Khi không sử dụng mã hóa mạng và để loại bỏ xuyên nhiễu, hệ thống chuyển tiếp hai chiều cần đến bốn khe thời gian để hoán đổi hai gói dữ liệu. Điều này đƣợc mô tả trên hình 1.11. Trao đổi dữ liệu trên sơ đồ giống nhƣ thao tác lƣu trữ và chuyển tiếp (DF) trong mạng chuyển mạch gói thông thƣờng. Sơ đồ này còn đƣợc gọi là sơ đồ
chuyển tiếp truyền thống. Trong khe thời gian thứ nhất, N1 phát một gói tin S1 tới nút chuyển tiếp R; trong khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp R thực hiện chuyển tiếp S1 tới N2; trong khe thời gian thứ ba, N2 phát một gói tin S2 tới nút chuyển tiếp R; trong khe thời gian thứ tƣ, nút chuyển tiếp R chuyển tiếp gói tin S2 tới N1 [12].
Hình 1.11 Sơ đồ không mã hóa mạng 1.4.2 Sơ đồ mã hóa mạng NC
Hệ thống sử dụng mã hóa mạng NC cho phép giảm đƣợc số khe thời gian xuống còn ba khe thời gian. Với việc giảm đƣợc số khe thời gian từ bốn xuống ba, NC cho phép cải thiện 33% thông lƣợng so với sơ đồ không mã hóa mạng truyền thống
(Traditional Scheme). Sơ đồ NC đƣợc mô tả trên hình 1.12. Trong khe thời gian thứ
36 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ 2016
nhất , N1 phát S1 đến nút chuyển tiếp R; trong khe thời gian thứ hai, N2 phát S2
đến nút chuyển tiếp R. Sau khi nhận đƣợc S1 và S2, nút chuyển tiếp R thực hiện một gói mã hóa mạng SR nhƣ sau [12]:
S1 = {a1[1] + jb 1 1[M] + jb 1[M]}, 2S= {a2[1] + jb 22[M] + jb 2[M]},
,… ,
trong đó, M là số symbol trong một gói.
Trong khe thời gian thứ ba, nút chuyển tiếp R phát quảng bá SR tới tất cả hai nút đầu cuối N1 và N2. Khi N1 nhận đƣợc SR , nó sẽ giải ra S2 từ SR nhờ vào gói dữ liệuS1 của nó nhƣ sau:
Bằng cách tƣơng tự, N2 cũng giải ra S1 từ
. Cũng giống nhƣ sơ đồ không mã hóa mạng TS, sơ đồ mã hóa mạng NC cũng cố gắng để tránh việc N1 và N2 phát dữ liệu ở cùng một khe thời gian. Có nghĩa là mỗi nút phát dữ liệu của nó ở các khe thời gian khác nhau. Việc mã hóa mạng đƣợc thực hiện ở nút chuyển tiếp R sau khi nút chuyển tiếp R đã nhận đƣợc đủ S1 và S2 từ N1 và N2 trong hai khe thời gian khác nhau [12].
37 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ 2016
Hình 1.12 Sơ đồ hóa mạng NC 1.4.3 Sơ đồ mã hóa mạng lớp vật lý
Mã hóa mạng lớp vật lý PNC cho phép giảm số khe thời gian cần thiết hơn nữa so với mã hóa mạng NC còn hai khe thời gian. Sử dụng phƣơng pháp này, các nút đầu cuối N1 và N2 sẽ truyền đồng thời trên cùng một khe thời gian thứ nhất tới nút chuyển tiếp R và lợi dụng đặc tính mã hóa mạng tự nhiên trong môi trƣờng vô tuyến khi các sóng điện từ chồng lấn lên nhau. Ở pha thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp mã hóa tín hiệu cần truyền cho N1 và N2 , và truyền đồng thời tới cả hai nút N1 và N2. Bằng cách này. PNC có thể cải thiện thông lƣợng lên đến 100% so với sơ đồ chuyển tiếp truyền thống không mã hóa mạng và 50% so với sơ đồ mã hóa mạng NC. Ý tƣởng về PNC đƣợc mô tả trong hình 1.13 [12].
