Nghiên cứu đánh giá và nâng cao phẩm chất hệ thống vô tuyến chuyển tiếp song công trên cùng băng tần
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.92 MB, 160 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN BÁ CAO
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ NÂNG CAO PHẨM
CHẤT HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP
SONG CÔNG TRÊN CÙNG BĂNG TẦN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN BÁ CAO
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ NÂNG CAO PHẨM
CHẤT HỆ THỐNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP
SONG CÔNG TRÊN CÙNG BĂNG TẦN
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 9.52.02.03
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
GS. TS. TRẦN XUÂN NAM
TS. TRẦN ĐÌNH TẤN
HÀ NỘI - 2020
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên
cứu của tôi dưới sự định hướng của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả
trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong
bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được
trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định.
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2020
Tác giả
LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án, tác giả đã nhận được
sự hỗ trợ, giúp đỡ cũng như quan tâm, động viên từ nhiều cơ quan, tổ chức
và cá nhân.
Trước tiên, nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể cán
bộ hướng dẫn GS. TS. Trần Xuân Nam và TS. Trần Đình Tấn. Các thầy
đã dẫn đường, chỉ lối cho nghiên cứu sinh trên con đường tiếp thu, lĩnh hội và
phát triển các tri thức khoa học. Đồng thời tạo cho nghiên cứu sinh phương
pháp làm việc, tác phong công tác chuẩn mực để hoàn thiện bản thân.
Nghiên cứu sinh chân thành cảm ơn các Thầy trong Ban chủ nhiệm Khoa
Vô tuyến điện tử và tập thể Thầy, Cô giáo trong Bộ môn Thông tin đã luôn
quan tâm, tạo điều kiện, giúp đỡ nghiên cứu sinh trong quá trình học tập
cũng như trong cuộc sống.
Tiếp theo, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Phòng Sau đại học, Học
viện Kỹ thuật Quân sự, Trường Đại học Thông tin liên lạc và Binh chủng
Thông tin đã luôn tạo điều kiện, giúp đỡ để nghiên cứu sinh hoàn thành được
luận án này.
Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp đã luôn động viên, chia sẻ những khó khăn trong cuộc sống
để nghiên cứu sinh đạt được những kết quả như hôm nay.
MỤC LỤC
MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
iv
DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
vii
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
xi
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
Chương
1. KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN SONG CÔNG TRÊN
CÙNG BĂNG TẦN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
1.1. Tổng quan về truyền dẫn song công trên cùng băng tần . . . . . . . . .
13
1.2. Một số mô hình thu phát FD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.2.1. Cấu trúc chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
1.2.2. Cấu trúc hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
1.2.3. Cấu trúc trạm gốc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
1.3. Các biện pháp triệt nhiễu trong hệ thống FD . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
1.3.1. Triệt nhiễu miền truyền sóng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
1.3.2. Triệt nhiễu miền tương tự . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
1.3.3. Triệt nhiễu miền số . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
27
1.4. Kỹ thuật chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
29
1.5. Các tham số phân tích phẩm chất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
1.5.1. Xác suất dừng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
i
ii
1.5.2. Thông lượng hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
1.5.3. Xác suất lỗi ký hiệu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
34
1.6. Kết luận chương 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
35
Chương 2. ĐÁNH GIÁ, NÂNG CAO PHẨM CHẤT MẠNG CHUYỂN
TIẾP FDR VỚI PHẦN CỨNG LÝ TƯỞNG . . . . . . . . . . . . . . . . .
36
2.1. Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR một chiều trong trường
hợp có đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích . . . . . . . . . . . .
37
2.1.1. Động lực nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
37
2.1.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40
2.1.3. Phân tích phẩm chất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
44
2.1.4. Lựa chọn công suất tối ưu cho truyền thông FD . . . . . . . . . . . . .
46
2.1.5. Kết quả tính toán số và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
49
2.1.6. Kết luận vấn đề nghiên cứu 2.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
56
2.2. Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR một chiều trong trường
hợp không có đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích . . . . .
57
2.2.1. Động lực nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
57
2.2.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
60
2.2.3. Phân tích phẩm chất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
2.2.4. Kết quả tính toán số và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
63
2.2.5. Kết luận vấn đề nghiên cứu 2.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
2.3. Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
70
iii
Chương 3. ĐÁNH GIÁ, NÂNG CAO PHẨM CHẤT MẠNG CHUYỂN
TIẾP FDR VỚI PHẦN CỨNG KHÔNG LÝ TƯỞNG . . . . . . .
