Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp song công hai chiều trên cùng băng tần dưới tác động của phần cứng không lý tưởng

Các công trình nghiên cứu phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông
Đánh giá phẩm chất mạng chuyển tiếp
song công hai chiều trên cùng băng tần
dưới tác động của phần cứng không lý tưởng
Nguyễn Bá Cao, Trần Xuân Nam
Trường Đại học Kỹ thuật Lê Quý Đôn
Tác giả liên hệ: Nguyễn Bá Cao, bacao.sqtt@gmail.com
Ngày nhận: 21/04/2018, ngày sửa chữa: 02/08/2018, ngày duyệt đăng: 02/08/2018
Xem sớm trực tuyến: 08/11/2018, định danh DOI: 10.32913/rd-ict.vol1.no39.728
Biên tập lĩnh vực điều phối phản biện và quyết định nhận đăng: TS. Trương Trung Kiên
Tóm tắt: Bài báo này phân tích phẩm chất mạng chuyển tiếp song công hai chiều trên cùng băng tần với phần cứng
không lý tưởng, trong đó nút chuyển tiếp sử dụng giao thức khuếch đại-và-chuyển tiếp. Xác suất dừng, xác suất lỗi ký
hiệu được tìm ra để đánh giá phẩm chất hệ thống. Trên cơ sở đó, để nâng cao phẩm chất hệ thống, chúng tôi tìm ra
biểu thức phân bổ công suất tối ưu cho hai nút đầu cuối và nút chuyển tiếp. Kết quả phân tích đã làm rõ mức độ ảnh
hưởng của lỗi phần cứng và nhiễu tự giao thoa đến phẩm chất hệ thống khi so sánh với hệ thống lý tưởng và hệ thống
bán song công truyền thống. Bên cạnh đó, mô phỏng Monte Carlo được thực hiện để minh chứng cho sự đúng đắn của
kết quả phân tích.
Từ khóa: Truyền thông song công trên cùng băng tần, triệt nhiễu tự giao thoa, khuếch đại và chuyển tiếp, xác suất dừng,
phần cứng không lý tưởng.
Title: Performance Evaluation of In-Band Full-Duplex Two-Way Relay Networks with Hardware Impairments
Abstract: In this paper, we analyse the performance of in-band full-duplex two-way relay networks using the amplify-and-forward
strategy under the impact of hardware impairments. Outage probability and symbol error probability are derived to
evaluate the system performance. Based on these values, we derive the optimal power allocation expression for terminal
nodes and relay node. Numerical results provide an insight into the impact of hardware impairments and the residual self-
interference on the system performance in comparison with the ideal hardware and the half-duplex systems. Simulation
results are used to verify our analyses.
Keywords: In-band full-duplex, self-interference cancellation, amplify-and-forward, outage probability, hardware impairments.
I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong giai đoạn cách mạng công nghiệp 4.0 hiện nay, xu
thế phát triển về trí tuệ nhân tạo (AI: Machine intelligence),
Internet kết nối vạn vật (IoT: Internet of things) và dữ liệu
lớn (Big Data) đòi hỏi các thiết bị vô tuyến cần được nâng
cấp cả phần cứng lẫn phần mềm để đáp ứng các yêu cầu đặt
ra. Nhu cầu dữ liệu lớn trong khi phổ tần hạn chế đòi hỏi
các nhà nghiên cứu và thiết kế mạng vô tuyến tìm cách nâng
cao hiệu quả sử dụng phổ tần. Trong bối cảnh đó, truyền
thông song công trên cùng băng tần (IBFD: In-band full-
duplex) là một trong những công nghệ đang được nghiên
cứu mạnh bởi khả năng tăng gấp đôi hiệu quả sử dụng
phổ tần [1–3]. Những kết quả nghiên cứu và thử nghiệm
về khả năng triệt nhiễu tự giao thoa (SIC: Self-Interference
Cancellation) ở [4–8] đã chứng minh tính khả thi của truyền
thông IBFD. Những nghiên cứu này đã cho thấy nhiễu có
thể được loại trừ lên đến 110 dB thông qua kết hợp các biện
pháp SIC, bao gồm khử nhiễu miền ăng-ten, miền số và
miền tương tự. Tuy nhiên, do triệt nhiễu không hoàn hảo,
phần nhiễu dư còn lại (RSI: Residual self-interference) sẽ
làm giảm phẩm chất hệ thống.
Trên cơ sở đó, nhiều nghiên cứu đã thực hiện đánh giá
phẩm chất hệ thống FD dưới sự ảnh hưởng của RSI khi so
sánh với hệ thống bán song công truyền thống (HD: Half-
duplex) nhằm đưa ra phương án lựa chọn sử dụng hệ thống
FD hoặc HD trong các điều kiện cụ thể [9–11]. Những
công trình này đã cho thấy rằng, khi nhiễu dư FD nhỏ, hệ
thống FD cho dung lượng ergodic tốt hơn hệ thống HD với
cùng phẩm chất xác suất dừng (OP: Outage probability).
Ngược lại, khi nhiễu dư FD lớn, sử dụng mô hình HD để
nâng cao phẩm chất hệ thống. Đồng thời, sử dụng công
26
Tập V-1, Số 39, 11.2018
suất phát thích ứng cho hoạt động HD/FD sẽ giảm được
năng lượng tiêu thụ, nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần
tức thì.