Hình 1.13 Sơ đồ hóa mạng lớp vật lý PNC
Trong khe thời gian thứ nhất, N1 và N2 phát đồng thời các gói dữ liệu tƣơng ứng S1 và S2 tới nút chuyển tiếp R. Do xếp chồng của các sóng điện từ trong môi
trƣờng vô tuyến của các symbol S1 và S2, nút chuyển tiếp R thực hiện việc mã hóa
38 Lê Doãn Thiện
. Sau đó, nút chuyển tiếp R sẽ phát quảng bá SR tới N1 và N2 trong khe thời gian thứ hai.
Trong sơ đồ PNC, quá trình nút chuyển tiếp R thực hiện mã hóa
từ các sóng điện từ bị xếp chồng đƣợc gói là “phép ánh xạ PNC”. Một cách tổng
quát, “phép ánh xạ PNC” có nghĩa là ánh xạ các dòng điện từ bị xếp chồng có tạp âm thành một số gói mã hóa mạng để nút chuyển tiếp R thực hiện việc chuyển tiếp. Phép
ánh xạ PNC có thể tạo ra một gói ở dạng tổng mô-đun 2 . Tất cả các
phép ánh xạ PNC đều có yêu cầu thực hiện sao cho các nút N1 và N2 phải có khả năng giải ra thông tin của nút khác dựa trên gói tin đầu ra của nút chuyển tiếp và thông tin của bản thân nút đó. Trong lý thuyết thông tin, phƣơng pháp ƣớc lƣợng tín hiệu này đƣợc gọi là phƣơng pháp ƣớc lƣợng tín hiệu sử dụng thông tin tại chỗ. Mục tiếp theosẽ trình bày nguyên lý PNC sử dụng phép ánh xạ XOR đơn giản [12].
1.4.4 Nguyên lý PNC dựa trên phép XOR
Trong trƣờng hợp phép mã hóa mạng sử dụng toán tử cộng mô-đun 2 XOR đơn giản ta có . Giả thiết trƣờng hợp sử dụng điều chế khóa dịch pha cầu
phƣơng (QPSK: Quadrature Phase-Shift Keying) đƣợc sử dụng cho các tín hiệu phát. Để đơn giản, chúng ta giả sử rằng có sự đồng bộ về pha sóng mang cũng nhƣ sự đồng bộ ở mức symbol và điều khiển công suất đƣợc sử dụng để các gói tin từ các nút đầu cuối đến nút chuyển tiếp R với biên độ và pha giống nhau. Để mô tả cho đơn giản, tạp âm đƣợc bỏ qua trong trƣờng hợp này. Ký hiệu chữ viết hoa biểu thị một gói và chữ viết thƣờng biểu thị symbol trong một gói. Ví dụ, S1 là một gói, và s1 là một symbol trong gói [12].
Giả sử rằng các nút đầu cuối N1 và N2 điều chế các symbol của nó trên sóng
ớ
ầ ố
mang v i t n s
hiệu băng thông thu đƣợc bởi nút chuyển tiếp R trong một chu kỳ symbol là:
= =
39 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ 2016
trong đó, là tín hiệu băng thông đƣợc phát bởli, nút N và
là các bit thông tin đã đƣợc điều chế QPSK tƣơng ứng. Chú ý rằng đối
với QPSK, al = 1 tƣơng ứng với bit 0, al = -1 tƣơng ứng với bit 1 trong thành phần đồng pha (in-phase); tƣơng tự đối với bl trong thành phần tín hiệu vuông pha (quadrature-phase).