72
3.1. Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp AF-FDR một chiều trong trường
hợp có HI và RSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
3.1.1. Động lực nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
72
3.1.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
75
3.1.3. Phân tích phẩm chất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
79
3.1.4. Phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống AF-FDR một chiều. .
81
3.1.5. Kết quả tính toán số và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
3.1.6. Kết luận vấn đề nghiên cứu 3.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
88
3.2. Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp AF-FDR hai chiều trong trường
hợp có HI và RSI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
3.2.1. Động lực nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
89
3.2.2. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
91
3.2.3. Phân tích phẩm chất hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
93
3.2.4. Phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống AF-FDR hai chiều . .
96
3.2.5. Kết quả tính toán số và thảo luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
97
3.2.6. Kết luận vấn đề nghiên cứu 3.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
3.3. Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
103
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI . . . .
105
PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
108
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU . . . . . . . . .
123
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt
Nghĩa Tiếng Anh
Nghĩa Tiếng Việt
AF
Amplify-and-Forward
Khuếch đại và chuyển tiếp
AWGN
Additive White Gaussian
Tạp âm trắng chuẩn cộng
Noise
tính
BER
Bit Error Ratio
Tỉ lệ lỗi bit
BS
Base Station
Trạm gốc
CDF
Cumulative
Distribution
Hàm phân phối tích lũy
Function
CSI
Channel State Information
Thông tin trạng thái kênh
truyền
DF
Decode-and-Forward
Giải mã và chuyển tiếp
DSP
Digital Signal Processor
Chíp xử lý tín hiệu số
EH
Energy Harvesting
Thu thập năng lượng
FD
Full-Duplex
Truyền thông song công
trên cùng băng tần
FDR
Full-Duplex Relay
Chuyển tiếp song công trên
cùng băng tần
IBFD
In-Band Full-Duplex
Truyền thông song công
trên cùng băng tần
iv
v
IEEE
Institute of Electrical and
Viện kỹ nghệ Điện và Điện
Electronics Engineers
tử
HD
Half-Duplex
Bán song công
HPA
High Power Amplifier
Khuếch đại công suất cao
HI
Hardware Impairments
Lỗi phần cứng
LNA
Low Noise Amplifier
Khuếch đại tạp âm thấp
LOS
Light of Sight
Tia trực tiếp
MAC
Medium Access Control
Điều khiển truy nhập môi
trường
MIMO
Multi-Input Multi-Output
Đa đầu vào đa đầu ra
MRC
Maximal Ratio Combining
Kết hợp tỉ số cực đại
NOMA
Non-Orthogonal Multiple
Đa truy nhập không trực
Access
giao
Orthogonal Frequency Di-
Đa truy nhập phân chia
vision Multiplexing
theo tần số trực giao
OP
Outage Probability
Xác suất dừng hệ thống
OWR
One-Way Relaying
Chuyển tiếp một chiều
Probability Density Func-
Hàm mật độ xác suất
OFDM
tion
RSI
Residual Self-Interference
Nhiễu tự giao thoa còn sót
lại
SDR
Software-Defined Radio
Vô tuyến cấu hình bằng
phần mềm
SER
Symbol Error Ratio
Tỉ lệ lỗi ký hiệu
vi
SEP
Symbol Error Probability
Xác suất lỗi ký hiệu
SNR
Signal-to-Noise Ratio
Tỉ số công suất tín hiệu
trên công suất tạp âm
SI
Self-Interference
Nhiễu tự giao thoa
SIC
Self-Interference Cancella-
Triệt nhiễu tự giao thoa
tion
SINR
Signal-to-Interference plus
Tỉ số công suất tín hiệu
Noise Ratio
trên công suất nhiễu cộng
tạp âm
SINDR
Signal-to-Interference plus
Tỉ số công suất tín hiệu
Noise and Distortion Ratio
trên công suất nhiễu cộng
tạp âm và méo dạng
