ sóng, mạng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật IBFD-SM đã được nghiên cứu trong nhiều tài liệu [24–28].
Tác giả trong [24] đã xem xét hệ thống kết hợp IBFD-SM trong kênh chuyển tiếp hai chiều, trong đó tìm ra đường bao trên của biểu thức xác suất lỗi bit trung bình cũng như ngưỡng SNR chính xác để lựa chọn chế độ FD/HD phù hợp với hệ thống này. Phẩm chất hệ thống SM với nút chuyển tiếp FD hai chiều đã được đánh giá trong [26] khi có tồn tại kết nối trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích, trong đó đã xác định được công thức biểu diễn xác xuất lỗi ký hiệu trung bình (Average Symbol Error Probability - ASEP) dưới tác động của nhiễu dư.