Mô hình kênh đa đường là gì? Nghiên cứu khoa học liên quan

Khái niệm mô hình kênh đa đường

Mô hình kênh đa đường (Multipath Channel Model) là mô hình dùng để mô phỏng hiện tượng tín hiệu vô tuyến khi lan truyền không đến trực tiếp từ máy phát đến máy thu, mà bị phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ hoặc tán xạ bởi các vật thể trong môi trường như tòa nhà, cây cối, xe cộ hay địa hình. Những tín hiệu bị chuyển hướng này vẫn đến được máy thu nhưng với các độ trễ và đặc tính pha khác nhau, tạo thành nhiều bản sao của cùng một tín hiệu – gọi là các thành phần đa đường.

Hiện tượng này có thể gây ra giao thoa (interference) giữa các tín hiệu đến sớm và đến muộn, dẫn đến hiện tượng fading – một dạng suy hao tín hiệu phức tạp theo thời gian, tần số hoặc vị trí. Việc hiểu rõ và mô hình hóa đúng kênh truyền đa đường là bước bắt buộc trong thiết kế các hệ thống truyền thông không dây hiện đại như 5G, Wi-Fi, LTE, radar, hoặc các hệ thống định vị toàn cầu (GNSS). Thông tin chi tiết về đặc tả kỹ thuật có thể tham khảo tại ITU Recommendation P.1407.

Mô hình kênh đa đường cho phép giả lập các đặc tính vật lý của môi trường truyền dẫn, nhằm kiểm tra hiệu năng hệ thống trước khi triển khai thực tế. Chúng là công cụ không thể thiếu trong quy trình thiết kế và kiểm thử các thuật toán điều chế, mã hóa kênh, kỹ thuật MIMO hay các giao thức điều khiển truy cập vô tuyến.

Nguyên nhân và cơ chế hình thành đường truyền đa đường

Tín hiệu vô tuyến khi truyền đi không chỉ di chuyển theo đường thẳng mà có thể bị tác động bởi nhiều hiện tượng vật lý. Bốn cơ chế chính gây ra sự xuất hiện của các thành phần đa đường là:

• Phản xạ (Reflection): Xảy ra khi sóng gặp bề mặt lớn hơn nhiều so với bước sóng và bị bật ngược lại, như tường nhà hoặc mặt đất.
• Khúc xạ (Refraction): Khi sóng đi qua các lớp vật liệu có chỉ số khúc xạ khác nhau (ví dụ kính hoặc nước), làm lệch hướng truyền.
• Nhiễu xạ (Diffraction): Xảy ra khi sóng gặp các vật cản nhỏ hoặc rìa vật thể, làm sóng uốn cong và tiếp tục lan truyền.
• Tán xạ (Scattering): Khi sóng gặp các vật thể có kích thước tương đương bước sóng như lá cây hoặc người đi bộ, khiến tín hiệu bị phân tán theo nhiều hướng.

Mỗi tín hiệu bị ảnh hưởng bởi các cơ chế này sẽ đến máy thu theo một đường riêng biệt, có thể khác nhau về biên độ, pha và độ trễ. Sự chênh lệch về thời gian truyền giữa các tín hiệu được gọi là delay spread – là thông số then chốt trong mô hình hóa kênh đa đường.

Môi trường truyền có thể được phân loại theo mức độ phức tạp của các thành phần đa đường:

Môi trường	Đặc điểm kênh	Ứng dụng điển hình
Không gian mở (free space)	Chủ yếu truyền thẳng, rất ít phản xạ	Liên lạc vệ tinh, máy bay
Đô thị	Nhiều phản xạ từ tường, kính, xe cộ	Di động thành phố, mạng 5G
Trong nhà	Khúc xạ và phản xạ từ tường, nội thất	Wi-Fi, IoT

Các loại fading trong kênh đa đường

Fading là hệ quả trực tiếp của truyền đa đường, biểu hiện dưới nhiều dạng khác nhau tùy theo đặc tính môi trường, chuyển động của các đối tượng và tần số sử dụng. Có bốn loại fading chính cần phân biệt trong mô hình kênh:

• Fading nhanh (Fast fading): Biến thiên tín hiệu rất nhanh trong thời gian ngắn và khoảng cách nhỏ do sự giao thoa giữa các thành phần đa đường, phổ biến khi người dùng hoặc vật cản chuyển động nhanh.
• Fading chậm (Slow fading): Do thay đổi chậm về môi trường hoặc vị trí người dùng, ví dụ như di chuyển từ ngoài trời vào trong nhà dẫn đến suy giảm tín hiệu kéo dài.
• Fading phẳng (Flat fading): Xảy ra khi độ trễ của các tín hiệu đa đường nhỏ hơn chu kỳ ký hiệu, làm toàn bộ tín hiệu bị ảnh hưởng đồng nhất.
• Fading chọn lọc tần số (Frequency-selective fading): Khi delay spread lớn hơn độ rộng ký hiệu, dẫn đến các tần số khác nhau bị ảnh hưởng không đồng đều.

