Nghiên cứu kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến trong mạng truyền thông song công

..

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

CAO THỊ THU SƯƠNG

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Mã số: 60520203

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. NGUYỄN LÊ HÙNG
2. TS. BÙI THỊ MINH TÚ

Đà Nẵng – Năm 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất kỳ cơng
trình nào khác.
Tác giả luận văn


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu .................................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................1
4. Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................................1
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ..................................................................2
6. Cấu trúc của luận văn ................................................................................................2
CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG .............4
1.1. Giới thiệu chương ...................................................................................................4
1.2. Giới thiệu về hệ thống truyền dẫn song công .........................................................4
1.2.1. Viễn cảnh của hệ thống truyền thông không dây ..............................................4
1.2.2. Khái niệm và ưu nhược điểm của truyền thông song công ...............................5
1.2.2.1. Ưu điểm cơ bản của IBFD ...........................................................................5
1.2.2.2. Nhược điểm của IBFD .................................................................................6
1.2.3. Quá trình khử nhiễu nội trong truyền thông song công ....................................7
1.2.3.1. Miền lan truyền ............................................................................................7
1.2.3.2. Miền tương tự ............................................................................................10
1.2.3.3. Miền xử lý tín hiệu số ................................................................................10
1.2.4. Các mơ hình cơ bản của mạng truyền dẫn song công .....................................11
1.2.4.1. Mạng truyền dẫn song công hai chiều .......................................................11
1.2.4.2. Mạng truyền dẫn song công chuyển tiếp ...................................................11
1.2.4.3. Mạng truyền dẫn song công di động ..........................................................12
1.3. Các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến ............................................................13
1.3.1. Nghiên cứu về đầu cuối vô tuyến ....................................................................13
1.3.2. Truyền thông qua các trạm chuyển tiếp ..........................................................14
1.4. Hệ thống IBFD mơ hình hai chiều .......................................................................16
1.4.1. Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn .....................................16
1.4.1.1. Hệ thống BFD với thiết kế anten chia sẻ ...................................................16
1.4.1.2. Hệ thống BFD với ăng-ten tách rời ...........................................................17
1.4.1.3. Hệ thống BFD trong kênh MIMO tương quan ..........................................18

1.4.1.4. Độ tin cậy của hệ thống BFD .....................................................................18
1.4.2. Hệ thống BFD với kỹ thuật khử nhiễu nội khơng hồn tồn ..........................19
1.4.2.1. Hệ thống BFD với các lỗi ước lượng kênh ................................................19
1.4.2.2. Hệ thống BFD với những hạn chế phần cứng ...........................................19
1.4.3. Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống BFD ..............................19
1.5. Hệ thống IBFD với mơ hình chuyển tiếp .............................................................20
1.5.1. Hệ thống FDR với một trạm chuyển tiếp (1-1-1) ...........................................20


1.5.1.1. Hệ thống FDR 1-1-1 với kỹ thuật khử nhiễu nội hoàn toàn ......................20
1.5.1.2. Hệ thống FDR 1-1-1 với nhiễu nội thặng dư .............................................21
1.5.1.3. Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật điều khiển công suất......................22
1.5.1.4. Hệ thống FDR 1-1-1 với các kỹ thuật MIMO ...........................................22
1.5.1.5. Độ tin cậy của hệ thống FDR 1-1-1 ...........................................................22
1.5.2. Hệ thống FDR với nhiều trạm chuyển tiếp .....................................................23
1.5.2.1. Hệ thống FDR với sự phối hợp ..................................................................23
1.5.2.2. Hệ thống FDR với sự giao thoa giữa các trạm chuyển tiêp .......................23
1.5.2.3. Hệ thống FDR với sự lựa chọn trạm chuyển tiếp ......................................24
1.5.2.4. Hệ thống FDR đa bước nhảy .....................................................................24
1.5.3. Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDR ..............................24
1.6. Hệ thống IBFD với mô hình di động ...................................................................25
1.6.1. Hệ thống FDC với hai trạm .............................................................................25
1.6.1.1. Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng ..................................25
1.6.1.2. Hệ thống FDC với các anten định hướng ..................................................25
1.6.2. Hệ thống FDC với nhiều trạm .........................................................................26
1.6.2.1. Hệ thống FDC với bộ tiền mã hóa cho đa người dùng ..............................26
1.6.2.2. Hệ thống FDC với MIMO quy mô lớn ......................................................26
1.6.2.3. Hệ thống FDC với nhiễu giao thoa liên người dùng từ nhiều trạm ...........27
1.6.3. Những nghiên cứu cần thiết liên quan đến hệ thống FDC ..............................27
1.7. Kết luận chương ...................................................................................................28

Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN .....29
2.1. Giới thiệu chương .................................................................................................29
2.2. Giới thiệu về kỹ thuật truyền và thu năng lượng..................................................29
2.3. Các loại vùng trường truyền năng lượng..............................................................31
2.3.1. Vùng tầm gần hay không bức xạ.....................................................................31
2.3.1.1. Kỹ thuật ghép nối cảm ứng ........................................................................32
2.3.1.2. Kỹ thuật ghép nối điện dung ......................................................................33
2.3.2. Vùng tầm xa hay bức xạ..................................................................................34
2.3.2.1. Sóng vi ba ..................................................................................................34
2.3.2.2. Laser ...........................................................................................................35
2.4. Giới thiệu về mạng thu năng lượng vô tuyến .......................................................36
2.4.1. Cấu trúc của mạng thu năng lượng vơ tuyến ..................................................38
2.4.2. Các mơ hình truyền năng lượng vô tuyến .......................................................42
2.4.3. Kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến ...................................................................43
2.4.3.1. Các nguồn vô tuyến chuyên dụng ..............................................................43
2.4.3.2. Các nguồn vô tuyến xung quanh ................................................................44
2.4.4. Các ứng dụng về thu năng lượng vô tuyến .....................................................45
2.5. Kết luận chương ...................................................................................................46


Chương 3 – XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG THU NĂNG
LƯỢNG VÔ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG SONG CƠNG ............................................47
3.1. Giới thiệu chương .................................................................................................47
3.2. Mơ hình truyền dẫn cơ bản...................................................................................47
3.2.1. Kênh nhiễu AWGN .........................................................................................47
3.2.2. Kênh fading Rayleigh .....................................................................................48
3.2.3. Điều chế và giải điều chế BPSK .....................................................................51
3.2.4. Tính tốn xác suất lỗi bit .................................................................................52
3.3. Đánh giá hiệu năng của các hệ thống mơ phỏng ..................................................55
3.3.1. Mơ hình 1 – Truyền thông tin trong mạng bán song công ..............................55

3.3.2. Mô hình 2 – Truyền thơng tin và năng lượng trong mạng bán song cơng......56
3.3.3. Mơ hình 3 – Truyền thơng tin trong mạng song cơng ....................................58
3.3.4. Mơ hình 4 – Truyền thông tin và năng lượng trong mạng song công trong ...59
3.4. Kỹ thuật ước đốn nhiễu nội ................................................................................60
3.4.1. Thơng tin trạng thái kênh truyền hồn hảo .....................................................60
3.4.2. Thơng tin trạng thái kênh truyền khơng hồn hảo ..........................................61
3.5. Kết luận chương ...................................................................................................62
Chương 4 – MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ................................................63
4.1. Giới thiệu chương .................................................................................................63
4.2. Kết quả mơ phịng và đánh giá .............................................................................63
4.2.1. So sánh hiệu năng của các mơ hình khảo sát ..................................................63
4.2.2. Ảnh hưởng của tham số 𝜌 đến hiệu năng hệ thống .........................................64
4.2.3. Đánh giá hiệu năng theo tham số 𝜌 .................................................................65
4.2.4. Ảnh hưởng của tham số  đến hiệu năng hệ thống ........................................65
4.2.5. Đánh giá hiệu năng theo tham số .................................................................66
4.2.6. Đánh giá hiệu năng theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛 ...........................................................67
4.3. Kết luận chương ...................................................................................................67
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ....................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................69


