Các gói tin lớp mạng hiện tại tuân theo chế độ ‘‘header + payload’’ cố định, được ngăn cách với các yêu cầu của các ứng dụng cao hơn. Để hỗ trợ các ứng dụng phong phú trong tương lai và cung cấp các dịch vụ mạng khác biệt, siêu dữ liệu và các lệnh do nhà thiết kế ứng dụng xác định có thể trở thành thành phần quan trọng của giao thức IP mới. Các trường giao thức như vậy có thể bao gồm số nhận dạng của các thực thể giao tiếp thực và thông tin về trạng thái luồng, yêu cầu của ứng dụng, số liệu đo lường mạng và chi tiết bảo mật. Lý tưởng nhất, các chức năng mạng có thể nhận thức được định dạng gói dự kiến và thực hiện các chính sách linh hoạt dựa trên siêu dữ liệu và lệnh. Với sự hỗ trợ của thông tin bổ sung từ lớp trên, các chiến lược định tuyến và chuyển tiếp sẽ hiệu quả và trực tiếp.
1.3. Kết luận chương
Tầm nhìn 6G rất thú vị và các cơng nghệ ứng cử viên chính của 6G cũng đầy thách thức. Mạng 6G cuối cùng sẽ cung cấp tốc độ terabit mỗi giây, hỗ trợ trung bình hơn 1000 nút không dây cho mỗi người trong 10 năm (từ 2030) và cung cấp kết nối ba chiều tức thì bất cứ thời gian nào và bất cứ nơi đâu. Tương lai sẽ là một xã hội hồn tồn theo hướng dữ liệu, trong đó con người và vạn vật được kết nối tồn cầu, gần như tức thời (mi-li giây) để tạo thành một thế giới hiện đại được kết nối hoàn chỉnh đến
CHƯƠNG 2: KĨ THUẬT ĐIỀU CHẾ CHỈ MỤC
2.1. Đặt vấn đề
Sự gia tăng bùng nổ của các dịch vụ dữ liệu di động và việc sử dụng điện thoại thông minh đòi hỏi mạng 6G phải hỗ trợ hiệu suất phổ tần cao hơn (Spectral Efficiency), hiệu quả năng lượng cao hơn (Energy Efficiency) và tính di động cao hơn. Rất tiếc, các kỹ thuật điều chế hiện đang được sử dụng dựa trên ghép kênh phân chia theo tần số trực giao đa đầu vào-đa đầu ra (MIMO-OFDM) không đủ đáp ứng các yêu cầu 6G như vậy. MIMO thơng thường có thể đạt được hiệu suất phổ tần cao với một lượng ăng-ten lớn, nhưng đã làm tổn hại đến hiệu quả năng lượng do mức tiêu thụ điện của một số lượng lớn các chuỗi RF. Điều chế OFDM dễ bị nhiễu giữa các sóng mang do Doppler gây ra (ICI). Tỷ lệ cơng suất đỉnh trên trung bình (PAPR) cao vốn có của nó cũng địi hỏi các bộ khuếch đại cơng suất đắt tiền. Do đó rất cần những kỹ thuật điều chế tiên tiến mới lạ. Vì vậy, các kỹ thuật điều chế chỉ mục (index modulation) mới nổi gần đây nổi lên như một ứng cử viên đầy hứa hẹn có tiềm năng đáp ứng các yêu cầu 6G.
2.2. Khái niệm và nguyên tắc hoạt động của điều chế chỉ mục
Điều chế chỉ mục là kĩ thuật mới để truyền các bít thơng tin được ánh xạ tới các chỉ số của thời gian, tần số và tài nguyên truyền tải trong khơng gian, ngồi các chịm sao PSK/QAM cổ điển. Mơ hình hệ thống tổng quát của IM được mơ tả như trong Hình 2.1, luồng bít thơng tin được ánh xạ lần đầu tiên tới một véc-tơ bít chung. Sau đó véc-tơ này được phân vùng thành hai véc-tơ con, cụ thể là các bít chỉ mục và các bít cổ điển, được sử dụng để chọn một đường truyền chỉ số tài nguyên duy nhất và được ánh xạ tới một kí hiệu PSK/QAM tương ứng. Dựa trên quá trình này, véc-tơ bít chung được ánh xạ tới một véc-tơ/ma trận IM cho việc truyền dẫn.
So sánh với các phương pháp điều chế/truyền dẫn cổ điển, IM có thể được xem như là:
• Một sơ đồ điều chế hỗn hợp đa chiều mới, khám phá các chỉ số của tài nguyên đường truyền như là những khía cạnh bổ xung, ngồi PSK/QAM.
