Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP THÔNG TIN VÔ TUYẾN Phần đầu chương này sẽ giới thiệu tổng quan chung về hệ thống thông tin vô tuyến và các kỹ thuật chuyển tiếp được áp dụng cho mạng thông tin vô tuyến. Nội dung tiếp theo sẽ trình bày các kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến MIMO, các kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu cho hệ thống vô tuyến MIMO, kỹ thuật tách và xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp vô tuyến MIMO hai chiều. Định hướng nghiên cứu của luận án và mô hình kiểm chứng kết quả nghiên cứu trong luận án được trình bày ở cuối chương. Sự phát triển của hệ thống thông tin vô tuyến đương đại Với sự phát triển của cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 dẫn đến nhu cầu ngày càng tăng của kết nối thông tin vô tuyến di động đối với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn cho các dịch vụ đa phương tiện, truy xuất các cơ sở dữ liệu lớn (Big data).
Nhu cầu kết nối nhiều thiết bị, đồ vật, thành phần trong các hệ thống internet vạn vật (IoT: Internet of Things), dây chuyền sản xuất thông minh, nhà máy thông minh, bệnh viện thông minh, trường học thông minh, thành phố thông minh. trở nên ngày càng lớn. Điều này tạo ra một áp lực chưa từng có cho các mạng thông tin viễn thông, đặc biệt là các hệ thống thông tin vô tuyến. Các hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại cần đảm bảo trao đổi dữ liệu: tốc độ cao, độ tin cậy truyền tin lớn, chất lượng dịch vụ tốt và độ trễ nhỏ.
Để đáp ứng yêu cầu trên, các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông cần mở rộng băng thông, tăng hiệu quả phổ, tốc độ xử lý, số lượng kết nối và đảm bảo truyền tin ổn định tin cậy. Hệ thống thông tin 5G được giới thiệu vào năm 2016. Từ đó đến nay, mạng thông tin vô tuyến thế hệ thứ 5 (5G) nhận được nhiều quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Sự phát triển của các hệ thống 5G và tối ưu các tham số phẩm chất mong muốn trong hệ thống thông tin vô tuyến với mục đích đáp ứng được những thách thức nêu trên.
So sánh với thông tin vô tuyến thế hệ thứ 4 (4G), thông tin vô tuyến 5G được tập trung nghiên cứu phát triển với mục tiêu tăng 1000 lần dung lượng hệ thống, 10 lần hiệu quả năng lượng, tốc độ truyền dữ liệu và hiệu quả phổ, 25 lần thông lượng trung bình và giảm đáng kể độ trễ 11 truyền tin [52]. Mô hình cho các hệ thống 5G có dung lượng cực cao (cao hơn 1000 lần trên mỗi km2), độ trễ cực thấp (nhỏ hơn 1ms), số lượng kết nối cực lớn (cao gấp 100 lần), tốc độ cực cao (lên đến 10Gbps), tiêu thụ năng lượng cực thấp so với hệ thống 4G [29]. Trong kịch bản triển khai trong điều kiện thực tế, mạng 5G có thể hỗ trợ tốc độ đến 10Gbps trong nhà và các khu vực ngoài trời với mật độ cao, khoảng vài trăm Mbps trong thành thị và ngoại ô, trong khi đảm bảo duy trì khoảng 10Mbps cho hầu hết các nơi trong đó có cả khu vực nông thôn [25]. Sự phát triển các dịch vụ trên nền tảng mạng 5G ngày càng mạnh mẽ, số lượng thuê bao 5G tăng đột biến kể từ khi ra mắt.
Tính đến cuối năm 2023, trên toàn cầu có khoảng 1, 6 tỷ thuê bao 5G, đến năm 2029 dự báo số thuê bao 5G sẽ tăng lên khoảng 330%, từ 1, 6 tỷ lên 5, 3 tỉ thuê bao 5G [79]. Vùng phủ sóng 5G có thể sử dụng cho hơn 45% dân số thế giới vào cuối năm 2023 và dự báo đến cuối năm 2029 tăng lên 85%. Kỹ thuật vô tuyến MIMO là nền tảng công nghệ được sử dụng trong các hệ thống 4G và 5G. Hệ thống thông tin 4G, 5G đã thể hiện tính hiệu quả trong truyền thông giữa các thiết bị trong hệ thống.