SISO
Single - Input Single - Out-
Đơn đầu vào, đơn đầu ra
put
TWRN
Two-Way Relay Network
Mạng chuyển tiếp hai chiều
V2V
Vehicle-to-Vehicle
Xe tới xe
Wi-Fi
Wireless Fidelity
Công nghệ mạng cục bộ
không dây
DANH MỤC HÌNH VẼ
1.1
Mô hình thiết bị FD sử dụng ăng-ten thu phát riêng. . . . . . . . 14
1.2
Mô hình thiết bị FD sử dụng ăng-ten thu phát chung. . . . . . . 14
1.3
Mô hình hệ thống song công FD liên lạc điểm - điểm. . . . . . . 15
1.4
Tín hiệu thu tại một nút FD khi chưa áp dụng kỹ thuật SIC. . . 16
1.5
Ba ví dụ về cấu trúc hệ thống FD. . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.6
Cấu trúc một thiết bị đầu cuối FD với ăng-ten thu phát riêng. . . 20
1.7
Bố trí ăng-ten trong triệt nhiễu miền truyền sóng. . . . . . . . . 22
1.8
Triệt nhiễu miền số trong chuyển tiếp FD một chiều. . . . . . . . 28
1.9
Triệt nhiễu miền số trong FD hai chiều. . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1
Mô hình hệ thống chuyển tiếp AF-FDR khi có đường trực tiếp. . 41
2.2
Xác suất dừng hệ thống khảo sát với hệ số khuếch đại thay đổi
theo công suất phát nút chuyển tiếp, Ω3 = 0.01. . . . . . . . . . 48
2.3
Xác suất dừng hệ thống hợp tác AF-FDR với hệ số khuếch đại
cố định theo sự thay đổi SNR, Ω3 = 0.1. . . . . . . . . . . . . . 50
2.4
Xác suất dừng hệ thống hợp tác AF-FDR với hệ số khuếch đại
thay đổi khi Ω3 = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.5
OP hệ thống AF-FDR sử dụng Gf theo SNR trung bình với
những giá trị khác nhau của RSI, PR = PS . . . . . . . . . . . . . 52
vii
viii
2.6
OP hệ thống AF-FDR sử dụng Gv theo SNR trung bình khi
sử dụng và không sử dụng công suất tối ưu. Giá trị công suất
tối ưu được xác định theo biểu thức (2.22) trong Định lý 2.3. . . 52
2.7
2.8
Thông lượng hệ thống AF-FDR theo SNR trung bình với
những giá trị khác nhau của RSI, R = 2, Ω3 = 0.01. . . . . . . . 53
SEP của hệ thống AF-FDR khi nút chuyển tiếp sử dụng Gf ,
Gv theo SNR trung bình tại nút chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . 54
2.9
SEP của hệ thống khảo sát theo SNR trung bình với SNR =
PS /σR2 . Công suất phát tại nút chuyển tiếp được cố định với
PR /σD2 = 25 dB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.10 Mô hình hệ thống truyền thông FD-V2V. . . . . . . . . . . . . . 61
2.11 Xác suất dừng của hệ thống truyền thông FD-V2V theo SNR
˜ = −30 dB, và R = 1 bit/s/Hz. . . . . . . . . . . . 64
với ϑ = 2, Ω
2.12 Ảnh hưởng của hệ số suy hao đường truyền đến xác suất dừng
˜ = −30 dB; R = 1 bit/s/Hz. . . . . . . 65
hệ thống FD-V2V với Ω
2.13 Xác suất dừng hệ thống truyền thông FD-V2V dưới sự ảnh
hưởng của RSI trong trường hợp dSR = dRD = 1 và ϑ = 2. . . . . 66
2.14 Thông lượng mạng của hệ thống khảo sát FD-V2V theo SNR
˜ =
trung bình với những tốc độ truyền dẫn khác nhau. Ω
−30 dB, dSR = dRD = 1, ϑ = 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.15 Xác suất lỗi ký hiệu SEP của hệ thống FD-V2V theo SNR
˜ = −30 dB,
trung bình, sử dụng điều chế BPSK và 4QAM. Ω
dSR = dRD = 1, ϑ = 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
ix
2.16 Phẩm chất SEP của hệ thống truyền thông FD-V2V theo SNR
trung bình với những giá trị khác nhau của công suất phát tại
˜ = −30 dB. . . . . . . 69
nút chuyển tiếp. dSR = dRD = 1, ϑ = 2, Ω
3.1
Mô hình hệ thống chuyển tiếp FDR một chiều với phần cứng
không lý tưởng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.2
Phẩm chất OP của hệ thống khảo sát trong sự so sánh với hệ
thống lý tưởng theo SNR trung bình với hai mức ngưỡng khảo
3.3
˜ R = −30 dB. . . . . . . . 82
sát x = 3 và x = 31; k1 = kR = 0.1; Ω
Phẩm chất OP hệ thống AF-FDR theo SNR khi sử dụng và
không sử dụng công suất tối ưu với x = 3 và x = 31; k1 =
