Mô hình sử dụng mã mạng

Sử dụng mã mạng có thể giảm được số lượng khe thời gian xuống 3 khe thời gian. Trong phần 1.2 ở trên đã mô tả chi tiết về mã mạng. Ở đây ta xem xét với mô hình đơn giản sử dụng mã mạng. Bằng cách giảm số lượng khe thời gian từ 4 xuống 3, mô hình sử dụng mã mạng có thể tăng thông lượng tới 33% so với mô hình truyền dựa trên lưu lượng.

Hình 1.10 chỉ ra ý tưởng của mô hình sử dụng mã mạng. Trong khe thời gian 1, nút 1 truyền gói tin S1 đến nút R. Trong khe thời gian 2, nút 2 truyền gói S2 đến nút R. Sau khi nhận được gói tin S1 và S2, nút R sẽ tạo được gói tin đã được mã hóa mạng theo công thức: SR  S1 S2 với  biểu thị cho phép toán XOR của S1 và S2. Vì thế nếu

2 ( [1]1 1[1],..., [1 ] 1[ ])

S  a  jb a M  jb M và S2 ( [1]a2  jb2[1],...,a M2[ ] jb M2[ ]) ta có

2 (( [1]1 2[1]) ( [1]1 2[1]),..., ( [1 ] 2[ ]) ( [1 ] 2[ ]))

S  a a  j b b a M a M  j b M b M với M là số

lượng symbol trong gói tin.

Trong khe thời gian 3, nút R sẽ quảng bá gói tin SR tới nút 1 và 2. Khi nút 1 nhận được gói tin SR, nó giải mã thông tin S2 từ SR bằng cách sử dụng thông tin S1 sẵn có của nó như công thức sau: S1SR  S1 (S1S2)S2. Tương tự, nút 2 có thể lấy được gói tin S1 từ S2SR

Với mô hình truyền theo lưu lượng và mô hình truyền sử dụng mã mạng, ta phải cố gắng tránh truyền đồng thời. Có nghĩa là mỗi nút chỉ có thể truyền trong những khe thời

gian khác nhau. Mã mạng được thực hiện bởi nút chuyển tiếp sau khi nhận các gói tin từ nút 1 và nút 2 trong những khe thời gian khác nhau.

Hình 1.10 Mô hình mã mạng

1.4.3. Mô hình sử dụng mã mạng lớp vật lý

Với mô hình sử dụng mã mạng lớp vật lý, ta có thể giảm nữa số lượng khe thời gian xuống còn 2 khe thời gian. Nó cho phép nút 1 và 2 truyền thông tin cùng một lúc và khai thác các hoạt động của mã mạng một cách tự nhiên bởi sự chồng phổ của sóng điện từ. Bằng cách đó, mô hình mã mạng lớp lý có thể tăng hiệu năng của hệ thống lên 100% so với mô hình truyền theo lưu lượng.

Hình 1.11 chỉ ra ý tưởng của phương pháp mã mạng lớp vật lý. Ở khe thời gian đầu tiên, nút 1 và 2 truyền các gói tin S1 và S2 cùng một lúc tới nút chuyển tiếp R. Dựa vào sự chồng phổ của sóng điện từ có thể mang gói tin S1 và S2, nút chuyển tiếp R nhận được gói tin SR S1 S2. Sau đó trong khe thời gian thứ 2 nút R quảng bá gói tin SR tới nút 1 và nút 2.

Hình 1.11 Mô hình mã mạng lớp vật lý

Vấn đề chính của mã mạng lớp vật lý là làm thế nào để nút R có thể nhận được gói tin SR từ sóng điện từ được xếp chồng(superimposed EM wave). Tổng quát hơn, bản đồ mã mạng lớp vật lý liên quan đến quá trình ánh xạ sóng điện từ được xếp chồng cộng với tạp âm bởi các gói tin đầu ra chuyển tiếp ở nút chuyển tiếp. Ánh xạ mã mạng lớp vật lý có thể cho ra một gói tin khác với công thứcSR S1 S2. Do đó tất cả các ánh xạ mã mạng lớp vật lý chia sẻ các yêu cầu quan trọng để nút 1 và 2 có thể suy ra thông tin truyền từ nút kia dựa trên gói tin đầu ra của nút R và thông tin của chính nút đó. Trong phần này, chúng ta cho rằng ánh xạ mã mạng lớp vật lý của SR = S1S2. Và tất cả các nút sử dụng điều chế QPSK cho tín hiệu truyền đi. Để đơn giản, ta giả sử mức ký hiệu là giống nhau, pha sóng mang đồng bộ là cùng pha, và điều khiển công suất để cho các gói tin từ nút 1 và 2 tới nút R cùng pha và biên độ. Ta bỏ qua tạp âm trong trường hợp này.

