CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
96
KHOA H
ỌC
MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ CÁC THAM SỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN MÔ HÌNH DFRC
SIMULATION AND ASSESSMENT OF PARAMETERS AFFECTING DFRC MODEL Nguyễn Thị Vân Anh1,*, Nguyễn Minh Đức2, Nguyển Trường Hiếu2, Nguyễn Văn Cường2, Tống Văn Luyên3 TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu khoa học trình bày tổng quan về công nghệ tích hợp cả
m
biến và truyền thông (ISAC - Integrated Sensing and Communications), đưa ra tầ
m
quan trọng, ứng dụng của nó trong lĩnh vực nghiên cứu khoa học và trong sự
phát
triển mạng truyền thông tương lai. Bài báo đánh giá sự ảnh hưởng củ
a các tham
số như số lượng anten thu/phát, số lượng góc mục tiêu, góc tán xạ trong hệ thố
ng
radar - truyền thông chức năng kép (DFRC - Dual-Functional Radar-Communication) - một ví dụ minh họa nổi bật của ISAC. Qua đó đã so sánh đượ
c
ưu và nhược điểm của hệ thống DFRC so với hệ thống truyền thông thông thườ
Để thực hiện nghiên cứu, nhóm tác giả tập trung tìm hiểu tổng quan về
mô hình
radar, cấu trúc khung của DFRC, đặc biệt là kỹ thuật định dạng và điều khiể
n búp
sóng lai cho mảng anten phẳng. Các kết quả đã được kiểm chứng qua các kịch bả
n
cụ thể nhằm đánh giá hê thống một cách trực quan, chi tiết hơn. Từ khoá: ISAC; DFRC; Tích hợp cảm biến truyền thông; định dạng và điều khiể
n
búp sóng lai. ABSTRACT
The scientific study subject provides an overview of integrated sensing and
communication technology (ISAC), highlighting its significance and potential uses
in both the advancement of communication networks in the future and scientific
research. The dual
functional communication (DFRC) radar system, a superb
illustrative example of ISAC, is used in the paper to assess the effect of factors like
the number of receive/transmitter antennas, the number of target angles, and the
scattering angle. The framework
of the DFRC, in particular the hybrid
beamforming and control approach for the flat antenna array, as well as the
overview of the radar model must be understood in order to execute the topic. The
outcomes have been validated using certain situations to as
sess the system's more
logical and thorough design. Keywords: ISAC; DFRC; Hybrid Beamforming; Radar - Communication. 1Lớp Điện tử Truyền thông 01 - K14, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp Truyền thông Máy tính 01 - K15, Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệ
p
Hà Nội 3Khoa Điện tử, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: vananhhy01@gmail.com CHỮ VIẾT TẮT BF Kỹ thuật điều khiển và định dạng búp sóng BS Trạm gốc CSI Thông tin trạng thái kênh DFRC Radar - truyền trông chức năng kép DL Liên kết xuống DP Thí điểm đường xuống HAD Kỹ thuật điều khiển và định dạng búp sóng lai ISAC Tích hợp cảm biến và truyền thông MIMO Đa đầu vào, đa đầu ra RF Tần số vô tuyến S&C Cảm biến và truyền thông 1. GIỚI THIỆU Trong thời kì phát triển nhanh chóng của ngành truyền thông không dây, có một vấn đề nảy sinh, đó chính là sự tắc nghẽn của băng tần truyền thông. Điều đó dẫn đến sự gia tăng giá cả để có thể thuê băng tần trên khắp thế giới. Vì lí do này, các nhà cung cấp mạng đang tìm kiếm cơ hội để có thể tái sử dụng các băng tần hiện đang bị hạn chế cho các ứng dụng khác. Trong khi các hệ thống liên lạc và cảm biến vô tuyến (S&C) đều đang phát triển hướng tới các dải tần số cao hơn, mảng ăng ten lớn hơn và thu nhỏ. Do đó, các dải tần của radar là một trong số những ứng cử viên hàng đầu để được các nhà cung cấp mạng lựa chọn. Để giải quyết vấn đề đó, người ta đã đưa ra một phương pháp vừa có thể sử dụng dải tần radar, vừa có thể giải quyết được vấn đề của băng tần hiện tại, đó là kết hợp cảm biến trong truyền thông (ISAC). ISAC mang đến các lợi ích vô cùng tiềm năng. Thứ nhất, lợi ích tích hợp: Tích hợp cảm biến và truyền thông ISAC cho phép sử dụng chung tài nguyên không dây cho các mục đích kép của S&C (sensing and communication), giúp giảm bớt sự trùng lặp của đường truyền, thiết bị và cơ sở hạ tầng [1]. Điều này giúp tối ưu hóa sự sử dụng tài nguyên, giảm chi phí và cải thiện hiệu suất của hệ thống. Thứ hai, lợi ích điều phối: Tích hợp cảm biến và truyền thông ISAC cũng mang lại lợi ích điều phối, cho phép sự hỗ trợ lẫn nhau giữa các phần của hệ thống S&C [1]. Các cảm biến và thiết bị truyền thông có thể được điều phối một cách thông minh để tối ưu hóa hoạt động của hệ thống, giảm thiểu sự cố và đảm bảo tính khả dụng của hệ thống.