3.4
˜ R = −30 dB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
kR = 0.1; Ω
Phẩm chất OP của hệ thống không lý tưởng theo hệ số méo
dạng k sử dụng và không sử dụng công suất tối ưu; SNR =
3.5
˜ R = −30 dB, R = 2, 3, 4, 5 bit/s/Hz. . . . . . . . . . . 84
40 dB, Ω
Phẩm chất OP của hệ thống khảo sát theo cả hệ số méo dạng
và RSI khi sử dụng phân bổ công suất tối ưu; SNR = 40 dB,
3.6
R = 1 bit/s/Hz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Thông lượng hệ thống theo SNR trung bình sử dụng phân bổ
công suất tối ưu tại nút chuyển tiếp với R = 2, 4, 5 bit/s/Hz;
3.7
˜ R = −30 dB. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
k1 = kR = 0.1; Ω
Xác suất lỗi ký hiệu SEP của hệ thống không lý tưởng theo
SNR trung bình khi sử dụng và không sử dụng phân bổ công
˜ R = −10, −30 dB; k1 =
suất tối ưu với những giá trị khác nhau của RSI, Ω
kR = 0.1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
x
3.8
Mô hình hệ thống chuyển tiếp AF-FDR hai chiều với phần
cứng không lý tưởng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.9
OP tại S2 của hệ thống khi sử dụng và không sử dụng phân
bổ công suất tối ưu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.10 OP tại S2 theo hệ số phân bổ công suất. . . . . . . . . . . . . . 99
3.11 Ảnh hưởng của phần cứng không lý tưởng đến OP hệ thống. . . 100
3.12 Tác động đồng thời của hệ số méo dạng và RSI đến phẩm chất
OP hệ thống khi SNR cố định. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3.13 Thông lượng hệ thống không lý tưởng trong sự so sánh với hệ
thống lý tưởng theo tỉ số tín/tạp trung bình. . . . . . . . . . . . 101
3.14 Xác suất lỗi ký hiệu tại S2 theo SNR. . . . . . . . . . . . . . . . 102
DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
Ký hiệu Ý nghĩa
E {·}
Toán tử kì vọng
Ei (·)
Hàm tích phân mũ
erf (·)
Hàm lỗi
η
méo dạng gây nên bởi HI
fX (x)
Hàm mật độ xác suất của X
FX (x)
Hàm phân phối tích lũy của X
G
Hệ số khuếch đại tại R (Gf cho hệ số khuếch đại
cố định và Gv cho hệ số khuếch đại thay đổi)
h
Hệ số pha-đinh của đường truyền (hSR , hRD , hSD
˜ RR lần lượt cho các đường truyền S–R, R–D,
và h
S–D và từ ăng-ten phát đến ăng-ten thu của R
|h|2
Độ lợi tức thì của kênh truyền (|hSR |2 , |hRD |2 và
|hSD |2 tương ứng cho các kênh truyền S–R, R–D
và S–D)
IR
Nhiễu tự giao thoa còn sót lại tại R
K0 (·)
Hàm Bessel sửa đổi bậc 0 loại 2
K1 (·)
Hàm Bessel sửa đổi bậc 1 loại 2
N (0, σ 2 ) Phân bố chuẩn trung bình bằng không, phương
sai σ 2
xi
xii
Ω
˜
Ω
P
Độ lợi trung bình của kênh truyền (Ω1
=
E{|hSR |2 }, Ω2 = E{|hRD |2 }, Ω3 = E{|hSD |2 })
Khả năng SIC của thiết bị FD
Công suất trung bình của tín hiệu (PS tại S và PR
tại R)
Q (·)
Hàm Q Gauss
s
Tín hiệu phát đi (sS tại S và sR tại R)
Γ (·)
Hàm Gamma hoàn chỉnh
W
Hàm Whittaker
y
Tín hiệu thu (yR tại R và yD tại D)
z
Tạp âm AWGN tại máy thu (zR tại R và zD tại
D)
2
σRSI
Phương sai nhiễu tự giao thoa còn sót lại tại R
σ2
Phương sai tạp âm tại máy thu (σR2 tại R và σD2
tại D)
MỞ ĐẦU
Công nghiệp viễn thông đang trong giai đoạn bùng nổ về công nghệ vô
tuyến, tạo nên sự ra đời và phát triển nhanh chóng của các thiết bị Internet
kết nối vạn vật (IoT: Internet of Things). Đồng thời, các thiết bị vô tuyến
được nâng cấp cả phần cứng và phần mềm, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao
của người sử dụng không chỉ trong liên lạc thoại, dữ liệu mà trong tất cả các
hoạt động hàng ngày như điều khiển thiết bị, nhà thông minh, xe hơi hiện
đại. Số lượng người dùng tăng nhanh, nhu cầu trao đổi dữ liệu lớn trong khi
tài nguyên phổ tần hạn chế đòi hỏi các nhà nghiên cứu, thiết kế mạng vô
tuyến tìm cách nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần.
