Tăng băng thông cho mạng không dây bằng chíp thu phát song công

• Nguyên bản tiếng Anh: “Full-Duplex Chip Will Create a Wireless Bandwidth Bonanza,” Harish Krishnaswamy and Gil Zussman, IEEE Spectrum, 28 June 2016
• Người dịch: Tạ Minh Chiến

Chi tiết về nghiên cứu này có thể được tham khảo thêm từ các bài báo khoa học sau:

• Bài báo ở hội nghị RFIC
• Bài báo đăng trên JSSC

---

Một con chíp thu phát song công (full-duplex)—nghĩa là nó có khả năng gửi và nhận cùng lúc—sẽ làm tăng gấp đôi băng thông dữ liệu của mạng điện thoại

Công nghệ vô tuyến ngày nay hầu như chẳng giống gì với công nghệ vô tuyến vào một thế kỉ trước. Vô số cải tiến đã giúp tạo ra những thiết bị nhỏ gọn hơn, đáng tin cậy hơn, và hiệu quả hơn trong việc sử dụng năng lượng và băng thông. Tuy vậy, một vấn đề lớn vẫn còn tồn tại từ thời đó cho đến nay: các máy thu phát vô tuyến không thể cùng thu và phát trên cùng một tần số vào cùng một thời điểm.

Khả năng truyền dữ liệu như vậy, còn gọi là truyền song công, sẽ là một bước tiến lớn trong lĩnh vực truyền dữ liệu không dây. Nó sẽ làm tăng gấp đôi khả năng truyền tải của mạng. Trong khi các dải tần số vô tuyến đã được sử dụng gần hết mà nhu cầu về dữ liệu vẫn ngày càng tăng—các mạng 5G mới nhất còn muốn tăng tốc độ truyền dữ liệu lên thêm 1000 lần—thì khả năng truyền song công bằng sóng vô tuyến là giải pháp trong mơ để giảm bớt áp lực về nhu cầu tần số.

Giờ đây, chúng tôi và các nhóm nghiên cứu khác cuối cùng cũng đã cho thấy rằng ta có thể tạo ra các hệ thống song công không dây có khả năng hoạt động một cách đáng tin cậy. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm của chúng tôi ở Columbia University trong dự án FlexlCoN và ở châu Âu trong dự án DUPLO đã chứng minh rằng ta có thể truyền dữ liệu song công bằng các mạch tích hợp CMOS, là loại chíp được sử dụng phổ biến trong các thiết bị tính toán và truyền thông ngày nay.

Nghiên cứu của chúng tôi tiếp bước những thành tựu mà các dự án khác ở đại học Rice và Stanford đã đạt được vài năm trước với các thiết bị chuyên dùng trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu của Stanford được phát triển tiếp bởi một công ty khởi nghiệp, Kumu Networks, với mục tiêu sử dụng kết hợp các thiết bị riêng lẻ để đưa tính năng song công vào các trạm gốc và cơ sở hạ tầng mạng, là nơi mà các yêu cầu về giá cả và kích thước ít khắc khe hơn so với các thiết bị cầm tay.

Đối với mạng hữu tuyến thì mạch điện truyền dữ liệu song công là chuyện quá đỗi bình thường. Những chiếc điện thoại vào thời kì trước khi có mạch điện tử đã có thể dùng một kênh để truyền và nhận đồng thời bằng cách sử dụng một mạch biến áp lai đế cách ly tai nghe khỏi micro; bằng cách đó, tín hiệu ra và vào có thể cùng truyền trên một cặp dây xoắn mà không gây nhiễu cho nhau.

Trong lĩnh vực vô tuyến, ý tưởng này đã có từ những năm 1970, khi hệ thống Plessey Groundsat cho phép các binh sĩ liên lạc song công qua mạng vô tuyến trên các kênh truyền trong dải tần VHF từ 30 đến 76 MHz. Nhưng vào thời ấy, việc đó thực hiện được là bởi tiền bạc không phải là vấn đề và các ăn-ten thu và phát có thể được đặt cách xa nhau. Trong các hệ thống quân sự ngày nay, khả năng truyền và nhận đồng thời trên cùng một kênh tần số được thực hiện nhờ việc sử dụng các kỹ thuật quang học để cách ly bộ thu và bộ phát.