Trong các nghiên cứu về hệ thống FD, mạng chuyển
tiếp (relay network) FD đang được chú trọng bởi khả năng
tăng cường độ tin cậy, nâng cao chất lượng, khắc phục
hiện tượng che khuất, suy hao truyền dẫn [1, 2]. Sự kết
hợp giữa mạng chuyển tiếp hai chiều và công nghệ FD cho
phép nâng cao tốc độ truyền dẫn và hiệu quả sử dụng phổ
tần so với hệ thống chuyển tiếp một chiều hoặc hai chiều
HD truyền thống. Nhiều nghiên cứu gần đây đã tập trung
vào việc đánh giá và nâng cao phẩm chất mạng chuyển tiếp
song công hai chiều trong trường hợp triệt nhiễu tự giao
thoa không hoàn hảo. Trong các bài báo [1, 2, 12–18], các
tác giả đã khảo sát phẩm chất mạng chuyển tiếp FD hai
chiều sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp (AF:
Amplify and forward). Biểu thức OP trong các điều kiện
khác nhau đã được đưa ra và khảo sát ở [1, 13, 16, 18].
Các tác giả đã chứng minh được rằng, phẩm chất OP đạt
đến bão hòa khi tỉ số tín hiệu trên nhiễu cộng với tạp âm
(SINR: Signal to interferecen plus noise ratio) đủ lớn. Bởi
khi SINR đủ lớn, kéo theo tự can nhiễu tại nút chuyển tiếp
và hai nút đầu cuối lớn hơn, làm cho OP đạt đến mức sàn
lỗi (error floor). Đồng thời, các biện pháp như lựa chọn
cặp ăng-ten thu phát, ước lượng kênh nhiễu tự giao thao,
và phân bổ công suất tối ưu làm giảm đáng kể ảnh hưởng
của RSI và nâng cao phẩm chất hệ thống [12, 14, 15]. Bên
cạnh chuyển tiếp AF, mạng giải mã và chuyển tiếp (DF:
Decode and forward) hai chiều FD đã và đang được nghiên
cứu rộng rãi [19–23]. Các tác giả đã khảo sát OP trong
điều kiện CSI hoàn hảo và không hoàn hảo, và khảo sát sự
ảnh hưởng của RSI đến phẩm chất hệ thống. Kết quả cho
thấy, ảnh hưởng của RSI làm cho phẩm chất hệ thống đạt
đến bão hòa ngay cả khi CSI hoàn hảo. Bên cạnh đó, việc
phân bổ công suất tối ưu cho nút chuyển tiếp giúp nâng
cao đáng kể phẩm chất hệ thống.
Khảo sát trên cho thấy, hầu hết các nghiên cứu về hệ
thống FD hai chiều tập trung vào việc phân tích và xem xét
ảnh hưởng của các điều kiện về kênh truyền và nhiễu dư đến
phẩm chất hệ thống. Tuy nhiên, để hệ thống vô tuyến hoạt
động được, ngoài những giải pháp về phần mềm thì phần
cứng hệ thống là đòi hỏi bắt buộc. Vì vậy, ngoài các biện
pháp kỹ thuật để nâng cao phẩm chất hệ thống, cần xem
xét lựa chọn phần cứng phù hợp. Trong thực tế, khi thiết bị
vô tuyến hoạt động, các lỗi của phần cứng không hoàn hảo
(HI: Hardware impairments) sẽ tạo ra nguồn nhiễu, làm
méo tín hiệu cần truyền/nhận. Các kỹ thuật bù trừ được
áp dụng để loại bỏ lỗi phần cứng. Dẫu vậy, lỗi phần cứng
vẫn sót lại trong các hệ thống vô tuyến và làm giảm phẩm
chất hệ thống. Ảnh hưởng của lỗi phần cứng đã được xem
xét trong các nghiên cứu [24, 25] và một số tài liệu khác.
Kết quả cho thấy rằng, khi lỗi phần cứng tồn tại trong hệ
thống, phẩm chất hệ thống sẽ giảm đáng kể, nhất là đối với
các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. Đặc biệt là trong mạng
chuyển tiếp FD, lỗi phần cứng kết hợp với RSI sẽ làm phẩm
chất hệ thống giảm nhanh và sớm đạt đến bão hòa. Điều
này đã được một số nhóm nghiên cứu khảo sát như ở [26]
và [27]. Trong những nghiên cứu này, mạng chuyển tiếp
FD-AF với HI tại nút chuyển tiếp FD đã được phân tích.
Trong đó, [26] sử dụng nhiều ăng-ten tại nút chuyển tiếp
để nâng cao tốc độ truyền dẫn hệ thống, còn [27] sử dụng
nhiều cặp ăng-ten (multipair massive MIMO) để nâng cao
hiệu quả sử dụng phổ tần và năng lượng. Kết quả nghiên
cứu đã chỉ rõ ảnh hưởng lớn của HI và RSI tại nút chuyển
tiếp đến phẩm chất hệ thống, nhất là đối với những thiết bị
giá thành thấp.