Các thành phần tín hiệu băng gốc đồng pha (I) và vuông pha (Q) tƣơng ứng các công thức (1.21) là:
,
Chú ý rằng, nút chuyển tiếp R không thể giải ra chính xác các symbol thông tin
riêng biệt từ (1.22). Điều này bởi vì (1.22) là một hệ hai phƣơng trình với bốn ẩn a1, a2, b1, b2. Tuy nhiên, trong PNC nút chuyển tiếp R không cần giải ra bốn giá trị riêng
biệt a1, a2, b1, b2 mà nó chỉ cần tính toán để đƣa ra hai giá trị làvàđể
ự ệ
n phép ánh x
th c hi
vàcó thể đƣợc tính toán từvà
hàm ánh xạ sao cho,.
Bảng 1.1 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu đồng pha Nút 1
0 0 1 1
Bảng 1.2 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu vuông pha Nút 1 Nút 1 0 0 0 1 1 0 1 1 Bảng 1.1 chỉ ra phép ánh xạ PNC cho thành phần đồng pha aR. Phép ánh xạ
cho thành phần vuông pha bR hoàn toàn tƣơng tự và đƣợc cho trong bảng 1.2. Đối với QPSK, aR = a1a2
có thể nhận một trong ba giá trị: 0, 2, và -2. Dokhi
và hoặc 2 khi, nên phép ánh xạ PNC đƣợc biểu diễn nhƣ sau:
Tín hiệu tần số vô tuyến (RF: Radio Frequency) đƣợc phát đi trong khe thời gian
thứ hai trong sơ đồ PNC giống nhƣ tín hiệu RF đƣợc phát đi trong khe thời gian thứ ba
của sơ đồ NC. Điểm khác nhau cơ bản của hai sơ đồ này nằm ở cách thức thực hiện để tạo ra
chồng riêng rẽ bởi
và mã hóa thành [12].
Luận văn thạc sĩ 2016
1.4.5 Mô hình mô phỏng PNC trên kênh TWRC
Mô hình hệ thống truyền dẫn PNC trên kênh TWRC sử dụng cho mô phỏng
đƣợc thể hiện trên hình 1.14 và hình 1.15 tƣơng ứng cho khe thời gian thứ nhất và khe thời gian thứ hai. Hoạt động của hệ thống đƣợc mô tả nhƣ sau. Các bit thông tin đầu vào bi đƣợc đƣa tới bộ điều chế để thực hiện điều chế thành các symbol phát BPSK
nhƣ sau:
(1.24)
Gọi h1R, h2R là hệ thố pha-đinh từ ăng-ten của N1 và N2 tới ăng-ten của nút chuyển tiếp R. h1R, h2R là hệ số kênh pha-đinh từ ăng-ten của nút chuyển tiếp R tới N1 và N2 [12].
Hình 1.14 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ nhất
42 Lê Doãn Thiện
Hình 1.15 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ hai
Hình 1.16 trình bày kết quả mô phỏng cho hệ thống PNC trên kênh pha-đinh sử dụng tiền mã hóa (kênh AWGN) và kênh pha-đinh đƣợc mô tả trong mục a và b. Hệ số kênh pha-đinh giữa nút đầu cuối và nút chuyển tiếp đƣợc coi nhƣ các biến ngẫu nhiên phức với biên độ đƣợc mô tả bởi một biến ngẫu nhiên phức có kỳ vọng 0 và
phƣơng sai bằng 1.
Các kết quả mô phỏng sử dụng phƣơng pháp Monte-Carlo cho thấy chất lƣợng PNC khi có sự đồng bộ lý tƣởng về pha sóng mang kết hợp với điều khiển công suất (kênh AWGN) tốt hơn rất nhiều so với PNC kênh pha-đinh. Hơn nữa, khi kênh là pha-đinh bất đối xứng thì độ phức tạp giải mã và ánh xạ PNC thực hiện tại nút chuyển tiếpR sẽ cao hơn do phải thực hiện luật giải mã ML thay cho sử dụng luật MAP nhƣ đối với kênh AWGN [12].