Nhưng đưa khả năng truyền song công vào các ứng dụng dân sự có kích thước nhỏ, chẳng hạn như điện thoại di động và Wi-Fi, thì khó hơn do tín hiệu phát tạo ra một tín hiệu nhiễu cực lớn, còn gọi là tín hiệu phản hồi, ngay ở ngõ vào của bộ thu. Do tín hiệu phản hồi có thể lớn hơn tín hiệu cần được thu đến 1 tỷ hay 1000 tỷ lần, hệ thống chỉ có thể hoạt động được nếu tín hiệu phản hồi  được khử thật chính xác.

Các hệ thống quân sự truyền song công bằng cách chấp nhận chi phí, kích thước, và khối lượng lớn hơn nhiều so với các hệ thống dân sự. Để ứng dụng kỹ thuật này trên các thiết bị tiêu dùng như điện thoại thông minh, các nhà nghiên cứu phải cải thiện khả năng hoạt động của  ăng-ten, mạch điện, và giải thuật.

Đó là lý do mà ngày nay các mạng không dây chỉ là mạng bán song công (half-duplex). Các bộ thu và phát chỉ thu hoặc phát trong các khoảng thời gian khác nhau (còn gọi là phân chia theo thời gian, hay TDD) hay thu và phát cùng lúc nhưng trên các tần số khác nhau (còn gọi là phân chia theo tần số, hay FDD). Do thời gian hay tần số chỉ được dùng trong một khoảng thời gian, những mạng như vậy chỉ đạt được một nữa dung lượng mà một mạng song công có thể đạt được.

Khi chuyển từ bán song công sang song công ta gặp phải một vấn đề rất cơ bản: việc phát và thu vô tuyến cùng lúc cũng khó như việc bạn phải nghe một lời thì thầm trong khi đang hét to hết cỡ, đó là do tín hiệu nhiễu lớn hơn tín hiệu cần nghe. Tín hiệu nhiễu ở bộ thu có thể được loại bỏ bằng cách lấy tín hiệu thu được trừ đi tín hiệu mà ta đã phát đi từ bộ phát. Nghe thì ngắn gọn vậy nhưng việc này chẳng hề đơn giản. Nên nhớ rằng tín hiệu phản hồi lớn hơn tín hiệu mà ta đang cố gắng nhận từ 1 tỷ đến 1000 tỷ lần, vậy nên ta phải khử tín hiệu phản hồi một cách cực kì chính xác. Điều đó có nghĩa là ta phải thực hiện việc khử trong nhiều bộ phận: trong mạch cao tần, trong mạch analog, trong mạch số, và thậm chí ngay cả ở kết nối với ăng-ten, như mô tả trong phần sau. Việc khử trong mỗi phần phải được liên kết với việc khử trong tất cả các phần khác.

Hơn nữa, ta cũng không biết được tín hiệu phát một cách hoàn toàn. Khi tín hiệu phát rò vào bộ thu, phổ tần số của nó bị biến dạng do ảnh hưởng của ăng-ten. Vấn đề còn phức tạp hơn nữa khi tín hiệu phát có thể bị phản xạ trên các vật thể xung quanh và quay lại bộ thu theo các đường dẫn khác nhau vào các thời điểm khác nhau. Do đó, để đạt được mức khử gần như hoàn toàn—bằng cách tạo ra một phiên bản của tín hiệu phản hồi rồi dùng nó để khử tín hiệu phản hồi trong tín hiệu thu được sao cho sau đó không còn quá, chẳng hạn, một phần tỷ của tín hiệu phản hồi—thì kênh truyền không dây của tín hiệu tự nhiễu từ bộ phát đến bộ thu phải được xác định và tái tạo một cách cực kỳ chính xác.

Tín hiệu nhiễu tất nhiên là được thu bởi các mạch analog, và trong trường hợp lý tưởng chúng sẽ được chuyển sang cho mạch số ngay lập tức để được xử lý một cách linh động hơn. Nhưng trong truyền song công do tín hiệu phản hồi quá mạnh các mạch analog sẽ làm biến dạng tín hiệu phản hồi. Do vậy trước tiên ta phải thực hiện việc khử bên trong mạch analog.