Xuất phát từ những thảo luận trên, để đánh giá phẩm
chất hệ thống sát với điều kiện thực tế, trong bài báo này,
chúng tôi khảo sát chất lượng hệ thống chuyển tiếp FD hai
chiều AF dưới tác động của HI và RSI ở cả nút chuyển tiếp
và hai nút đầu cuối. Xác suất dừng, xác suất lỗi ký hiệu
và phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống được sử dụng để
đánh giá, và để nâng cao phẩm chất hệ thống.
Bài báo có ba đóng góp chính sau. Trước hết, chúng tôi
đã xây dựng mô hình mạng chuyển tiếp FD hai chiều sử
dụng giao thức AF với phần cứng không lý tưởng để khảo
sát. Tiếp theo, trên cơ sở mô hình hệ thống và tín hiệu,
chúng tôi đưa ra biểu thức chính xác của tỉ số công suất tín
hiệu trên nhiễu cộng tạp âm và méo dạng (SINDR: Signal
to interference plus noise and distortion ratio) được đưa ra,
làm cơ sở để tìm ra biểu thức chính xác và xấp xỉ của OP,
và biểu thức xấp xỉ của xác suất lỗi ký hiệu (SEP: Symbol
error probability). Từ đó, phẩm chất hệ thống được đánh
giá toàn diện, cho phép xác định được ảnh hưởng của lỗi
phần cứng và RSI đến phẩm chất hệ thống khi so sánh với
hệ thống lý tưởng và hệ thống HD. Cuối cùng, để nâng cao
phẩm chất hệ thống, chúng tôi đề xuất phân bổ công suất
tối ưu cho hai nút đầu cuối và nút chuyển tiếp, nhằm làm
giảm tác động của lỗi phần cứng và RSI. Kết quả cho thấy,
phương án đề xuất làm tăng đáng kể phẩm chất hệ thống.
Phần còn lại của bài báo được tổ chức như sau. Mục II
là mô hình hệ thống và tín hiệu, Mục III tập trung vào việc
phân tích phẩm chất hệ thống, Mục IV đề xuất phân bổ
công suất tối ưu cho hệ thống, Mục V trình bày kết quả
tính toán số và thảo luận, và cuối cùng, Mục VI rút ra các
kết luận của bài báo.
II. MÔ HÌNH HỆ THỐNG
Xét một hệ thống liên lạc điểm – điểm với phần cứng
lý tưởng (gọi tắt là hệ thống lý tưởng), trong đó mỗi đầu
27
Các công trình nghiên cứu phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông
cuối có một ăng-ten dùng cho thu và phát tín hiệu ở chế
độ HD, tín hiệu thu có dạng sau:
y = hs + z, (1)
trong đó h là hệ số pha đinh của kênh truyền từ phía phát
đến phía thu, s là tín hiệu cần truyền đi, z là nhiễu trắng
cộng tính (AWGN: Additive white Gaussian noise) tại đầu
vào máy thu. Trong trường hợp phần cứng không lý tưởng
(gọi tắt là hệ thống không lý tưởng), phía máy phát và máy
thu sẽ tạo ra các nguồn nhiễu lần lượt là ηtx và ηrx, với
ηtx ∼ CN(0, k2txP), ηrx ∼ CN(0, k2rx |h|2P) [24]. Trong đó,
ktx và krx lần lượt là các tham số đặc trưng cho lỗi phần
cứng ở máy phát và máy thu; P là công suất tín hiệu phát.
Từ đó, tín hiệu thu được có dạng sau:
y = h(s + ηtx) + ηrx + z = hs + hηtx + ηrx + z. (2)
Từ (2), công suất trung bình của lỗi phần cứng tổng hợp
do cả phía phát và phía thu gây nên được biểu diễn bằng
Eηtx ,ηrx {|hηtx+ηrx |2} = P |h|2(k2tx+ k2rx) = P |h|2k2, với k2 =
k2tx + k
2
rx là méo dạng tổng hợp, đặc trưng cho mức độ ảnh
hưởng của lỗi phần cứng tổng hợp ở cả máy phát và máy
thu. Từ đó, (2) được đơn giản hóa thành
y = h(s + η) + z, (3)
với η ∼ CN(0, k2P). Trên cơ sở mô hình cho hệ thống
điểm – điểm này, chúng tôi xây dựng mô hình hệ thống
chuyển tiếp song công hai chiều với phần cứng không lý
tưởng như chỉ ra trên Hình 1. Trong mô hình này, để biểu
diễn RSI ở chế độ FD, chúng tôi sử dụng hai ký hiệu ăng-
ten biểu diễn cho hai mạch thu và phát. Hệ thống thực tế
có thể sử dụng một ăng ten chung cho cả thu và phát. Dữ
liệu được truyền từ S1 tới S2 và ngược lại thông qua trạm
chuyển tiếp R. Trong đó, R sử dụng giao thức khuếch đại
và chuyển tiếp.
