Mạng vô tuyến chuyển tiếp không đồng bộ với hồi tiếp pha

Bài viết tiến hành đề xuất một sơ đồ chuyển tiếp hợp tác mới gọi là sơ đồ hồi tiếp pha, trong đó các nút chuyển tiếp sử dụng thông tin pha hồi tiếp từ nút đích nhân với tín hiệu mà nó thu được từ nút nguồn để tạo ra tín hiệu chuyển tiếp đến nút đích.

Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Học viện KTQS - Số 184 (06-2017) MẠNG VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP KHÔNG ĐỒNG BỘ VỚI HỒI TIẾP PHA Trần Thế Nghiệp1 Tóm tắt Một hệ thống vơ tuyến chuyển tiếp mà trễ thời gian truyền sóng từ nút chuyển tiếp khác đến nút đích khác gọi hệ thống vô tuyến chuyển tiếp không đồng Do không đồng nên xuất nhiễu xuyên ký tự ISI tín hiệu thu nút đích làm chất lượng hệ thống bị suy giảm đáng kể Trong báo này, đề xuất sơ đồ chuyển tiếp hợp tác gọi sơ đồ hồi tiếp pha, nút chuyển tiếp sử dụng thơng tin pha hồi tiếp từ nút đích nhân với tín hiệu mà thu từ nút nguồn để tạo tín hiệu chuyển tiếp đến nút đích Điều cho phép giảm thời gian pha hợp tác xuống khe thời gian giảm số lượng thành phần ISI tín hiệu thu xuống mức tối thiểu (tức có thành phần ISI) Kết sơ đồ hồi tiếp pha cho phép nhận tăng ích mảng lớn, chống lại mạnh mẽ đồng trễ truyền sóng từ nút chuyển tiếp gây nút đích có chất lượng vượt trội so với sơ đồ mã khối không gian thời gian trực giao mở rộng phân tán đề xuất trước The wireless relay network with different propagation delays from relay nodes to destination node is called the asynchronous wireless relay network Due to the effect of different propagation delays among relay nodes that leads to inter-symbol interferences (ISI) in received signal at the destination node and reduces significantly the system performance In this paper, we propose a new wireless relay network with phase feedback where received signals at relay nodes are multiplied by feedback phase from destination node before being forwarded to destination node This allows the transmission from relay nodes to the destination to perform in only one time slot and reducing the number of ISI components to a minimum (it means only one ISI component in the received signal) As results, the proposed phase feedback scheme enables robust against asynchronous, improves significantly array gain, and outperforms the previous distributed close loop extended orthogonal space-time block code Từ khóa Giải mã cận tối ưu, quay pha tín hiệu, mã khơng gian thời gian phân tán, mã không gian thời gian phân tán vịng kín Giới thiệu chung Mã khơng gian-thời gian phân tán (DSTC: Distributed Space-Time Code) sử dụng mạng vô tuyến chuyển tiếp phân tán mạng tùy biến không dây (WadN: Wireless ad hoc Network), mạng cảm biến không dây (WSN: Wireless Sensor Network) Học viện Kỹ thuật quân 77 Chuyên san Công nghệ thông tin Truyền thông - Số 10 (06-2017) cho phép nhận tăng ích phân tập khơng gian [1]-[4] Xét góc độ trễ truyền sóng, mạng vơ tuyến chuyển tiếp phân chia thành hai loại mạng vô tuyến chuyển tiếp đồng mạng vô tuyến chuyển tiếp không đồng Mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác đồng mạng vô tuyến mà giả thiết thời gian truyền sóng từ nút chuyển tiếp đến nút đích Tuy nhiên thực tế, đặc tính phân tán tự nhiên nút chuyển tiếp làm cho khoảng cách vật lý nút chuyển tiếp tới nút đích khơng giống dẫn đến tín hiệu gửi từ nút