Có một phương pháp khử được gọi là khử trong miền thời gian. Giả sử tín hiệu nhiễu từ bộ phát truyền đến bộ thu đi kèm với các phiên bản bị làm trễ của nó do tín hiệu phản xạ trên các vật thể xung quanh. Trong trường hợp này, để đồng bộ tín hiệu khử với tín hiệu nhiễu ta phải làm chậm tín hiệu khử bằng cách đưa nó qua các đường dẫn được thiết kế trước, có thể dài hàng cen-ti-mét, để mô phỏng tính trễ của tín hiệu nhiễu. Vấn đề là 1cm vuông thì quá lớn so với các mạch tích hợp, do đó giải pháp khử trong miền thời gian có thể không đủ nhỏ để đưa lên con chíp.

Vậy nên, một trong số chúng tôi (Krishnaswamy), cùng với nghiên cứu sinh tiến sĩ của mình là Jin Zhou đề xuất một giải pháp khác—cân bằng trong miền tần số. Nó hoạt động giống như bộ chỉnh âm trong hệ thống âm thanh: âm thanh được chỉnh sửa bằng cách thay đổi công suất của tín hiệu âm thanh trong các dải tần khác nhau. Để chia tính hiệu thành các dải tần riêng biệt, chúng tôi dùng các bộ lọc có đáp ứng tần số tốt (có hệ số phẩm chất cao); chúng nhận tín hiệu vào và chỉ cho một dải tần rất hẹp đi qua. Chúng tôi dùng nhiều bộ lọc với các tần số trung tâm khác nhau trải khắp trên phổ tần số của tín hiệu.

Trước kia, thiết kế các bộ lọc cao tần có đáp ứng tần số tốt là điều hầu như không thể. Chúng tôi thực hiện được  điều này trên chíp CMOS bằng cách sử dụng một thiết kế còn được gọi là bộ lọc N-path. Bộ lọc thông thường thì dùng các cuộn cảm và tụ điện, nhưng rất khó để tạo ra cuộn cảm trên con chíp. Bộ lọc N-path, thay vào đó, dùng các công tắc, nghĩa là các transistor—thành phần cơ bản của công nghệ mạch tích hợp ngày nay.

Một số nhóm nghiên cứu đã tích hợp các bộ lọc N-path trên chíp, nhưng chúng tôi là nhóm đầu tiên dùng bộ lọc N-path để cân bằng miền tần số. Nhờ đó chíp không dây song công của chúng tôi có khả năng khử tín hiệu phản hồi trên một dải tần rất rộng.

Trong hệ thống của chúng tôi, một dải các bộ lọc N-path sẽ trích xuất một phần nhỏ năng lượng từ tín hiệu của bộ phát. Sau đó, nó chia tín hiệu RF thành hai dải tần (mặc dù chia thành nhiều dải tần hơn cũng được) rồi điều chỉnh tín hiệu trong mỗi dải để mô phỏng tín hiệu tự nhiễu ở ngõ vào của bộ thu.

Cách chia băng thông thành nhiều dải nhỏ như thế này là một chiến lược chia để trị và nó làm cho việc xử lý mỗi dải tần số—nghĩa là điều chỉnh công suất và pha—dễ dàng hơn. Các mạch điện điều chỉnh mỗi dải tần theo các thông số được gán cho dải tần đó. Cũng tương tự như việc chỉnh âm trầm và âm cao trong hệ thống xử lý âm thanh, các mạch điện sẽ làm đủ mọi thứ để sao cho tín hiệu ngõ ra giống như tín hiệu ngõ vào.

Bước kế tiếp là tự động hoá việc điều chỉnh này sao cho ngõ ra thay đổi tương ứng với những thay đổi trong môi trường. Do môi trường thay đổi liên tục từ thời điểm này qua thời điểm khác nên quá trình phải được tự động hoá. Mặc dù chúng tôi đã đạt được một số kết quả khả quan ban đầu cho quá trình tự động hoá, vẫn còn nhiều việc phải làm trong phần này.