Tại thời điểm t, tín hiệu thu của nút chuyển tiếp có dạng
yR(t) = h1R s˜1(t) + h2R s˜2(t) + h˜RR s˜R(t) + zR(t), (4)
ở đây s˜1(t) , s1(t) + η1(t), s˜2(t) , s2(t) + η2(t), s˜R(t) ,
sR(t)+ηR(t), với s˜1, s˜2 và s˜R lần lượt là các tín hiệu thực tế
phát đi tại S1, S2 và R; s1, s2 và sR lần lượt là các tín hiệu
1
( )y t
1 1
( ) ( )s t th+
R R
( ) ( )s t th+
2 2
( ) ( )s t th+
2
( )y t
11
h
RR
h
22
h
1R
h
2R
h
R1
h
R2
hR
( )y t
TX TXRX
RX TX RX
1
S R 2S
Hình 1. Hệ thống chuyển tiếp song công hai chiều với phần cứng
không lý tưởng.
mong muốn phát đi tại S1, S2 và R; η1, η2 và ηR lần lượt là
các lỗi phần cứng tổng hợp tại S1, S2 và R thỏa mãn η1 ∼
CN(0, k21P1), η2 ∼ CN(0, k22P2) và ηR ∼ CN(0, k2RPR), với
k1, k2 và kR lần lượt là hệ số méo dạng tổng hợp tại S1, S2
và R; P1,P2 và PR lần lượt là công suất phát trung bình tại
S1, S2 và R; h1R, h2R và h˜RR tương ứng là hệ số pha-đinh
của kênh truyền từ S1 tới R, từ S2 tới R và từ kênh ảnh
hưởng mạch phát tới mạch thu của R; zR(t) là nhiễu trắng
cộng tính (AWGN) tại đầu vào R, với zR ∼ CN(0,NR).
Giả sử rằng, thời gian xử lý tín hiệu tại R bằng một chu
kỳ ký hiệu, tức là thành phần tín hiệu phát trên nút chuyển
tiếp s˜R(t) được thực hiện sau khi khuếch đại tín hiệu thu ở
thời điểm trước đó yR(t − 1), kết hợp với méo do lỗi phần
cứng của máy thu phát. Do đó ta có
s˜R(t) = GyR(t − 1) + ηR(t − 1). (5)
Khi thông tin trạng thái kênh truyền hoàn hảo, hệ số khuếch
đại G được định nghĩa theo biểu thức sau:
G ,
√
PR
ρ1P1(1 + k21) + ρ2P2(1 + k22) + IR + NR
, (6)
trong đó, ρ1 = |h1R |2 và ρ2 = |h2R |2 lần lượt là các độ lợi
kênh truyền từ S1 đển R và từ S2 đến R; IR = Ω˜RPR là
nhiễu lặp vòng còn sót lại tại R sau khi áp dụng tất cả các
kỹ thuật triệt nhiễu tự giao thoa, với Ω˜R biểu thị khả năng
triệt nhiễu tại R.
Sau khi khuếch đại, R chuyển tiếp tín hiệu thu được tới
S1 và S2. Tín hiệu thu tại S2 có dạng sau:
y2(t) = hR2 s˜R(t) + h˜22 s˜2(t) + z2(t), (7)
trong đó, hR2 và h˜22 lần lượt là hệ số pha đinh của kênh
truyền từ R tới S2 và từ mạch phát đến mạch thu của S2;
z2 là nhiễu AWGN tại S2. Thế (5) vào (7) ta được
y2(t) = hR2[GyR(t − 1) + ηR(t − 1)] + h˜22 s˜2(t) + z2(t). (8)
Sử dụng (4), biểu thức (8) trở thành
y2(t) = hR2G
[
h1R
(
s1(t − 1) + η1(t − 1)
)
+ h2Rs2(t − 1)
]
+ hR2G
[
h2Rη2(t − 1) + h˜RR s˜R(t − 1) + zR(t − 1)
]
+ hR2ηR(t − 1) + h˜22 s˜2(t) + z2(t). (9)
Sử dụng kỹ thuật mã hóa mạng [2], ta có thể loại bỏ được
thành phần s2(t − 1) ra khỏi y2(t), đồng thời có |hR2 |2 =
|h2R |2 và |hR1 |2 = |h1R |2. Do đó, ta xác định được SINDR
tại S2 theo biểu thức
γ2 =
|h1R |2 |hR2 |2P1
|h1R |2 |hR2 |2P1d + |hR2 |2 |h2R |2P2d ′ + φ1 , (10)
hay
γ2 =
ρ1ρ2P1PR
ρ1P1 [ρ2PRd + t2d1] + ρ22P2PRd ′ + φ2
. (11)
28
Tập V-1, Số 39, 11.2018
Tương tự ta có SINDR tại S1 như sau:
γ1 =
ρ1ρ2P2PR
ρ2P2 [ρ1PRd ′ + t1d2] + ρ21P1PRd + φ3
, (12)
trong đó: φ1 = |hR2 |2tRdR + t2/G2, φ2 = ρ2PRtRdR +
ρ2P2t2d2 + t2tR, φ3 = ρ1PRtRdR + ρ1P1t1d1 + t1tR, ρ1 =
|h1R |2 = |hR1 |2, ρ2 = |hR2 |2 = |h2R |2, d = k21 + k2R + k21k2R,
d ′ = k22 + k
2
R + k
2
2k
2
R, d1 = 1+ k
2
1 , d2 = 1+ k
2
2 , dR = 1+ k
2
R,
I1 = Ω˜1P1, I2 = Ω˜2P2, IR = Ω˜RPR, t1 = I1+N1, t2 = I2+N2,
tR = IR + NR, với Ω˜1 và Ω˜2 lần lượt biểu thị khả năng triệt
nhiễu tại S1 và S2.