TÓM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT THU NĂNG LƯỢNG VÔ TUYẾN
TRONG MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG
Học viên: Cao Thị Thu Sương. Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60520203. Khóa: 31. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt - Thu năng lượng vô tuyến để cung cấp năng lượng hoạt động cho các thiết bị vô
tuyến, cảm biến là một hướng tiếp cận tiềm năng gần đây. Truyền thơng song cơng là mơ hình
khơng dây truyền và nhận dữ liệu đồng thời trên cùng một băng tần đáp ứng nhu cầu cao về
dung lượng và hiệu năng mạng. Luận văn này xây dựng mơ hình để đánh giá hiệu năng khi

truyền dữ liệu và năng lượng đồng thời trong mạng truyền thông song công hai chiều so với
mạng truyền thông bán song công hai chiều trên kênh truyền fading Rayleigh. Bên cạnh đó,
xây dựng mơ hình khử nhiễu nội trong truyền thông song công và đánh giá hiệu năng của nó
với các mơ hình chưa khử nhiễu nội. Đồng thời, luận văn cũng khảo sát các tham số năng
lượng, tham số tương quan, tham số kênh truyền ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống. Từ
các nghiên cứu lý thuyết đó tác giả đã đưa ra những cơng thức tính tốn và thực hiện mơ
phỏng, sau đó phân tích kết quả đạt được và đưa ra các hướng phát triển tiếp theo. Thu năng
lượng vô tuyến và truyền thông song công thực sự là những công nghệ của thế hệ 5G kế tiếp
đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của mạng truyền thơng khơng dây.
Từ khóa – thu năng lượng không dây, truyền dẫn song công, truyền dẫn bán song công, nhiễu
nội, SWIPT.
STUDIES ON ENERGY HARVESTING IN FULL-DUPLEX COMMUNICATIONS
Abstract - Radio energy harvesting to provide operational power to radio devices, sensors are
a potential approach recently. Full-duplex communication is a wireless model that transmits
and receives data simultaneously on the same frequency band to answer the high demand for
network capacity and performance. This thesis builds a model to evaluate the efficiency of
data and energy transfer in a two-way full-duplex communication network compared to a twoway half-duplex communication network on a Rayleigh fading channel. In addition, the builtin self-interference cancellation model is used in full-duplex communication and evaluates its
performance against the non self-interference cancellation models. At the same time, the thesis
also examines the energy parameters, correlation parameters, gain channel parameters
affecting the performance of the system. From these theoretical studies, the author has
introduced the formulas for calculating and performing the simulation, then analyzing the
results achieved and perspective of the work is provided. Radio energy harvesting and fullduplex communications are indeed the next generation of 5G technologies to answer the
increasing demands of wireless communications.
Key words – energy harvesting, full-duplex, half-duplex, self-interference, SWIPT.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
5th Generation Non-Orthogonal Waveforms for Asynchronous
Signalling
3GPP

Third Generation Partnership Project
AF
Amplify-and-forward
AWGN
Additive White Gaussian Noise
BD
Block diagonalization
BPSK
Binary Phase Shift Keying
CF
Compress-and-forwarding
DC
Decode-and-cancel
DF
Decode-and-forward
DMT
Diversity-multiplexing tradeoff
DUPLO
Full-Duplex Radios for Local Access
EMF
Electromotive force
FCC
Federal Communications Commission
IBFD
In-band full-duplex
ISM
Bandsindustrial, scientific and medical bands
METIS
Mobile and wireless communications Enablers for the Twenty-twenty
Information Society

MMSE
Minimum mean square error
MMSESIC Minimum mean square error with successive interference cancellation
NSP
Null space projection
NOMA
Non-orthogonal multiple access
RCI
Extended regularized channel inversion
RF
Radio Frequency
RFID
Radio-frequency identification
SI
Self-Interference
SNR
Signal Noise Ratio
STBC
Space-time block coding
STC
Space-time coding
SVD
Singular value decomposition
SWIPT
Simultaneous Wireless Information and Power Transfer
TAS
Transmit antenna-switched
ZF-BF
Zero-forcing beam-forming
VDD

Virtual-channel division duplexing
ZF
Zero-forcing
5GNOW


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
2.1
2.2
2.3

Tên bảng

Trang

Các kỹ thuật truyền năng lượng khác nhau
So sánh sự khác nhau của các kỹ thuật truyền năng lượng khơng
dây
Ví dụ về kết quả thực nghiệm thu năng lượng vô tuyến

29
37
44


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình vẽ

1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
4.1
4.2
4.3
4.4

Tên hình vẽ

Trang

Sơ đồ khối của một trạm IBFD
Cấu trúc các miền giảm nhiễu nội trong truyền thông song công
trong băng
IBFD với thiết kế ăng-ten chia sẻ
IBFD với thiết kế ăng-ten tách rời
Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng hai chiều
Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng chuyển tiếp
Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng di động
Mơ hình các trạm chuyển tiếp song cơng
Sơ đồ khối của hệ thống điện không dây
Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn không dây ghép nối cảm ứng
Sơ đồ khối của hệ thống truyền dẫn không dây ghép nối điện dung
Cấu trúc chung của mạng thu năng lượng vô tuyến dựa trên hạ
tầng
Cấu trúc chung của mạng thu năng lượng vơ tuyến khơng có hạ
tầng
Các thành phần chính của nút thu năng lượng
Cấu trúc chung của một bộ thu năng lượng vơ tuyến
Mơ hình truyền dẫn cơ bản
Sơ đồ khối bộ thu phát điều chế BPSK
Điều chế BPSK với hàm phân bố xác suất có điều kiện
Mơ hình truyền thơng tin trong mạng bán song cơng
Mơ hình truyền thông tin và năng lượng trong mạng bán song công
Mô hình truyền thơng tin trong mạng song cơng
Mơ hình truyền thông tin và năng lượng trong mạng song công
So sánh hiệu năng của các mơ hình khảo sát khi truyền và không
truyền năng lượng, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 5,  = 0.3
Ảnh hưởng của tham số 𝜌 đến hiệu năng hệ thống, 𝑔𝑎𝑖𝑛 =
100,  = 0.3

Hiệu năng của hệ thống song công theo tham số 𝜌, 𝑃 =
10𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 = 100,  = 0,3
Ảnh hưởng của tham số  đến hiệu năng hệ thống, 𝑔𝑎𝑖𝑛 =
1000, 𝜌 = 0,95

7
8
8
9
11
11
12
14
30
32
33
39
40
41
41
47
51
52
56
57
58
59
63
64
65

66


4.5
4.6

Hiệu năng của hệ thống theo tham số , 𝑃 = 10 𝑑𝐵, 𝑔𝑎𝑖𝑛 =
1000, 𝜌 = 0,95
Hiệu năng của hệ thống theo tham số 𝑔𝑎𝑖𝑛, 𝑃 = 10 𝑑𝐵, 𝛼 =
0,3, 𝜌 = 0,95

