Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Sự phát triển của ngành công nghiệp viễn thông nhằm đáp ứng nhu cầu truyền thông dữ liệu tốc độ cao, đa phương tiện trong kỷ nguyên Internet kết nối vạn vật (IoT) và mạng vô tuyến 5G/thế hệ tiếp theo đang đối mặt với hai thách thức lớn: sự suy hao phẩm chất truyền dẫn do hiện tượng pha-đinh đa đường và sự hạn chế của tài nguyên phổ tần vô tuyến. Kỹ thuật đa đầu vào - đa đầu ra (MIMO) truyền thống như ghép kênh không gian VBLAST hay mã khối không gian - thời gian trực giao (OSTBC) tuy nâng cao tốc độ dữ liệu và độ lợi phân tập nhưng lại tồn tại các rào cản kỹ thuật nghiêm trọng:

  • Nhiễu xuyên kênh (Inter-Channel Interference - ICI) xuất hiện khi phát đồng thời trên nhiều ăng-ten cùng tần số.
  • Yêu cầu đồng bộ nghiêm ngặt giữa các ăng-ten phát (Inter-Antenna Synchronization - IAS).
  • Chi phí phần cứng và mức tiêu thụ năng lượng cao do đòi hỏi nhiều chuỗi tần số vô tuyến (RF chain) tương ứng với số lượng ăng-ten.

Kỹ thuật điều chế không gian (Spatial Modulation - SM) được đề xuất nhằm khắc phục các nhược điểm trên bằng cách chỉ kích hoạt một ăng-ten phát đơn nhất tại mỗi chu kỳ tín hiệu, cho phép sử dụng một chuỗi RF duy nhất, loại bỏ hoàn toàn ICI và IAS, đồng thời tận dụng vị trí không gian của ăng-ten để mang thêm thông tin. Song song đó, công nghệ truyền thông song công trên cùng băng tần (In-Band Full-Duplex - IBFD) cho phép thiết bị thu và phát đồng thời trên cùng một tần số, giúp tăng gấp đôi hiệu quả sử dụng phổ tần trên lý thuyết so với chế độ bán song công (Half-Duplex - HD).

Tuy nhiên, thách thức cốt lõi của IBFD là hiện tượng nhiễu tự thân (Self-Interference - SI) công suất cao từ đầu phát lọt vào đầu thu của chính thiết bị đó. Khi áp dụng các kỹ thuật triệt nhiễu tự thân (Self-Interference Cancellation - SIC), thành phần nhiễu tự thân còn lại (Residual Self-Interference - RSI) do phần cứng không lý tưởng và giải thuật không hoàn hảo vẫn làm suy giảm nghiêm trọng phẩm chất hệ thống.

Khoảng trống nghiên cứu chính được chỉ ra bao gồm:

  1. Các công trình nghiên cứu trước đây về hệ thống IBFD-SM và mạng chuyển tiếp IBFD-SM phần lớn mới dừng lại ở việc tìm kiếm các biểu thức phẩm chất dạng tiệm cận hoặc dựa trên đánh giá mô phỏng trung bình thống kê, thiếu vắng các biểu thức giải tích tường minh chính xác để mô tả đầy đủ quy luật hoạt động của hệ thống.
  2. Chưa có công trình nào nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (Transmit Antenna Selection - TAS) cho hệ thống IBFD-SM nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của RSI và nâng cao độ lợi phân tập.
  3. Bài toán xây dựng thuật toán phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp song công trong mạng chuyển tiếp IBFD-SM vẫn còn là vấn đề mở.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là phát triển khung toán học giải tích để đánh giá toàn diện các chỉ tiêu phẩm chất của hệ thống IBFD-SM và mạng chuyển tiếp IBFD-SM, đồng thời đề xuất các giải pháp kỹ thuật nâng cao phẩm chất truyền dẫn. Các mục tiêu cụ thể gồm:

  1. Thiết lập biểu thức giải tích tường minh cho 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 qua kênh pha-đinh Rayleigh dưới tác động của RSI.
  2. Đề xuất mô hình và đánh giá phẩm chất hệ thống IBFD-SM kết hợp kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (IBFD-SM-TAS), chứng minh hiệu quả cải thiện OP và SEP so với các hệ thống không sử dụng TAS hoặc hệ thống bán song công truyền thống.
  3. Phân tích giải tích phẩm chất mạng vô tuyến chuyển tiếp giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF) một chiều sử dụng IBFD-SM tại các nút, khảo sát sự phụ thuộc của hệ thống vào cấu hình ăng-ten và mức độ RSI.
  4. Xây dựng thuật toán phân bổ công suất phát tối ưu cho nút chuyển tiếp FD nhằm cực tiểu hóa xác suất lỗi ký hiệu SEP của toàn mạng chuyển tiếp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống thông tin vô tuyến MIMO sử dụng kỹ thuật điều chế không gian (SM), kỹ thuật song công trên cùng băng tần (IBFD), kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (TAS) và kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến giải mã và chuyển tiếp (DF).
  • Phạm vi không gian và môi trường truyền sóng: Môi trường truyền sóng không dây chịu ảnh hưởng của pha-đinh Rayleigh chậm, không có tia truyền thẳng (Non-Line-of-Sight - NLOS), giàu tán xạ; xét đến ảnh hưởng của nhiễu tự thân còn lại (RSI) tại các thiết bị thu phát song công.
  • Phạm vi mô hình mạng: Mô hình liên lạc hai chiều điểm - điểm (point-to-point) giữa hai nút IBFD-SM và mô hình mạng chuyển tiếp một chiều gồm nút nguồn (Source - S), nút chuyển tiếp song công (Relay - R) và nút đích (Destination - D).
  • Thời gian và địa điểm hoàn thành: Luận án được thực hiện tại Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự và hoàn thành vào năm 2023 (lời cam đoan ký ngày 22 tháng 11 năm 2022).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại

Luận án đã hệ thống hóa các tài liệu nghiên cứu liên quan trực tiếp đến các thành phần công nghệ nền tảng:

  • Lý thuyết hệ thống MIMO: Foschini và Telatar [2] chứng minh dung lượng kênh MIMO tăng tuyến tính theo số lượng ăng-ten. Hệ thống ghép kênh phân chia theo không gian VBLAST của Bell Labs [3] phân chia luồng dữ liệu tốc độ cao để phát song song qua nhiều ăng-ten nhưng bị ảnh hưởng bởi ICI và yêu cầu IAS [4]. Kỹ thuật mã khối không gian - thời gian trực giao OSTBC [6] của Alamouti, Tarokh và cộng sự [5, 7] cải thiện độ lợi phân tập nhưng bị giới hạn về tốc độ mã hóa hoặc tăng độ phức tạp giải mã.
  • Kỹ thuật điều chế không gian (SM): Mesleh và cộng sự [8, 9] đề xuất nguyên lý SM, sử dụng chỉ số ăng-ten như một nguồn mang tin bổ sung kết hợp với chòm sao điều chế số phức $M$-PSK/$M$-QAM. Jeganathan và cộng sự [41, 42] phát triển các bộ tách tín hiệu hợp lẽ cực đại (ML) tối ưu cho SM. Yang và cộng sự [40, 43], Sugiura và cộng sự [44] nghiên cứu kiến trúc phần cứng máy phát SM sử dụng một chuỗi RF đơn nhất. Các nghiên cứu mở rộng như SM đơn sóng mang của Rajashekar và cộng sự [65], tiền xử lý kênh tương quan của Xiang và cộng sự [66], cùng các biểu thức xấp xỉ dung lượng của Serafimovski và cộng sự [67] đã làm rõ hiệu quả phổ và tính toán của SM.
  • Kỹ thuật truyền thông song công (IBFD) và triệt nhiễu tự thân (SIC): Các giải pháp SIC trên ba miền (miền truyền sóng, miền tương tự, miền số) được phát triển bởi Jain và cộng sự [45], Duarte và cộng sự [48], Choi và cộng sự [52], Everett và cộng sự [53], Zhang và cộng sự [17], Sabharwal và cộng sự [18, 46], Hong và cộng sự [51]. Thử nghiệm của Bharadia và cộng sự [14] trên nền tảng WARP cho thấy khả năng triệt nhiễu có thể đạt tới 110 dB. Bên cạnh đó, các mô hình chuyển tiếp và mạng tế bào IBFD được đánh giá bởi Kim và cộng sự [55], Riihonen và cộng sự [56].
  • Hệ thống kết hợp IBFD-SM: Công trình của Masmoudi và cộng sự [20] khảo sát cấu hình MIMO $2 \times 2$ IBFD-SM và đưa ra biểu thức gần đúng của OP và dung lượng Ergodic. Do và cộng sự [22] nghiên cứu đường bao trên của tỉ lệ lỗi bit (BER) cho điều chế PSK/QAM khi có CSI không hoàn hảo. Wang và cộng sự [23] phát triển sơ đồ SM bảo mật (secure SM) trên thiết bị IBFD.
  • Mạng chuyển tiếp IBFD-SM: Maleki và cộng sự [24] tìm đường bao trên xác suất lỗi bit trong kênh chuyển tiếp hai chiều và xác định ngưỡng SNR lựa chọn chế độ FD/HD. Sun và cộng sự [26] phân tích xác suất lỗi ký hiệu trung bình (ASEP) cho nút chuyển tiếp FD hai chiều có đường truyền trực tiếp. Nghiên cứu của Liu và cộng sự [25, 28] khảo sát mạng chuyển tiếp IBFD-SM kết hợp thu thập năng lượng vô tuyến (Energy Harvesting - EH).
  • Kỹ thuật lựa chọn ăng-ten (TAS) và phân bổ công suất: Rajashekar và cộng sự [29], Yang và cộng sự [30], Pillay và cộng sự [31] chứng minh TAS cải thiện đáng kể phẩm chất hệ thống SM. Kỹ thuật lựa chọn ăng-ten cho IBFD-MIMO được nghiên cứu trong [32–34]. Phân bổ công suất tối ưu cho mạng chuyển tiếp IBFD được khảo sát bởi Shi và cộng sự [35], Alves và cộng sự [36], Ding và cộng sự [37], Zhang và cộng sự [38].