Chú ý rằng, trong trường hợp k1 = k2 = kR = 0, hệ thống
này trở thành hệ thống lý tưởng.
III. PHÂN TÍCH PHẨM CHẤT HỆ THỐNG
1. Xác suất dừng hệ thống
1) Biểu thức chính xác xác suất dừng:
Xác suất dừng hệ thống (OP: Outage probability) được
định nghĩa là xác suất mà tỉ số SINDR nhỏ hơn mức ngưỡng
yêu cầu tối thiểu hệ thống đặt ra, tức là
Pout = Pr{γ < x}, (13)
trong đó γ là tỉ số SINDR và x là mức ngưỡng xem xét,
với x = 2R − 1, ở đây R là tốc độ yêu cầu tối thiểu của
hệ thống có đơn vị là bit/s/Hz. Từ đó xác suất dừng tại S2
được xác định như sau:
PS2 ... ưng ở vùng SNR cao (trên 
10dB) kết quả tính toán hoàn toàn đúng với kết quả 
mô phỏng. Đồng thời, với SNR=40dB , hệ thống với 
lỗi phần cứng có SEP cao hơn 10 lần so với hệ thống 
lý tưởng. 
VI. KẾT LUẬN 
Bằng phương pháp phân tích giải tích, biểu thức 
chính xác và gần đúng xác suất dừng, xác suất lỗi ký 
hiệu đã được đưa ra cho hệ thống truyền dẫn song 
công hai chiều trong trường hợp có lỗi phần cứng. 
Đồng thời, để nâng cao phẩm chất hệ thống, chúng tôi 
đưa ra giá trị phân bổ công suất tối ưu cho hai nút đầu 
cuối và nút chuyển tiếp. Kết quả phân tích đã chứng 
minh sự ảnh hưởng của lỗi phần cứng và nhiễu tự giao 
thoa còn sót lại đến phẩm chất hệ thống khi so sánh 
với hệ thống lý tưởng, đặc biệt cho hệ thống truyền 
dẫn tốc độ cao. So với hệ thống lý tưởng, hệ thống có 
phần cứng không lý tưởng có phẩm chất kém hơn 
nhiều lần, nhất là trong trường hợp hệ số méo dạng 
lớn. Bên cạnh đó, so với hệ thống HD, lý tưởng thì hệ 
thống FD, không lý tưởng có phẩm chất kém hơn 
nhiều và sớm đạt tới mức bão hòa khi công suất phát 
đủ lớn. Vì vậy, ngoài việc thực hiện tốt các kỹ thuật để 
triệt nhiễu tự giao thoa cho truyền thông song công 
trên cùng băng tần, các nhà sản xuất cần thực hiện tốt 
việc hạn chế lỗi phần cứng nhằm làm giảm tác động 
tới phẩm chất hệ thống, từ đó tạo tính khả thi cho 
truyền thông song công trên cùng băng tần. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] D. Choi and J. H. Lee, "Outage Probability of 
Two-Way Full-Duplex Relaying With Imperfect 
Channel State Information," IEEE 
Communications Letters, vol. 18, pp. 933-936, 
2014. 
[2] H. Cui, M. Ma, L. Song, and B. Jiao, "Relay 
Selection for Two-Way Full Duplex Relay 
Networks With Amplify-and-Forward Protocol," 
IEEE Transactions on Wireless Communications, 
vol. 13, pp. 3768-3777, 2014. 
[3] A. Sabharwal, P. Schniter, D. Guo, D. W. Bliss, S. 
Rangarajan, and R. Wichman, "In-Band Full-
Duplex Wireless: Challenges and Opportunities," 
IEEE Journal on Selected Areas in 
Communications, vol. 32, pp. 1637-1652, 2014. 
[4] D. Bharadia, E. McMilin, and S. Katti, "Full 
duplex radios," in ACM SIGCOMM Computer 
Communication Review, 2013, pp. 375-386. 
[5] Y. Y. Kang, B.-J. Kwak, and J. H. Cho, "An 
optimal full-duplex AF relay for joint analog and 
digital domain self-interference cancellation," 
IEEE Transactions on Communications, vol. 62, 
pp. 2758-2772, 2014. 
[6] D. Korpi, L. Anttila, V. Syrjälä, and M. Valkama, 
"Widely linear digital self-interference cancellation 
in direct-conversion full-duplex transceiver," IEEE 
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Tæ soá SNR trung bình [dB]
T
ho
ân
g 
lö
ôï
n
g 
he
ä t
ho
án
g 
(b
it
/s
/H
z)
Lyù töôûng (moâ phoûng)
Lyù töôûng (lyù thuyeát)
Khoâng lyù töôûng (moâ phoûng)
Khoâng lyù töôûng (lyù thuyeát)
4 
2 
3 
Hình 6. Thông lượng hệ thống theo sự thay đổi SNR và tốc độ
truyền dẫn khác nhau.
Các công trình nghiên cứu, phát triển và ứng dụng CNTT-TT Tập , Số , tháng /2018 
 - 
Hình 6. Thông lượng hệ thống theo sự thay đổi SNR . 