66
67


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong các mạng không dây thông thường, như các mạng cảm biến hay các mạng di
động, các thiết bị được trang bị pin có thể thay thế hoặc pin sạc. Thời gian hoạt động
của các loại pin này có giới hạn. Mặc dù thay thế hay sạc pin định kỳ có thể là một lựa
chọn khả thi nhưng nó rất là bất tiện (đối với một mạng cảm biến với hàng ngàn các nút
cảm biến phân phối), nguy hiểm (đối với các thiết bị nằm trong mơi trường độc hại),
hay thậm chí là không thể (đối với các cảm biến cấy ghép trong cơ thể con người). Trong
những tình huống như vậy, việc thu nhận năng lượng, với khả năng cung cấp một nguồn
năng lượng lâu dài, trở thành một phương pháp hấp dẫn để kéo dài tuổi thọ các mạng
không dây. Nguồn điển hình cho việc thu năng lượng bao gồm năng lượng mặt trời và
gió. Gần đây tín hiệu vơ tuyến xung quanh cũng nhận được sự quan tâm nghiên cứu
nhiều như là một nguồn hữu hiệu mới cho việc thu nhận năng lượng, hỗ trợ bởi các lợi

thế mà các tín hiệu khơng dây có thể mang theo cả năng lượng cũng như thơng tin.
Bên cạnh đó, nhu cầu truyền dẫn dữ liệu không dây ngày càng tăng lên, ước đốn
có thể tăng gấp 10 lần từ nay đến năm 2020. Xu thế IoT (Internet of Things) hiện nay
đã có hơn 5 tỷ nút mạng đầu cuối và khả năng sẽ tăng đến 20 tỷ vào năm 2020. Phổ tần
ngày càng trở nên đắt đỏ hơn, trong một cuộc đấu giá vào năm 2015 FCC đã bán một
băng tần 65MHz với giá 44,9 tỷ đô la. Bởi vậy, việc làm sao tăng được hiệu suất của
phổ tần rất là quan trọng đối với các kỹ sư không dây để từ đó ngày càng tăng tốc độ dữ
liệu. Tuy nhiên, các hệ thống truyền thông không dây thường hoạt động theo mơ hình
bán song cơng, làm tiêu tốn nguồn tài ngun phổ tần. Nếu chúng có thể hoạt động theo
mơ hình song cơng thì dung lượng sẽ tăng gấp đơi do truyền và nhận trong tồn bộ băng
thơng, cải thiện phổ tần cho hệ thống mạng khơng dây.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu hệ thống truyền thông song công.
Nghiên cứu kỹ thuật thu năng lượng vô tuyến trong mạng truyền thông vơ tuyến.
Nghiên cứu đánh giá hiệu năng của mơ hình đề xuất với các mơ hình truyền thống
và các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Kiến thức tổng quan về mạng truyền thông song công.
Kiến thức về thu nhận năng lượng vô tuyến.
Việc thu nhận năng lượng trong hệ thống song công.
Đánh giá kết quả thực hiện, đề xuất hướng phát triển đề tài.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp xuyên suốt của luận văn là kết hợp nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng
để làm rõ nội dung của đề tài. Cụ thể là:
 Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống song công.


2
 Nghiên cứu lý thuyết về thu nhận năng lượng vô tuyến.
 Nghiên cứu việc thu nhận năng lượng vô tuyến trong hệ thống song công.

 Nghiên cứu hiệu năng và các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Song công không phải là một vấn đề mới và hiệu quả của nó thì khơng ai phủ nhận
về dung lượng, hiệu suất phổ tần nhưng do những bài tốn nhược điểm q nan giải nên
nó đã bị chìm trong một thời gian dài. Ngày nay, với những nghiên cứu mới, công nghệ
mới về phần cứng một phần nào đã khắc phục những nhược điểm đó, đưa mơ hình song
công trở thành một trong những công nghệ của mạng thế mới thứ 5 (5G). Bên cạnh đó,
các dịch vụ viễn thông ngày càng đa dạng, nhu cầu sử dụng của con người ngày càng
tăng cao cùng với xu thế IoT với hàng tỷ sensor của nhiều loại mạng không đồng nhất
kết nối với nhau địi hỏi băng thơng, tốc độ kết nối phải bền vững và chuyển mạng linh
hoạt. Việc kết hợp thu nhận năng lượng vào hệ thống song cơng giúp cho các sensor
ln duy trì được nguồn năng lượng mà không phải phụ thuộc vào bộ sạc pin, đặc biệt
là các sensor trong lĩnh vực y tế, xây dựng.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận văn gồm có 4 chương:
Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG
Truyền thông song công là một giải pháp đầy hứa hẹn để tăng dung lượng đáng kể
cho một kênh truyền không dây, do đó cho phép các hệ thống truyền thơng không dây
trong tương lai đáp ứng được nhu cầu phát triển nhanh chóng của các dịch vụ dữ liệu.
Trong truyền thơng song cơng, một nút truyền và nhận tín hiệu không dây đồng thời trên
cùng một phổ tần số. Do vậy, dung lượng kênh tăng gần gấp đôi so với truyền thông bán
song công, tạo đà cho sự phát triển của mạng thế hệ thứ 5 (5G) hướng tới việc chuyển
tiếp linh hoạt giữa các mạng không đồng nhất với nhau.
Chương 2 – TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT THU NHẬN NĂNG LƯỢNG
VƠ TUYẾN
Có nhiều nguồn tự nhiên và các công nghệ liên quan khác nhau để thu nhận năng
lượng như năng lượng mặt trời, ánh sáng trong nhà, rung động, nhiệt, sinh học, hóa chất,
điện… Ngồi ra, năng lượng cịn có thể được thu từ các nguồn nhân tạo qua việc truyền
năng lượng không dây từ nút này đến nút khác một cách có kiểm sốt. Trong khi các
thiết bị/mạch điện tử về mặt kỹ thuật liên tục được cải tiến về cơ chế thu nhận năng

lượng thì tín hiệu/hệ thống về mặt kỹ thuật cũng nỗ lực để phát triển các mơ hình truyền
thơng cho mạng lưới gồm các nút gồm cả các nút thu năng lượng.
Chương 3 – XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG THU NĂNG
LƯỢNG VƠ TUYẾN CỦA HỆ THỐNG
Nghiên cứu tính tốn các kênh thông tin vô tuyến, điều chế và giải điều chế BPSK,
xác suất lỗi bit trong mơ hình mơ phỏng.


3
Nghiên cứu đánh giá hiệu năng của mơ hình đề xuất với các mơ hình truyền thống
và các tham số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống.
Chương 4 – MƠ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Kiểm chứng tính đúng đắn của các kết quả phân tích và tính tốn cũng như các tham
số ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống.
Luận văn thực hiện mơ phỏng bằng chương trình Matlab để đánh giá hiệu năng của
các hệ thống.


4

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ MẠNG TRUYỀN THÔNG SONG CƠNG
1.1. Giới thiệu chương
Trong chương này, đầu tiên sẽ trình bày khái niệm cơ bản và những ưu nhược điểm
của hệ thống song công với các ăng-ten chia sẻ và ăng-ten tách rời. Tiếp đó là khảo sát
các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến cho hệ thống. Cuối cùng là nghiên cứu những
ảnh hưởng của truyền dẫn song công đến hiệu suất của hệ thống trong các mạng khác
nhau bao gồm mạng hai chiều, mạng chuyển tiếp và mạng di động.
1.2. Giới thiệu về hệ thống truyền dẫn song công
1.2.1. Viễn cảnh của hệ thống truyền thông không dây
Cùng với sự gia tăng bùng nổ nhu cầu về lưu lượng dữ liệu là sự cải thiện năng lực