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án định vị trọng tâm giải quyết ba khoảng trống học thuật:

  1. Xây dựng các biểu thức toán học dạng tường minh (exact closed-form expressions) cho các chỉ tiêu OP, SEP và dung lượng Ergodic của hệ thống IBFD-SM thay cho các công thức xấp xỉ, tiệm cận hay đường bao trên trước đây.
  2. Tích hợp giải pháp lựa chọn ăng-ten phát TAS vào hệ thống IBFD-SM để gia tăng bậc phân tập và giảm thiểu tác động tiêu cực của nhiễu tự thân còn lại RSI.
  3. Thiết lập giải thuật phân bổ công suất tối ưu $\alpha^*$ cho nút chuyển tiếp FD trong mạng IBFD-SM nhằm tối ưu hóa phẩm chất lỗi SEP với độ phức tạp tính toán thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

1. Nguyên lý điều chế không gian (SM)

Hệ thống SM trang bị $N_t$ ăng-ten phát và $N_r$ ăng-ten thu. Chuỗi bit nhị phân đầu vào được chia thành từng cụm độ dài: $$\ell = \log_2(N_t) + \log_2(M) \quad (\text{bit})$$ Trong đó:

  • $\log_2(N_t)$ bit đầu tiên được đưa vào bộ chọn ăng-ten để kích hoạt một ăng-ten phát duy nhất trong số $N_t$ ăng-ten trong mỗi chu kỳ ký hiệu.
  • $\log_2(M)$ bit tiếp theo được điều chế thành một ký hiệu số phức $x$ thuộc chòm sao tín hiệu $M$-PSK hoặc $M$-QAM với công suất chuẩn hóa $\mathbb{E}{|x|^2} = 1$.

Tại máy thu, việc giải mã được thực hiện thông qua bộ tách tín hiệu hợp lẽ cực đại (ML) với thông tin trạng thái kênh (CSI) biết trước, tính toán $M \cdot N_t \cdot N_r$ khoảng cách Euclid giữa tín hiệu thu nhận và tập tín hiệu giả định để khôi phục đồng thời chỉ số ăng-ten kích hoạt và ký hiệu điều chế.

2. Kỹ thuật truyền thông song công IBFD và mô hình nhiễu tự thân

Thiết bị IBFD thu và phát đồng thời trên cùng một tần số. Tín hiệu tự thân rò rỉ từ đầu phát sang đầu thu bao gồm thành phần trực tiếp qua không gian/bộ tuần hoàn (circulator) và thành phần phản xạ từ môi trường xung quanh. Sau khi áp dụng SIC qua ba miền (truyền sóng, tương tự, số), thành phần nhiễu dư RSI được mô hình hóa thành biến ngẫu nhiên Gauss phức có kỳ vọng bằng 0 và phương sai $\sigma_{\text{RSI}}^2 = \tilde{\Omega} P_{\text{tx}}$, trong đó $\tilde{\Omega}$ biểu thị khả năng SIC của thiết bị và $P_{\text{tx}}$ là công suất phát.

3. Mô hình kênh truyền pha-đinh Rayleigh

Kênh truyền giữa các cặp ăng-ten phát - thu là kênh pha-đinh Rayleigh độc lập, đồng nhất. Hệ số kênh $h \sim \mathcal{CN}(0, \Omega)$, trong đó $\Omega = \mathbb{E}{|h|^2}$ là độ lợi kênh trung bình. Độ lợi tức thời $\rho = |h|^2$ tuân theo phân bố hàm mũ với hàm mật độ xác suất (PDF) và hàm phân bố tích lũy (CDF): $$f_\rho(x) = \frac{1}{\Omega}\exp\left(-\frac{x}{\Omega}\right), \quad x \ge 0$$ $$F_\rho(x) = 1 - \exp\left(-\frac{x}{\Omega}\right), \quad x \ge 0$$