Các thiết bị đầu cuối trong hệ thống trao đổi thông tin đạt tốc độ cao, tin cậy, độ trễ thấp, và chất lượng dịch vụ cao. Số lượng kết nối trong hệ thống tăng nhiều lần so với các thế hệ trước dẫn đến nhiều dịch vụ phát triển trên nền tảng công nghệ thông tin di động. Mô hình và kỹ thuật kết nối trong mạng thông tin thay đổi. Để đáp ứng các nhu cầu trên, có sự phát triển kỹ thuật chuyển tiếp thông tin vô tuyến, đặc biệt là chuyển tiếp vô tuyến MIMO.
Nhờ có chuyển tiếp vô tuyến giúp cho mạng thông tin vô tuyến cho phép kết nối trực tiếp thiết bị đến thiết bị, mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy truyền tin. Thông tin vô tuyến chuyển tiếp Thông tin vô tuyến trao đổi tín hiệu dựa trên tính năng lan truyền của các sóng điện từ trường trong không gian. Máy phát thực hiện điều chế biến đổi thông tin cần truyền vào tín hiệu sóng điện từ. Tín hiệu sóng điện từ được truyền đến máy thu qua không gian chứa môi trường truyền sóng.
Trong thực tế môi trường này luôn động, biến đổi ngẫu nhiên và không nhất quán [1], [32]. Trong quá trình lan truyền của sóng điện từ, sóng vô tuyến chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi các hiện tượng vật lý phản xạ, tán xạ, nhiễu xạ. Các hiện tượng này tác động làm biến đổi hình dáng tín hiệu tại máy thu gây ra ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng xử lý tín hiệu tại máy thu. Thông thường, tín hiệu thông tin vô tuyến nhận được tại máy thu luôn bị 12 suy giảm do tác động bởi môi trường truyền sóng.
Đây là tính chất tổn hao tín hiệu đường truyền. Tổn hao tín hiệu đường truyền phụ thuộc vào tần số điều chế tín hiệu, môi trường truyền sóng, và khoảng cách giữa máy phát và máy thu [79]. Môi trường truyền sóng có thể gây ra các hiện tượng hấp thụ hoàn toàn tín hiệu, hoặc gây ra các hiện tượng phản xạ, tán xạ, khúc xạ các tín hiệu được truyền đi từ máy phát, các hiện tượng này đến tình huống máy thu có thể không nhận được tín hiệu truyền đến. Các vấn đề này là nguyên nhân chính gây ra mất đường truyền kênh thông tin kết nối giữa các thiết bị trong hệ thống thông tin vô tuyến [1], [2].
Ngoài các tác động trên, hiện tượng pha-đinh vô tuyến gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng đến tín hiệu nhận được tại máy thu, đặc biệt là các pha-đinh đa đường [1], [32], [14]. Pha-đinh được tạo ra bởi sự hiện diện của các vật phản xạ trong môi trường xung quanh máy thu và máy phát gây ra hiện tượng đa đường dẫn tín hiệu từ máy phát đến máy thu mà tín hiệu được truyền có thể đi qua. Khi này, tín hiệu nhận được tại máy thu là tín hiệu xếp chồng của các bản sao tín hiệu đã truyền, mỗi bản sao của tín hiệu được đi qua các đường khác nhau. Mỗi bản sao tín hiệu sẽ khác nhau về độ suy giảm, độ trễ và độ lệch pha.
Nếu các bản sao tín hiệu đồng pha nhau sẽ làm tăng biên độ tín hiệu tại máy thu. Ngược lại, tín hiệu tại máy thu bị suy giảm biên độ khi các bản sao tín hiệu phát ngược pha nhau. Các bản sao tín hiệu này cũng gây ra hiện tượng méo tín hiệu tại máy thu. Với các kênh vô tuyến băng rộng có truyền dẫn tốc độ cao, hiện tượng pha-đinh đa đường gây ra tính chất chọn lọc tần số rất lớn làm cho phẩm chất hệ thống bị suy giảm đáng kể.