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 97
Bài báo đưa ra kết quả mô phỏng hệ thống radar - truyền thông chức năng kép (DFRC) dựa vào kỹ thuật điều khiển và định dạng búp sóng lai (Hybrid BF). Điểm mới của bài báo chính là lái nhiều búp sóng đến các hướng mong muốn, cùng với đó đánh giá được sự ảnh hưởng của các tham số đến hiệu suất của bộ định dạng búp sóng trong hệ thống DFRC. Bài báo có những nội dung chính là: - Tìm hiểu về kỹ thuật điều khiển và định dạng búp sóng lai Hybrid Beamforming. - Tìm hiểu về hệ thống radar - truyền thông chức năng kép DFRC. - Mô phỏng hệ thống DFRC và đánh giá kết quả. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Định dạng và điều khiển búp sóng (BF: Beamforming) là kỹ thuật kết hợp các tín hiệu vô tuyến từ một tập hợp các anten riêng biệt để tạo ra một hệ anten định hướng tương đương. Hệ anten định hướng (anten thông minh) này có khả năng hội tụ năng lượng bức xạ hoặc thu nhận tốt theo một hướng định trước trong không gian [2]. Định dạng búp sóng lai kết hợp hai loại: định dạng búp sóng tương tự và định dạng búp sóng số. Hình 1. Các loại kỹ thuật định dạng búp sóng Trong các hệ thống cảm biến và truyền thông tích hợp (ISAC), định dạng chùm lai có thể được sử dụng để tăng cường khả năng nhận tín hiệu và giảm nhiễu trong mạng cảm biến không dây. Các cảm biến trong hệ thống có thể được tích hợp với anten để nhận và truyền tín hiệu. Khi kết hợp với định dạng chùm lai, các anten này có thể được điều chỉnh để tập trung tín hiệu và giảm nhiễu, tăng cường khả năng nhận và truyền tín hiệu. Radar MIMO vượt trội so với radar mảng pha ở nhiều khía cạnh như cải thiện độ phân giải góc và khả năng nhận dạng tham số, song tỷ lệ tín hiệu nhiễu cộng với nhiễu (SNIR) của nó thường thấp hơn so với radar mảng pha do mất độ lợi xử lí nhất quán. Hơn nữa, radar MIMO chịu chi phí tính toán và độ phức tạp triển khai cao hơn. Do đó, một hệ thống radar mới được gọi là radar MIMO theo pha được đề xuất bằng cách phân vùng mảng antenna thành nhiều mảng con, radar MIMO theo pha truyền các tín hiệu kỹ thuật số riêng lẻ theo từng chuỗi RF, nhưng thực hiện kết hợp tương tự nhất quán ở mỗi mảng con [3]. điều này dự kiến sẽ tạo ra sự cân bằng hiệu suất thuận lợi giữa các thiết kế BF tương tự thuần túy và kỹ thuật số hoàn toàn. Cấu trúc định dạng chùm tia kĩ thuật số tương tự (HAD) đang hoàn thiện thường được sử dụng trong các hệ thống như vậy. Định dạng chùm HAD nhằm mục đích giảm chi phí phần cứng bằng cách kết nối ít chuỗi RF hơn so với antenna lớn thông qua bộ dịch pha (PS), mang lại sự cân bằng giữa độ phức tạp của phần cứng và hiệu suất hệ thống [4]. Hình 2. Kịch bản mmWave DFRC Nhằm mục đích thống nhất các hoạt động liên lạc và radar bằng cách xử lý tín hiệu chung, hệ thống DFRC có thể được chia thành 3 giai đoạn: i) Tìm kiếm mục tiêu bằng radar và ước tính kênh liên lạc ii) Định dạng búp sóng truyền radar và truyền thông downlink iii) Radar theo dõi mục tiêu và truyền thông uplink [4]. Hình 3. Cấu trúc khung của hệ thống DFRC Hình 4. Biểu đồ quá trình xử lý tín hiệu Giai đoạn 1: Tìm kiếm mục tiêu bằng radar và ước tính kênh liên lạc Khi radar không có thông tin về mục tiêu, bước đầu tiên là tìm kiếm các mục tiêu tìm năng trong toàn bộ không gian. Tương tự, khi không có sẵn thông tin kênh tại hệ thống liên lạc, thông tin tình trạng kênh (CSI) phải được ước tính trước
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