Các tham số đánh giá phẩm chất hệ thống

1. Xác suất dừng hệ thống (Outage Probability - OP)

Xác suất dừng $P_{\text{out}}$ là xác suất để tốc độ truyền dẫn tức thời của hệ thống nhỏ hơn tốc độ truyền dẫn chuẩn hóa $R_0$: $$P_{\text{out}} = \Pr{\log_2(N_t) + \log_2(1 + \gamma) < R_0} = \Pr{\gamma < 2^R - 1} = \int_{0}^{\gamma_{\text{th}}} f_\gamma(\gamma) d\gamma$$ Trong đó $\gamma$ là tỉ số SINR tức thời tại đầu vào máy thu, $R = R_0 - \log_2(N_t)$, và $\gamma_{\text{th}} = 2^R - 1$ là ngưỡng SINR yêu cầu.

2. Xác suất lỗi ký hiệu (Symbol Error Probability - SEP)

Xác suất lỗi ký hiệu được tính thông qua kỳ vọng của hàm Gauss $Q(\cdot)$ trên phân bố của SINR: $$\text{SEP} = a \mathbb{E}\left{Q\left(\sqrt{b\gamma}\right)\right} = \frac{a\sqrt{b}}{2\sqrt{2\pi}} \int_{0}^{\infty} \frac{\exp\left(-\frac{bx}{2}\right)}{\sqrt{x}} F_\gamma(x) dx$$ Trong đó $a$ và $b$ là các hằng số phụ thuộc vào sơ đồ điều chế, được xác định theo bảng quy chuẩn:

Sơ đồ điều chế Biểu thức SEP lý thuyết Hằng số $a$ Hằng 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 $\approx 2Q\left(\sqrt{2\sin^2\left(\frac{\pi}{M}\right)\gamma}\right)$ $2$ $2\sin^2\left(\frac{\pi}{M}\right)$
$M$-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 $\approx 4Q\left(\sqrt{\frac{3}{M-1}\gamma}\right)$ $4$ $\frac{3}{M-1}$

3. Dung lượng Ergodic (Ergodic Capacity)

Dung lượng Ergodic biểu thị lượng thông tin trung bình tối đa truyền qua kênh: $$C = \mathbb{E}{\log_2(1 + \gamma)} = \int_{0}^{\infty} \log_2(1 + \gamma) f_\gamma(\gamma) d\gamma = \frac{1}{\ln 2} \int_{0}^{\infty} \frac{1 - F_\gamma(x)}{1 + x} dx$$

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp hai phương pháp:

  • Phương pháp giải tích toán học: Thiết lập phương trình vi phân và tích phân mô tả tỉ số SINR ngẫu nhiên, áp dụng các biến đổi đại số, hàm Gamma hoàn chỉnh $\Gamma(\cdot)$, hàm Gamma không hoàn chỉnh $\Gamma(\cdot, \cdot)$, hàm Beta $\text{B}(\cdot)$ và tích phân mũ $\text{Ei}(\cdot)$ để tìm biểu thức đóng dạng tường minh cho hàm phân bố tích lũy $F_\gamma(x)$, từ đó suy ra $P_{\text{out}}$, SEP và $C$.
  • Phương pháp mô phỏng số Monte-Carlo: Thực hiện trên máy tính với số lượng phép thử thống kê lớn để thu được các đường đặc tính phẩm chất theo SNR trung bình, mức RSI $\tilde{\Omega}$, tốc độ chuẩn hóa $R_0$ và số lượng ăng-ten $(N_t, N_r)$, từ đó kiểm chứng sự trùng khớp chính xác với kết quả giải tích.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Những vấn đề chung

Chương 1 đóng vai trò xây dựng nền tảng lý thuyết và tổng quan kỹ thuật cho toàn bộ luận án:

  • Trình bày tổng quan về kỹ thuật điều chế không gian (SM), phân tích nguyên lý ánh xạ khối bit lên chòm sao không gian 3 chiều và chòm sao tín hiệu phức $M$-PSK/$M$-QAM. Phân tích các ưu điểm vượt trội của SM (hiệu quả năng lượng, máy phát chỉ dùng 1 chuỗi RF, loại bỏ ICI và IAS, bộ giải mã ML đơn giản) cùng các nhược điểm (hiệu quả phổ tăng theo hàm logarit của số ăng-ten phát, đòi hỏi môi trường giàu tán xạ, thiếu độ lợi phân tập phát).
  • Khái quát nguyên lý truyền thông song công trên cùng băng tần (IBFD), cơ chế hình thành nhiễu tự thân (SI trực tiếp và SI phản xạ), cấu hình sử dụng ăng-ten riêng biệt hoặc ăng-ten chung có bộ tuần hoàn (circulator). Phân loại các giải pháp triệt nhiễu SIC trên ba miền: miền truyền sóng (đạt 46–74 dB), miền tương tự (đạt khoảng 45 dB) và miền số (đạt khoảng 50 dB), giúp tổng mức triệt nhiễu có thể đạt tới 110 dB.
  • Trình bày ba mô hình truyền dẫn song công cơ bản: mô hình hai chiều điểm - điểm, mô hình mạng chuyển tiếp vô tuyến và mô hình mạng di động tế bào (kết nối đường lên UL và đường xuống DL).
  • Định nghĩa và thiết lập công thức toán học cơ sở cho ba chỉ tiêu đánh giá phẩm chất trên kênh pha-đinh Rayleigh: xác suất dừng ($P_{\text{out}}$), xác suất lỗi ký hiệu (SEP) kèm bảng tham số $a, b$, và dung lượng Ergodic ($C$).

