thu nút chuyển tiếp, sử dụng phương pháp ML để ước lượng các cặp ký hiệu, bao gồm: cặp chỉ số ăng-ten(id1, id2) và cặp ký hiệu điều chế (s1, s2) của hai nút đầu cuối. Các cặp tín hiệu này sau đó được ánh xạ PNC thành cặp từ mã idR = id1⊕id2 và sR = s1 ⊕s2.
• Pha BC (Hình 1.11): Máy phát nút chuyển tiếp sử dụng từ mã chỉ sốidR để lựa chọn kích hoạt một trong số 4 ăng-ten phát (trường hợp này là ăng-ten thứ 4 do "11"="01" ⊕"10", trong đó ký hiệu ⊕ là phép XOR giữa hai chuỗi bít). Sau đó, từ mã ký hiệu điều chế sR sẽ được phát quảng bá đến các nút đầu cuối trên ăng-ten đã được kích hoạt. Do pha quảng bá tương đương như hệ thống điểm - điểm, máy thu nút đầu cuối có thể sử dụng phương pháp ước
lượng ML độ phức tạp thấp để nhận được từ mã chỉ số idR và từ mã ký hiệu điều chế sR. Tiếp đó, mỗi nút đầu cuối sẽ giải mã PNC để nhận được các chỉ số ăng-ten và ký hiệu điều chế mong muốn. Cuối cùng, giải điều chế và giải ánh xạ để nhận được chuỗi bít dữ liễu từ nút đối tác. Ví dụ, tại nút đầu cuối T1, q trình giải mã PNC nhận được id2 = idR ⊕id1 và s2 = sR⊕s1. Giải điều chế cho ký hiệu s2 và giải ánh xạ chỉ số ăng-ten kích hoạt id2 sẽ nhận được chuỗi bít phát đi từ nút đầu cuối T2 là "0110".
+ Ưu điểm của hệ thống: Cải thiện hiệu quả phổ nhờ kết hợp cả SM và PNC. Ngồi ra khơng u cầu đồng bộ giữa các ăng-ten trong một máy phát. + Nhược điểm của hệ thống: Để xử lý nhiễu lẫn nhau giữa các tín hiệu trong pha MA, máy thu nút chuyển tiếp cần sử dụng các bộ tách sóng có độ phức tạp cao như ML. Kết quả làm tăng trễ truyền dẫn và tiêu tốn năng lượng lớn.
1.3. Bối cảnh nghiên cứu
1.3.1. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC
Mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều (TWRN: Two Way Relay Network), trong đó gồm hai nút đầu cuối trao đổi thơng tin với nhau thông qua một nút chuyển tiếp đã thu hút được nhiều sự quan tâm do nhiều lợi thế mà nó mang lại như: làm tăng khả năng mở rộng vùng phủ sóng, tăng hiệu quả phổ, cũng như hợp tác giữa các nút nhằm cải thiện phẩm chất và tăng dung lượng cho hệ thống [9, 27, 41]. Để nâng cao hiệu quả phổ, mạng chuyển tiếp hai chiều làm việc trong chế độ bán song cơng có thể được thực hiện trong 2 pha [30, 65, 72] hoặc 3 pha truyền dẫn [6, 11, 60]. Trong đó, các hệ thống sử dụng 2 pha truyền dẫn cho phép cải thiện hiệu quả phổ hơn so với hệ thống
truyền dẫn 3 pha. Vì vậy, phần nội dung còn lại của Luận án sẽ chỉ tập trung nghiên cứu về hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng 2 pha truyền dẫn.