chuyển tiếp tới nút đích với thời gian trễ khác Hiện tượng gọi không đồng (asynchronous) [1] nguyên nhân sinh nhiễu liên ký hiệu (ISI: Inter-Symbol Interference) làm tính trực giao mã DSTC suy giảm chất lượng tổng thể hệ thống [5]-[12] Mạng vô tuyến chuyển tiếp hợp tác loại gọi mạng chuyển tiếp hợp tác không đồng Từ mã DCL QO-STBC Khe thời gian Khe thời gian Khe thời gian Ant1 R1 s(1, n) -s *(2, n) -s *(3, n) s(4, n) Ant R1 s(2, n) s -s s(3, n) Ant1 R2 -U 1s(2, n - 1) U 1s(3, n) Ant R2 -U 2s(1, n - 1) U 2s(4, n) Khe thời gian *(1, n ) -U 1s *(4, n) U 2s *(3, n ) tik (Delay time ) *(4, n ) U 1s *(1, n) -U 1s(2, n) U 2s U 2s(1, n) *(2, n ) T a) Minh họa nhiễu ISI sơ đồ DCL QO-STBC [2] Từ mã DCL EO-STBC Khe thời gian Nhiễu ISI chu kỳ trước (P-ISI) Nhiễu ISI chu kỳ (C-ISI) Ant1 R1 -U 1s *(2, n - 1) Ant R1 -s *(2, n - 1) Khe thời gian U 1s(1, n) -U 1s *(2, n) s(1, n) -s *(2, n) Ant1 R2 -U 2s *(1, n - 1) U 2s(2, n) -U 2s *(1, n) Ant R2 s *(1, n - 1) s(2, n) s *(1, n) tik (Delay time ) T b) Minh họa nhiễu ISI sơ đồ DCL EO-STBC [1] Hình Các thành phần nhiễu ISI sơ đồ DCL EO-STBC [1] DCL QO-STBC [2] Để giải vấn đề ảnh hưởng nhiễu ISI, nâng cao chất lượng cho mạng chuyển tiếp hợp tác không đồng bộ, A Elazreg A Kharaz [2] đề xuất sử dụng mã khối không gian-thời gian cận trực giao phân tán vịng kín (DCL QO-STBC: Distributed Close Loop Quasi-Orthogonal Space-Time Code) giải mã tối ưu thành phần (SOD: Sub-Optimum Detection) (sau gọi sơ đồ DCL QO-STBC) Mặc dù sơ đồ DCL QO-STBC chứng minh có khả loại bỏ nhiễu ISI hiệu quả, phẩm chất giải mã SOD phụ thuộc vào kết tách sóng tín hiệu kênh truyền trực tiếp (DT: Direct Transmission link) nguồn đích, thực tế lúc tồn đường truyền trực tiếp Để giải vấn đề W M Qaja, A M Elazreg [1], đề xuất sử dụng mã khối không gian-thời gian trực giao mở rộng phân tán vịng kín (DCL EO-STBC: Distributed Close Loop Extended-Orthogonal 78 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Học viện KTQS - Số 184 (06-2017) Space-Time Code) giải mã cận tối ưu (NOD: Near-Optimum Detection) (sau gọi sơ đồ DCL EO-STBC) cho hệ thống chuyển tiếp khơng đồng khơng có đường truyền trực tiếp nút nguồn nút đích Sơ đồ DCL EO-STBC [1] chứng minh tốt so với sơ đồ DCL QO-STBC [2] giảm số lượng thành phần ISI chu kỳ truyền dẫn mô tả cách trực quan Hình Trong Hình 1, s(i, n) biểu diễn symbol thứ i ma trận từ mã chu kỳ tại, s(i, n − 1) biểu diễn symbol thứ i ma trận từ mã chu kỳ trước Uk (k = 1, 2) giá trị pha hồi tiếp Các thành phần nhiễu ISI sinh ảnh hưởng tượng không đồng chia làm hai loại gồm nhiễu P-ISI (P-ISI: Previous ISI) nhiễu C-ISI (C-ISI: Current ISI), P-ISI thành phần xuyên nhiễu sinh symbol thuộc từ mã phát chu kỳ trước s(i, n − 1) C-ISI (C-ISI: Current ISI) thành phần xuyên nhiễu sinh symbol thuộc từ mã phát chu kỳ s(i, n) [3] Các giải mã SOD [2] NOD [1] loại bỏ cách hồn tồn thành phần nhiễu P-ISI loại bỏ thành phần nhiễu C-ISI Hình cho thấy chu kỳ truyền dẫn tín hiệu thu nút đích sơ đồ DCL QO-STBC qua khe thời gian có thêm thành phần ISI (2 C-ISI + P-ISI) sơ đồ DCL EO-STBC qua khe thời gian có thêm thành phần ISI (2 C-ISI + P-ISI) Rõ ràng, giảm số khe thời gian cần thiết cho pha hợp tác chu kỳ truyền dẫn giảm số lượng thành phần ISI ta hồn tồn cải thiện đáng kể chất lượng hệ thống, mục tiêu đóng góp báo Trong báo này, đề xuất sơ đồ truyền