hệ thống, nhằm đáp ứng tốc độ truyền mong đợi gấp 1000 lần so với truyền thơng khơng
dây 4G, đó là truyền thông không dây 5G – một hệ thống truyền thông không dây dự
kiến sẽ tiến triển trong 10 năm tới. Một số tổ chức ở các nước và khu vực khác nhau đã
phát động những chương trình cho 5G như 5GNOW (5th Generation Non-Orthogonal
Waveforms for Asynchronous Signalling) và METIS (Mobile and wireless
communications Enablers for the Twenty-twenty Information Society) năm 2020. Các
công nghệ chủ chốt cho các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai sẽ giúp
nâng cao năng lực thông qua việc tăng hiệu quả phổ tần, mở rộng tần số và mật độ mạng
lưới bằng cách sử dụng nhiều cell nhỏ.
Khi chúng ta chú ý đến hiệu quả phổ tần tăng lên cho các dịch vụ và ứng dụng quy
mơ lớn thì một câu hỏi được đặt ra là: Những cơng nghệ nào có thể ứng cử để định nghĩa
được các hệ thống truyền thông không dây trong tương lai? Có hai cách tiếp cận để tăng
hiệu quả phổ tần đã được đề xuất trong 5G. Một là, phương pháp liên quan đến việc tìm
kiếm phổ mới bằng cách chia sẻ phổ tần số và kỹ thuật cảm biến [1]. Hai là, phương
pháp liên quan đến các hệ thống dựa trên việc sử dụng các công nghệ truyền dẫn giao
diện cải tiến như các kỹ thuật giảm thiểu sự giao thoa cải tiến, kỹ thuật ăng-ten có đa
ngõ vào và đa ngõ ra (MIMO) [1] và truyền dẫn phi trực giao. Với các kỹ thuật giảm
thiểu sự giao thoa cải tiến, ví dụ chúng ta có thể có được 𝑥 là bình phương tỷ lệ tín hiệu
trên nhiễu (SNR) hoặc tín hiệu trên can nhiễu (SINR) để đạt được hiệu quả phổ tần tăng
lên 𝑥 lần so với hệ thống truyền thông không dây hiện tại.Tuy nhiên với các hệ thống
thực tế có cơng suất phát hạn chế thì khơng thể đạt 𝑥. Với kỹ thuật MIMO cũng nâng
cao hiệu quả phổ tần, ví dụ trong các hệ thống truyền thơng khơng dây 4G có bốn anten
được sử dụng, mỗi trạm sẽ cần nhiều hơn 4 × 𝑥 ăng-ten để đạt được dung lượng kênh
truyền tăng 𝑥 lần với kỹ thuật MIMO. Tuy nhiên, trong môi trường thực tế, việc trang
bị cho mỗi trạm nhiều ăng-ten trong một khoảng khơng giới hạn, thì rất khó có thể nhận
được các giá trị riêng đầy đủ do mối tương quan không gian giữa các ăng-ten phát và
thu.


5

Trong số các công nghệ, phương pháp truyền phi trực giao gần đây, chẳng hạn như
truyền dẫn song công (IBFD) [2] - [4], đa truy nhập phi trực giao (NOMA), và giàn lọc
đa sóng mang (FBMC), đã thu hút được sự chú ý đáng kể trong giới nghiên cứu hàn lâm
(trong các trường đại học) và công nghiệp (trong các tập đồn lớn) bởi vì chúng có tiềm
năng tăng hiệu quả phổ tần mà không cần bổ sung thêm tần số. Phương pháp NOMA sử
dụng mã hóa chồng chập, có thể hỗ trợ nhiều người dùng trong một khối tài nguyên duy
nhất, như thời gian hoặc tần số, để nâng cao hiệu suất phổ tần; nhưng vì việc sử dụng
các khối tài nguyên không trực giao nên việc phân bổ cơng suất và định thời thích hợp
sử dụng kỹ thuật khử nhiễu liên tiếp là cần thiết để giảm thiểu nhiễu. Phương pháp
FBMC sử dụng các bộ lọc mẫu có hình dạng nhất định và có các đối tượng gian trùng
lặp; một vài kỹ thuật FBMC không trực giao như ghép kênh phân chia tần số tổng quát
(GFDM) và phương pháp tiếp Nyquist nhanh hơn, tạo thêm nhiễu phụ từ các sóng mang
con lân cận. Và phương pháp IBFD là phương pháp có một lịch sử lâu đời và đã từng
được sử dụng trong việc thiết kế các hệ thống radar sóng liên tục (CW) ít nhất là từ thập
niên 1940 và khi kết hợp với một hệ thống MIMO có thể tăng gấp đơi dung lượng kênh
truyền.
1.2.2. Khái niệm và ưu nhược điểm của truyền thông song công
Khái niệm về của cấu trúc truyền thông song công (IBFD) là sử dụng cùng tài
nguyên thời gian và phổ tần để trao đổi thông tin, tức là truyền và nhận đồng thời dữ
liệu trên cùng một băng tần. Ngược lại với các hệ thống hiện tại, hoạt động trong chế độ
bán song công (giao tiếp đơn hướng) hoặc trong chế độ song cơng ngồi băng (kỹ thuật
đa truy cập phân chia theo thời gian hoặc tần số), cách tiếp cận mới này cho phép một
thiết bị đầu cuối hoạt động một cách đồng thời trên cùng một băng tần, tăng gấp đôi hiệu
quả phổ tần của một hệ thống.
1.2.2.1. Ưu điểm cơ bản của IBFD
 Có thể tăng gấp đơi dung lượng kênh truyền: sử dụng đầy đủ nguồn tài nguyên
thời gian và tần số nên truyền dẫn song công, về mặt lý thuyết, có dung lượng
kênh truyền tăng gấp đơi so với truyền dẫn bán song cơng.
 Có thể giảm độ trễ phản hồi: Việc tiếp nhận tín hiệu phản hồi (ví dụ như thơng
tin điều khiển, thơng tin trạng thái kênh (CSI) phản hồi, tín hiệu xác nhận / không

xác nhận (ACK / NACK), thông tin phân bổ tài ngun…) trong q trình truyền
dữ liệu có độ trễ ngắn hơn.
 Có thể giảm độ trễ tồn trình: Trong các hệ thống chuyển tiếp, các trạm chuyển
tiếp với IBFD có thể giảm độ trễ tồn trình vì các trạm chuyển tiếp đồng thời
nhận dữ liệu từ một trạm nguồn và truyền dữ liệu đến một trạm đích.
 Có thể tăng cường bảo mật mạng: Việc sử dụng truyền tải đồng thời tại hai điểm
nên tín hiệu nhận được là tín hiệu hỗn hợp do đó rất khó để giải mã.


6
 Có thể nâng cao hiệu quả của các giao thức mạng tùy biến: Bởi vì tất cả các trạm
đều là trạm phát nên IBFD có thể giải quyết vấn đề “trạm ẩn” trong mạng tùy
biến. Hơn nữa, thực tế là tín hiệu đang được truyền đi thì việc nghe và nhận đồng
thời đang được thực hiện trên một dải tần số, có nghĩa là mỗi trạm có thể quyết
định có hay khơng các trạm khác đang truyền tín hiệu và do đó ngăn ngừa xung
đột.
 Có thể tăng tính linh hoạt sử dụng phổ: Bằng cách giữ lại các tùy chọn để sử
dụng một băng tần số (IBFD) hoặc hai dải tần số khác nhau (truyền dẫn bán song
công) cho đường lên và đường xuống, mỗi máy phát có thể chọn một trong hai
chế độ song công hoặc bán song công.
1.2.2.2. Nhược điểm của IBFD
 Nhiễu nội (SI): Nhược điểm lớn nhất của IBFD là sự xuất hiện của nhiễu nội, đó
là sự nhiễu loạn của tín hiệu phát gây ra tại ăng-ten thu của cùng một đầu cuối
(Hình 1.1). Do đó, một thiết bị đầu cuối có thể gây nhiễu cho chính nó khi phát
tín hiệu trong cùng dải tần với tín hiệu mà nó cũng đang cố gắng lắng nghe.
Khoảng cách giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu tại một trạm (chứ không phải là
khoảng cách giữa hai trạm) ngắn nên công suất của nhiễu nội lớn hơn rất nhiều
so với cơng suất của tín hiệu mong muốn. Sự chênh lệch giữa cơng suất tín hiệu
mong muốn và nhiễu nội tăng lên theo cấp số nhân khi khoảng cách dài hơn. Lấy
một femto-cell của hệ thống di động làm ví dụ: cơng suất chênh lệch giữa hai tín