Trong pha thứ nhất (MA), hai nút đầu cuối phát các bản tin của nó đến nút chuyển tiếp tại cùng một thời gian và tần số. Trong pha thứ hai (BC), nút chuyển tiếp phát quảng bá thơng tin sau khi mã hóa mạng đến các nút đầu cuối. Dựa vào thơng tin đã biết của chính nó đã phát đi trong pha MA, mỗi nút đầu cuối có thể giải mã để nhận được tín hiệu thu mong muốn từ nút đối tác. Phương pháp xử lý tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp trong thời gian pha thứ nhất có thể thực hiện bằng các giao thức như: AF, DF hoặc DNF. Tuy nhiên, do pha BC chỉ sử dụng một khe thời gian nên các giao thức này cần phải kết hợp với kỹ thuật như: ANC [39, 40] hoặc DNC (hay còn gọi là PNC [5, 45, 65, 67, 69, 72]). Mặc dù PNC thực hiện phức tạp hơn so với ANC, tuy nhiên PNC cho phép loại bỏ hoặc hạn chế tạp âm của nút chuyển tiếp trong pha quảng bá, nhờ đó cải thiện phẩm chất cho hệ thống. Do lợi thế của PNC so với ANC, phần còn lại của nội dung Luận án sẽ chỉ tập trung nghiên cứu đến các hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC.
Trong hệ thống sử dụng giao thức DF kết hợp với PNC [5, 72], nút chuyển tiếp ước lượng riêng biệt các ký hiệu s1 và s2 từ hai nút đầu cuối. Sau đó, các ký hiệu này được kết hợp lại với nhau để tạo thành ký hiệu mã hóa sR = s1⊕s2. Khác với DF-PNC, hệ thống sử dụng giao thức DNF kết hợp PNC [45,65,67,69] sẽ ước lượng và ánh xạ trực tiếp tín hiệu nhận được thành ký hiệu mã hóa sR. Phép tốn mã hóa mạng thành sR có thể thực hiện đơn giản như: phép XOR cho hai tín hiệu riêng biệt s1, s2 đối với DF-PNC [5], hoặc ánh xạ XOR cho hai tín hiệu xếp chồng của s1, s2 đối với DNF-PNC khi sử dụng điều chế BPSK, 4-QAM [65]. Phép tốn mã hóa cũng có thể sử
dụng hàm mod-M cho điều chế bậc cao [69, 72], hoặc sử dụng kết hợp giữa phép XOR và hàm mod-M [67].
Chịm sao của tín hiệu mã hóa sR sau khi ánh xạ có thể tuyến tính hoặc phi tuyến. Phương pháp ánh xạ mã hóa mạng sử dụng DF-PNC [5, 72] ln đạt được tuyến tính. Trong khi đó, phương pháp ánh xạ DNF-PNC có thể là tuyến tính [44,45,63,65,69], hoặc phi tuyến [24,35,36,67]. Hệ thống DNF-PNC sử dụng ánh xạ phi tuyến [67] cho phẩm chất tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER: Symbol Error Rate) tốt hơn so với hệ thống DF-PNC, DNF-PNC tuyến tính [44]. Tuy nhiên, trả giá của DNF-PNC phi tuyến là mở rộng phổ, do trong một số trường hợp, từ mãsR phải ánh xạ lên một chịm sao có kích thước lớn hơn so với các chòm sao của các ký hiệu s1, s2. Ngoài ra, cấu trúc hệ thống sẽ thay đổi, trở nên phức tạp cho mã hóa và giải mã.
So với hệ thống DF-PNC sử dụng phương pháp ước lượng có độ phức tạp thấp như tách sóng khơng gian-thời gian tuần tự theo lớp của Phịng thí nghiệm Bell (VBLAST: Bell Laboratories Layered Space-Time), phương pháp DNF-PNC có phẩm chất tốt hơn [65,67]. Tuy nhiên, từ mã sR của DNF-PNC được tạo thành nhờ sự kết hợp cả tín hiệu lẫn CSI [44–46, 61, 63, 65, 67] nên độ phức tạp xử lý tăng. Hơn nữa, hệ thống sẽ không thể giải mã nếu kênh chuyển tiếp hai chiều không thuận nghịch, hoặc kênh biến đổi nhanh.