0 5 10 15 20 25 30 35 40
10-4
10-3
10-2
10-1
100
Tæ soá SNR trung bình [dB]
X
aùc
 s
ua
át 
lo
ãi k
yù 
hi
eäu
 (S
E
P
)
Lyù töôûng (moâ phoûng)
Lyù töôûng (lyù thuyeát)
Khoâng lyù töôûng (moâ phoûng)
Khoâng lyù töôûng (lyù thuyeát)
Hình 7. Xác suất lỗi ký hiệu tại 
2
S theo SNR . 
Hình 7 minh họa phẩm chất lỗi ký hiệu tại 
2
S theo 
SNR trung bình, sử dụng điều chế BPSK với 0,1k , 
30dB  và 1 / 3 (tức là 
1 2 R
P P P ). 
Trong đó, đường lý thuyết thể hiện kết quả ở biểu thức 
(25) và (26). Ta thấy rằng, khi SNR thấp (dưới 
10dB) sự sai khác giữa phân tích lý thuyết và kết quả 
mô phỏng là khá lớn. Nhưng ở vùng SNR cao (trên 
10dB) kết quả tính toán hoàn toàn đúng với kết quả 
mô phỏng. Đồng thời, với SNR=40dB , hệ thống với 
lỗi phần cứng có SEP cao hơn 10 lần so với hệ thống 
lý tưởng. 
VI. KẾT LUẬN 
Bằng phương pháp phân tích giải tích, biểu thức 
chính xác và gần đúng xác suất dừng, xác suất lỗi ký 
hiệu đã được đưa ra cho hệ thống truyền dẫn song 
công hai chiều trong trường hợp có lỗi phần cứng. 
Đồng thời, để nâng cao phẩm chất hệ thống, chúng tôi 
đưa ra giá trị phân bổ công suất tối ưu cho hai nút đầu 
cuối và nút chuyển tiếp. Kết quả phân tích đã chứng 
minh sự ảnh hưởng của lỗi phần cứng và nhiễu tự giao 
thoa còn sót lại đến phẩm chất hệ thống khi so sánh 
với hệ thống lý tưởng, đặc biệt cho hệ thống truyền 
dẫn tố độ cao. So với hệ thống lý tưởng, ệ thống có 
p ần cứ g k ông lý tưởng có p ẩm chất kém hơn 
nhiều lần, nhất là trong trường hợp hệ số méo dạng 
lớn. Bên cạnh đó, so với hệ thống HD, lý tưởng thì ệ 
thống FD, không lý tưởng có phẩm chất kém hơn 
nhiều và sớm đạt tới mức bão hòa khi công suất phát 
đủ lớ . Vì vậy, ngoài việc t ực hiện tốt các kỹ thuật để 
triệt nhiễu tự iao thoa c o truyền thông song cô g 
trên cùng băng tần, các nhà sản xuất cần thực hiện tốt 
việc hạn chế lỗi phần cứng nhằm làm giảm tác động 
tới phẩm chất hệ thống, từ đó tạo tính khả thi cho 
truyền thông song công trên cùng băng tần. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] D. Choi and J. H. Lee, "Outage Probability of 
Two-Way Full-Duplex Relaying With Imperfect 
hannel State Information," IEEE 
Communications Letters, vol. 18, pp. 933-936, 
2014. 
[2] H. Cui, M. Ma, L. Song, and B. Jiao, "Relay 
Selection for Two-Way Full Duplex Relay 
Networks With Amplify-and-Forward Protocol," 
IEEE Transactions on Wireless Communications, 
vol. 13, pp. 3768-3777, 2014. 
[3] A. Sabharwal, P. Schniter, D. Guo, D. W. Bliss, S. 
Rangarajan, and R. Wichman, "In-Band Full-
Duplex Wireless: Challenges and Opportunities," 
IEEE Journal on Selected Areas in 
Communications, vol. 32, pp. 1637-1652, 2014. 
[4] D. Bharadia, E. McMilin, and S. Katti, "Full 
duplex radios," in ACM SIGCOMM Computer 
Communication Review, 2013, pp. 375-386. 
[5] Y. Y. Kang, B.-J. Kwak, and J. H. Cho, "An 
optimal full-duplex AF relay for joint analog and 
digital domain self-interference cancellation," 
IEEE Transactions on Communications, vol. 62, 
pp. 2758-2772, 2014. 
[6] D. Korpi, L. Anttila, V. Syrjälä, and M. Valkama, 
" idely linear digital self-interference cancellation 
in direct-conversion full-duplex transceiver," IEEE 
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0
0.5
1
.5
2
.5
3
3.5
4
Tæ soá SNR trung bình [dB]
T
ho
ân
g 
lö
ôï
n
g 
he
ä t
ho
án
g 
(b
it
/s
/H
z)
Lyù töôûng (moâ phoûng)
Lyù töôûng (lyù thuyeát)
Khoâng lyù töôûng (moâ phoûng)
Khoâng lyù töôûng (lyù thuyeát)
4 
2 
3 
Hình 7. Xác suất lỗi ký hiệu tại S2 theo SNR, với P1 = P2 = PR.