hiệu này là khoảng 40dB, trong khi nhiễu nền của máy thu là khoảng -100 dBm.
Hãy tưởng tượng rằng công suất của tín hiệu phát là 0dBm, cơng suất thu được
tại một ăng-ten cách đó khoảng 15 cm là khoảng -40dBm, do đó nếu có 60dB bị
loại bỏ thì tín hiệu là lý tưởng. Lưu ý rằng giá trị này khá cao và do đó nó là vấn
đề khơng hề nhỏ [3]. Vì những lý do này, cách đây khơng nhiều năm, cộng đồng
mạng viễn thông cho rằng thiết bị vô tuyến không thể nhận và truyền trên cùng
một băng tần. Tuy nhiên, nhu cầu về luồng kết nối dữ liệu nhanh hơn và sự phân
bổ phổ tần giảm đã khuyến khích nghiên cứu về IBFD trong suốt 4-5 năm qua,
khiến nó trở thành một ý tưởng mới với tiềm năng to lớn để tích hợp các cơng
nghệ trong tương lai.
 Sự khử nhiễu khơng hồn tồn: Trong mơi trường thực tế, nhiễu nội khơng thể
bị khử hồn tồn do nhiều lý do, chẳng hạn như phi tuyến tính của các thành
phần phần cứng trong chuỗi RF (công suất của nhiễu nội vượt quá phạm vi khả
thi), các lỗi ước lượng trên kênh nội và tín hiệu nhiễu nội nhận được (nhiễu phản
xạ khác nhau), và các kỹ thuật triệt nhiễu khác nhau khơng hồn tồn.
 Nhiễu liên người dùng tăng lên: Bởi vì tất cả các trạm liền kề được phát đồng
thời nên số lượng nhiễu liên người dùng tăng và do đó nhiễu tổng hợp tại một
trạm cũng tăng.


7

Hình 1.1. Sơ đồ khối của một trạm IBFD.
 Cơng suất tiêu thụ tăng và phức tạp: Việc khử nhiễu nội và nhiễu liên người dùng
tại mỗi trạm sẽ yêu cầu mỗi trạm có thêm các thành phần khác, do đó sẽ tiêu tốn
nhiều năng lượng và tài nguyên của hệ thống.
1.2.3. Q trình khử nhiễu nội trong truyền thơng song cơng
Thơng thường, q trình triệt tiêu nhiễu nội được chia thành làm ba giai đoạn khác
nhau. Thứ nhất, về truyền dẫn khơng dây, có khả năng kết hợp các kỹ thuật như hướng
ăng-ten, phân cực chéo hoặc điều hướng chùm sóng. Thứ hai, bao gồm việc lấy tín hiệu

thu được trừ đi bản sao của tín hiệu phát, đã điều chỉnh độ lợi, pha và độ trễ bởi các
mạch tần số vô tuyến. Mặc dù các ứng dụng của các phương pháp đã đề cập có thể đạt
được mức yêu cầu về mối liên quan giữa năng lượng và nhiễu để truyền tin cậy trong
các bài kiểm tra nhưng khi tính đến các ảnh hưởng của mơi trường thực thì khơng đủ.
Để xử lý các biến đổi kênh trong các tình huống như vậy, các bộ lọc miền số được sử
dụng để xử lý tín hiệu. Hơn nữa, các kỹ thuật như phân bổ năng lượng tối ưu, lọc thích
nghi, điều hướng chùm sóng thích nghi…, được sử dụng để cải thiện hơn nữa việc giảm
thiểu nhiễu nội SI. Do vậy, thiết bị đầu cuối IBFD cần kết hợp các giai đoạn xử lý như
được mơ tả trong hình 1.2.
1.2.3.1. Miền lan truyền
Phương pháp tiếp cận đầu tiên để giảm thiểu nhiễu nội trong miền lan truyền là dựa
trên các đặc tính lan truyền của sóng điện từ. Các thiết bị đầu cuối nếu ở quá xa để thiết
lập một đường truyền tin cậy thì cần phải sử dụng các trạm chuyển tiếp. Để tăng phạm
vi phủ sóng của mạng, trạm chuyển tiếp có thể hoạt động như là bộ khuếch đại thụ động
và cùng băng thông bằng cách nhận và truyền lại một tín hiệu mong muốn mới đã được
khuếch đại, được gọi là kỹ thuật khuếch đại-chuyển tiếp (AF). Do đó, các kỹ thuật cách
ly truyền khơng dây đã được phát triển, nhằm mục đích tách biệt phần nhận và phần
phát của một thiết bị đầu cuối. Kỹ thuật này là giai đoạn đầu tiên của sự giảm thiểu nhiễu
nội và là điều cần thiết để giảm cường độ tín hiệu để mà phạm vi của nó phù hợp với
dải tần vô tuyến với đường xuống của máy thu. Dựa trên thiết kế ăng-ten, có hai phương
án khác nhau về kỹ thuật truyền sóng như hình 1.3 và hình 1.4.


8

Hình 1.2. Cấu trúc các miền giảm nhiễu nội trong truyền thông song công .
 IBFD với thiết kế ăng-ten chia sẻ

Hình 1.3. IBFD với thiết kế ăng-ten chia sẻ.
Thiết kế ăng-ten chia sẻ là việc sử dụng cùng một ăng-ten để truyền và nhận như thể

hiện trong hình 1.3. Trong truyền thông không dây thông thường với song công phân
chia theo thời gian (FDD), bộ song công phải được thiết kế để tách tín hiệu thu từ tín
hiệu phát trong khi vẫn cho phép nó chia sẻ ăng-ten với nhau. Tuy nhiên, trong hệ thống
truyền thông song công với ăng ten chia sẻ, các bộ song công không thể làm như vậy
được bởi vì máy phát và máy thu hoạt động trên cùng một băng tần. Do đó, truyền thông
song công sử dụng một bộ song công mới, gọi là bộ tuần hồn, tức là một mạch dẫn các
tín hiệu từ máy phát đến ăng-ten và từ ăng-ten tới máy thu [5]. Như vậy, chúng ta có thể
truyền và nhận đồng thời trong cùng băng tần với ăng-ten chia sẻ. Tuy nhiên, trong một
mơi trường thực tế, tín hiệu phát trong bộ tuần hoàn bắt đầu từ chuỗi phát đến ăng-ten có
thể ảnh hưởng đến các tín hiệu nhận được ở chuỗi thu, tạo ra nhiễu nội [4]. Trong trường
hợp có trạm chuyển tiếp, các ăng-ten thường đặt giáp lưng với nhau. Hơn nữa, người ta