Từ mô hình kênh đơn đầu vào, đơn đầu ra (SISO: Single-Input SingleOutput), đến kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDM:
Orthogonal Frequency Division Multiplexing), và phân tập theo không gian
đa đầu vào, đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) đã được
nghiên cứu, áp dụng để nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần. Hiện nay, mạng
thông tin vô tuyến thế hệ thứ 5 (5G: Fifth Generation) đang được triển khai
và áp dụng tại một số nước phát triển như Hàn Quốc, Trung Quốc, Mỹ. Dự
kiến năm 2020, mạng 5G sẽ được triển khai trên toàn cầu với hơn 50 tỉ thiết
bị được kết nối, trung bình hơn 6 thiết bị trên một người [1, 2]. Sự kết nối và
trao đổi dữ liệu của các thiết bị vô tuyến không chỉ để giao tiếp giữa người
với người, mà còn trong nhiều hệ thống và các nhiệm vụ khác như cảm biến,
1
2
ô tô không người lái, lĩnh vực y tế,... Từ đó cung cấp một loạt các dịch vụ
tiên tiến như nhà, thành phố thông minh, xe tự động, bảo mật tiên tiến. Để
đảm bảo sự kết nối dày đặc cho số lượng rất lớn thiết bị vô tuyến này, mạng
vô tuyến tương lai cần có dung lượng lớn hơn rất nhiều so với thế hệ hiện tại.
Theo ước tính, mạng 5G cần cung cấp dung lượng cao hơn 1000 lần so với
mạng tế bào hiện nay [3, 4]. Mặt khác, sau thế hệ thứ 5 là mạng 6G, dự kiến
sẽ phát triển thành thương mại năm 2026 [5] với yêu cầu dung lượng cao hơn
nữa. Vì vậy, áp dụng các biện pháp để nâng cao dung lượng và hiệu quả sử
dụng phổ tần trở nên bức thiết hơn bao giờ hết.
Nhiều giải pháp kỹ thuật đã được đề xuất nghiên cứu và thử nghiệm như
truyền thông ở tần số ứng với bước sóng cỡ mi-li-mét (mmWave: millimeter
wave), MIMO cỡ lớn (massive MIMO), đa truy nhập không trực giao (NOMA:
Non-Orthogonal Multiple Access), truyền thông song công trên cùng băng tần
(IBFD: In-Band Full-Duplex hoặc FD: Full-Duplex) [4–6]. Trong những kỹ
thuật này, truyền thông FD nổi lên là một giải pháp hứa hẹn cho mạng vô
tuyến 5G và thế hệ tiếp theo bởi khả năng tăng gấp đôi dung lượng và hiệu
quả sử dụng phổ tần do thiết bị FD có thể thu, phát trên cùng một tần số
và tại cùng một thời điểm. Tuy nhiên, để đạt được dung lượng gấp đôi so với
mạng vô tuyến truyền thống (HD: Half-Duplex), truyền thông FD cần thực
hiện tốt việc triệt nhiễu tự giao thoa (SIC: Self-Interference Cancellation) gây
nên từ mạch phát đến mạch thu trên cùng một thiết bị. Đây là trở ngại lớn
nhất của kỹ thuật này [6–8].
Gần đây, với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, công nghệ chế tạo ăng-ten
đã có những bước tiến nhảy vọt, đồng thời các chíp xử lý tín hiệu số (DSP:
Digital Signal Processor) được tích hợp với mật độ cực cao, hoạt động chính
3
xác và hiệu quả tạo nên các mạch SIC chất lượng cao cho thiết bị FD. Qua
nghiên cứu và thử nghiệm, thiết bị FD có thể SIC được lên tới 110 dB, từ
đó làm giảm đáng kể nhiễu tự giao thoa (SI: Self-Interference) [8–13], giúp
hệ thống FD hoạt động với dung lượng cao hơn nhiều so với hệ thống HD
nhưng phẩm chất bị suy hao không đáng kể.
Mặt khác, truyền thông FD không chỉ dừng lại ở ưu điểm tăng gấp đôi
dung lượng lý thuyết, mà nó còn nhiều ưu điểm khác như [6, 14]: giảm thời
gian trễ cho thông tin phản hồi (feedback delay), giảm trễ truyền dẫn (end-toend delay), tăng cường khả năng bảo mật mạng vô tuyến, nâng cao tính hiệu
quả của mạng tùy biến không dây (ad hoc network), linh hoạt trong sử dụng
phổ tần, tăng thông lượng hệ thống (system throughput), tránh xung đột
(collision avoidance), giải quyết vấn đề thiết bị đầu cuối ẩn (hidden terminal
problem), giảm tắc nghẽn thông qua giao thức điều khiển truy nhập môi
trường (MAC: Medium Access Control).