Để giải quyết các vấn đề trên, chuyển tiếp thông tin vô tuyến là một trong những giải pháp kỹ thuật hiệu quả được sử dụng trong mạng thông tin vô tuyến. Trong hệ thống thông tin vô tuyến hiện đại, các trạm chuyển tiếp đóng vai trò quan trọng trong hệ thống. Thông qua các trạm chuyển tiếp, hệ thống thông tin vô tuyến cho phép mở rộng vùng phủ sóng, nâng cao độ tin cậy, cải thiện hiệu quả sử dụng phổ, năng lượng và tăng tốc độ truyền dữ liệu với độ trễ thấp [90], [24], [85]. Tốc độ phát triển của công nghệ thông tin di động không dây kéo theo số lượng thiết bị đầu cuối trong mạng tăng nhanh với số lượng lớn.
Đồng thời, sự xuất hiện của các dịch vụ trên nền tảng Internet vạn vật làm gia tăng nhu cầu về dung lượng trao đổi dữ liệu thông tin di động không dây theo cấp số nhân [43], [107], [60]. Các hệ thống thông tin vô tuyến thuộc thế hệ thứ 3 (3G: Third Generation) trở đi, để đảm bảo duy trì kết nối, tăng hiệu suất truyền tải giữa các thiết bị và giảm tải cho trạm gốc (BS: Base Station), các trạm chuyển 13 tiếp (RS: Relay Station) được đưa vào hỗ trợ kết nối và trao đổi thông tin giữa các thiết bị trong mạng nhằm tăng hệ số phẩm chất cho mạng. CU2 CU1 CU3 CUN-1 CUN RS2 RS4 CUN+2 DU1 BS RS1 BS: Trạm gốc RS: Trạm chuyển tiếp CU: Thiết bị di động RS3 DU: Thiết bị kết nối thiết bị DU2 CUN+1 Hình 1. Vai trò của trạm chuyển tiếp trong hệ thống thông tin vô tuyến Như biểu diễn trong Hình 1.1, trạm chuyển tiếp đóng vai trò mở rộng vùng phủ sóng, hỗ trợ kết nối độc lập giữa thiết bị tới thiết bị không thông qua trạm gốc, nâng cao phẩm chất chất lượng trao đổi thông tin.
Trong trường hợp thiết bị thông tin vô tuyến di động CUN+2 (CU: Cellular User ) nằm ngoài vùng phủ của trạm gốc BS, thiết bị di động CUN+2 và trạm gốc BS không thể thiết lập kênh trao đổi thông tin trực tiếp với nhau. Để thiết lập kênh trao đổi thông tin với trạm gốc BS, thiết bị di động CUN+2 cần sự hỗ trợ của trạm chuyển tiếp RS4. Lúc này, trạm chuyển tiếp RS4 đóng vai trò mở rộng vùng phủ sóng cho trạm gốc BS [81]. Trong trường hợp khác, thiết bị di động CUN+1 vẫn nằm trong vùng phủ sóng của trạm gốc BS.
Giữa thiết bị di động CUN+1 có thể trao đổi thông tin trực tiếp với trạm gốc BS. Tuy nhiên, để nâng cao chất lượng truyền dẫn giữa thiết bị di động CUN+1 và trạm gốc BS, hệ thống thông tin vô tuyến cần bổ sung thêm sự hỗ trợ của trạm chuyển tiếp RS1 [44]. Khi này, hệ thống thông tin vô tuyến sử dụng các kỹ thuật truyền thông hợp tác. Trong hệ thống truyền thông hợp tác, các nút chuyển tiếp phân tán tạo thành các mạng ăng-ten ảo giúp hệ thống nâng cao hiệu quả sử dụng phổ và hiệu quả sử dụng năng lượng, nâng cao 14 phẩm chất hệ thống và tối ưu công suất hệ thống [88].
Kỹ thuật truyền thông hợp tác được sử dụng rộng rãi trong các mạng ad-hoc, mạng cảm biến vô tuyến.