Chương 2: Phân tích phẩm chất hệ thống IBFD-SM trong trường hợp liên lạc điểm - điểm

Chương 2 tập trung vào việc mô hình hóa và đánh giá hệ thống IBFD-SM trong liên kết điểm - điểm giữa hai nút truyền thông song công:

1. Hệ thống IBFD-SM khi không sử dụng lựa chọn ăng-ten phát

  • Mô hình hệ thống: Hai nút liên lạc điểm - điểm đều hoạt động ở chế độ song công trên cùng băng tần và áp dụng kỹ thuật SM, trang bị cấu hình ăng-ten $(N_t, N_r)$. Mỗi nút đồng thời phát tín hiệu SM và thu tín hiệu SM từ nút đối diện dưới sự tác động của RSI.
  • Phân tích phẩm chất: Dẫn xuất thành công các biểu thức tường minh xác định $P_{\text{out}}$, SEP (cho điều chế BPSK) và dung lượng Ergodic $C$.
  • Kết quả và thảo luận:
    • Khi khả năng triệt nhiễu của thiết bị FD tốt ($\tilde{\Omega} = -10\text{ dB}$ hoặc nhỏ hơn), hệ thống IBFD-SM cho phẩm chất đường cong lỗi tương đương hệ thống bán song công HD-SM truyền thống nhưng dung lượng Ergodic đạt được tăng gần gấp đôi.
    • Khi nhiễu dư RSI lớn ($\tilde{\Omega} \ge 0\text{ dB}$), phẩm chất OP và SEP của hệ thống IBFD-SM suy giảm mạnh và xuất hiện hiện tượng bão hòa lỗi (error floor) ở vùng SNR cao.

2. Nâng cao phẩm chất hệ thống IBFD-SM thông qua kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (IBFD-SM-TAS)

  • Động lực và mô hình: Để bù đắp việc thiếu độ lợi phân tập phát của SM và kháng lại nhiễu RSI, luận án tích hợp cơ chế lựa chọn $S$ ăng-ten phát tốt nhất trong số $N_t$ ăng-ten sẵn có ($S < N_t$) dựa trên độ lợi kênh truyền.
  • Phân tích phẩm chất: Thiết lập biểu thức giải tích chính xác cho $P_{\text{out}}$ và SEP của hệ thống IBFD-SM-TAS.
  • Kết quả so sánh:
    • Hệ thống IBFD-SM-TAS với cấu hình $N_t = 4, N_r = 2, S = 2$ cho phẩm chất OP và SEP vượt trội rõ rệt so với hệ thống IBFD-SM không có TAS.
    • Phẩm chất của IBFD-SM-TAS thậm chí tốt hơn cả hệ thống HD-SM không sử dụng TAS trong điều kiện cùng tốc độ truyền chuẩn hóa $R_0 = 2, 3, 4\text{ bit/s/Hz}$ và mức nhiễu dư $\tilde{\Omega} = -10\text{ dB}$.
    • Thông lượng (throughput) của hệ thống IBFD-SM-TAS cải thiện đáng kể so với hệ thống HD-SM-MIMO.

Chương 3: Phân tích phẩm chất hệ thống IBFD-SM trong mạng vô tuyến chuyển tiếp

Chương 3 mở rộng phạm vi nghiên cứu sang mô hình mạng chuyển tiếp vô tuyến giải mã và chuyển tiếp (DF) một chiều:

1. Mô hình mạng chuyển tiếp IBFD-SM

  • Mạng gồm nút nguồn (S), nút chuyển tiếp song công (R) và nút đích (D). Nút S hoạt động ở chế độ HD phát tín hiệu SM; nút R hoạt động ở chế độ FD vừa thu tín hiệu SM từ S vừa phát tín hiệu SM tới D trên cùng tần số; nút D hoạt động ở chế độ HD thu tín hiệu SM. Nút R được trang bị $N_{rR}$ ăng-ten thu và $N_{tR}$ ăng-ten phát; nút D được trang bị $N_{rD}$ ăng-ten thu.
  • Tín hiệu thu tại R chịu tác động trực tiếp của RSI do chính R phát đi.

