Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu đánh giá và nâng cao phẩm chất hệ thống vô tuyến chuyển tiếp song công trên cùng băng tần - Học viện Kỹ thuật Quân sự

Hệ thống in-band full-duplex (IBFD) vận hành dựa trên cơ chế truyền và nhận đồng thời trong cùng một dải tần. Nút vô tuyến vừa phát tín hiệu công suất lớn, vừa thu tín hiệu mong muốn từ nút đối diện. Khoảng cách vật lý giữa anten phát và anten thu rất gần. Do đó, công suất tín hiệu phát tự tràn sang đầu vào máy thu với mức năng lượng vượt trội. Tín hiệu này trở thành nhiễu tự thân cực mạnh, che lấp hoàn toàn tín hiệu cần thu. Tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR) tại đầu thu bị suy giảm nghiêm trọng nếu không có biện pháp xử lý. Nguyên lý cốt lõi của truyền thông vô tuyến song công cùng băng tần gắn liền với các giải pháp triệt tiêu nguồn can nhiễu cục bộ này.

Cấu trúc mạng chuyển tiếp song công trên cùng băng tần (Full-Duplex Relay - FDR) đóng vai trò then chốt trong việc mở rộng vùng phủ sóng. Hệ thống FDR gồm ba cấu trúc chính: chuyển tiếp một chiều, chuyển tiếp hai chiều và trạm gốc song công. Trong mô hình chuyển tiếp một chiều, nút chuyển tiếp nhận dữ liệu từ nút nguồn và phát tới nút đích trong cùng một khe thời gian. Mô hình chuyển tiếp hai chiều cho phép hai nút đầu cuối trao đổi thông tin song song qua nút trung gian. Các giao thức chuyển tiếp phổ biến gồm khuếch đại chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF) và giải mã chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF). Mỗi cấu trúc mạng đặt ra yêu cầu riêng về quản lý nhiễu tự thân và phân bổ năng lượng.

Truyền dẫn vô tuyến song công cùng băng tần mang lại lợi thế vượt trội về hiệu quả phổ tần (spectral efficiency). Trong các hệ thống bán song công truyền thống, việc truyền và nhận dữ liệu đòi hỏi hai khe thời gian hoặc hai băng tần riêng biệt. Công nghệ IBFD gộp hai quá trình này vào cùng một dải tần duy nhất. Nhờ đó, thông lượng dữ liệu của toàn mạng tăng lên gấp đôi trong điều kiện lý tưởng. Lợi ích này giúp tiết kiệm tài nguyên tần số quý giá, giảm độ trễ truyền gói tin và tối ưu hóa năng lượng mạng vô tuyến. Đây là nền tảng công nghệ quan trọng đáp ứng nhu cầu bùng nổ lưu lượng dữ liệu trong các mạng di động thế hệ mới.

Triệt tiêu tự nhiễu trên miền truyền sóng là tầng bảo vệ đầu tiên của thiết bị IBFD. Kỹ thuật này ngăn chặn năng lượng tín hiệu phát rò rỉ trực tiếp vào anten thu trước khi đi vào mạch xử lý. Các giải pháp chính gồm tăng khoảng cách vật lý giữa anten phát và thu, sử dụng vật liệu hấp thụ sóng và bố trí phân cực chéo. Ngoài ra, kỹ thuật tạo búp sóng (beamforming) giúp điều chỉnh búp sóng anten phát hướng ra xa anten thu. Thiết kế mạch cách ly anten cũng mang lại hiệu quả suy hao đáng kể. Tầng truyền sóng có thể triệt tiêu từ 20 dB đến 45 dB công suất nhiễu tự thân, bảo vệ các linh kiện nhạy cảm ở đầu vào máy thu.

Sau miền truyền sóng, tín hiệu tiếp tục qua hai tầng xử lý: miền tương tự và miền số. Miền tương tự lấy mẫu tín hiệu phát, ước lượng kênh truyền nhiễu rồi tạo tín hiệu bù pha để loại bỏ nhiễu trước bộ ADC. Tầng này giúp triệt tiêu thêm từ 30 dB đến 45 dB nhiễu tự thân. Tầng số (DSP) xử lý lượng nhiễu còn sót lại sau khi tín hiệu đã được số hóa. Bộ xử lý số sử dụng các thuật toán ước lượng phi tuyến để khử các thành phần méo dạng và xuyên điều chế. Sự kết hợp giữa triệt tiêu tự nhiễu miền tương tự và miền số giúp hệ thống vô tuyến song công cùng băng tần đạt độ suy hao tổng cộng trên 100 dB.