Sự phân loại này giúp chọn đúng kỹ thuật xử lý tín hiệu phù hợp. Ví dụ, fading chọn lọc tần số đòi hỏi sử dụng điều chế đa sóng mang như OFDM, còn fading nhanh có thể yêu cầu các kỹ thuật trải phổ hoặc diversity để tăng độ bền tín hiệu.

Các đặc tính fading thường được mô tả bằng hàm tương quan theo thời gian và tần số, trong đó Doppler shift đóng vai trò chính trong fading theo thời gian. Đối với người di chuyển với tốc độ $v$ trong môi trường có tần số sóng mang $f_c$, độ lệch Doppler được tính bằng:

$f_d = \frac{v f_c}{c}$

Trong đó $c$ là vận tốc ánh sáng. Đây là thông số quan trọng dùng trong thiết kế bộ lọc và các mô hình mô phỏng fading động.

Các mô hình kênh phổ biến

Để mô phỏng và đánh giá hệ thống truyền thông thực tế, các nhà nghiên cứu và kỹ sư sử dụng các mô hình kênh chuẩn hóa. Các mô hình này cho phép sinh ra các mẫu kênh có đặc tính gần giống với môi trường thật và dùng trong kiểm thử phần mềm hoặc phần cứng.

Một số mô hình tiêu biểu:

• ETSI 3GPP Spatial Channel Model (SCM): Dùng trong mạng 3G/4G/5G, mô phỏng phân bố không gian, góc tới, góc phản xạ và các đặc trưng fading.
• ITU-R Vehicular Channel Models: Tập trung vào mô hình hóa kênh cho môi trường di chuyển nhanh (xe hơi, tàu cao tốc).
• COST 207: Tiêu chuẩn châu Âu cho mô hình hóa kênh trong mạng di động GSM, gồm các kịch bản như Typical Urban, Bad Urban.
• TDL (Tapped Delay Line): Mô hình đường trễ tuyến tính đơn giản, mỗi tap đại diện cho một thành phần đa đường với biên độ và pha ngẫu nhiên.

Mô hình TDL thường có dạng:

$h(t) = \sum_{i=1}^{N} \alpha_i e^{j\phi_i} \delta(t - \tau_i)$

Trong đó $\alpha_i$ là biên độ, $\phi_i$ là pha, $\tau_i$ là độ trễ của tín hiệu thứ i. Đây là dạng mô hình cơ bản nhất nhưng vẫn đủ mạnh để mô phỏng các hiện tượng fading phức tạp trong hệ thống truyền dẫn tần số cao.

Thông số đặc trưng của kênh đa đường

Để định lượng và mô phỏng chính xác kênh đa đường, các tham số thống kê đặc trưng được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết truyền thông không dây. Những thông số này giúp xác định mức độ phức tạp của kênh và lựa chọn chiến lược xử lý tín hiệu thích hợp.

Một số thông số cơ bản bao gồm:

• Delay spread (σ_τ): Khoảng thời gian giữa tín hiệu sớm nhất và tín hiệu muộn nhất đến máy thu, phản ánh mức độ phân tán thời gian.
• Coherence bandwidth (B_c): Dải tần mà trong đó đáp ứng tần số của kênh gần như không đổi, liên hệ nghịch với delay spread:

$B_c \approx \frac{1}{5\sigma_\tau}$

• Doppler spread (σ_f): Độ rộng phổ do hiệu ứng Doppler gây ra bởi chuyển động, phản ánh sự thay đổi tín hiệu theo thời gian.
• Coherence time (T_c): Khoảng thời gian mà đặc tính kênh được xem là không đổi, liên hệ nghịch với Doppler spread:

$T_c \approx \frac{1}{\sigma_f}$

Các thông số này được đo đạc thực nghiệm hoặc giả lập để phục vụ tối ưu hóa thiết kế anten, lựa chọn cấu hình sóng mang và kỹ thuật mã hóa. Ví dụ, hệ thống OFDM cần B_c lớn hơn độ rộng sóng mang con để tránh xuyên nhiễu tần số.

Ảnh hưởng đến thiết kế hệ thống truyền thông

Mô hình kênh đa đường là đầu vào không thể thiếu khi thiết kế hệ thống truyền dẫn, từ cấp độ vật lý đến lớp điều khiển liên kết. Nếu không mô hình hóa chính xác, các kỹ thuật điều chế, giải mã và thu tín hiệu sẽ hoạt động không hiệu quả, gây mất dữ liệu hoặc tăng độ trễ.