Chúng tôi đã thiết kế một bộ thu có tính năng khử và chế tạo nó trên công nghệ CMOS 65nm. Bộ thu song công của chúng tôi có thể hoạt động trên dải tần từ 0.8 đến 1.4 GHz, và bộ khử tự nhiễu cao tần có khả năng giảm nhiễu từ bộ phát, cho nhiều loại ăng-ten khác nhau, trong một băng thông lớn hơn khoảng gấp 10 lần so với băng thông có thể đạt được bằng các kỹ thuật khử nhiễu thông thường. Chúng tôi đạt được băng thông khử lớn gấp 10 lần này chỉ với hai bộ lọc N-path. Như vậy là đủ để nó tương thích với nhiều chuẩn không dây tiên tiến, bao gồm LTE và Wi-Fi. Nếu dùng nhiều bộ lọc hơn thì ta có thể khử nhiễu trong một băng thông rộng hơn.

Một ưu điểm nữa của kỹ thuật khử nhiễu miền tần số của chúng tôi là nó tương thích với các hệ thống không dây hiện có—là những hệ thống thực hiện song công bằng cách dùng nhiều kênh phân chia theo tần số. Như đã nói ở trên, FDD là một kỹ thuật bán song công trong đó bộ phát và bộ thu hoạt động cùng lúc nhưng trên các tần số khác nhau. Hệ thống này cần các bộ lọc song công để tách tín hiệu thu và phát ở ăng-ten dùng chung. Do các bộ lọc song công nằm ngoài con chíp này có đáp ứng tần số cố định nên các điện thoại thông minh ngày nay phải sử dụng một bộ lọc song công trên mỗi kênh FDD—và do LTE 4G hỗ trợ 25 kênh, ta cần đến 25 bộ lọc song công riêng rẽ!

Ta có thể giảm kích thước và chi phí cho bộ phận thu phát vô tuyến của điện thoại di động bằng cách thay thế các bộ lọc đó bằng những bộ lọc có thể điều chỉnh được, tuy nhiên những bộ lọc này thường kém hiệu quả hơn loại có tần số cố định trong việc cách ly bộ phát và bộ thu. Điều này dẫn đến bộ thu dễ bị ảnh hưởng bởi tín hiệu tự nhiễu từ bộ phát. Và đó là lúc mà ta phải dùng đến khả năng khử tín hiệu tự nhiễu.

Tín hiệu tự nhiễu đi vào bộ thu từ ăng-ten, vậy nên sẽ rất hiệu quả nếu ta có thể can thiệp ngay tại đó, trước khi tín hiệu nhiễu đi vào bên trong. Những thách thức chính trong việc này là phải giữ cho ăng-ten được nhỏ gọn—để dùng trong điện thoại di động, chẳng hạn—và phải đảm bảo rằng tín hiệu tự nhiễu không xuất hiện trở lại mỗi khi tính chất điện từ trường của môi trường thay đổi. Nói cách khác, chúng ta muốn ăng-ten phải thông minh.

Một ăng-ten thông minh như vậy có thể thay đổi không chỉ các thông số dễ nhận biết của sóng vô tuyến—như biên độ, pha, và tần số—mà còn thay đổi một đặc tính nữa: phân cực của sóng. Một sóng vô tuyến thực ra là hai trường liên kết với nhau, một là trường điện, và một là trường từ—vậy nên mới có thuật ngữ “trường điện từ.” Khi trường điện dao động ở một tần số nó sẽ tạo ra trường từ, và ngược lại. Hai trường này vuông góc với nhau, và tương quan về hướng của hai trường này trong không gian được gọi là phân cực của chúng. Các sóng điện từ có phân cực khác nhau có thể truyền ngang qua nhau mà không ảnh hưởng gì đến nhau.

Krishnaswamy và nghiên cứu sinh tiến sĩ của mình, Tolga Dinc, đã khai thác đặc tính phân cực của sóng để thực hiện truyền song công giữa hai ăng-ten nhỏ (dùng cho tần số 4.6GHz), một cho bộ phát và một cho bộ thu. Ngay cả khi đặt bộ phát và bộ thu bên cạnh nhau, do sóng đến và đi từ hai ăng-ten có phân cực trực giao nên bộ phát và bộ thu xem như được cách ly. Mặc dù việc cách ly này làm giảm thiểu tự nhiễu, nó không loại bỏ được hoàn toàn. Đó là lý do tại sao chúng tôi thiết kế thêm một ngõ vào cho ăng-ten thu và ngõ vào này có cùng phân cực với ăng-ten phát. Ngõ này thu một phần nhỏ tín hiệu phát, điều chỉnh nó bằng một bộ lọc, rồi sau đó đưa vào ngõ vào của bộ thu. Kết quả là tín hiệu nhiễu được khử gần như hoàn hảo. Do bộ lọc có thể được lập trình khi đang hoạt động, chúng tôi có thể điều chỉnh khả năng khử của nó tương ứng với điều kiện môi trường.