Mặc dù áp dụng nhiều cấp triệt tiêu tự nhiễu, hệ thống vẫn tồn tại nhiễu tự thân tồn dư (Residual Self-Interference - RSI). Nguyên nhân chính xuất phát từ sai số ước lượng kênh truyền, nhiễu pha bộ dao động và méo phi tuyến từ bộ khuếch đại công suất. RSI đóng vai trò như một nguồn tạp âm cộng tính bổ sung trong máy thu. Nguồn nhiễu này làm suy giảm nghiêm trọng tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR). Khi công suất phát tăng cao, RSI tăng theo tuyến tính, tạo ra hiện tượng bão hòa thông lượng mạng. Do đó, việc mô hình hóa chính xác RSI là yêu cầu bắt buộc khi đánh giá phẩm chất hệ thống vô tuyến song công.

Trong nhiều kịch bản thực tế, nút đích nhận đồng thời tín hiệu từ nút chuyển tiếp FDR và đường truyền trực tiếp từ nút nguồn. Đường truyền trực tiếp cung cấp độ lợi phân tập không gian quý giá cho hệ thống vô tuyến song công cùng băng tần. Nút đích áp dụng kỹ thuật kết hợp tỷ số cực đại (MRC) hoặc kết hợp lựa chọn (SC) để khôi phục dữ liệu. Sự hiện diện của đường trực tiếp giúp cải thiện đáng kể tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR). Xác suất dừng của toàn hệ thống giảm mạnh tại vùng tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) cao, đồng thời đảm bảo đường truyền liên tục khi kênh chuyển tiếp gặp fading sâu.

Khi khoảng cách truyền quá xa hoặc có vật cản lớn, đường truyền trực tiếp giữa nguồn và đích bị chặn hoàn toàn. Lúc này, toàn bộ quá trình trao đổi dữ liệu phụ thuộc duy nhất vào nút chuyển tiếp in-band full-duplex (FDR). Hệ thống phải đối mặt với nguy cơ nghẽn cổ chai tại nút trung gian do nhiễu tự thân tích tụ. Phân tích giải tích chỉ ra rằng xác suất dừng của hệ thống phụ thuộc chặt chẽ vào hệ số kênh can nhiễu RSI. Thông lượng của mạng có xu hướng đạt ngưỡng bão hòa nếu công suất phát của nút nguồn và nút chuyển tiếp không được cân bằng hợp lý. Các biểu thức tích lũy CDF đóng vai trò cốt lõi để xác định chính xác hiệu năng mạng.

Để khai thác tối đa hiệu năng mạng vô tuyến song công cùng băng tần, việc tối ưu hóa mức công suất phát là giải pháp then chốt. Việc tăng công suất phát tại nút chuyển tiếp vừa khuếch đại tín hiệu hữu ích, vừa làm tăng cường độ nhiễu tự thân quay lại đầu thu. Do đó, bài toán tối ưu công suất được xây dựng nhằm tối đa hóa tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR) tại các đầu thu. Thuật toán phân bổ công suất tối ưu tìm ra điểm cân bằng giữa công suất nút nguồn và nút chuyển tiếp. Kết quả mô phỏng Monte Carlo khẳng định thuật toán giúp giảm xác suất dừng xuống mức tối thiểu và nâng cao đáng kể thông lượng truyền dẫn.

Khiếm khuyết phần cứng (HI) tạo ra tạp âm méo dạng tỷ lệ thuận với công suất phát và thu của tín hiệu. Trong hệ thống in-band full-duplex, HI làm giảm hiệu quả của các mạch triệt tiêu tự nhiễu, khiến mức RSI tăng cao. Cả hai yếu tố này đồng thời làm suy giảm tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR) tức thời tại các nút mạng. Phân tích lý thuyết chứng minh rằng tồn tại một sàn lỗi (error floor) và ngưỡng bão hòa xác suất dừng không thể vượt qua nếu chỉ tăng công suất phát thông thường. Hiện tượng này làm thui chột ưu thế tăng hiệu quả phổ tần của công nghệ IBFD nếu không có chiến lược bù sai số thích hợp.