Ta sử dụng ký tự viết hoa để chỉ ra gói tin và ký tự thường để chỉ ra ký hiệu trong gói tin. Ví dụ S1 là gói tin còn s1 là ký hiệu trong gói tin. Xem xét trong một chu kỳ ký hiệu cụ thể. Giả sử rằng nút 1 và nút 2 điều chế ký hiệu của các nút trên kênh tần số vô tuyến với tần số là , vì thế nút i gửi thông tin Re[(ai jb ei j t )]. Tổng hợp của tín hiệu nhận được bởi nút R trong một chu kỳ ký hiệu là:

1 2

1 1 2 2

1 2 1 2

( ) ( ) ( )

[ cos( ) sin( )] [ cos( ) sin( )]

( ) cos( ) ( ) sin( ) y t s t s t a t b t a t b t a a t b b t                 (1.1)

với s t ii( ), {1, 2}là tín hiệu thông dải truyền bởi nút i; và ai { 1,1}và bi { 1,1} là thông tin bít tương ứng trong điều chế QPSK. Với điều chế QPSK, ai=1 tương ứng với bit 0 và ai=-1 tương ứng với bít 1 với tín hiệu đồng pha, và tương tự bi trong tín hiệu vuông pha. Với định nghĩa đó, phép toán XOR trở thành tích chập: ví dụ a1a2  a a1 2và

1 2 1 2

b b b b .

Thành phần đồng pha(I) và thành phần vuông pha (Q) theo phương trình (1.1) được biểu thị như sau: 1 2 1 2 I R Q R y a a y b b     (1.2)

Nút R không thể tìm ra được thông tin riêng được truyền bởi nút 1 và 2 theo công thức (1.2) vì I

R

y và Q R

y trong hệ phương trình (1.2) có 2 phương trình 4 biến. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Tuy nhiên, trong mã mạng lớp vật lý thì nút R có thể không cần các giá trị riêng của 4 biến không xác định đó, nó chỉ cần lấy được 2 giá trị là a1a2và b1b2để đưa ra được giá trị ánh xạ mã mạng lớp vật lý sR a1 a2 j b( 1b2)aR jbR. Đặc biệt là a1a2và 1 2 b b có thể lấy từ I R y và Q R y . Vì thế ta có thể tìm được hàm ánh xạ mã mạng lớp vật lý ( , ) f   sao cho sR  f y( RI,yRQ). Bảng 1.1 chỉ ra ánh xạ mã mạng lớp vật lý cho các thành phần đồng pha aR và các thành phần vuông pha bR. Với QPSK, aR  a1 a2sẽ được đặt bằng -1 nếu a1a2và bằng 1 nếu

1 2

a a . Có 3 giá trị có thể có của I 1 2 R

y  a a : 0, 2, -2. Vì yRI 0khi a1a2và yRI 2hay -2 khia1 a2, ánh xạ mã mạng lớp vật lý được mô tả như ở dưới đây:

1 R a   nếu yRI 0 1 R a  nếu yRI 2 hoặc -2 Biểu tượng(symbol) từ nút 1 a1 Biểu tượng từ nút 2 2 a Ghép biểu tượng ở nút chuyển tiếp R. Ánh xạ với biểu tượng ở nút R

1 2 I R y  a a aR 1 1 2 1 1 -1 0 -1 -1 1 0 -1 -1 -1 -2 1

Bảng 1.1 Ánh xạ mã mạng lớp vật lý (PNC mapping) của các thành phần đồng pha Sau khi ánh xạ mã mạng lớp vật lý PNC mapping, nút R truyền thông tin tín hiệu sau tới nút 2 ở khe thời gian thứ 2:s tR( )aRcos(t)bRsin(t).

Tín hiệu tần số vô tuyến trong khe thời gian 2 là giống với tín hiệu truyền trong khe thời gian thứ 3 trong mô hình mã mạng. Điểm khác biệt quan trọng của hai hệ thống này nằm ở việc làm thế nào để hệ thống có thể nhận được (aR,bR). Trong mã mạng lớp vật lý, tín hiệu (a bR, R)được giải mã từ (a1a b2, 1b2) là tín hiệu chồng lên nhau. Còn trong mô hình mã mạng, tín hiệu ( , )a b1 1 và ( ,a b2 2)được truyền riêng biệt bởi các nút 1 và 2. Và nút R sẽ giải mã ( , )a b1 1 và ( ,a b2 2)để tạo ra giá trị (a bR, R). Tổng số học của (a1a b2, 1b2) là giá trị biểu thị cho hoạt động của mã mạng. Trong ví dụ trên, nút R thay đổi giá trị đó thành giá trị XOR (a1a b2, 1b2). Thông thường trong rất nhiều tình huống khác nhau, nút R có thể giữ giá trị của (a1a b2, 1b2) để phục vụ cho quá trình ánh xạ mã mạng lớp vật lý.