2. Dẫn xuất giải tích và đánh giá phẩm chất

  • Dẫn xuất biểu thức giải tích chính xác của tỉ số SINR đầu cuối - đầu cuối ($\gamma_{e2e}$), từ đó tính toán OP, SEP và dung lượng Ergodic của toàn bộ tuyến chuyển tiếp.
  • Khảo sát sự ảnh hưởng của số lượng ăng-ten thu tại R và D ($N_{rR}, N_{rD} = 2, 3, 4$), tốc độ chuẩn hóa và hệ số RSI $\tilde{\Omega}$.
  • Kết quả cho thấy khi $\tilde{\Omega} \le -10\text{ dB}$, hệ thống chuyển tiếp IBFD-SM duy trì dung lượng cao hơn hệ thống chuyển tiếp HD-SM trên toàn dải SNR với phẩm chất lỗi suy giảm không đáng kể ở vùng SNR thấp. Khi $\tilde{\Omega} = 0\text{ dB}$, dung lượng IBFD-SM chỉ cao hơn ở vùng SNR rất thấp và phẩm chất lỗi suy giảm nghiêm trọng.

3. Phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FD

  • Luận án xây dựng bài toán tối ưu hóa phân bổ hệ số công suất $\alpha$ giữa nút nguồn S và nút chuyển tiếp R ($P_R = \alpha P_{\text{total}}, P_S = (1-\alpha)P_{\text{total}}$) nhằm cực tiểu hóa giá trị SEP.
  • Đề xuất thuật toán tìm hệ số phân bổ công suất tối ưu $\alpha^*$ với độ phức tạp tính toán thấp.
  • Kết quả mô phỏng và số liệu tính toán xác nhận việc áp dụng hệ số phân bổ công suất tối ưu $\alpha^*$ giúp triệt tiêu hiện tượng sàn lỗi, cải thiện đáng kể phẩm chất SEP (đặc biệt tại vùng SNR thấp và trung bình) so với trường hợp phân bổ công suất cố định không tối ưu.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý thuyết và học thuật

  1. Thiết lập khung toán học giải tích tường minh: Luận án đã tìm ra các biểu thức giải tích chính xác (closed-form expressions) cho ba tham số phẩm chất cốt lõi: xác suất dừng ($P_{\text{out}}$), xác suất lỗi ký hiệu (SEP) và dung lượng Ergodic của hệ thống IBFD-SM trong liên lạc điểm - điểm trên kênh pha-đinh Rayleigh có xét đến tác động của nhiễu RSI.
  2. Đề xuất và đánh giá hệ thống IBFD-SM kết hợp TAS: Lần đầu tiên mô hình kết hợp lựa chọn ăng-ten phát (TAS) trong hệ thống IBFD-SM được xây dựng và phân tích giải tích đầy đủ. Kết quả chứng minh giải pháp TAS giải quyết hiệu quả sự thiếu hụt độ lợi phân tập phát của SM và bù đắp suy hao do RSI gây ra.
  3. Phân tích toàn diện mạng chuyển tiếp DF IBFD-SM: Xây dựng thành công mô hình toán học đánh giá phẩm chất đầu cuối - đầu cuối của mạng chuyển tiếp một chiều sử dụng IBFD-SM tại các nút, làm rõ mối quan hệ định lượng giữa số lượng ăng-ten thu phát, mức độ triệt nhiễu tự thân và dung lượng đạt được.
  4. Giải thuật phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FD: Đề xuất thuật toán xác định hệ số phân bổ công suất $\alpha^*$ cho nút chuyển tiếp song công, giúp tối ưu hóa phẩm chất lỗi SEP với độ phức tạp tính toán thấp, giảm thời gian xử lý của hệ thống.

Đóng góp thực tiễn và giải pháp đề xuất

  • Cung cấp công cụ tính toán số học chính xác giúp các kỹ sư thiết kế hệ thống vô tuyến có thể nhanh chóng dự đoán, đánh giá phẩm chất mạng mà không cần thực hiện các mô phỏng Monte-Carlo tốn kém thời gian.
  • Đưa ra khuyến nghị kỹ thuật cụ thể: Để triển khai hiệu quả hệ thống IBFD-SM trong thực tế nhằm đạt dung lượng gấp đôi hệ thống HD-SM mà không bị suy giảm phẩm chất lỗi, thiết bị cần đạt năng lực triệt nhiễu tự thân ở mức $\tilde{\Omega} \le -10\text{ dB}$, đồng thời nên tích hợp kỹ thuật TAS tại đầu phát và cơ chế phân bổ công suất tối ưu tại các nút chuyển tiếp.
  • Mở ra khả năng ứng dụng trực tiếp mô hình IBFD-SM-TAS và mạng chuyển tiếp IBFD-SM trong các hệ thống truyền thông phương tiện giao thông (V2V), mạng dị thể (HetNets), và các nút cảm biến IoT trong mạng 5G và tương lai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