Đối với hệ thống chuyển tiếp khuếch đại AF-FDR một chiều có khiếm khuyết phần cứng, bài toán phân bổ công suất đòi hỏi sự can thiệp đa biến. Thuật toán tối ưu thiết lập hệ số khuếch đại thích nghi tại nút chuyển tiếp dựa trên thông tin trạng thái kênh truyền (CSI). Bằng cách kiểm soát chặt chẽ công suất phát của nguồn và rơ-le, thuật toán hạn chế tối đa mức méo do HI và năng lượng của nhiễu tự thân. Kết quả nghiên cứu cho thấy chiến lược phân bổ công suất tối ưu giúp cải thiện tỷ số SINR đầu cuối từ 3 dB đến 5 dB so với phương pháp cấp phát công suất cố định truyền thống.

Mô hình chuyển tiếp hai chiều AF-FDR cho phép hai nút đầu cuối truyền dữ liệu đồng thời qua nút rơ-le trung gian. Cấu trúc này làm tăng gấp đôi độ phức tạp vì xuất hiện can nhiễu tự thân tại cả ba nút mạng cùng lúc. Bài toán tối ưu hóa công suất trong trường hợp này nhằm cực đại hóa tổng dung lượng truyền dẫn hai chiều hoặc giảm thiểu xác suất dừng tổng thể. Giải thuật đề xuất tính toán phân bổ công suất động giữa hai nút nguồn và nút rơ-le dưới ràng buộc tổng công suất phát. Phương pháp này bảo đảm cân bằng tỷ số SINR trên cả hai hướng truyền, nâng cao rõ rệt hiệu quả phổ tần cho toàn mạng.

Xác suất dừng (outage probability) là thước đo độ tin cậy kết nối trong môi trường kênh truyền fading Rayleigh. Chỉ số này phản ánh khả năng tỷ số tín hiệu trên can nhiễu và tạp âm (SINR) tức thời rơi xuống dưới ngưỡng giải mã yêu cầu. Đồ thị phân tích cho thấy việc áp dụng các thuật toán tối ưu công suất giúp dịch chuyển đường cong xác suất dừng về phía vùng SNR thấp hơn. Đồng thời, tỷ số SINR duy trì ổn định ngay cả trong điều kiện phần cứng không lý tưởng và có nhiễu tự thân tồn dư. Điều này khẳng định độ tin cậy vượt bậc của các giải pháp kỹ thuật được đề xuất trong luận án.

Hiệu quả phổ tần (spectral efficiency) và xác suất lỗi ký hiệu (SER/BER) là hai tiêu chí quan trọng đánh giá tốc độ và độ chính xác của truyền thông vô tuyến. Hệ thống vô tuyến song công cùng băng tần đạt hiệu quả phổ tần tiệm cận gấp đôi so với hệ thống bán song công HD khi mức triệt tiêu tự nhiễu đạt trên 100 dB. Bên cạnh đó, đường cong tỷ lệ lỗi bit suy giảm tuyến tính theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm mà không bị xuất hiện sàn lỗi sớm. Các phân tích định lượng này cung cấp bức tranh hoàn chỉnh về sự đánh đổi giữa hiệu năng và độ phức tạp phần cứng trong thực tế triển khai.

Công nghệ in-band full-duplex (IBFD) mở ra triển vọng to lớn cho các hệ thống mạng 5G, 6G và mạng truyền thông vạn vật (IoT). Khả năng truyền nhận đồng thời trên cùng dải tần giúp giải quyết triệt để tình trạng khan hiếm tài nguyên phổ vô tuyến. Các hướng nghiên cứu mở rộng bao gồm tích hợp IBFD với kỹ thuật vô tuyến thông minh (Cognitive Radio), hệ thống đa anten cực lớn (Massive MIMO) và bề mặt phản xạ thông minh (RIS). Hơn nữa, việc ứng dụng IBFD vào các mạng thu thập năng lượng vô tuyến (EH) hứa hẹn tạo nên những bước đột phá mới về hiệu suất năng lượng và độ trễ siêu thấp cho mạng viễn thông.