98
KHOA H
ỌC
khi bất kì thông tin hữu ích nào có thể được giải mã tại máy thu. Bằng cách khai thác tính tương hỗ của các kênh DL và UL, BS có thể xác định các mục tiêu đó cũng đóng vai trò là bộ phân tán trong liên kết truyền thông và sẽ ước tính thêm các tham số Doppler và độ trễ của các đường truyền thông tương ứng. Giai đoạn 2: Định dạng búp sóng truyền radar và truyền thông downlink Sau giai đoạn đầu tiên, BS sẽ có các ước lượng các tham số của các mục tiêu. Sau đó BS xây dựng các chùm tia DL định hướng theo các góc của mục tiêu quan tâm bằng cách thiết kế một bộ tạo chùm tia liên lạc cảm biến chung và được quan sát chính xác hơn. Trong khi chờ đợi, BS cân bằng trước các các hiệu ứng liên lạc thông qua bộ tạo búp sóng chung đã được thiết kế. Như vậy, dữ liệu có thể được giải mã chính xác tại UE. Giai đoạn 3: Radar theo dõi mục tiêu và truyền thông uplink Sau giai đoạn 2, BS có thể nhận cả hai tín hiệu mục tiêu và các tín hiệu UL, dựa vào đó nó theo dõi sự thay đổi của các tham số mục tiêu trong khi giải mã dữ liệu UL được truyền từ UE. Trong giai đoạn 3, BS nhận cả dữ liệu phản hồi và dữ liệu UL, dựa vào đó, nó theo dõi sự thay đổi cả các mục tiêu trong khi giải mã thông tin UL. Ở đây, một chu kì bảo vệ ngắn hơn giữa các hoạt động DL và UL để đảm bảo tốc độ dữ liệu UL cao, trong trường hợp đó, xung dột giữa phản hồi của mục tiêu và dữ liệu UL là không thể tránh khỏi. Để đạt được mục tiêu này, bài báo đề xuất phương pháp khử nhiễu liên tiếp (SIC) để giảm nhiễu từ các mục tiêu. Có thể thấy rằng BS hoạt động như một radar xung liên tục truyền xung và nhận cả tín hiệu phản hồi và tín hiệu UL. Bài báo đưa ra thông số của hệ thống bao gồm 64 mảng anten tuyến tính tại BS và 10 mảng anten tuyến tính tại UE. Bài báo cũng hướng đến mục tiêu so sánh hệ thống DFRC với bộ định dang búp song thông thường dựa vào tiêu chí i) DFRC lái búp sóng về nhiều hướng khác nhau là các mục tiêu, điểm tán xạ và giảm nhiễu ii) ZF lái búp sóng về nhiều hướng khác nhau là các mục tiêu, điểm tán xạ và giảm nhiễu. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ Căn cứ vào mục tiêu đã được đưa ra, bài báo đưa ra năm kịch bản được xây dựng để kiểm chứng giải pháp đã thiết kế và đánh giá hiệu quả của hệ thống DFRC. Ở năm kịch bản sẽ thay đổi các tham số khác nhau ảnh hưởng trực tiếp đến việc mô phỏng các búp sóng trong bộ định dạng búp sóng DFRC và bộ định dạng ZF điển hình để so sánh và đánh giá giữa hai bộ định dạng búp sóng. Theo mô hình hệ thống của DFRC, hệ thống này sẽ tự cảm biến các đối tượng mục tiêu hướng tới, tuy nhiên, bài báo chỉ minh hoạ năm kịch bản được đặt sẵn các góc cảm biến để kiểm chứng bộ định dạng búp sóng DFRC và ZF điển hình. Kết quả mô phỏng của năm kịch bản là giá trị trung bình của 50 lần thực thi khảo sát. Bên cạnh đó năm kịch bản sẽ đều được so sánh khả năng truyền năng lượng từ BS đến các hướng mong muốn. Bảng 1. Tham số mặc định của bộ định dạng búp sóng DFRC Các tham số Giá trị F1- số lượng anten phát 64 F2- số lượng anten nhận 10 F3- Số lượng góc tán xạ 4 F4- Số lượng góc mục tiêu 8 Bảng 2. Các kịch bản mô phỏng STT Kịch bản 1 Đánh giá bộ định dạng DFRC và bộ định dạng búp sóng điển hình. 2 Đánh giá sự ảnh hưởng của số lượng anten tại BS đến hiệu suất của bộ định dạng búp sóng 3 Đánh giá sự ảnh hưởng của số lượng anten tại UE đến hiệu suất của bộ định dạng búp sóng 4 Đánh giá sự ảnh hưởng của số lượng điểm tán xạ đến hiệu suất của bộ định dạng búp sóng 5 Đánh giá sự ảnh hưởng của số lượng mục tiêu đến hiệu suất của bộ định dạng búp sóng Đánh giá kết quả mô phỏng Kịch bản 1: Sau khi tiến hành thực thi kịch bản 1, giản đồ bức xạ của hai bộ định dạng búp sóng DFRC và ZF điển hình được mô tả như hình 5, 6. Hình 5. Kết quả mô phỏng bộ định dạng búp sóng DFRC Hình 6. Kết quả mô phỏng bộ định dạng búp sóng ZF