• Một thiết kế chòm sao bất quy tắc mới, biểu đồ chòm sao được cấu thành bởi các phiên bản tỉ lệ của các phản hồi kênh có giá trị phức tạp. Các chịm sao kết quả có xu hướng khơng đều và có giá trị liên tục.
Hình 2.1: (1) Mơ hình cơ bản, (2) Các loại chỉ mục, (3) các ứng dụng của IM [7]
Với lượng tài nguyên truyền tải phong phú, chúng ta có thể có các loại chỉ mục khác nhau như chỉ số của ăng-ten trong miền khơng gian, chỉ số của sóng mang trong miền tần số, hoặc cũng có thể có sự kết hợp của đa chỉ số (hybrid index).v.v. Tuy nhiên, với sự phát triển của các hệ thống ăng-ten MIMO đối với từng thế hệ mạng di động, hay sự hiệu quả của OFDM trong việc điều chế thì điều chế chỉ mục cho ăng-ten phát và điều chế chỉ mục cho sóng mang con OFDM đang được kì vọng hơn bao giờ hết.
2.3. Các ứng dụng của điều chế chỉ mục
Nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ dữ liệu cao hơn, chất lượng dịch vụ tốt hơn, hồn tồn di động và kết nối khơng dây đã dẫn dắt các nhà nghiên cứu tìm kiếm các giải pháp mới ngồi hệ thống khơng dây đã có. Các mục tiêu đầy tham vọng đặt ra cho mạng khơng dây 6G địi hỏi những thay đổi đáng kể trong thiết kế các lớp khác nhau cho các hệ thống thông tin liên lạc thế hệ tiếp theo. Trong phần này, tôi đề cập đến tiềm năng và triển khai các kỹ thuật điều chế chỉ mục IM cho MIMO và truyền thơng đa sóng mang, hệ thống được mong đợi là công nghệ quan trọng cho hệ thống 6G. Cụ
thể, tôi sẽ tập chung vào hai ứng dụng đầy hứa hẹn của IM: điều chế không gian (Spatial Modulation) và ghép kênh phân chia theo tần số trực giao với IM (OFDM- IM), đồng thời phần dưới đây cũng sẽ thảo luận về những tiến bộ gần đây và hướng nghiên cứu trong tương lai trong công nghệ IM đối với quang phổ và mạng không dây tiết kiệm năng lượng.
2.3.1. Điều chế chỉ mục cho ăng-ten phát: Điều chế không gian (Spatial Modulation) Modulation)
2.3.1.1. Khái niệm và nguyên tắc hoạt động
SM là một cách mới để truyền thông tin bằng các chỉ số của ăng-ten phát của một hệ thống MIMO ngồi các chịm sao tín hiệu M-ary thơng thường. Ngược lại với thông thường, các hệ thống MIMO dựa vào ghép kênh không gian để tăng tốc độ dữ liệu để cải thiện hiệu suất lỗi, nhiều ăng-ten phát của hệ thống MIMO được sử dụng cho những mục đích khác nhau trong hệ thống SM. Cụ thể hơn, có hai đơn vị mang thông tin trong SM: chỉ số ăng-ten phát và những kí hiệu chịm sao M-ary. Tổng cộng có:
log2(nT) + log2(M)
bít đi vào máy phát của hệ thống SM như được thấy từ Hình 2.2, trong đó nT và nR biểu thị số của ăng-ten phát và ăng-ten thu ương ứng và M là kích thước chịm sao tín hiệu được xem xét, chẳng hạn như khóa dịch pha M-ary (M-PSK) hoặc điều chế biên độ vng góc M-ary (M-QAM). Chuỗi bit có chiều dài log2(M) được sử dụng để điều
chế pha hoặc biên độ của tín hiệu sóng mang theo cách truyền thống, trong khi duy trì
log2(nT) bít của chuỗi bít cịn lại được dành riêng cho việc lựa chọn chỉ số (Index) của
ăng-ten phát hoạt động thực hiện việc truyền các tín hiệu điều chế tương ứng.
Máy thu tín hiệu của SM có hai nhiệm vụ chính cần thực hiện: phát hiện ăng- ten phát hoạt động để giải điều chế các bít chọn chỉ mục và phát kiện kí hiệu dữ liệu được truyền qua ăng-ten phát được kích hoạt để giải điều chế các bít được ánh xạ tới chịm sao tín hiệu M-ary.
Bộ tách sóng khả năng tối đa (ML) của SM phải được thực hiện một cuộc tìm kiếm chung tất cả các ăng-ten phát và chịm sao kí hiệu để thực hiện hai nhiệm vụ này. Nói cách khác, bộ tách sóng ML sử dụng cho tất cả ăng-ten phát để tìm ăng-ten phát hoạt động bằng cách so sánh các mức số liệu quyết định tối thiểu (m1, m2,… , mnT). Mặt khác, công cụ phát hiện mức tối thiểu ban đầu của các SM với hai nhiệm vụ đã nói ở trên, thứ nhất, nó xác định ăng-ten phát được kích hoạt, thứ hai, nó tìm kí hiệu dữ liệu được truyền qua ăng-ten này. Do đó, kích thước của khơng gian tìm kiếm trở thành nTx M và nT+ M cho bộ tách sóng ML và dưới mức tối ưu tương ứng.