Một số giải pháp chính được sử dụng để chống lại tác động của đa đường:

• Bộ cân bằng (equalizer): Dùng để khử ảnh hưởng giao thoa giữa các ký hiệu gây ra bởi các thành phần đa đường trễ.
• Điều chế đa sóng mang (OFDM): Chia tín hiệu thành nhiều sóng mang con để xử lý dễ dàng trong môi trường fading chọn lọc tần số.
• Kỹ thuật đa anten (MIMO): Khai thác tính đa chiều của kênh để tăng tốc độ dữ liệu và độ tin cậy.
• Adaptive modulation & coding (AMC): Tự động điều chỉnh sơ đồ điều chế và mã hóa dựa trên chất lượng kênh đo được.

Ngoài ra, việc lựa chọn sơ đồ truy cập như TDMA, FDMA, CDMA cũng bị ảnh hưởng bởi đặc tính kênh. Ví dụ, trong môi trường fading nhanh, CDMA có thể chịu lỗi tốt hơn nhờ trải phổ.

Vai trò trong các hệ thống không dây hiện đại

Với sự phát triển của công nghệ không dây thế hệ mới như 5G, Wi-Fi 6/7 và mạng cảm biến tốc độ cao, việc mô hình hóa chính xác kênh truyền ngày càng trở nên quan trọng. Mô hình kênh đa đường là nền tảng để giả lập hiệu năng hệ thống trước khi triển khai thực tế.

Trong tiêu chuẩn 3GPP, các mô hình TDL-A đến TDL-E được sử dụng để kiểm thử thiết bị 5G trong các môi trường khác nhau như đô thị dày đặc, khu vực bán đô thị, và trong nhà. Mỗi mô hình có thông số riêng về delay profile, Doppler spectrum và độ lợi anten.

Ví dụ mô tả so sánh:

Mô hình	Delay Spread (ns)	Doppler Type	Ứng dụng
TDL-A	30	Classical	Trong nhà, văn phòng
TDL-B	100	Jakes	Đô thị nhẹ
TDL-C	300	Jakes	Đô thị dày đặc

Những thông tin này giúp đánh giá mức độ phù hợp của thiết bị hoặc thuật toán trong các môi trường phức tạp trước khi thương mại hóa.

Phân tích mô phỏng và đo kiểm thực nghiệm

Việc xác thực mô hình kênh thường được thực hiện thông qua hai phương pháp: đo kiểm thực nghiệm ngoài hiện trường (field measurement) và mô phỏng số trong phòng thí nghiệm. Cả hai phương pháp này đều có vai trò hỗ trợ lẫn nhau trong quá trình phát triển công nghệ.

Đo kiểm sử dụng thiết bị chuyên dụng như channel sounder để ghi nhận biên độ, pha và độ trễ của các thành phần tín hiệu tại các điểm thu khác nhau. Dữ liệu thu được sau đó được xử lý để rút ra thông số đặc trưng và xây dựng mô hình xác suất.

Mô phỏng số thường dùng công cụ như:

• MATLAB với các toolbox về communication system và fading channel
• Keysight SystemVue cho giả lập hệ thống vô tuyến thực dụng
• NS-3 hoặc OMNeT++ cho giả lập mạng lớp cao hơn

Kết quả mô phỏng giúp đánh giá hiệu năng của giao thức hoặc thuật toán mà không tốn chi phí triển khai thật.

Xu hướng nghiên cứu và mô hình hóa kênh thế hệ mới

Với sự chuyển dịch sang các dải tần số cao như mmWave (30–100 GHz) và THz (0.1–10 THz), đặc tính kênh truyền thay đổi đáng kể, đòi hỏi những mô hình mới chính xác hơn. Ở các dải tần này, sóng không dễ xuyên vật cản, độ phản xạ mạnh, tán xạ yếu và vùng phủ sóng hẹp.

Các xu hướng nghiên cứu bao gồm:

• Mô hình hóa dựa trên bản đồ: Sử dụng công cụ ray-tracing kết hợp bản đồ 3D để tạo dữ liệu kênh cụ thể theo từng địa điểm.
• Học sâu (deep learning): Áp dụng mạng sinh (GAN) hoặc mạng RNN để sinh chuỗi kênh giả lập có tính chất tương đồng với đo thực tế.
• Phản hồi kênh (CSI feedback): Kết hợp dữ liệu phản hồi để cải thiện hiệu suất của mô hình dự đoán kênh theo thời gian thực.

Các dự án như 5G-CLARITY và ITU FG IMT-2020 đang dẫn đầu trong việc phát triển các mô hình thích ứng với mạng 6G, nơi kênh truyền không chỉ là thách thức mà còn là yếu tố cần khai thác.

Tài liệu tham khảo

1. ITU-R Recommendation P.1407. Multipath Propagation and Delay Profiles. Link
2. ETSI TR 138 901. 5G; Study on Channel Model for Frequencies from 0.5 to 100 GHz. Link
3. Molisch, A. F. (2011). Wireless Communications (2nd ed.). Wiley-IEEE Press.
4. Rappaport, T. S., et al. (2013). Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: It will work!. IEEE Access, 1, 335–349.
5. Keysight Technologies. SystemVue Channel Modeling Brochure. Link