SCIENCE - TECHNOLOGY Số 13.2023 ● Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 99
Dựa vào kết quả hình 5 có thể thấy rằng trong bộ DFRC đã lái được búp sóng tới các hướng tán xạ thực hiện truyền thông với người dùng và mục tiêu radar cảm biến được nhưng vẫn đạt được mức năng lượng đồng đều nhau. Trái ngược với điều này ở hình 6 thì bộ ZF truyền thống chỉ lái được búp sóng tới hướng tán xạ nhưng các búp sóng từ bộ ZF đạt được năng lượng khác nhau và có độ chênh lệch lớn về cường độ năng lượng tại mỗi hướng tán xạ, ngoài ra búp sóng tại các đỉnh của hướng tán xạ và mục tiêu đều có mức năng lượng đều nhau. Điều đó cho thấy DFRC đã thể hiện rõ ưu thế vượt trội của mình về khả năng lái búp sóng tới các mục tiêu cảm biến được, chứng tỏ độ tin cậy về việc truyền thông tin tới các điểm cùng lúc tốt hơn rất nhiều so với ZF điển hình. Hệ thống DFRC còn một nhược điểm đó là chưa thể nén cường độ năng lượng từ các sidelobe xuống NULL như bộ định dạng búp sóng ZF. Tuy nhiên, cường độ năng lượng tại sidelobe của bộ định dạng búp sóng DFRC vẫn ở mức khá thấp và khó có thể ảnh hưởng đến các búp sóng chính. Sau khi phân tích mô phỏng của Hình 5 các kết quả mô phỏng tiếp theo sẽ sử dụng kết quả thu được từ bộ định dạng búp sóng DFRC để so sánh bộ định dạng búp sóng tham chiếu. Kịch bản 2 a) b) Hình 7. Sự ảnh hưởng của số lượng anten tại BS đến hiệu suất của bộ định dạng búp sóng. a) Độ lớn trung bình của góc tới điểm tán xạ khi tăng số lượng anten phát; b) Độ lớn trung bình của góc tới mục tiêu khi tăng số lượng anten phát Đối với kịch bản 2, cả hai bộ định dạng búp sóng DFRC và ZF cùng đồng thời tăng số lượng antenna phát trong khoảng từ 10 đến 100. Theo dõi vào kết quả hình 7a ta thấy đường biểu diễn cường độ năng lượng đang tăng dần, điều đó chứng tỏ số lượng atenna trong khoảng 10 đến 100 ảnh hưởng rất nhiều đến hiệu suất phổ của bộ định dạng búp sóng. Tuy nhiên, trong kịch bản này DFRC đã thể hiện sự vượt trội hơn so khi mà cường độ năng lượng từ đỉnh các búp sóng tới các điểm tán xạ lớn hơn hẳn so với ZF. Theo hình 7b, bộ định dạng búp sóng DFRC vẫn giữ nguyên cường độ năng lượng tới mục tiêu như tại các điểm tán xạ. Kịch bản 3 Kịch bản 3, cả hai bộ định dạng búp sóng DFRC và ZF cùng đồng thời tăng số lượng antenna thu trong khoảng từ 10 đến 100. a) b) Hình 8. Sự ảnh hưởng của số lượng anten tại UE đến hiệu suất của bộ định dạng búp sóng. a) Độ lớn trung bình của góc tới điểm tán xạ khi tăng số lượng anten thu; b) Độ lớn trung bình của góc tới mục tiêu khi tăng số lượng anten thu Hình 8a ta thấy đường biểu diễn cường độ năng lượng với số lượng antenna thu bất kỳ đều không thay đổi giá trị, điều này đã chứng minh cho dù thay đổi số lượng anten thu thế nào đi chăng nữa thì DFRC vẫn ổn định trong việc tạo ra các búp sóng có cường độ năng lượng giống nhau. Tuy nhiên với hệ thống ZF được mô phỏng ở hình 8b thì ta chưa thấy được sự ổn định vẫn có sự dao động mạnh trong cường độ năng lượng tùy thuộc vào số lượng anten thu và rất khó để tính toán được lương anten cần thiết.