Hệ thống DF-PNC sử dụng phương pháp ước lượng ML có phẩm chất SER cao và có phương pháp mã hóa mạng đơn giản [5, 72]. Tuy nhiên, trả giá của hệ thống này là có độ phức tạp ước lượng tại nút chuyển tiếp cao, tỷ lệ hàm mũ của bậc điều chế M. Trong những năm gần đây, nhiều cơng trình nghiên cứu đi sâu vào giải quyết bài toán tối ưu phẩm chất SER [24, 35]. Tuy nhiên, trả giá của bài toán tối ưu này là độ phức tạp tính tốn tại nút chuyển tiếp
và các nút đầu cuối tăng, đồng thời phải sử dụng phương pháp mã hóa mạng phi tuyến. Nhằm thỏa hiệp cho giải pháp tối ưu, có thể phân thành hai hướng nghiên cứu chính:
• Hướng nghiên cứu thứ nhất là chấp nhận mã hóa mạng phi tuyến nhưng cố gắng giảm độ phức tạp tính tốn tại nút chuyển tiếp [66, 67]. Phương pháp lượng tử hóa kênh trong [66,67] cho phép ước lượng đơn giản nhưng vẫn đạt phẩm chất xấp xỉ so với DF-PNC sử dụng ước lượng ML. Trong khi đó, độ phức tạp tính tốn tại nút chuyển tiếp của đề xuất trong [66,67] chỉ tương đương với phương pháp ước lượng VBLAST truyền thống. Mặc dù [66, 67] đạt được phẩm chất cao và xử lý tại nút chuyển tiếp có độ phức tạp thấp nhưng hạn chế của đề xuất này là sử dụng ánh xạ phi tuyến nên phổ tín hiêu bị mở rộng và khó khăn cho việc ước lượng tại các nút đầu cuối. Mặt khác, từ mã trong phương pháp ánh xạ phi tuyến chứa cả thông tin trạng thái kênh truyền nên chỉ phù hợp cho chuyển tiếp hai chiều có kênh đối xứng. Hơn nữa đề xuất trong [66, 67] chỉ phù hợp cho tín hiệu điều chế bậc thấp M ≤ 4 mà khơng áp dụng được cho tín hiệu điều chế bậc cao hơn.
• Hướng nghiên cứu thứ hai là chấp nhận độ phức tạp xử lý tính tốn cao để tránh sử dụng mã hóa mạng phi tuyến. Thay vào đó chỉ cần sử dụng mã hóa mạng ánh xạ tuyến tính [61, 72]. Trong [72] xem xét mơ hình gồm nhiều nút chuyển tiếp nhưng tại mỗi thời điểm chỉ một nút được lựa chọn để chuyển tiếp tín hiệu giữa hai nút đầu cuối. Việc xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp trong mơ hình này được thực hiện bằng phương pháp ML kết hợp mã hóa mạng tuyến tính. Tuy nhiên, do sử dụng phương
pháp ước lượng ML nên độ phức tạp xử lý tại nút chuyển tiếp cao, tăng tỷ lệ hàm lũy thừa của bậc điều chế nên làm giảm hiệu quả truyền dẫn. Mã hóa mạng sử dụng ánh xạ tuyến tính trong [61] được thực hiện bằng cách kết hợp giữa thông tin của người sử dụng và CSI trong pha MA. Kết quả, chòm sao của từ mã sR tạo ra theo phương pháp này vẫn giữ ngun kích thước và hình dạng của chịm sao tại các nút đầu cuối. Để đạt được dung lượng kênh hai chiều cao, mã kênh được bổ sung vào trong cơng trình [63]. Để giảm độ phức tạp hơn so với [61, 63], hệ thống DNF- PNC tuyến tính sử dụng điều chế biên độ xung (PAM: Pulse Amplitude Modulation) truyền trên kênh thực được đề xuất trong [45] và tiếp tục được phát triển trên kênh truyền phức cho điều chế M-QAM [44, 46]. Tuy nhiên, so với [66, 67], các cơng trình này có độ phức tạp cao. Độ phức tạp càng tăng khi bậc điều chế càng tăng. Để từ mã sR không chứa CSI nhưng vẫn đảm bảo ánh xạ tuyến tính, có thể sử dụng các phương pháp như: tiền mã hóa tại các nút đầu cuối [14], sử dụng các thông tin hồi tiếp [23], phương pháp phân bổ công suất cho các nút đầu cuối [7], hoặc phương pháp lựa chọn ăn-ten phát [25]. Tuy nhiên, do các phương pháp này đòi hỏi máy phát của các nút đầu cuối cần biết trước CSI nên sẽ khó khăn và phức tạp cho hệ thống.