dẫn hợp tác cho mạng vô tuyến chuyển tiếp không đồng sử dụng hồi tiếp pha (PF: Phase Feedback) cho phép: - Giảm thời gian chu kỳ truyền dẫn hợp tác xuống khe thời gian - Giảm số lượng thành phần ISI chu kỳ giải mã xuống thành phần P-ISI loại bỏ hồn toàn giải mã NOD - Cải thiện đáng kể tăng ích mảng Kết quả, sơ đồ hồi tiếp PF nhận độ lợi đáng kể tỷ số cơng suất tín hiệu tạp âm (SNR: Signal to Noise Ratio) chống lại đồng tốt so với sơ đồ DCL EO-STBC [1] Phần lại báo tổ chức sau Sơ đồ hồi tiếp pha PF đề xuất mục Thuật tuán lựa chọn bít hồi tiếp giải mã nút đích trình bày mục Các kết mô đánh giá chất lượng tỉ lệ lỗi bít (BER: Bit Error Ratio) trình bày mục Cuối kết luận mục Sơ đồ vô tuyến chuyển tiếp không đồng với hồi tiếp pha đề xuất Trên Hình sơ đồ vơ tuyến chuyển tiếp hồi tiếp pha PF đề xuất báo Hệ thống bao gồm nút nguồn, nút đích hai nút chuyển tiếp Trong 79 Chuyên san Công nghệ thông tin Truyền thông - Số 10 (06-2017) đó, nút nguồn nút đích trang bị ăng-ten, nút chuyển tiếp có hai ăng-ten Khơng có kênh trực tiếp từ nút nguồn đến nút đích giới hạn cơng suất phát, khoảng cách truyền dẫn lớn ảnh hưởng tượng che khuất vô tuyến f11 R1 g21 b g11 f21 Kênh hồi tiếp Nguồn f22 g12 f12 g22 b Đích b R2 Hình Sơ đồ vơ tuyến chuyển tiếp vịng kín với hồi tiếp pha [1] Các nút chuyển tiếp làm việc chế độ bán song công (HD: Half-Duplex) sử dụng giao thức giải mã chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) Ký hiệu antik ăng-ten thứ i nút chuyển tiếp thứ k, fik tăng ích kênh từ nguồn đến ăng-ten antik gik tăng ích kênh từ ăng-ten antik đến nút đích Các tăng ích kênh fik gik (với i, k = 1, 2) giả thiết kênh pha-đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm có phân bố CN (0, 1) Tạp âm nút chuyển tiếp, nút đích giả thiết tạp âm Gauss trắng cộng mơ hình hóa biến ngẫu nhiên Gauss có phân bố CN (0, 1) Kí hiệu P (dB) tổng cơng suất phát tồn mạng Sử dụng phân bổ công suất phát tối ưu cho nút nguồn nút chuyển tiếp đề xuất Y Jing sau [13] P1 = P P , P2 = , (1) P1 P2 tương ứng công suất phát nút nguồn ăng-ten nút chuyển tiếp Quá trình truyền dẫn tín hiệu từ nút nguồn đến nút đích diễn hai pha, gồm pha quảng bá pha hợp tác Pha quảng bá, nút nguồn phát chuỗi symbol thông tin s(n) đến nút chuyển tiếp với chuẩn hóa cơng suất E[s∗ s] = Giả thiết với hỗ trợ mã kênh kiểm tra dịch vòng (CRC: Cyclic Redundancy Check), nút chuyển tiếp giải mã xác tín hiệu thu từ nút nguồn giống sơ đồ DCL EO-STBC [1] Ký hiệu sik (n) tín hiệu phát từ ăng-ten antik đến nút đích véc-tơ tín hiệu phát từ ăng-ten chuyển tiếp đến nút đích pha hợp tác T ∆ sR (n) = s11 (n) s21 (n) s12 (n) s22 (n) = s (n) b1 s (n) b2 s (n) b3 s (n) 80 T (2) Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Học viện KTQS - Số 184 (06-2017) Chu kỳ trước Chu kỳ Ant1 R1 s(n - 1) s(n) Ant R1 b1s(n - 1) b1s(n) Ant1 R2 b2s(n - 1) b2s(n) Ant R2 b3s(n - 1) b3s(n) (Thời gian trễ) t2 T Hình Nhiễu ISI ảnh hưởng tượng không đồng bi = ejθi (i = 1, 2, 3), với θi thông tin pha hồi tiếp xác định nút đích dựa thơng tin trạng thái kênh truyền nút chuyển tiếp nút đích, gửi nút chuyển tiếp thông qua kênh hồi tiếp minh họa Hình Giá trị θi (i = 1, 2, 3) chọn cho SNR tín hiệu thu nút đích đạt giá trị lớn trình bày mục Trên thực tế, khoảng cách từ nút chuyển tiếp đến nút đích lớn nhiều so với khoảng cách hai ăng-ten nút chuyển