CÔNG NGHỆ Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ● Số 13.2023
100
KHOA H
ỌC
Kịch bản 4 và 5 Ở kịch bản 4 và 5, cả hai bộ định dạng búp sóng DFRC và ZF cùng đồng thời tăng số lượng góc tán xạ và góc mục tiêu. a) b) Hình 9. Sự ảnh hưởng của số lượng điểm tán xạ đến hiệu suất của bộ định dạng búp sóng. a) Độ lớn trung bình của góc tới điểm tán xạ khi tăng số lượng góc tới điểm tán xạ; b) Độ lớn trung bình của góc tới mục tiêu khi tăng số lượng góc tới điểm tán xạ Đối với kịch bản 4 và 5 tăng số lượng điểm tán xạ và mục tiêu tới 24, DFRC vẫn thể hiện sự vượt trội khi mà độ lớn trung bình tại các đỉnh búp sóng truyền đến điểm tán xạ và mục tiêu không hao hụt quá nhiều điều đó thể hiện tại hình 9a và hình 10a. Ngược lại bộ định dạng búp sóng ZF có sự sụt giảm rất nhanh khi ta tăng điểm tán xạ và mục tiêu được thể hiện ở hình 9b và hình 10b. a) b) Hình 10. Sự ảnh hưởng của số lượng mục tiêu đến hiệu suất của bộ định dạng búp sóng. a) Độ lớn trung bình của góc tới điểm tán xạ khi tăng số lượng góc tới mục tiêu; b) Độ lớn trung bình của góc tới mục tiêu khi tăng số lượng góc tới mục tiêu 4. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Trong bài báo này hệ thống radar - truyền thông chức năng kép DFRC đã được đánh giá và kiểm chứng qua các kịch bản mô phỏng cụ thể. Hệ thống sử dụng thuật toán tối ưu vào tham số của hệ thống để có thể xác định được các hướng tín hiệu không mong muốn và đồng thời sử dụng BF để đặt búp sóng hướng tới các hướng đó là tối thiểu. Ưu điểm của bộ DFRC là lái được búp sóng tới điểm tán xạ và mục tiêu mong muốn nhưng vẫn đạt được cường độ năng lượng đồng đều và ổn định chứng tỏ độ tin cậy về việc truyền thông tin tới các điểm. Ngoài ưu điểm vượt trội trên, hệ thống DFRC còn một số hạn chế như chưa nén được cường độ năng lượng từ các sidelobe xuống NULL hay DFRC yêu cầu một băng tần rộng cũng như việc xử lí tín hiệu cao để thực hiện các chức năng radar và truyền thông. Từ các ưu và nhược điểm đã rút ra, bài báo đưa ra hướng phát triển trong tương lai đó là tiếp tục phát triển mô hình DFRC bằng cách nâng cao khả năng xử lý tín hiệu cùng với khả năng đồng bộ giữa truyền thông và radar sao cho giảm thiểu được chi phí và tăng khả năng khai thác của hệ thống. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Liu, Fan, et al., 2022. Integrated sensing and communications: Towards dual-functional wireless networks for 6G and beyond. IEEE journal on selected areas in communications. [2] . T. V. Luyên, 2017. Nghiên cứu và phát triển phương pháp định dạng và điều khiển búp sóng cho mảng anten. Luận án tiến sĩ, Trường Đại học Công nghê, Đại học Quốc gia Hà Nội. [3]. Liu, An, et al., 2022. A survey on fundamental limits of integrated sensing and communication. IEEE Communications Surveys & Tutorials 24.2: 994-1034. [4]. Liu, Fan, et al., 2020. Joint radar and communication design: Applications, state-of-the-art, and the road ahead. IEEE Transactions on Communications 68.6: 3834-3862.