ở vùng SNR cao (trên 10 dB) kết quả tính toán hoàn toàn
đúng với kết quả mô phỏng. Đồng thời, với SNR = 40 dB,
hệ thống với lỗi phần cứng có SEP cao hơn 10 lần so với
hệ thống lý tưởng.
VI. KẾT LUẬN
Bằng phương pháp phân tích giải tích, biểu thức chính
xác và gần đúng của xác suất dừng và xác suất lỗi ký hiệu
đã được đưa ra cho hệ thống truyền dẫ song công hai chiều
trong trường hợp có lỗi phần cứng. Đồng thời, để nâng cao
phẩm chất hệ thống, chúng tôi đưa ra giá trị p ân bổ công
suất tối ưu cho hai nút đầu cuối và nút chuyển tiếp. Kết
quả phân tích đã chứng minh sự ảnh hưởng của lỗi phần
cứng và nhiễu tự giao thoa còn sót lại đến phẩm chất hệ
thống khi so sánh với hệ thống lý tưởng, đặc biệt cho hệ
thống truyền dẫn tốc độ cao. So với hệ thống lý tưởng, hệ
thống có phần cứng không lý tưởng có phẩm chất kém hơn
nhiều lần, nhất là trong trường hợp hệ số méo dạng lớn.
Bên cạnh đó, so với hệ thống HD lý tưởng thì hệ t g FD
không lý tưởng có phẩm chất kém hơn nhiều và sớm đạt
tới mức bão hòa khi công suất phát đủ lớn. Vì vậy, ngoài
việc thực hiện tốt các kỹ thuật để triệt nhiễu tự giao thoa
cho truyền thông song công trên cùng băng tần, các nhà
sản xuất cần thực hiện tốt việc hạn chế lỗi phần cứng nhằm
làm giảm tác động tới phẩm chất hệ thống, từ đó tạo tính
khả thi cho truyền thông song công trên cùng băng tần.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] D. Choi and J. H. Lee, “Outage probability of two-way full-
duplex relaying with imperfect channel state information,”
IEEE Communications Letters, vol. 18, no. 6, pp. 933–936,
June 2014.
[2] H. Cui, M. Ma, L. Song, and B. Jiao, “Relay selection
for two-way full duplex relay networks with amplify-and-
forward protocol,” IEEE Transactions on Wireless Commu-
nications, vol. 13, no. 7, pp. 3768–3777, Jul. 2014.
[3] A. Sabharwal, P. Schniter, D. Guo, D. W. Bliss, S. Ran-
garajan, and R. Wichman, “In-band full-duplex wireless:
Challenges and opportunities,” IEEE Journal on Selected
Areas in Communications, vol. 32, no. 9, pp. 1637–1652,
2014.
[4] D. Bharadia, E. McMilin, and S. Katti, “Full duplex radios,”
in Proceedings of the ACM SIGCOMM Conference (SIG-
COMM ’13). New York, USA: ACM, 2013, pp. 375–386.
[5] Y. Y. Kang, B.-J. Kwak, and J. H. Cho, “An optimal full-
duplex af relay for joint analog and digital domain self-
interference cancellation,” IEEE Transactions on Communi-
cations, vol. 62, no. 8, pp. 2758–2772, 2014.
[6] D. Korpi, L. Anttila, V. Syrja¨la¨, and M. Valkama,
“Widely-linear d gital self-interference cancellation in
direct-conversion full-duplex transceiver,” arXiv preprint
arXiv:1402.6083, 2014.
[7] J. R. Krier and I. F. Akyildiz, “Active self-interference
cancellation of passband signals using gradient descent,”
in Proceedings of the IEEE 24th International Symposium
on Personal Indoor and Mobile Radio Communications
(PIMRC). IEEE, 2013, pp. 1212–1216.
[8] E. Ahmed and A. M. Eltawil, “All-digital self-interference
cancellation technique for full-duplex s stems,” IEEE Trans-
actions on Wireless Communications, vol. 14, no. 7, pp.
3519–3532, 2015.
[9] T. M. Kim and A. Paulraj, “Outage probability of amplify-
and-forward cooperation with full duplex relay,” in Pro-
ceedings of the Wireless Communications and Networking
Conference (WCNC). IEEE, Apr. 2012, pp. 75–79.
[10] C. H. de Lima, H. Alves, P. H. Nardelli, and M. Latva-
aho, “Effects of relay selection strategies on the spectral
efficiency of wireless systems with half-and full-duplex
nodes,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 66,
no. 8, pp. 7578–7583, 2017.
[11] T. Riihonen, S. Werner, and R. Wichman, “Hybrid full-
duplex/half-duplex rel ying with transmit power adaptation,”
IEEE Transactions on Wireless Communications, vol. 10,
no. 9, pp. 3074–3085, Sept. 2011.
[12] J. Hu, F. Liu, nd Y. Li , “Achievable r te analysis of two-
way full duplex relay with joint relay and antenna selection,”
in Proceedings of the IEEE Wireless munications and
Networking Conference (WCNC), March 2017, pp. 1–5.
[13] A. Koc, I. Altunbas, and A. Yongac¸oglu, “Outage probability
of two-way full-duplex af re y systems over nakagami-m
33
Các công trình nghiên cứu phát triển Công nghệ Thông tin và Truyền thông
fading channels,” in Proceedings of the IEEE 84th Vehicular
Technology Conference (VTC-Fall). IEEE, 2016, pp. 1–5.