Dựa trên phạm vi nghiên cứu được xác định trong văn bản, luận án còn một số giới hạn:

  1. Giả thiết mô hình kênh truyền pha-đinh Rayleigh thuần túy, chưa mở rộng đánh giá trên các mô hình kênh pha-đinh tổng quát khác có thành phần sóng trực tiếp (LOS) như Rician, Nakagami-$m$ hay kênh sóng milimét (mmWave).
  2. Phân tích giải tích được thực hiện trên giả thiết máy thu có thông tin trạng thái kênh hoàn hảo (perfect CSI) và giải mã chính xác tuyệt đối chỉ số ăng-ten phát.
  3. Mô hình mạng chuyển tiếp mới chỉ dừng lại ở cấu hình chuyển tiếp một chiều với một nút chuyển tiếp trung gian đơn lẻ.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Văn bản luận án xác định các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai:

  1. Nghiên cứu phẩm chất hệ thống IBFD-SM trên các loại kênh pha-đinh khác như kênh Nakagami-$m$, Rician, và môi trường truyền sóng tương quan không gian.
  2. Đánh giá phẩm chất hệ thống khi thông tin trạng thái kênh không hoàn hảo (imperfect CSI) và có sai số ước lượng chỉ số ăng-ten tại máy thu.
  3. Mở rộng mô hình mạng chuyển tiếp sang cấu hình chuyển tiếp hai chiều (two-way relaying), mạng đa chặng (multi-hop), và mạng đa người dùng kết hợp kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao (NOMA).
  4. Khảo sát việc tích hợp kỹ thuật thu thập năng lượng vô tuyến (Energy Harvesting) đồng thời với truyền thông tin trong hệ thống IBFD-SM.

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng

  • Nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Kỹ thuật Viễn thông: Nắm vững phương pháp dẫn xuất giải tích xác suất, tích phân thống kê trong việc đánh giá phẩm chất hệ thống truyền thông MIMO và Full-Duplex.
  • Giảng viên và các nhà nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các học phần xử lý tín hiệu trong thông tin vô tuyến, truyền thông đa ăng-ten, và lý thuyết truyền thông thế hệ mới.
  • Kỹ sư R&D thiết kế hệ thống vô tuyến: Tham khảo các thuật toán phân bổ công suất, cơ chế lựa chọn ăng-ten TAS, và các chỉ số ngưỡng triệt nhiễu tự thân $\tilde{\Omega}$ để thiết kế phần cứng và giao thức lớp vật lý cho thiết bị 5G/IoT.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu

  • Bảng tổng hợp hằng số $a, b$ phục vụ tính toán xác suất lỗi ký hiệu (SEP) cho các sơ đồ điều chế số phổ biến ($M$-PAM, $M$-PSK, $M$-QAM).
  • Quy trình toán học từng bước để chuyển đổi từ hàm tích lũy CDF sang biểu thức tích phân của dung lượng Ergodic và xác suất dừng.
  • Thuật toán tối ưu hóa phân bổ công suất cho nút chuyển tiếp song công với các bước tính toán rõ ràng và độ phức tạp thấp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao kỹ thuật điều chế không gian (SM) lại loại bỏ được hoàn toàn hiện tượng nhiễu xuyên kênh (ICI) và yêu cầu đồng bộ ăng-ten (IAS)?

Trong hệ thống SM, tại mỗi chu kỳ ký hiệu, bộ điều chế chỉ kích hoạt một ăng-ten phát duy nhất trong mảng $N_t$ ăng-ten để truyền đi một ký hiệu điều chế phức. Các ăng-ten còn lại hoàn toàn không hoạt động. Do tại một thời điểm chỉ có duy nhất một tín hiệu vô tuyến được phát đi trên một ăng-ten, hệ thống chỉ cần sử dụng một chuỗi RF duy nhất, từ đó triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữa các luồng dữ liệu phát đồng thời (ICI) ở phía thu và không đòi hỏi sự đồng bộ tín hiệu thời gian/pha giữa các phần tử ăng-ten phát (IAS).