Nhìn chung, các đề xuất PNC trước đây đều có sự trả giá. Hoặc tăng độ phức tạp xử lý tính tốn của hệ thống, hoặc phải chấp nhận mã hóa mạng ánh xạ phi tuyến. Ngồi ra, các phương pháp DNF-PNC đều yêu cầu các nút đầu cuối khi thu phải ước lượng được CSI cả trong pha MA và pha BC. Điều này khó khăn khi hệ thống làm việc trong môi trường kênh không thuận
nghịch, hoặc mơi trường kênh pha-đinh biến đổi nhanh.
Qua phân tích các ưu điểm cũng như hạn chế của các cơng trình liên quan đến kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý, nghiên cứu sinh nhận thấy, kỹ thuật mã hóa mạng ánh xạ phi tuyến dựa trên phương pháp lượng tử hóa kênh (CQ: Channel Quantization) kết hợp loại bỏ nhiễu nối tiếp (SIC: Successive Interference Cancellation) đề xuất trong [67] không những đạt phẩm chất SER cao mà cịn có độ phức tạp xử lý tại nút chuyển tiếp thấp. Do đó, nghiên cứu sinh cố gắng phát triển ý tưởng trong [67], bằng việc đề xuất phương pháp ánh xạ tối ưu cho mã hóa mạng phi tuyến để đạt phẩm chất cao. Mặt khác, việc xử lý nhiễu do kênh truyền MIMO tạo ra tại nút chuyển tiếp sẽ rất khó khăn. Khi số lượng ăng ten phát tăng đồng nghĩ với trễ truyền dẫn và tổn hao năng lượng lớn. Giải pháp hứa hẹn mang lại hiệu quả cho chuyển tiếp hai chiều MIMO là phát triển phương pháp PNC ánh xạ phi tuyến trong [67] kết hợp phát mã STBC. Mục đích của sự kết hợp này nhằm tận dụng sự đơn giản của phương pháp mã hóa mạng và tận dụng tăng ích phân tập phát của STBC cũng như sự đơn giản về cấu trúc của nó.
1.3.2. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC kết hợp MIMO
Phương pháp truyền dẫn MIMO cho phép hệ thống nhận được tăng ích phân tập hoặc tăng ích ghép kênh nhờ sử dụng nhiều ăng-ten tại máy phát, máy thu [38, 49, 55, 57]. Để đạt được bậc phân tập phát mà máy phát không cần biết trước CSI, Alamouti đã đề xuất mã khối không gian thời gian [3]. Trong mạng chuyển tiếp hai chiều, mã STBC của Alamouti được khai thác cả trong pha MA và pha BC [12, 22, 52, 58, 59]. Tuy nhiên, trong pha MA, do nhiễu lẫn nhau giữa các tín hiệu tại nút chuyển tiếp nên việc xử lý trong pha
này còn khá phức tạp. Trong [59], các tác giả chỉ đề xuất sử dụng Alamouti cho pha BC. Do đó, phẩm chất đạt được cịn thấp trong pha MA. Để cải thiện phẩm chất cho cả pha MA và BC, các tác giả trong [22] đã đề xuất một mơ hình mạng chuyển tiếp hai chiều, trong đó tất cả các nút được trang bị 2 ăng-ten để phát mã Alamouti. Tại nút chuyển tiếp, nhờ áp dụng phương pháp xử lý thích hợp đã phân tách thành hai hệ thống Alamouti2×1. Do đó, bậc phân tập của hệ thống này đạt được bằng 2 với độ phức tạp xử lý tính tốn tại nút chuyển tiếp tương đối thấp. Tuy nhiên, phẩm chất SER đạt được của đề xuất này cịn thấp, vì vậy để cải thiện phẩm chất hơn nữa, các tác