9
có thể áp dụng kỹ thuật như bẫy sóng (một loạt các mạch lọc loại sóng ở tần số nhất
định) [6] để mở rộng cách ly chuyển tiếp bằng cách kết nối các đường truyền cộng hưởng
ngắn mạch để giảm âm tần khơng thích hợp gây ra nhiễu.
Trong truyền thơng khơng dây, nhiều ăng-ten có thể được sử dụng để cải thiện hiệu
suất hệ thống bằng cách khai thác các bậc tự do (DoF) trong miền không gian. Tuy
nhiên, bộ tuần hồn khơng thể hỗ trợ nhiều cổng cho nhiều ăng-ten chia sẻ vì những hạn
chế về phần cứng. Cịn khi có nhiều bộ tuần hồn được trang bị để cho phép sử dụng
nhiều anten thì xảy ra sự giao thoa nghiêm trọng giữa nhiều anten chia sẻ dẫn đến tình
trạng thắt cổ chai, ảnh hưởng đến tính khả thi của hệ thống IBFD.
 IBFD với thiết kế ăng-ten tách rời

Hình 1.4. IBFD với thiết kế ăng-ten tách rời.
Thiết kế ăng-ten tách rời là việc sử dụng nhiều ăng ten khác nhau để truyền và nhận,
như thể hiện trong hình 1.4. Thiết kế này được sử dụng để giảm thiểu nhiễu nội bởi sự
suy hao tổn thất đường truyền, tăng khoảng cách ăng-ten để đồng thời tăng suy hao,
hoặc bằng cách đặt vật liệu hấp thụ vào giữa chúng. Tuy nhiên, cách tiếp cận này bị hạn

chế bởi thiết kế đầu cuối phức tạp, một vấn đề đóng vai trị nghiêm trọng và quan trọng
trong các sản phẩm thương mại ngày nay. Phân cực chéo cũng là giải pháp thú vị để
tách rời ăng-ten và cải thiện sự giảm thiểu nhiễu; tức là một tín hiệu theo phân cực sóng
đứng và một tín hiệu khác theo phân cực sóng ngang trong cùng thời gian và tần số, khi
cải hai tín hiệu đó cùng sử dụng cả hai phân cực thì thông lượng của hệ thống sẽ tăng
lên một cách đáng kể. Một giải pháp khác là khai thác mơ hình bức xạ ăng-ten, tức là
đặt các ăng-ten thu một cách cẩn trọng vào các điểm không bức xạ của mảng anten phát.
Hệ thống IBFD tồn tại tín hiệu quay vịng hay còn gọi là nhiễu nội (SI), gây ra bởi
các tín hiệu rị rỉ từ trạm phát vào trạm nhận của nó. Tín hiệu SI bao gồm nhiễu trực tiếp
và nhiễu phản xạ như trong hình 1.3 và 1.4 [4]. Nhiễu trực tiếp có thể là các tín hiệu bị
rị rỉ từ bộ tuần hồn như trong hình 1.3 hoặc các thành phần nhìn thẳng (LOS) của các
tín hiệu phát từ các ăng-ten phát như trong hình 1.4. Nhiễu phản xạ là do tổng hợp các
thành phần khơng nhìn thắng (NLOS) của tín hiệu phát từ việc truyền qua nhiều đường
dẫn bị tắc nghẽn một phần, thường là các vật chắn như tịa nhà, cây cối, và đồi. Ví dụ


10
trong một hệ thống Wi-Fi, khoảng cách giữa ăng-ten phát và ăng-ten thu tại mỗi trạm
ngắn nên công suất của nhiễu nội là khoảng 104 dB, lớn hơn nhiều so với cơng suất của
tín hiệu mong muốn [3]. Do vậy, việc tìm các kỹ thuật để triệt nhiễu nội một cách hiệu
quả nhất là một trong những thách thức quan trọng để thực hiện khả thi truyền thông
song công trong các hệ thống truyền thông không dây tương lai.
1.2.3.2. Miền tương tự
Các mạch tương tự trong miền tương tự có chức năng giảm thiểu nhiễu nội và là
thành phần quan trọng trong hệ thống IBFD. Các mạch này được đặt trước bộ chuyển
đổi tương tự sang số (ADC) và hoạt động trên cả băng tần gốc hoặc băng tần rộng nhận
được. Ý tưởng chính là để theo dõi tín hiệu nhiễu và trừ nó khỏi tín hiệu nhận được bằng
các phương pháp xử lý điện tử trong miền tương tự. Hơn nữa, nó cũng có thể ảnh hưởng
lên tín hiệu phát trong miền số, sử dụng hiệu ứng kênh nhiễu bằng các phương pháp
điều chỉnh độ lợi và pha của nhiễu rồi chuyển nó trở lại miền tương tự để thực hiện trừ

nó khỏi tín hiệu nhận được [7].
Với miền lan truyền, một số mạch tương tự không thể theo dõi được sự biến đổi
kênh trong điều kiện môi trường có sự phân tán nhiều, do các mạch khơng ý thức kênh
chỉ tập trung vào việc ngăn chặn nhiễu nội trực tiếp. Tuy nhiên, quá trình xử lý tương tự
lại có các mạch ý thức kênh, có khả năng theo dõi sự biến đổi kênh, do đó tăng hiệu quả
giảm thiểu nhiễu nội. Với cả hai trường hợp đều bao gồm một đường trễ bị trì hỗn với
biên độ và hiệu chỉnh pha. Đối với trường hợp đầu tiên, mạch được hiệu chỉnh một lần
lúc trước khi hoạt động. Đối với trường hợp thứ hai, việc điều chỉnh diễn ra liên tục giúp
theo dõi các biến đổi kênh. Theo lý thuyết, các kênh di động thường được lựa chọn tần
số do có các tín hiệu đa đường mong muốn ở máy thu. Đối với hầu hết các hệ thống hiện
tại, điều cần thiết là phải có thuộc tính kênh này để khai thác sự đa dạng không gian.
1.2.3.3. Miền xử lý tín hiệu số
Các kỹ thuật xử lý tín hiệu kỹ thuật số sẽ triệt tiêu nhiễu nội bằng cách áp dụng các
xử lý tín hiệu mạnh mẽ và phức tạp trong miền số (sau hệ thống chuyển đổi tương tự
sang số). Trong miền số, các kỹ thuật lọc tinh vi được áp dụng mà không cần nỗ lực lớn
(đặc biệt là với sự xuất hiện gần đây của các mạch xử lý tín hiệu số mạnh mẽ). Tuy
nhiên, quá trình này chỉ có thể thực hiện được nếu hai q trình ở trên được thực hiện
thành cơng, vì dải động ADC có thể giới hạn số lượng nhiễu cho phép [8]. Trong lý
thuyết, người ta thường nói rằng quá trình xử lý tín hiệu số được thực hiện trên nhiễu
nội thặng dư và hoạt động như bộ lọc tín hiệu tốt.
Khơng giống như q trình lan truyền và tương tự, khơng có một tiêu chuẩn kỹ thuật
nào được sử dụng trong lĩnh vực miền số. Lĩnh vực nghiên cứu này đang phát triển và
chiếm nhiều bút giấy tờ trong những năm gần đây về việc đề xuất các quan điểm và cách
giải quyết mới đối với nhiễu. Điều quan trọng nhất trong q trình này là mơ hình chuỗi
kênh từ máy phát chuyển đổi số sang tương tự đến máy thu chuyển đổi tương tự sang
số, do đó lọc sẽ hiệu quả hơn. Sau đó có thể thực hiện định hướng chùm tín hiệu truyền


11
đi, tối ưu sự kiểm soát và phân bổ năng lượng, lựa chọn ăng ten, các phép chiếu không

gian rỗng và các bộ lọc ước lượng bình phương tối thiểu (MMSE) [9] ...
1.2.4. Các mơ hình cơ bản của mạng truyền dẫn song cơng
Hệ thống IBFD có 03 mơ hình cơ bản, mỗi mơ hình giả định rằng các trạm sử dụng
song cơng và bán song cơng có thể được trang bị nhiều ăng-ten và số lượng ăng ten trên
mỗi trạm có thể khác nhau.
1.2.4.1. Mạng truyền dẫn song cơng hai chiều

Nút IBFD a

Nút IBFD b

..
.
..
.