2. Nhiễu tự thân (SI) trong thiết bị IBFD gồm những thành phần nào và mức độ triệt nhiễu có thể đạt được là bao nhiêu?

Nhiễu tự thân (SI) gồm hai thành phần:

  • SI trực tiếp: Tín hiệu truyền thẳng từ ăng-ten phát sang ăng-ten thu (trong cấu hình ăng-ten riêng) hoặc rò rỉ qua bộ lọc phân chia thu phát/bộ tuần hoàn circulator (trong cấu hình ăng-ten chung).
  • SI phản xạ: Tín hiệu phát tán xạ qua các vật thể trong môi trường xung quanh rồi quay trở lại ăng-ten thu.

Bằng cách kết hợp đồng thời kỹ thuật SIC trên ba miền: miền truyền sóng (khử 46–74 dB), miền tương tự (khử thêm khoảng 45 dB) và miền số (khử thêm khoảng 50 dB), tổng mức triệt nhiễu của thiết bị FD có thể đạt tới 110 dB.

3. Kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (TAS) đóng vai trò gì trong việc nâng cao phẩm chất hệ thống IBFD-SM?

Kỹ thuật SM thông thường không có độ lợi phân tập phát vì chỉ kích hoạt một ăng-ten tại một thời điểm. Kỹ thuật TAS thực hiện lựa chọn $S$ ăng-ten phát tốt nhất từ $N_t$ ăng-ten có sẵn dựa trên thông tin độ lợi kênh truyền. Việc áp dụng TAS giúp hệ thống IBFD-SM bổ sung độ lợi phân tập phát, nâng cao rõ rệt tỉ số SINR thu, từ đó khắc phục sự suy giảm phẩm chất do nhiễu tự thân còn lại (RSI) gây ra, giúp các đường đặc tính OP và SEP của hệ thống IBFD-SM-TAS tốt hơn nhiều so với hệ thống IBFD-SM và HD-SM không dùng TAS.

4. Trong mạng chuyển tiếp một chiều IBFD-SM, điều kiện nào về mức nhiễu dư RSI để hệ thống đạt hiệu quả vượt trội so với chuyển tiếp HD-SM?

Theo kết quả giải tích và mô phỏng của luận án, khi mức nhiễu dư RSI được khống chế ở mức $\tilde{\Omega} \le -10\text{ dB}$, mạng chuyển tiếp IBFD-SM luôn đạt dung lượng Ergodic cao hơn đáng kể so với mạng chuyển tiếp bán song công HD-SM trên toàn bộ dải SNR, trong khi phẩm chất xác suất dừng và xác suất lỗi chỉ bị ảnh hưởng nhẹ ở vùng SNR rất thấp. Ngược lại, nếu triệt nhiễu không tốt dẫn đến $\tilde{\Omega} \ge 0\text{ dB}$, dung lượng IBFD-SM chỉ cao hơn một chút ở vùng SNR rất thấp nhưng phẩm chất lỗi bị suy giảm nghiêm trọng.

5. Thuật toán phân bổ công suất cho nút chuyển tiếp FD trong luận án giải quyết mục tiêu gì?

Thuật toán phân bổ công suất đề xuất giải quyết bài toán tìm kiếm hệ số phân bổ công suất tối ưu $\alpha^$ ($0 < \alpha^ < 1$) giữa nút nguồn S và nút chuyển tiếp R nhằm cực tiểu hóa xác suất lỗi ký hiệu SEP của toàn mạng chuyển tiếp. Thuật toán có độ phức tạp tính toán thấp, giúp triệt tiêu hiện tượng sàn lỗi ở vùng SNR thấp và trung bình, cải thiện đáng kể độ tin cậy truyền dẫn so với phương pháp phân bổ công suất cố định đều nhau.

Kết luận

Luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Nguyễn Lê Vân đã giải quyết trọn vẹn bài toán mô hình hóa, phân tích giải tích và nâng cao phẩm chất cho hệ thống truyền thông vô tuyến kết hợp song công trên cùng băng tần và điều chế không gian (IBFD-SM). Bằng việc phát triển thành công khung toán học tường minh cho các chỉ tiêu xác suất dừng, xác suất lỗi ký hiệu và dung lượng Ergodic trên kênh pha-đinh Rayleigh, luận án đã cung cấp cơ sở lý thuyết chính xác để đánh giá tác động của nhiễu tự thân còn lại RSI. Các giải pháp đề xuất bao gồm ứng dụng kỹ thuật lựa chọn ăng-ten phát (IBFD-SM-TAS) và thuật toán phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FD đã chứng minh được hiệu quả vượt trội trong việc cải thiện độ tin cậy và hiệu quả sử dụng phổ tần vô tuyến. Công trình là tài liệu tham khảo học thuật có giá trị cao cho công tác nghiên cứu, đào tạo và định hướng ứng dụng thực tiễn trong các hệ thống thông tin di động thế hệ mới.