Bên cạnh những ưu điểm trên, việc sử dụng thiết bị vô tuyến hoạt động
ở chế độ FD cũng có những nhược điểm nhất định, chẳng hạn như [6, 14]:
nhiễu tự giao thoa còn sót lại (RSI: Residual Self-Interference) do triệt nhiễu
không hoàn hảo làm giảm phẩm chất hệ thống, tỉ lệ mất gói tin cao hơn so
với truyền thông HD, yêu cầu kích cỡ bộ đệm lớn, tăng nhiễu giữa các người
dùng, tăng độ phức tạp thiết bị và công suất tiêu thụ. Những nhược điểm này
cho thấy không phải lúc nào hệ thống FD cũng nổi trội hơn hệ thống HD, do
vậy nhiều nghiên cứu đã lựa chọn thích ứng chế độ hoạt động FD/HD nhằm
nâng cao phẩm chất và dung lượng hệ thống vô tuyến [15–17].
Ngoài ra, một trong những kỹ thuật hứa hẹn cho mạng 5G đó là kỹ thuật
chuyển tiếp (relay) [18] nhằm tăng cường độ tin cậy, vùng phủ sóng cho mạng
4
vô tuyến. Để hạn chế nhược điểm, khai thác ưu điểm của truyền thông FD,
đồng thời giảm trễ truyền dẫn cho mạng chuyển tiếp, nhiều nghiên cứu đã
sử dụng thiết bị FD ở nút chuyển tiếp (FDR: Full-Duplex Relay) cho mạng
vô tuyến [18]. Không chỉ sử dụng FDR cho mạng chuyển tiếp một chiều,
mà FDR còn được sử dụng cho mạng chuyển tiếp hai chiều nhằm nâng cao
tốc độ truyền dẫn, trao đổi dữ liệu giữa 2 thiết bị đầu cuối. Đồng thời, việc
sử dụng bộ đệm (Buffer-Aided), giao thức ảo mức độ khung (Frame-Level
Virtual Scheme) cũng được đề xuất cho mạng FDR [18]. Trên cơ sở đó, các
phương pháp sử dụng ăng-ten, các kỹ thuật SIC cũng như những ưu nhược
điểm của mô hình FDR đã được phân tích và đánh giá trong sự so sánh với
kỹ thuật truyền thống (HDR: Half-Duplex Relay). Thông qua kết quả nghiên
cứu [18], nhóm tác giả đã xem xét toàn diện khi khảo sát mô hình FDR cho
đầy đủ các ứng dụng như: ăng-ten riêng biệt (Separate-Antenna), ăng-ten
thu/phát chung (Shared-antenna); trạm chuyển tiếp sử dụng giao thức giải
mã và chuyển tiếp (DF: Decode-and-Forward), khuếch đại và chuyển tiếp (AF:
Amplify-and-Forward) hay nén và chuyển tiếp (CF: Compress-and-Forward);
trạm chuyển tiếp SISO và trạm chuyển tiếp MIMO.
Với những ưu điểm nổi trội của kỹ thuật FD so với kỹ thuật HD truyền
thống, truyền thông FD được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống khác
nhau, chẳng hạn như: thu thập năng lượng (EH: Energy Harvesting), massive
MIMO, mạng tế bào nhỏ (small cell), mmWave, trong quân sự, truyền thông
thiết bị-thiết bị (D2D: Device-to-Device), mạng chuyển tiếp, mạng cục bộ
(localization network), vô tuyến nhận thức (CR: Cognitive Radio), truyền
thông hợp tác (Cooperative communications), hệ thống vận tải thông minh
(ITS: Intelligent Transportation Systems),... [6].
5
Như vậy, kỹ thuật FD là một công nghệ hứa hẹn, trong điều kiện lý tưởng,
truyền thông FD cho phép tăng gấp đôi dung lượng lý thuyết của hệ thống
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 trong sự kết hợp với
những kỹ thuật khác. Từ đó cho thấy, nghiên cứu lý thuyết về truyền thông
FD 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, những nghiên cứu và thử nghiệm về kết quả SIC cho hệ thống
FD đã chứng minh tính khả thi của truyền thông FD [8, 12, 13, 19–24]. Trên
cơ sở đó, nhiều nghiên cứu đã áp dụng kỹ thuật FD vào các hệ thống vô
tuyến để phân tích, đánh giá hệ thống, đồng thời tìm biện pháp nâng cao
chất lượng hệ thống. Trong đó, mạng chuyển tiếp FDR được phân tích khá
đầy đủ thông qua đánh giá phẩm chất và dung lượng hệ thống bằng các biểu
thức lý thuyết về xác suất dừng (OP: Outage Probability), xác suất lỗi ký
hiệu (SEP: Symbol Error Probability) và dung lượng trung bình (Ergodic
Capacity) [25–32]. Mặt khác, các biện pháp nhằm cải thiện phẩm chất hệ
thống được áp dụng như phân bổ công suất tối ưu [29, 31, 33], lựa chọn ăngten [34], lựa chọn nút chuyển tiếp [27, 35].
Có thể thấy rằng, những nghiên cứu về mạng vô tuyến sử dụng kỹ thuật
FD đã đạt được nhiều kết quả quan trọng. Tuy nhiên, do kỹ thuật FD có thể
được áp dụng rộng rãi, trong nhiều hệ thống và lĩnh vực khác nhau nên việc
khai thác tiềm năng của kỹ thuật này vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp
tục nghiên cứu và phát triển. Cụ thể như sau:
• Nghiên cứu về mạng chuyển tiếp FDR một chiều trong kịch bản truyền
6
thông hợp tác (khi có đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích)
còn nhiều thiếu sót. Do sự phức tạp tính toán nên hầu hết các kết quả
nghiên cứu về truyền thông hợp tác FDR chưa tìm ra được biểu thức
tường minh cho phân tích phẩm chất hệ thống như OP, SEP. Vì thế,
không thể đề xuất phân bổ công suất tối ưu nhằm nâng cao phẩm chất
hệ thống. Mặt khác, những nghiên cứu về hệ thống FDR hợp tác sử dụng
giao thức AF đều khảo sát cho hệ số khuếch đại thay đổi mà chưa có
nghiên cứu cho trường hợp hệ số khuếch đại cố định.
• Ứng dụng của mạng chuyển tiếp FDR trong truyền thông V2V vẫn còn
hạn chế. Mặc dù những nghiên cứu về hệ thống kết hợp FD-V2V đã
được thực hiện trong các công trình [36–38], tuy nhiên những kết quả
này chỉ tập trung vào những ứng dụng về an toàn và thiết kế giao thức
MAC [36], thiết kế mảng ăng-ten cho FD-V2V [37] và phân tích về tổng
bậc tự do (sum degrees of freedom) mà chưa đưa ra được biểu thức chính
xác cho đánh giá hệ thống như OP, SEP.
• Phần cứng và phần mềm là hai yếu tố bắt buộc cho một thiết bị vô
tuyến để thiết bị đó hoạt động và thực hiện được các chức năng đã định.
Tuy nhiên các nghiên cứu về mạng chuyển tiếp FDR một chiều và hai
chiều hầu hết chỉ tập trung vào các thuật toán và xử lý tín hiệu, bỏ qua
vai trò của phần cứng. Tức là những nghiên cứu này đã xem xét phần
cứng hệ thống là lý tưởng (Ideal Hardwares) và hoạt động đúng chức
năng định sẵn. Trong thực tế, phần cứng hệ thống chịu ảnh hưởng của
nhiều yếu tố như tạp pha bộ dao động, mất cân bằng trong điều chế,
tính phi tuyến ở bộ khuếch đại công suất cao ở phía phát (HPA: High
7
Power Amplifier) và bộ khuếch đại tạp âm thấp ở phía thu (LNA: Low
Noise Amplifier),... [39, 40] từ đó làm giảm phẩm chất hệ thống.
Xuất phát từ những thảo luận trên, ta thấy rằng việc nghiên cứu và phát
triển lý thuyết cho mạng chuyển tiếp FDR cần tiếp tục được triển khai trong
giai đoạn hiện nay, đặc biệt là trong bối cảnh truyền thông FD đang là vấn
đề có ý nghĩa thời sự và sẽ được áp dụng cho hệ thống vô tuyến tương lai. Do
đó đề tài “Nghiên cứu đánh giá và nâng cao phẩm chất hệ thống vô
tuyến chuyển tiếp song công trên cùng băng tần” mang tính cấp thiết,
có ý nghĩa khoa học cao và phù hợp với xu thế thời đại. Kết quả nghiên cứu
sẽ bổ sung thêm lý thuyết mới về kỹ thuật FD và những ứng dụng của nó.
Đồng thời, đó là tài liệu tham khảo quan trọng trong việc nghiên cứu, phát
triển và triển khai hệ thống FD trong thực tế.
1. Mục tiêu nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu kỹ thuật truyền dẫn song công trên cùng băng tần, ứng dụng
trong chuyển tiếp vô tuyến một chiều và hai chiều. Tìm ra các biểu thức
tường minh cho đánh giá hệ thống, làm cơ sở để đề xuất các biện pháp nâng
cao phẩm chất hệ thống. Cụ thể:
• Nghiên cứu, đánh giá phẩm chất hệ thống chuyển tiếp FDR một chiều
qua kênh pha-đinh Rayleigh và pha-đinh Rayleigh kép trong trường hợp
phần cứng hoàn hảo, đề xuất sử dụng công suất tối ưu cho hệ thống.
• Nghiên cứu, đánh giá phẩm chất hệ thống chuyển tiếp FDR một chiều
và hai chiều qua kênh pha-đinh Rayleigh trong trường hợp phần cứng
không hoàn hảo, đề xuất sử dụng công suất tối ưu nhằm nâng cao phẩm
chất hệ thống.
8
2. Phạm vi nghiên cứu của luận án
• Nghiên cứu lý thuyết thông tin vô tuyến, đặc tính kênh truyền vô tuyến,
các kỹ thuật chuyển tiếp.
• Nghiên cứu lý thuyết kỹ thuật truyền dẫn song công trên cùng băng tần
và khả năng áp dụng kỹ thuật này trong các hệ thống vô tuyến.
• Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiễu tự giao thoa còn sót lại, phần cứng
không hoàn hảo, tốc độ truyền dẫn lên phẩm chất hệ thống chuyển tiếp
FDR.
3. Đối tượng nghiên cứu của luận án
• Nghiên cứu hệ thống chuyển tiếp FDR một chiều với phần cứng hoàn
hảo qua kênh pha-đinh Rayleigh và pha-đinh Rayleigh kép.
• Nghiên cứu hệ thống chuyển tiếp FDR một chiều và hai chiều với phần
cứng không hoàn hảo qua kênh pha-đinh Rayleigh.
4. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu kết hợp phân tích tổng hợp, mô
hình hóa và thực nghiệm sử dụng mô phỏng máy tính.
• Dựa trên phương pháp phân tích, tổng hợp các tài liệu tham khảo, công
bố khoa học có liên quan, luận án xác lập các vấn đề mở có tính thời sự,
cần nghiên cứu và giải quyết làm chủ đề nghiên cứu cho luận án.
• Phương pháp mô hình hóa được sử dụng để xây dựng các mô hình vật
lý, mô hình toán học và mô hình mô phỏng của hệ thống phục vụ cho
phân tích và đánh giá phẩm chất hệ thống.
9
• Phương pháp thực nghiệm sử dụng tính toán số và mô phỏng Monte-
Carlo để đánh giá và kiểm chứng các kết quả phân tích, đồng thời đưa
ra các kết luận về phẩm chất hệ thống trong các điều kiện khác nhau.
5. Đóng góp của luận án
Một số đóng góp chính của luận án có thể được tóm tắt như sau:
• Đề xuất mô hình và phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR một
chiều trong trường hợp phần cứng hệ thống là lý tưởng. Với trường hợp
này, luận án có hai đóng góp chính như sau:
– Đề xuất mô hình và phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếp FDR một
chiều trong kịch bản truyền thông hợp tác khi nút FDR sử dụng giao
thức AF. Luận án đưa ra biểu thức chính xác và biểu thức xấp xỉ của
xác suất dừng cho cả trường hợp hệ số khuếch đại cố định và thay đổi
tại nút FDR. Từ đó biểu thức gần đúng xác suất lỗi ký hiệu được tìm
ra. Kết quả cho thấy, trong kịch bản truyền thông hợp tác, khi tồn tại
đường trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích, phẩm chất hệ thống được cải
thiện đáng kể. Đồng thời, xác suất dừng và xác suất lỗi ký hiệu tránh
được sàn lỗi do RSI gây nên. Để cải thiện phẩm chất hệ thống, luận án
đề xuất phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp FDR. Kết quả tính
toán cho thấy rằng, với công suất tối ưu, phẩm chất hệ thống được cải
thiện đáng kể so với trường hợp không sử dụng công suất tối ưu.
– Đề xuất mô hình ứng dụng mạng chuyển tiếp FDR một chiều khi nút
chuyển tiếp hoạt động ở chế độ DF trong truyền thông V2V. Trên cơ sở
mô hình hệ thống, luận án phân tích phẩm chất hệ thống khi nút chuyển
tiếp và nút đích di chuyển, trong khi nút nguồn được khảo sát với hai