giả trong [22] đã đề xuất phương pháp tạo búp sóng tại tất cả các nút. Tuy nhiên, với phương pháp tạo búp sóng địi hỏi máy phát cần biết trước CSI nên hệ thống có độ phức tạp cao. Các cơng trình [52] cũng đã kết hợp giữa STBC của Alamouti với PNC ánh xạ tuyến tính nhằm cải thiện phẩm chất hệ thống. Để cải thiện hơn nữa phẩm chất SER của hệ thống trong điều kiện truyền thông hợp tác, trong [52] tiếp tục đề xuất phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp MSE dựa trên cực tiểu lỗi. Tuy nhiên, phương pháp ước lượng trong [52] có độ phức tạp cao, sẽ khó khăn nếu triển khai trong thực tế. Hơn nữa phương pháp đề xuất này sẽ kém hiệu quả khi sử dụng tín hiệu điều chế phức. Để giảm độ phức tạp tại nút chuyển tiếp, cơng trình [12] đã đề xuất sử dụng tiền mã hóa tại các nút đầu cuối. Tuy nhiên, phương pháp này yêu cầu máy phát biết trước CSI.
Nhìn chung sự kết hợp giữa kỹ thuật PNC với STBC của Alamouti chỉ đạt được tăng ích phân tập phát nhưng khơng đạt được tăng ích ghép kênh. Để cải thiện tăng ích ghép kênh, các nghiên cứu kết hợp giữa PNC với SDM cũng nhận được nhiều sự quan tâm [15, 16, 55]. Tuy nhiên, nhược điểm của
hệ thống MIMO-SDM là sử dụng đồng thời nhiều bộ cao tần phát. Do đó, khó khăn trong việc đồng bộ giữa các ăng-ten và gây xuyên nhiễu lẫn nhau tại máy thu. Hậu quả làm tăng chi phí và độ phức tạp xử lý của hệ thống.
1.3.3. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC kết hợp SM
Điều chế không gian [32] được xem là giải pháp hiệu quả cho hệ thống MIMO nhờ khả năng khai thác chỉ số ăng-ten để truyền dẫn bổ sung thông tin. Hệ thống SM chỉ cần trang bị một bộ cao tần phát cho tất cả các ăng-ten. Do đó, khắc phục được hầu hết các nhược điểm của hệ thống MIMO [47]. So sánh với hệ thống SIMO có cùng tốc độ truyền dẫn, hệ thống SM có độ tin cậy tốt hơn [32, 47].
Để nâng cao hiệu quả phổ, phương pháp SM đã được đề xuất cho chuyển tiếp hai chiều [62], hoặc đề xuất kết hợp giữa SM với PNC [8, 21, 54, 70]. Trong [54] đề xuất hai mơ hình, trong đó mơ hình thứ nhất chỉ sử dụng SM tại nút chuyển tiếp trong pha BC. Mơ hình thứ hai sử dụng SM tại các nút nguồn trong pha MA nhưng sử dụng mã STBC trong pha BC. Mặc dù phương pháp mã hóa mạng thích nghi trong [54] đạt phẩm chất cao so với phương pháp mã hóa mạng truyền thống XOR. Tuy nhiên, hạn chế của đề xuất là độ phức tạp cao do sử dụng ước lượng ML. Ngồi ra, đề xuất này khơng thể mở rộng tổng quát được cho trường hợp có nhiều ăng-ten tại các nút. Tổng quát hơn đề xuất này, trong [62] đề xuất mơ hình sử dụng nhiều ăng-ten tại nút chuyển tiếp và áp dụng điều chế không gian trong pha BC. Để cải thiện phẩm chất trong pha này, SM kết hợp STBC cũng được [62] nghiên cứu. Phương pháp ước lượng có độ phức tạp thấp cũng được đề xuất trong