43 Lê Doãn Thiện
Luận văn thạc sĩ 2016
Hình 1.16 So sánh phẩm chất của PNC trên kênh AWGN và kênh pha-đinh [12]
44 Lê Doãn Thiện
Chƣơng II: TRUYỀN THÔNG MIMO-SDM CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC
2.1 Mô hình hệ thống
Hiệp và các cộng sự đã đề xuất mô hình truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC (MIMO-SDM-PNC) [7], [12]. Trong mô hình PNC mới này, các nút mạng đều sử dụng truyền dẫn MIMO và kỹ thuật truyền dẫn ghép kênh phân chia theo không gian (SDM) nhằm mục đích đạt đƣợc thêm độ lợi ghép kênh (spatial
multiplexing), gia tăng hiệu suất sử dụng phổ và tốc độ truyền dẫn, đƣợc minh họa trên hình 2.1. Trong mô hình này, Hiệp và các đồng sự chỉ xét trƣờng hợp các nút nguồn sử dụng hai ăng-ten, và bốn ăng-ten tại nút chuyển tiếp, bộ tách tín hiệu tuyến tính (ZF/MMSE) tại nút chuyển tiếp và nút nguồn. Mô hình này có thể hoàn toàn mở
rộng dễ dàng cho trƣờng hợp các nút đầu cuối sử dụng N>2 ăng-ten và nút chuyển tiếp
sử dụng 2N ăng-ten. Các giải thiết khác tƣơng tự nhƣ trong mô hình SIMO-PNC mà
Hiệp cùng các đồng sự đã trình bày [7], [12].
Hình 2.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO-SDM-PNC
Trong MIMO-SDM-PNC xem xét, mỗi nút nguồn phát hai luồng dữ liệu song song biểu diễn ở dạng vec-tơ phát nhƣ sau:
Các kênh truyền pha-đinh từ các nút nguồn N1, N2 và chuyển tiếp đƣợc định nghĩa tƣơng ứng nhƣ sau:
trong đó, biểu diễn kênh truyền thành phần giữa ăng-ten i của nút chuyển tiếp với ăng-ten j của nút nguồn Nl. Để xây dựng mô hình hệ thống, định nghĩa ma trận kênh và vec-tơ tín hiệu tƣơng đƣơng tƣơng ứng nhƣ sau:
Lúc này, vec-tơ tín hiệu thu tại nút chuyển tiếp có thể đƣợc biểu diễn tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp SIMO-PNC [12] nhƣ sau:
trong đó,và hóa công suất.
Tƣơng tự nhƣ trƣờng hợp SIMO-PNC [12], nút chuyển tiếp cần phải ƣớc lƣợng các symbol mã hóa mạng đƣợc gửi từ hai nút đầu cuối N1 và N2, Do mỗi nút nguồn
phát đi hai symbolnên các symbol mã hóa mạng đƣợc cho bởi
và. Điều này tƣơng đƣơng với việc nút chuyển tiếp thực hiện
mã hóa mạng cho các luồng tín hiệu phát ra từ các ăng-ten tƣơng ứng của hai nút
nguồn đầu cuối. Các phƣơng pháp ƣớc lƣợng các symbol mã hóa mạng đƣợc
trình bày dƣới đây.