(liên kết)ab

(liên kết)ba

..
.
..
.

Nút IBFD r

(liên kết) rd

.

..

.
..

.
..

(liên kết) sr

.
..

Hình 1.5. Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng hai chiều
Trong hình 1.5, mơ hình hai chiều gồm hai trạm a và b muốn trao đổi tín hiệu với
nhau để giao tiếp hai chiều. Gọi các đường truyền từ trạm a đến
trạm b như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 và từ trạm b đến trạm a là (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 . Với truyền dẫn bán
song cơng thì (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑎𝑏 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑏𝑎 sử dụng tài nguyên thời gian hay tần số riêng
biệt cho truyền trực giao, điều này có thể làm giảm hiệu quả phổ tần. Trong khi với
truyền dẫn IBFD, các cặp trạm có thể truyền và nhận các tín hiệu đồng thời với một dải
tần số duy nhất, do đó về mặt lý thuyết có thể tăng gấp đơi hiệu suất phổ tần so với
truyền dẫn bán song công.
1.2.4.2. Mạng truyền dẫn song cơng chuyển tiếp

Nút HD d

Hình 1.6. Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng chuyển tiếp
Mơ hình tiếp theo là mơ hình chuyển tiếp được thể hiện như trong hình 1.6. Truyền
dẫn chuyển tiếp thường bao gồm ba loại trạm, một trạm nguồn s, một trạm chuyển tiếp

12
r và một trạm đích d. Mỗi trạm nguồn muốn phát tín hiệu dữ liệu của nó đến trạm đích
tương ứng thông qua trạm chuyển tiếp được chọn. Đặt các đường truyền
từ s đến r như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và từ r đến d như (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 . Với truyền dẫn bán song
cơng thì (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 sử dụng nguồn tài nguyên riêng biệt, các trạm
nguồn và trạm chuyển tiếp truyền tín hiệu dữ liệu theo thời gian hoặc tần số khác
nhau. Còn với truyền dẫn IBFD, các trạm nguồn và trạm chuyển tiếp đồng thời truyền
tín hiệu của chúng thông qua (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 bằng cách sử dụng cùng băng
tần số. Tùy thuộc vào loại chuyển tiếp như khuếch đại-chuyển tiếp (AF) hay giải mãchuyển tiếp (DF), mơ hình chuyển tiếp có thể được mở rộng đến một mơ hình truyền
thơng tổng thể nơi mà tín hiệu dữ liệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟 và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 khác nhau cho
mỗi loại. Với hệ thống chuyển tiếp AF, trạm chuyển tiếp chuyển tiếp tín hiệu nhận được
tới trạm đích theo thời gian thực mà không xử lý và các tín hiệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟
và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 là giống nhau. Mặt khác, với hệ thống chuyển tiếp DF, tín hiệu được
giải mã tại trạm chuyển tiếp rồi mới chuyển tiếp nên các tín hiệu trong (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑠𝑟
và (𝑙𝑖ê𝑛 𝑘ế𝑡)𝑟𝑑 là khác nhau. Do đó, hệ thống chuyển tiếp DF có thể được mở rộng đến
mơ hình chung nơi mà trạm nguồn và trạm chuyển tiếp có các trạm đích khác nhau.
1.2.4.3. Mạng truyền dẫn song công di động

.
..

.
..

Trạm gốc IBFD

đường lên

đường lên

.
..

.
..

.
..

Các nút HD

.
..

đường xuống

Nút IBFD

Hình 1.7. Mơ hình mạng truyền dẫn song cơng di động
Hình 1.7 mơ tả mơ hình di động, trong đó bao gồm một trạm gốc (BS) và nhiều trạm
di động (MS). Trong mơ hình này có hai loại đường truyền dữ liệu là đường lên và
đường xuống, trong đó mỗi trạm di động truyền tín hiệu dữ liệu đến một trạm gốc gọi


13
là đường lên và một trạm gốc truyền tín hiệu dữ liệu cho nhiều trạm di động gọi là đường
xuống. Với truyền dẫn bán song công, các kênh đường lên và đường xuống được vận
hành trực tiếp với kỹ thuật song công phân chia theo thời gian hoặc tần số. Cịn với
truyền dẫn IBFD, nhiều trạm di động có thể đồng thời truy cập vào trạm gốc trên cùng

một dải phổ tần, nghĩa là đồng thời truyền và nhận các tín hiệu dữ liệu với trạm gốc sử
dụng các kênh đường lên và đường xuống, trong khi trạm di động trong truyền dẫn bán
song cơng chỉ có thể truy cập trạm gốc thông qua đường lên hoặc đường xuống.
1.3. Các phương pháp khử nhiễu nội tiên tiến
1.3.1. Nghiên cứu về đầu cuối vô tuyến
Trong vài năm gần đây, một số thiết bị đầu cuối IBFD đã được phát triển trong giới
học viện, chủ yếu là tại Đại học Stanford và Đại học Rice. Các nhóm nghiên cứu này
chủ yếu tập trung vào việc thực hiện hệ thống thực tế, hơn là nghiên cứu các kỹ thuật
xử lý tín hiệu số. Một số công việc của họ là xem xét các đặc tính quan trọng nhiễu, sẽ
được trình bày chi tiết dưới đây.
Một trong những phương pháp đầu tiên đề xuất để giảm nhiễu nội là sử dụng ăng
ten tách rời cùng với mạch tương tự khử nhiễu và một số xử lý tín hiệu số. Melissa
Duarte và Ashutosh Sabharwal, từ Đại học Rice, cho thấy trên lý thuyết rằng các hệ
thống song cơng với những đặc tính này có thể vượt trội hơn nhiều so với hệ thống bán
song công [7]. Họ cũng tập trung vào mô tả hệ thống song công không dây với ăng-ten
khử tương tự và số, cũng như nghiên cứu các kỹ thuật lan truyền để giảm thiểu nhiễu
nội.
Nhóm nghiên cứu từ Đại học Stanford cơng bố bài báo đầu tiên của họ vào năm
2010 [10]. Họ tiến hành một kế hoạch khử ăng-ten, bao gồm sự kết hợp của việc đặt
ăng-ten đúng vị trí (trong miền lan truyền) và sự khử nhiễu trong miền tương tự và số.
Phương pháp hai ăng-ten phát được tách ra từ một ăng-ten nhận được đề xuất, để giảm
đi nhiễu ở ăng-ten nhận. Tuy nhiên, phương pháp này có thể có các ràng buộc về băng
thơng, vì nó tạo ra một kênh chọn lọc tần số (sự khử chỉ đạt được ở tần số sóng mang)
và với sự phân bổ năng lượng từ xa, bằng cách làm nhiễu loạn dạng bức xạ ăng-ten. Mặc
dù vậy, bài báo cho rằng sự kết hợp việc khử nhiễu tương tự và số có thể làm cho hệ
thống IBFD khả thi. Trong một công trình khác [11], người ta lập luận rằng sử dụng hệ
thống MIMO 𝑁 × 𝑁 có thể tăng N lần thông lượng của hệ thống, trong khi việc sử
dụng song cơng chỉ tăng gấp đơi do đó lợi ích đạt được khi sử dụng song cơng có thể là
sai lầm. Sau đó đề xuất sử dụng mạch “balun” (một thiết bị kết nối một tín hiệu cân bằng
và một tín hiệu khơng cân bằng, tương tự như chất phóng xạ) trong miền lan truyền, cho

phép sử dụng cùng một ăng-ten để truyền và nhận. Thành phần này tạo ra một bản sao
nghịch đảo hồn hảo của tín hiệu phát rồi sau đó được trừ đi (nghich đảo tín hiệu), làm
cho suy hao giảm thêm 40 – 50dB. Ước lượng kênh trong miền số được dử dụng khử
hoàn toàn nhiễu nội chính và nhiễu nội thặng dư. Tuy nhiên, cách tiếp cận này đòi hỏi