tiếp, xem tín hiệu nhận nút đích từ ăng-ten nút chuyển tiếp có thời gian trễ có khoảng cách Trong phân tán tự nhiên nút chuyển tiếp, tín hiệu thu từ nút chuyển tiếp khác lại có thời gian trễ khác khoảng cách thực tế từ nút chuyển tiếp tới nút đích khác Ký hiệu τik thời gian trễ từ ăng-ten antik tới nút đích, khơng làm tính tổng quát ta giả sử τ11 = τ12 = τ21 = τ22 = τ = Theo đó, tín hiệu thu nút đích viết dạng: r(n) = = P2 g11 g21 g12 g22 sR (n)+Iint (n)+z(n), P2 hs(n)+Iint (n)+z(n), (3) h = g11 + b1 g21 + b2 g12 + b3 g22 tăng ích kênh tương đương, z(n) tạp âm nút đích, Iint (n) thành phần nhiễu ISI: Iint (n) = P2 {b2 g12 (−1) + b3 g22 (−1)} s(n − 1) (4) Các hệ số gi2 (−1), (i = 1, 2) (4) biểu diễn tăng ích kênh ăng-ten nút chuyển tiếp thứ hai nút đích ảnh hưởng tượng không đồng Độ lớn gi2 (−1) biểu diễn dạng tỉ số sau [1]: β = |gi2 (−1)|2 /|gi2 |2 ; i = 1, (5) với β = τ = β = τ = 0.5T Lưu ý rằng, hệ số tăng ích gi2 (l), l = −2, −3 bỏ qua có độ lớn khơng đáng kể Hệ số P2 /2 81 Chuyên san Công nghệ thông tin Truyền thơng - Số 10 (06-2017) phương trình (3) để đảm bảo công suất phát nút chuyển tiếp P2 Rõ ràng, tín hiệu thu (3) tồn thành phần ISI loại P-ISI, mơ tả trực quan Hình Chỉ so sánh Hình Hình 3, thấy sơ đồ hồi tiếp pha có số thành phần ISI so với sơ đồ DCL QO-STBC DCL EO-STBC trước Hơn nữa, lại loại P-ISI nên loại bỏ cách hồn tồn với giải mã NOD trình bày mục Lựa chọn bít hồi tiếp giải mã NOD 3.1 Lựa chọn bít hồi tiếp Từ phương trình biểu diễn tín hiệu thu (3), tỉ số SNR thu nút đích xác định sau P2 λ (6) γ= , δz λ = h∗ h = α + χ tăng ích phẩm chất tổng thể hệ thống, với (•)∗ kí hiệu phép lấy liên hợp phức Tăng ích tổng thể sơ đồ đề xuất bao gồm hai thành phần tăng ích phân tập thơng thường α tăng ích mảng χ, xác định sau α = |g11 |2 + |g21 |2 + |g12 |2 + |g22 |2 ; (7) ∗ ∗ ∗ χ =2b1 (g11 g21 ) + 2b2 (g11 g12 + b1 g21 g12 ) ∗ ∗ ∗ + 2b3 (g11 g22 + b1 g21 g22 + b2 g12 g22 ) , (8) (•) kí hiệu phép lấy phần thực số phức Trước truyền liệu, nút đích vào thông tin trạng thái kênh (CSI: Channel State Information) có từ nút chuyển tiếp đến thơng qua huấn luyện kênh hay symbol hoa tiêu tính toán để xác định giá trị pha hồi tiếp gửi nút chuyển tiếp qua kênh hồi tiếp Tiêu chuẩn lựa chọn pha hồi tiếp để đạt SNR lớn cho sau: (θ1 , θ2 , θ3 ) = arg max γ = arg max χ θ1 ,θ2 ,θ3 ∈(0,π) (9) θ1 ,θ2 ,θ3 ∈(0,π) Khi dung lượng kênh hồi tiếp không bị hạn chế nút đích gửi đầy đủ giá trị pha hồi tiếp θ1 , θ2 , θ3 (9) nút chuyển tiếp chất lượng hệ thống nhận chắn tốt Tuy nhiên, thực tế kênh hồi tiếp thường phân bổ dung lượng nhỏ, vậy, thơng tin hồi tiếp cần lượng tử hóa để phù hợp với dung lượng giới hạn kênh hồi tiếp Trong trường hợp đề xuất giá trị pha hồi tiếp nhận hai giá trị π, tức θi = {0, π} tương ứng với bi = {1, −1} cần bít hồi tiếp cho giá trị pha hồi tiếp θi Khi này, thuật toán lựa chọn pha hồi tiếp để đạt SNR lớn (9) tương đương 82 Tạp chí Khoa học Kỹ thuật - Học viện KTQS - Số 184 (06-2017) với thuật toán xác định bít hồi tiếp để giá trị tăng ích mảng χ (8) đạt giá trị lớn nhất: b1 , b2 , b3 = arg max χ (10) b1 ,b2 ,b3 ∈{−1,1} Thuật tốn vét cạn tìm kiếm tồn khả (10) cho phép hệ thống nhận tăng ích mảng lớn Tuy nhiên số lượng phép tốn cần thực lớn, chúng tơi đề xuất thuật toán qui nạp gồm ba bước đơn giản để thay sau: ∗ )≥0 (g11 g21 Bước 1: b1 = ∗ −1 (g11 g21 )