1.4.4. Các vấn đề quan trọng với mã mạng lớp vật lý

1.4.4.1. Tạp âm

Vấn đề cơ bản cho các hệ thống thông tin liên lạc là sự hiện diện của tạp âm. Trong phần trên, các phân tích về thông lượng dựa trên sự liên tục của các khe thời gian. Giả định rằng tất cả các thông tin truyền đi đều được nhận đúng. Trong trường hợp đó, ta có thể giảm khoảng thời gian của khe thời gian xuống vô cùng khi truyền cùng một lượng thông tin, vì thế sẽ cho kết quả thông lượng tiến dần tới vô hạn. Điều này là không thể trong một hệ thống thực vì hệ thống thực luôn có sự tồn tại của tạp âm. Việc xem xét tạp âm là không thể thiếu khi phân tích hệ thống. Với sự xuất hiện của tạp âm, phương trình (1.2) trở thành yR  a1 jb1 a2 jb2wR(1.3)

với wR là đại lương đặc trưng cho tạp âm, wR biến thiên theo hàm ngẫu nhiên Gauss. Với điều chế QPSK, tỷ lệ lỗi bit giữa nút 1 và nút 2 của mô hình mã mạng lớp vật lý tương tự như của mô hình truyền theo lưu lượng và thực tế thì nó lớn hơn một chút so với mô hình sử dụng mã mạng. Các nghiên cứu cho thấy với mô hình sử dụng mã mạng

có thể thu được tỷ lệ lỗi bit là thấp nhất.

Cho Pe là tỷ lệ lỗi bit trong kết nối điểm – điểm QPSK. Vì thế, mô hình truyền theo lưu lượng cần 4 liên kết đơn chặng (onehop). Trong mô hình truyền dựa trên lưu lượng, mô hình mã mạng và mô hình mã mạng lớp vật lý, giả sử công suất truyền là như nhau với tất cả các nút, độ lợi kênh truyền là như nhau ở tất cả các hướng, và công suất tạp âm thu được là như nhau với tất cả các nút. Ta có Pe là giống nhau cho tất cả các liên kết một chặng trong mô hình truyền theo lưu lượng.

Tỷ lệ lỗi bit của kênh truyền theo lưu lượng là 2(1- Pe )Pe. Một bit truyền là lỗi trong 2 tình huống sau:

- Có lỗi ở chặng 1, nhưng không có lỗi ở chặng 2 - Không có lỗi ở chặng 1 nhưng có lỗi ở chặng 2.

Tỷ lệ lỗi bít của liên kết điểm – điểm QPSK được mô tả trong Hình 1.12. Cần nhấn mạnh rằng với mô hình mã mạng và mô hình mã mạng lớp vật lý, tín hiệu được chuyển tiếp là tín hiệu XOR. Vì thế tỷ lệ lỗi bit là tỷ lệ lỗi bit của hàm được mã hóa XOR chứ không phải tỷ lệ lỗi bít riêng lẽ của nút 1 và 2. Sử dụng các căn cứ tương tự như ở đoạn trên ta thu được tỷ lệ lỗi bít trong kết nối điểm – điểm của trường hợp mã mạng lớp vật lý được tính bằng công thức 2(1- Pe )Pe.

Kết quả giống với kết quả trong trường hợp sử dụng kiểu truyền dữ liệu dựa theo lưu lượng. Tuy nhiên để truyền được thông tin tới các nút đối diện, mô hình mã mạng lớp vật lý chỉ cần sử dụng 02 khe thời gian trong khi mô hình truyền dựa trên thông lượng dùng tới 4 khe thời gian. Do đó với một tỷ lệ lỗi bít như nhau, dung lượng của mô hình sử dụng mà mạng sẽ tăng gấp đôi so với trường hợp truyền theo lưu lượng.

Hình 1.12: So sánh tỷ lệ lỗi bit của mô hình liên kết QPSK điểm – điểm (QPSK), kết nối sử dụng mã mạng (SNC) và kết nối sử dụng mã mạng lớp vật lý (PNC)[24]

Với mô hình mã mạng, tỷ lệ lỗi bít ở nút R là 2(1- Pe )Pe. Quá trình giải mã XOR có lỗi nếu bít từ nút 1 được giải mã bị lỗi và bít từ nút 2 được giải mã đúng và ngược lại. Vì thế ta cũng có tỷ lệ lỗi bít cũng được vẽ trong hình 1.12. Tỷ lệ lỗi bít được xác định bởi

công thức: 2 3

2(1Pe).(1Pe) [1 2(1  P P Pe) ].e e3Pe6Pe 4Pe 2(1P Pe) evới Pe 0.