14
độ trễ với độ phân giải cao và sự suy hao khi qua mạch “balun” làm cho chất lượng hệ
thống khơng được đảm bảo.
Gần đây, một nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Stanford đã đưa ra một hệ thống
IBFD cho vô tuyến Wi-Fi [4]. Ăng-ten cùng được sử dụng để truyền và nhận trong đề
xuất này được trang bị mạch tuần hoàn. Họ cũng đề xuất các mạch và các thuật toán về
nhiễu nội mới, đạt được độ suy giảm 100dB trên tiêu chuẩn Wi-Fi. Thứ nhất, một mạch
khử tương tự dựa trên các đường cố định song song với các độ trễ khác nhau tạo ra hiệu
ứng kênh và có được sự suy giảm 60dB nhiễu nội. Thứ hai, quá trình xử lý số được sử
dụng để làm sạch nhiễu nội thặng dư. Thành phần tuyến tính tín hiệu được ước tính bằng
phương pháp cực đại (ML) tạo ra sự suy giảm thêm 50dB rồi sau đó ước lượng thành
phần khơng tuyến tính cịn lại. Bài báo này là bước đi đầu tiên và là nền tảng quan trọng
cho các giải pháp truyền thông vô tuyến song công sau này
1.3.2. Truyền thông qua các trạm chuyển tiếp
Việc sử dụng các trạm chuyển tiếp không dây là để ngăn chặn hiệu ứng che khuất
(shadowing), mở rộng phạm vi phủ sóng mạng và tăng cường tối đa thông lượng. Ngày
nay, mạng truyền thông vô tuyến đang phát triển rất nhanh, trạm chuyển tiếp có thể được
sử dụng để rút ngắn khoảng cách giữa các người dùng. Ban đầu, các trạm chuyển tiếp
hoạt động ở chế độ bán song công, sử dụng hai kênh truyền khác nhau để truyền và nhận
cùng một thơng tin, gây lãng phí tài ngun phổ tần. Vì lý do đó, trong những năm gần
đây các trạm chuyển tiếp IBFD đã được nghiên cứu, để tăng hiệu quả sử dụng phổ tần.
Tất nhiên, các kỹ thuật giảm thiểu nhiễu nội ở trên cần phải được áp dụng để nhiễu
khơng quay ngược ảnh hưởng tín hiệu thu tại trạm chuyển tiếp. Hình 1.4 cho thấy một
trạm chuyển tiếp IBFD trong mạng truyền thơng có hai bước nhảy với nhiều trạm nguồn

và trạm đích khác nhau.

Hình 1.8. Mơ hình các trạm chuyển tiếp song công.
Taneli Riihonen, Stefan Werner và Risto Wichman [12], từ các trường đại học Aalto
và Tampere, là những người nghiên cứu đầu tiên, tập trung vào xử lý tín hiệu và giả định


15
sự suy giảm nhất định đối với cho miền lan truyền và miền tương tự. Đầu tiên họ đề xuất
một phương pháp khuếch đại-chuyển tiếp (AF) trong phạm vi miền lan truyền và cho
rằng tốt hơn là để tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) giảm đi bằng cách sử dụng chế độ song
cơng hơn là khơng có hiệu quả phổ tần của chế độ bán song công. Trong [13], các tác
giả trình bày một bài báo dựa trên các liên kết truyền dẫn MIMO với sự ngăn chặn nhiễu
nội bằng phương pháp giải mã-chuyển tiếp (DF), có nghĩa là trạm chuyển tiếp sẽ tái tạo
hồn tồn tín hiệu số. Họ giả sử thông tin trạng thái kênh (CSI) tại trạm chuyển tiếp và
sử dụng phương pháp cưỡng bức về không (ZF), được gọi là phép chiếu không gian
(NSP), hoặc ước lượng MMSE để lọc đầu vào và đầu ra của trạm chuyển tiếp. Tuy
nhiên, ước lượng sai lệch của kênh và độ lệch của tín hiệu truyền, gây ra bởi sự suy giảm
tần số vơ tuyến, có thể gây ra các làm giảm hiệu suất của trạm một cách nhanh chóng.
Một sự so sánh giữa ưu điểm của việc sử dụng IBFD và truyền dẫn bán song công được
mô tả trong [14]. Phân tích tỷ lệ đạt được tức thời và dài hạn của mỗi mơ hình, xem xét
bất kỳ giao thức chuyển tiếp và phương pháp khử nhiễu nội. Các tác giả lấy đưa ra biểu
thức có thể đạt được cho các chế độ khuếch đại-chuyển tiếp (AF) và giải mã-chuyển tiếp
(DF), chế độ bán song công, và truyền dẫn trực tiếp, sử dụng công suất truyền dẫn tối
ưu để tối đa hóa cơng suất. Sau đó, một trạm chuyển tiếp lai để chọn chế độ đạt công
suất cao hơn được giới thiệu, bằng cách hiển thị một ngưỡng theo tỷ lệ tín hiệu với nhiễu
(SINR), do đó làm giảm hiệu ứng nhiễu nội trong toàn bộ hệ thống chuyển tiếp.
Trong [9], các tác giả đã khám phá ra kỹ thuật khử nhiễu tiên tiến hơn, sử dụng các
kỹ thuật tần số vô tuyến cơ bản như sự tách rời ăng-ten và sự triệt nhiễu tương tự kết
hợp với các phương pháp giảm thiểu không gian (tận dụng lợi thế của MIMO khai thác

thêm các bậc tự do (DoF)). Thiết kế bộ lọc độc lập, tách rời và chung được đề xuất bởi
các tác giả. Lựa chọn anten cho các kênh fading phức tạp như là sự lựa chọn tạo ra một
tập hợp anten chung cho kênh nhị phân. Sau đó, nó được tiếp tục phát triển để lựa chọn
chùm tia đặc trưng dựa trên phép phân tích giá trị đơn. Phương pháp này thường bị nhiễu
nội thặng dư ngay cả khi khơng có lỗi ước lượng trạng thái kênh. Việc giảm thiểu khơng
gian được trình bày như là một phương pháp có thể loại bỏ hồn tồn nhiễu nội khi xem
đến trạng thái kênh hoàn hảo và có kích thước đầy đủ, nghĩa là có đủ ăng-ten để dự đốn
được nhiễu. Do đó, thiết kế bộ lọc được thực hiện sao cho một trạm chuyển tiếp có thể
truyền và nhận trong các vùng không gian con khác nhau. Một bộ lọc MMSE cũng được
đề xuất để giảm thiểu sự biến dạng và suy hao của nhiễu nội, trong khi vẫn đảm bảo
đường dẫn tín hiệu mong muốn qua trạm. Cuối cùng, một sự kết hợp giữa sự khử nhiễu
và giảm thiểu khơng gian được trình bày. Tuy nhiên, nhược điểm chính của các phương
pháp này là rất nhạy cảm với các lỗi ước lượng của nhiễu nội kênh MIMO. Khi ước
lượng kênh trở nên lớn, hiệu suất của hệ thống sẽ giảm nhanh chóng.
Cơng suất phát chuyển tiếp được tối ưu hóa trong [15], đối với tỷ lệ tổng hợp tồn
trình hệ thống. Các tác giả giả định rằng một bộ lọc điều hướng chùm sóng để giảm
nhiễu và cho thấy rằng dưới dưới những hạn chế về cơng suất đỉnh có một cơng suất