Hệ thống SM cung cấp những lợi thế quan trọng thông qua hệ thống MIMO cổ điển [3]. Những lợi ích chính của SM thơng qua hệ thống MIMO cổ điển có thể được tóm tắt như sau:
• Thiết kế máy thu đơn giản: Vì chỉ một ăng-ten phát duy nhất được kích hoạt, chuỗi tần số vơ tuyến duy nhất (RF) có thể xử lí việc truyền tải cho hệ thống SM. Trong khi đó, đồng bộ hóa giữa các ăng-ten (IAS) và nhiễu liên kênh (ICI) được loại bỏ hoàn toàn. Sự phức tạp trong việc giải mã ở phía máy thu, xét về tổng số phép nhân được thực hiện, tăng tuyến tính với kích thước chịm sao và số lượng ăng-ten phát.
• Hoạt động với hệ thống MIMO linh hoạt: SM không hạn chế số lượng ăng- ten nhận như lược đồ V-BLAST, yêu cầu nR>nT để hoạt động với bộ tách sóng sai số bình phương trung bình tối thiểu MMSE (Minimum Mean Square Error).
• Hiệu quả phổ cao: vì sử dụng chỉ số của ăng-ten như là nguồn thông tin bổ sung, hiệu quả phổ của SM là cao hơn so với đơn đầu vào đơn đầu ra (SISO) và hệ thống STC trực giao.
• Hiệu quả năng lượng cao: công suất tiêu thụ bởi máy phát SM không phụ thuộc vào số lượng ăng-ten phát trong khi thơng tin có thể vẫn được truyền qua những ăng-ten này. Do đó SM xuất hiện như một cơng nghệ MIMO xanh và tiết kiệm năng lượng.
Hình 2.2: Sơ đồ khối của bộ thu phát SM cho hệ thống MIMO 𝑛𝑇 × 𝑛𝑅 [7]
Trong Hình 2.2, 𝑛𝑇 là số ăng-ten phát, 𝑛𝑅 là số ăng-ten thu, s (hoặc 𝑠̂) và I
tương ứng và 𝑚𝑛, n = 1, 2 ,. . . , 𝑛𝑇 là số liệu tối thiểu được cung cấp bởi bộ tách sóng SIMO ML thứ n. [13]
Ví dụ, giả sử một hệ thống MIMO nT x nR hoạt động ở hiệu suất phổ cố định, SM đạt được việc giảm 200(nT − 1)/(2nT+ 1)% sự phức tạp trong việc tách sóng ML
so với V-BLAST do kích hoạt một ăng-ten phát duy nhất. Hơn nữa cấu trúc thưa thớt của các véc-tơ truyền dẫn cho phép thực hiện một số các phương pháp tách sóng độ phức tạp thấp cho các hệ thống SM chẳng hạn như tách sóng dựa trên bộ lọc phù hợp và tách sóng dựa trên cảm biến nén. Về hiệu quả năng lượng tính bằng Mbits/J, cải thiện lên đến 46% so với V-BLAST được báo cáo cho các loại trạm gốc khác nhau được trang bị với nhiều ăng-ten. [8]
Mặc dù SM có những ưu điểm hấp dẫn đã nói ở trên, nhưng nó cũng có một số nhược điểm. Hiệu suất phổ của SM tăng theo logarit với nT, trong khi hiệu suất phổ của V-BLAST tăng tuyến tính với nT. Do đó, yêu cầu số lượng ăng-ten phát cao hơn cho SM để đạt được cùng hiệu suất phổ như của V-BLAST. Hệ số kênh của các ăng- ten phát khác nhau phải đủ khác biệt để một lược đồ SM hoạt động hiệu quả. Nói cách khác, SM yêu cầu môi trường phân tán để đảm bảo hiệu suất lỗi tốt hơn. Vì SM chỉ truyền thơng tin bằng cách sử dụng miền không gian, SM thuần túy không thể cung cấp sự đa dạng truyền như các hệ thống STC dựa vào cả miền thời gian và không gian để truyền dữ liệu.
Xem xét những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống SM, có thể kết luận rằng SM cung cấp sự cân bằng giữa độ phức tạp, hiệu suất phổ và hiệu suất lỗi. Do đó SM đã được coi như là một ứng cử viên tốt cho quang phổ và tiết kiệm năng lượng cho hệ thống thông tin liên lạc không dây thế hệ tiếp theo.