Chíp thử nghiệm của chúng tôi có thể đạt được mức cách ly lên đến 50 dB—nghĩa là 100 ngàn lần—trong một băng thông 300 MHz. Mức cách ly này tốt hơn 1000 lần so với mức cách ly khi không dùng kỹ thuật khử dựa trên phân cực. Ngay cả khi đặt một tấm kim loại có tính phản xạ mạnh gần ăng-ten để tăng tự nhiễu, chúng tôi vẫn có thể điều chỉnh hệ thống và lấy lại khả năng khử nhiễu.

Phương pháp kết hợp thiết kế ăng-ten với kỹ thuật khử cũng dễ áp dụng với các tần số cao hơn—30 GHz và hơn nữa. Trong dải tần đó, bước sóng được tính bằng mili-mét nên ăng ten thu và phát cũng nhỏ theo.

Những tần số cao này rất hứa hẹn cho các thế hệ mạng thông tin kế tiếp do chúng có băng thông rộng hơn nhiều. Chúng tôi đã thiết kế một chíp thu phát song công ở tần số 60-GHz sử dụng kỹ thuật khử nhiễu dựa trên phân cực của ăng-ten cũng như kỹ thuật khử nhiễu cho tín hiệu cao tần và tín hiệu số. Con chíp có khả năng giảm nhiễu gần 80 dB (100 triệu lần) trong một băng thông rộng 1 GHz. Nó là con chíp đầu tiên trên thế giới cho phép tạo nên một kênh truyền song công ở bước sóng mili-mét  qua khoảng cách gần 1 mét. Đó là một khoảng cách đáng kể ở dải tần số đang được xem xét cho các ứng dụng khoảng cách ngắn, chẳng hạn như USB không dây, này.

Thiết kế của chúng tôi có thể hoạt động trong cả mạng Wi-Fi và mạng điện thoại di động. Sử dụng cho mạng điện thoại di động thì khó hơn do các kết nối phải được phối hợp một cách cẩn thận bởi trạm gốc, là nơi cấp tần số cho từng người dùng và định thời mọi thứ một cách hoàn hảo. Nhưng mạng Wi-Fi thì miễn phí cho tất cả mọi người và không hề có những ràng buộc nói trên. Tương tự như vậy, mạng điện thoại di động thu phát trên khoảng cách 1km hay hơn, còn mạng Wi-Fi chỉ phủ sóng vài chục mét nên tín hiệu ít hơn và yếu hơn. Tất cả những điều này làm cho việc khử tín hiệu tự nhiễu trở nên dễ dàng hơn.

Một trong số các tác giả (Zussman) và sinh viên của mình, Jelena Marašević, đã phân tích những lợi ích của truyền song công trên các con chíp thực sự (chứ không phải trong các hoàn cảnh lý tưởng như những nhóm khác đã làm). Họ nhận thấy rằng ta không thể luôn giả định rằng việc khử nhiễu sẽ được thực hiện một cách hoàn hảo: sau khi đã làm mọi cách khử nhiễu thì vẫn còn tín hiệu tự nhiễu, cho dù yếu, và tín hiệu thu cần phải mạnh hơn rất nhiều so với phần còn lại của tín hiệu tự nhiễu này.

Nhiều vấn đề cần phải được giải quyết trước khi chúng tôi có thể tuyên bố rằng đã có giải pháp truyền song công không dây. Trước hết, để làm cho hệ thống song công trên một con chíp gọn gàng nhất có thể, chúng tôi cần phải thiết kế một bộ circulator—thiết bị cho phép bộ phát và bộ thu dùng chung một ăng-ten. Điều này không dễ bởi vì bộ circulator phải có tính bất thuận nghịch—nghĩa là nó phải xử lý tín hiệu đi vào khác với cách nó xử lý tín hiệu phát ra. Chỉ như vậy thì một ăng-ten duy nhất mới có thể phát và thu đồng thời.