[14] X. Li, C. Tepedelenlioglu, and H. Senol, “Channel estimation
for residual self-interference in full duplex amplify-and-
forward two-way relays,” IEEE Transactions on Wireless
Communications, vol. 16, no. 8, pp. 4970–4983, 2017.
[15] Y. Li, N. Li, M. Peng, and W. Wang, “Relay power control for
two-way full-duplex amplify-and-forward relay networks,”
IEEE Signal Processing Letters, vol. 23, no. 2, pp. 292–296,
2016.
[16] Y. Wang, Q. Jiang, Z. Chen, and B. Xia, “Outage probability
of two-way full-duplex amplify-forward relay systems with
asymmetric traffic requirements,” in Proceedings of the
International Conference on Wireless Communications &
Signal Processing (WCSP). IEEE, 2015, pp. 1–5.
[17] G. Chen, P. Xiao, J. R. Kelly, B. Li, and R. Tafazolli,
“Full-duplex wireless-powered relay in two way cooperative
networks,” IEEE Access, vol. 5, pp. 1548–1558, 2017.
[18] E. Fidan and O. Kucur, “Performance of transceiver antenna
selection in two way full-duplex relay networks over rayleigh
fading channels,” IEEE Transactions on Vehicular Technol-
ogy, 2018.
[19] A. Hyadi, M. Benjillali, and M. S. Alouini, “Outage per-
formance of decode-and-forward in two-way relaying with
outdated CSI,” IEEE Transactions on Vehicular Technology,
vol. 64, no. 12, pp. 5940–5947, 2015.
[20] C. Li, Z. Chen, Y. Wang, Y. Yao, and B. Xia, “Outage
analysis of the full-duplex decode-and-forward two-way re-
lay system,” IEEE Transactions on Vehicular Technology,
vol. 66, no. 5, pp. 4073–4086, May 2017.
[21] C. Li, H. Wang, Y. Yao, Z. Chen, X. Li, and S. Zhang,
“Outage performance of the full-duplex two-way DF relay
system under imperfect CSI,” IEEE Access, vol. 5, pp. 5425–
5435, 2017.
[22] C. Li, B. Xia, S. Shao, Z. Chen, and Y. Tang, “Multi-
user scheduling of the full-duplex enabled two-way relay
systems,” IEEE Transactions on Wireless Communications,
vol. 16, no. 2, pp. 1094–1106, Feb. 2017.
[23] B. Zhong and Z. Zhang, “Secure full-duplex two-way relay-
ing networks with optimal relay selection,” IEEE Communi-
cations Letters, vol. 21, no. 5, pp. 1123–1126, May 2017.
[24] E. Bjornson, M. Matthaiou, and M. Debbah, “A new look
at dual-hop relaying: Performance limits with hardware im-
pairments,” IEEE Transactions on Communications, vol. 61,
no. 11, pp. 4512–4525, Nov. 2013.
[25] A. Papazafeiropoulos, S. Sharma, T. Ratnarajah, and
S. Chatzinotas, “Impact of residual additive transceiver
hardware impairments on rayleighproduct mimo channels
with linear receivers: Exact and asymptotic analyses,” IEEE
Transactions on Communications, 2018.
[26] O. Taghizadeh, A. C. Cirik, and R. Mathar, “Hardware im-
pairments aware transceiver design for full-duplex amplify-
and-forward mimo relaying,” IEEE Transactions on Wireless
Communications, vol. 17, no. 3, pp. 1644–1659, 2018.
[27] Y. Liu, X. Xue, J. Zhang, X. Li, L. Dai, and S. Jin,
“Multipair massive mimo two-way full-duplex relay systems
with hardware impairments,” in Proceedings of the IEEE
Global Communications Conference (GLOBECOM). IEEE,
2017, pp. 1–6.
[28] A. Jeffrey and D. Zwillinger, Table of integrals, series, and
products. Academic press, 2007.
Nguyễn Bá Cao tốt nghiệp Trường Sĩ quan
Thông tin năm 2006, nhận bằng Thạc sĩ tại
Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
năm 2011. Hiện nay, tác giả đang là nghiên
cứu sinh năm thứ hai tại Khoa Vô tuyến
điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự. Lĩnh
vực nghiên cứu của tác giả là truyền thông
song công, truyền thông hợp tác.
Trần Xuân Nam nhận bằng Thạc sĩ tại
Đại học Công nghệ, Sydney, Úc, năm 1998;
nhận bằng Tiến sĩ tại Đại học Điện tử -
Truyền thông, Tokyo, Nhật Bản, năm 2006.
Hiện nay, tác giả đang là phó giáo sư và
công tác tại Học viện Kỹ thuật Quân sự. Tác
giả đã được tặng giải thưởng nhà nghiên
cứu trẻ tại Nhật Bản năm 2003 và giải
thưởng bài báo xuất sắc nhất tại hội nghị ATC năm 2012. Tác
giả là thành viên của IEEE, IEICE và Hiệp hội Vô tuyến Điện tử
Việt Nam. Lĩnh vực nghiên cứu của tác giả là ăng-ten thích ứng,
xử lý tín hiệu, mã hóa và hệ thống MIMO.
34