1.4.4.2. Mã hóa kênh

Trong một hệ thống truyền tin có tạp âm, sử dụng mã hóa kênh là một kỹ thuật quan trong để đảm bảo đường truyền ổn định và tin cậy hơn. Vì nút 1 và nút 2 trong hệ thống mã mạng lớp vật lý có thể ánh xạ gói tin nguồn S1 và S2 thành gói tin đã được mã hóa trong kênh truyền C1 và C2. Một vấn đề của mô hình mã mạng lớp vật lý là làm thế nào để tích hợp mã hóa kênh vào hệ thống. Nhìn chung mã hóa kênh có thể được áp dụng trong 2 lĩnh vực: link-by-link và end-to-end. Theo các nghiên cứu trước, nút chuyển tiếp thực hiện giải mã kênh truyền và mã hóa lại trong ánh xạ mã mạng lớp vật lý. Bây giờ, ở nút chuyển tiếp chỉ thực hiện ánh xạ mã mạng lớp vật lý, và chỉ có nút nguồn thực hiện mã hóa kênh và chỉ có nút nhận thực hiện giải mã kênh.

Xét trong mô hình mã hóa kênh truyền end-to-end sử dụng mã mạng lớp vật lý. Nút đích (nút 1) sau khi mã hóa kênh truyền, thông tin C1 được loại bỏ ở phía tín hiệu thu được qua kênh mã hóa. Tín hiệu còn lại chỉ còn lại C2 và tạp âm. Quá trình mã hóa kênh ở nút cuối cùng giống như với các hệ thống truyền tin truyền thống. Vì nút chuyển tiếp R không xóa các tạp âm ở nút chuyển tiếp bằng mã hóa kênh và giải mã lại, tạp âm tích lũy ngày càng lớn ở các chặng. Điều này gây trở ngại rất lớn với mô hình truyền có rất nhiều nút chuyển tiếp giữa hai nút đầu cuối.

Trong mô hình mã hóa kênh truyền link-by-link sử dụng mã mạng lớp vật lý, giải mã kênh truyền ở nút chuyển tiếp có thể gặp khó khăn lớn. Bởi vì mục tiêu cuối cùng của nút chuyển tiếp là khôi phục lại tín hiệu (S1S2) chứ không phải khôi phục tín hiệu S1 và S2 riêng biệt. Sau khi thu được tín hiệu (S1S2), nút chuyển tiếp sau đó mã hóa kênh với gói tin (S1S2) trước khi truyền đi trong mạng tới nút đích. Quá trình 2 bước này được thực hiện để xóa đi tạp âm trước khi chuyển tiếp thông tin. Quá trình đầu tiênYR(S1S2). Nút yRlà tích chập của tín hiệu C1và C2 chứ không phải của tín hiệu của S1và S2. Đặc biệt việc ánh xạ YR(S1S2)bao gồm cả giải mã kênh và ánh xạ mã mạng lớp vật lý. Những phương pháp tích hợp khác nhau ở nút chuyển tiếp có thể dẫn tới những hiệu suất khác nhau.

1.4.4.3. Đồng bộ

Mô hình mã mạng lớp vật lý từ đầu tới giờ cho rằng quá trình đồng bộ giữa nút 1 và 2 là không có lỗi. Vì thế các gói tin tới nút chuyển tiếp được sắp thẳng hàng. Thêm nữa tần số vô tuyến sử dụng bởi 2 nút là như nhau, và phase offset bằng 0. Một vấn đề đặt ra là khi công suất bị giảm thì mã mạng lớp vật lý không hoạt động trong môi trường đồng bộ.

Sự sắp xếp thẳng hàng gói tin là vấn đề với lập lịch ở lớp MAC. So với các dạng đồng bộ khác, thời gian xử lý sẽ lâu hơn. Phương pháp này dùng để đồng bộ quá trình truyền của gói tin từ nút 1 và 2. Tuy nhiên, ngay cả khi nút 1 và 2 truyền các gói tin của chúng cùng nhau, vẫn có khả năng gói tin tới nút R không như mong đợi. Vì thế, một ký hiệu từ một nút có thể chồng chéo lên các ký hiệu tới từ các nút khác. Sắp xếp ký hiệu là vấn đề cơ bản với rất nhiều hệ thống truyền thông, không chỉ với mô hình mã mạng lớp vật lý.

Ngay cả khi ký hiệu từ 2 nút có thể được sắp thẳng hàng, vấn đề vẫn có thể xảy ra với đồng bộ sóng mang RF và phase offset. Nếu tần số sóng mang RF ở nút 1 và 2 được lấy từ các nguồn thông thường thì sẽ không có frequency offset. Phase offset giữa 2 nút biên đổi từ ký hiệu này tới ký hiệu khác trong gói tin. Thông thường, với một cặp ký hiệu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});