Nhưng việc xử lý tín hiệu theo những cách khác nhau tuỳ theo hướng di chuyển của tín hiệu thì trái với nguyên tắc vật lý cơ bản về tính thuận nghịch của Lorentzi. May mắn là nguyên tắc này chỉ áp dụng với hầu hết, chứ không phải tất cả, các loại vật liệu và hệ thống. Các vật liệu sắt từ là một ngoại lệ, và thực tế là các nhà nghiên cứu đã dùng chúng để chế tạo các bộ circulator không thuận nghịch trong một thời gian dài.

Các vật liệu sắt từ có khả năng xoắn các sóng điện từ theo chiều kim đồng hồ so với trục của hướng truyền khi tín hiệu truyền theo hướng này, và xoắn theo ngược chiều kim đồng hồ khi tín hiệu truyền theo hướng ngược lại. Nhưng do các bộ circulator bằng sắt từ không thể đưa lên con chíp được, chúng tôi nghĩ ra một cách khác: chúng tôi xoắn sóng điện từ bằng các công tắc—chính là các transistor.

Tháng Tư vừa rồi, Krishnaswamy và nghiên cứu sinh tiến sĩ của mình, Negar Reiskarimian, đã chế tạo thành công một bộ circulator dùng các transistor để mô phỏng hoạt động của vật liệu sắt từ. Đó là thiết kế đầu tiên loại này được chế tạo trên một con chíp, và chúng tôi đã tích hợp nó với một bộ thu song công có tính năng khử tự nhiễu. Vậy là chúng tôi có được hệ thống song công chỉ dùng một ăng-ten.

Thử thách thứ hai là mở rộng tính năng khử tự nhiễu sang cho các bộ thu phát MIMO. Các bộ thu phát MIMO được dùng phổ biến trong các trạm gốc, và chúng có thể phát nhiều luồng tín hiệu song song, giúp tăng tốc độ dữ liệu một cách đáng kể. Tuy nhiên, hiện tượng tự nhiễu lại có khả năng xảy ra giữa mọi cặp thu và phát. Nếu ta cố dùng các bộ lọc để xử lý mọi cặp thu phát có thể thì mức độ phức tạp sẽ tăng theo bình phương số lượng các ngõ MIMO. Đây là một bài toán khó, và mặc dù chúng tôi đã có một vài ý tưởng để giải quyết, vẫn còn rất nhiều việc phải làm.

Nhưng ngay lúc này, chúng tôi hy vọng rằng mình có thể sử dụng con chíp song công để cải thiện các tính năng quan trọng của các hệ thông không dây sẵn có. Một trong những ứng dụng đầu tiên, có lẽ trong vòng hai năm tới, là trong các hệ thống không dây khoảng cách ngắn, chẳng hạn như Wi-Fi, nơi mà tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu thường cao. Đưa công nghệ này vào điện thoại di động, nơi tín hiệu tự nhiễu mạnh hơn, có lẽ phải mất khoảng năm năm. Một ứng dụng nữa là các hệ thống vi-ba trực tiếp và các hệ thống tiếp dẫn dùng tín hiệu ở bước sóng mili-mét—là các hệ thống xương sống của các mạng viễn thông của chúng ta.

Nhiều công ty lớn trong ngành công nghiệp không dây đã bày tỏ sự quan tâm đến nghiên cứu của chúng tôi, và một vài công ty, chẳng hạn như Qualcomm, thậm chí đã tài trợ cho chúng tôi. Chúng tôi cũng đã nhận tài trợ từ DARPA và NSF.

Trong năm năm tới, chúng tôi hy vọng sẽ đưa kỹ thuật song công vào các mạng điện thoại di động nhỏ. Chúng tôi tin rằng một ngày nào đó tất cả các thiết bị không dây của chúng ta sẽ phát và thu cùng lúc trên một tần số thông qua một ăng-ten nối với một con chíp.

Tác giả: Harish Krishnaswamy là giáo sư ngành kỹ thuật điện ở Columbia University. Gil Zussman là giáo sư ngành kỹ thuật điện và khoa học máy tính ở Columbia.