2.3.2.2. Các tiến bộ gần đây trong SM
Các nghiên cứu đầu tiên về khái niệm SM bắt đầu từ những năm 2000, trong đó các nhà nghiên cứu sử dụng các thuật ngữ khác nhau. Tuy nhiên, sau những tác phẩm đầy cảm hứng của Mesleh và Jeganathan, nhiều bài báo về SM đã được xuất bản trong đó các chuyên gia tập trung vào các hệ thống SM tổng quát, đặc biệt là các hệ thống SM mang lại hiệu quả về năng lượng, các loại máy tách sóng độ phức tạp thấp, các hệ thống SM được mã hóa khối/lưới, các phương pháp thích ứng liên kết như là điều chế thích ứng, lựa chọn ăng-ten phát và tiền mã hóa, phân tích hiệu năng cho các loại kênh fading khác nhau và các lỗi ước tính kênh, phân tích lý thuyết thơng tin, các lược đồ SM khác biệt với tách sóng khơng nhất qn, các hệ thống SM hợp tác…
Trong phần này, chúng ta hãy cùng xem xét một vài tiến bộ gần đây và đầy hứa hẹn của SM chẳng hạn như hệ thống SM tổng quát và nâng cao, hệ thống SM cầu
phương, các hệ thống Massive MU-MIMO và các sơ đồ SM hợp tác, những tiến bộ mang tính thiết yếu để cung cấp giải pháp hiệu quả cho các mạng không dây 6G.
Lược đồ SM tổng quát, tăng cường và cầu phương
Như đã đề cập trước đó, nhược điểm lớn nhất của SM là hiệu suất phổ thấp hơn so với lược đồ V-BLAST cổ điển đối với cùng số lượng ăng-ten phát. Mặc dù một lượng bít thơng tin đáng kể vẫn có thể được truyền bởi các chỉ số của ăng-ten phát hoạt động, đối với các hệ thống điều chế bậc cao và MIMO, SM bị suy giảm đáng kể hiệu suất phổ so với V-BLAST do các ăng-ten phát khơng hoạt động của nó.
Một trong những cố gắng đầu tiên để không chỉ tăng hiệu suất phổ của SM mà còn giảm bớt ràng buộc về số lượng ăng-ten phát, phải là số nguyên của hai ăng-ten đối với SM cổ điển, đã được thực hiện bởi lược đồ SM tổng quát, trong đó số lượng ăng-ten phát hoạt động khơng cịn được cố định để thống nhất. Trong lược đồ GSM (Generalized SM), nhiều ăng-ten phát hoạt động được lựa chọn để truyền cùng một kí hiệu dữ liệu. Biểu thị số số lượng ăng-ten phát đang hoạt động là nA trong đó nA < nT,
log2(nnT
A) bít thơng tin có thể được truyền cho mỗi khoảng thời gian báo hiệu ngồi
log2M bít được truyền bởi các kí hiệu dữ liệu M-ary. Vì log2nT < log2(nnT
A) với
nT=2n (n=1,2…), miền khơng gian có thể được sử dụng hiệu quả hơn bởi lược đồ GSM. Ví dụ, cho nT=8, thì chỉ có 3 bít có thể được truyền bởi chỉ số của ăng-ten trong SM, trong khi điều này có thể được GSM nhân đơi tức là 6 bít nếu cho nA = 4. Trong
một bài báo của J.Wang, khái niệm GSM đã được mở rộng thành điều chế không gian đa hoạt động (MA-SM: Multiple-Active Spatial Modulation), trong đó các kí hiệu dữ liệu khác nhau được truyền từ những ăng-ten phát được chọn để tăng cường hơn nữa hiệu quả phổ. Do đó, hiệu quả phổ của lược đồ MA-SM trở thành
log2(nnT
A)+nAlog2M bít trên mỗi kênh sử dụng (bpcu), cao hơn đáng kể so với SM.
Cũng nên lưu ý rằng MA-SM cung cấp giải pháp trung gian hai lược đồ: SM và V- BLAST, đây là các trường hợp đặc biệt của MA-SM với nA = 1 và nA = nT tương ứng.
SM tăng cường hay ESM (Enhanced SM) là một biến thể của SM được đề xuất và đầy hứa hẹn trong thời gian gần đây. Trong lược đồ ESM, số ăng-ten phát hoạt động có thể thay đổi đối với mỗi khoảng thời gian phát tín hiệu và thông tin được truyền tải không chỉ bằng chỉ số của ăng-ten phát hoạt động mà còn bằng các chịm sao tín hiệu đã chọn được sử dụng trong q trình truyền tải. Nói cách khác, lược đồ ESM xem xét nhiều chịm sao tín hiệu và thơng tin được truyền bằng sự kết hợp của