46 Lê Doãn Thiện
Việc ƣớc lƣợng đƣợc các symbol mã hóa mạngvàcó
thể thực hiện đƣợc từ ánh xạ sau đây:
trong đó, việc ánh xạ từ các thành phần tổng và hiệu của và c th c hi n đƣợựệ
qua hai phép quyết định LLR và kết hợp chọn lọc. Mấu chốt của vấn đề bây giờ là cần phải ƣớc lƣợng đƣợc các thành phần tổng, hiệu này từ véc-tơ tín hiệu r nhờ phƣơng pháp
tách tín hiệu tuyến tính ZF/MMSE. Để thực thi đƣợc ý tƣởng này, luận văn sử dụng biến
đổi tƣơng đƣơng tƣơng tự nhƣ cho hệ thống SIMO-PNC [12] nhƣ sau:
trong đó, U là ma trận tổng-hiệu, và . Để nhận đƣợc các thành phần tổng, hiệu thì cần phải thiết kế ma trận tổng-hiệu U một cách hợp lý. Hiệp đề xuất cấu trúc của ma trận tổng-hiệu sau đây [12]:
Sử dụng ma trận tổng-hiệu đề xuất này, véc-tơ phát tƣơng đƣơng có dạng nhƣ công thức (2.11), đúng nhƣ mong muốn nhƣng với các thành phần tổng, hiệu ở các vị trí tƣơng ứng là một, hai, ba và bốn:
47 Lê Doãn Thiện
Sử dụng phƣơng pháp tách tín hiệu tuyến tính ma trận trọng số kết hợp cho tách ZF và MMSE tƣơng ứng là:
Véc-tơ ƣớc lƣợng sau tách tuyến tính đƣợc cho bởi:
Có thể thấy rằng các giá trị thống kê
vậy hoàn toàn có thể áp dụng phép quyết định LLR và kết hợp chọn lọc để thu đƣợc
symbol mã hóa mạng,
Đối với quyết định LLR, ƣớc lƣợng của các symbol mã hóa mạng đƣợc định nghĩa nhƣ sau:
Từ công thức (2.15) và (2.16), có thể tính các giá trị LLR tƣơng ứng nhƣ sau:
48 Lê Doãn Thiện
trong đó,
nút các đầu cuối Nl . Thực chất, chính là phƣơng sai của tạp âm còn dƣ sau
tách tín hiệu tuyến tính. Từ các giá trị LLR ở các công thức (2.17) đến (2.20) luật quyết định LLR đƣợc thực hiện cho tín hiệu điều chế BPSK [12] nhƣ sau:
giá trị thống kê [12] nhƣ sau:
trong đó, là ngƣỡng quyết định. Có thể thấy rằng phƣơng pháp quyết định theo kết hợp chọn lọc đơn giản hơn so với phƣơng pháp LLR. Tuy nhiên, do phép quyết định phụ thuộc vào giá trị ngƣỡng nên việc lựa chọn giá trị tối ƣu là rất cần thiết. Hiệp đã dùng phƣơng pháp mô phỏng để tìm giá trị ngƣỡng tối ƣu [12].
2.3 Mã hóa tín hiệu tại nút chuyển tiếp
Sau khi ƣớc lƣợng thành công đƣợc các symbol mã hóa mạng
, nút chuyển tiếp sẽ truyền chúng tới các nút đích Nl ở hai đầu. Có nhiều
phƣơng pháp để nút chuyển tiếp gửi các ƣớc lƣợng này tới nút đích. Nếu tài nguyên nút chuyển tiếp là sẵn có, nó có thể mã hóa các symbol mã hóa mạng sử dụng mã không gian thời gian để đạt đƣợc sự phân tập không gian. Nếu nút chuyển tiếp biết kênh từ chính nó tới các nút nguồn, nó cũng có thể sử dụng một kỹ thuật tiền mã hóa nhƣ là kỹ thuật phát tỷ số cực đại MRT (Maximal Ratio Transmission) để tối ƣu độ lợi truyền tải. Khi nguồn tài nguyên bị ràng buộc, nó có thể chỉ phát các symbol mã hóa mạng đồng thời trên các ăng-ten của nó mà không mã hóa (tức là truyền ở chế độ SDM) [12].
Với mục đích đơn giản và để thuận lợi khi so sánh với [9], Hiệp đã sử dụng các tiếp cận đơn giản này. Do nút chuyển tiếp có bốn ăng-ten trong khi chỉ có hai symbol mã hóa mạng là
50 Lê Doãn Thiện
ăng-ten để phát. Để có chất lƣợng tối ƣu, nút chuyển tiếp có thể sử dụng một kỹ thuật lựa chọn ăng-ten để chọn ra ăng-ten tốt nhất. tuy nhiên, để đơn giản thì Hiệp đã giả thiết lựa chọn ăng-ten ngẫu nhiên và để đơn giản cho biểu diễn toán học, thì ăng-ten thứ
nhất và ăng-ten thứ hai đƣợc sử dụng. Trong trƣờng hợp này, ăng-ten thứ nhất
phát
chuyển tiếp [12]: