Chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật mã hóa mạng

1.2. Một số kỹ thuật truyền dẫn cơ bản trong mạng chuyển tiếp vô tuyến

1.2.2. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật mã hóa mạng

Mã hóa mạng được hiểu là sự kết hợp tín hiệu của các nút mạng thành một từ mã duy nhất để sử dụng chung cho tất cả các nút mạng. Mỗi nút mạng khi nhận được từ mã này hoàn toàn giải mã để lấy thông tin nút đối tác thơng qua loại bỏ thơng tin của chính nó chứa trong từ mã. Để giảm số lượng khe thời gian truyền dẫn, cho phép nâng cao hiệu quả phổ so với chuyển tiếp truyền thống, nút chuyển tiếp ngoài việc xử lý theo các giao thức như AF hoặc DF còn phải thực hiện xử lý bằng cách: Kết hợp các tín hiệu đến từ các nút đầu cuối tạo thành từ mã duy nhất trước khi phát quảng bá cho các nút đầu cuối. Do vậy, thời gian truyền tín hiệu từ nút chuyển tiếp đến các nút đầu cuối chỉ cần sử dụng một khe thời gian (một pha) để chuyển tiếp chung cho tất cả các nút đầu cuối. Trong khi đó, thời gian truyền từ các nút đầu cuối đến nút chuyển tiếp có thể sử dụng 1 pha hoặc 2 pha. Như vậy, tổng số pha để trao đổi thơng tin hai chiều chỉ cịn lại 3 pha hoặc 2 pha như được trình bày dưới đây.

a. Mã hóa mạng cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều 3 pha

Hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng 3 pha [6, 11, 60] được mơ tả như trong Hình 1.5. Hoạt động của hệ thống được thực hiện như sau: Trong pha thứ nhất, T1 phát s1 đến nút chuyển tiếp R. Trong pha thứ hai, T2 phát s2 đến nút chuyển tiếp R. Tại nút chuyển tiếp thực hiện mã hóa cặp tín hiệu nhận được trong hai pha đầu tiên để tạo thành từ mã duy nhất. Cuối cùng, trong pha thứ 3, nút chuyển tiếp phát quảng bá từ mã này đến tất cả các nút đầu cuối. T1 R R T2 R T1 T2 R Mi ề n th ờ i g ian T1 R R T2 R T2 T1 Mi ề n th ờ i gian R T2 T1 R T2 T1 Mi ề n th ờ i gian s1 s1 s2 s2 s1 s2 s1s2 s1s2 s1 s2 s1s2 s1s2

Hình 1.5: Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều sử dụng 3 pha.

Xử lý tại nút chuyển tiếp trong hai pha đầu tiên có thể sử dụng giao thức AF hoặc DF kết hợp kỹ thuật mã hóa mạng như sau:

• Trường hợp sử dụng giao thức AF kết hợp mã hóa mạng: Nút chuyển tiếp khơng cần ước lượng riêng biệt cho hai tín hiệu này, thay vào đó chỉ cần kết hợp tuyến tính (mã hóa) trước khi khuếch đại. Sau đó, bản tin mã hóa này được phát quảng bá đến tất cả các nút đầu cuối [60]. Mã hóa trong trường hợp này gọi là mã hóa mạng tương tự (ANC: Analog Network Coding).

• Trường hợp sử dụng giao thức DF kết hợp mã hóa mạng: Nút chuyển tiếp ước lượng riêng biệt tín hiệu s1 và s2 trong hai pha đầu tiên, sau đó

kết hợp hay cịn gọi là mã hóa mạng số (DNC: Digital Network Coding) thành từ mã sR duy nhất được cho bởi

sR = s1 ⊕s2, (1.1)

trong đó, ký hiệu ⊕ là phép tốn kết hợp giữa hai tín hiệu. Phép tốn này có thể là phép XOR khi kết hợp tín hiệu s1 và s2 ở mức bít, hoặc phép mod-M khi kết hợp ở mức ký hiệu, với M là bậc điều chế.

Giải mã tại các nút đầu cuối (ví dụ tại T1) được thực hiện như sau: s1⊕sR = s1 ⊕s1⊕s2 = s2. (1.2)

Nhờ áp dụng kỹ thuật mã hóa mạng nên hệ thống chỉ sử dụng 3 khe thời gian, do vậy cải thiện gần 33% thông lượng so với sơ đồ chuyển tiếp hai chiều khơng mã hóa mạng truyền thống [68].

b. Mã hóa mạng cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều 2 pha

Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều sử dụng 2 pha truyền dẫn được minh họa như trong Hình 1.6. Quá trình trao đổi thơng tin giữa hai nút đầu cuối được thực hiện trong hai pha: đa truy nhập (MA: Multiple Access) và quảng bá (BC: Broadcast). T1 R R T2 R T1 T2 R Mi ề n th ờ i g ian T1 R R T2 R T2 T1 Mi ề n th ờ i gian R T2 T1 R T2 T1 Mi ề n th ờ i gian s1 s1 s2 s2 s1 s2 s1s2 s1s2 s1 s2 s1s2 s1s2

Hình 1.6: Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều sử dụng 2 pha.

• Pha MA: Hai nút đầu cuối T1 và T2 phát đồng thời tín hiệu của nó đến nút chuyển tiếp tại cùng thời gian và tần số. Để xử lý trong trường hợp này, nút chuyển tiếp có thể thực hiện một trong ba phương pháp như sau:

+ Phương pháp 1: Thông qua giao thức AF, nút chuyển tiếp chỉ thực hiện chức năng đơn giản là khuếch đại tín hiệu nhận được trước khi phát quảng bá cho các nút đầu cuối [39, 40].

+ Phương pháp 2: Thông qua giao thức hạn chế tạp âm và chuyển tiếp (DNF: Denoise-and-Forward), sử dụng phương pháp tách tín hiệu ML có độ phức tạp thấp [30, 65, 68] để ước lượng trực tiếp tổ hợp tuyến tính của hai ký hiệu. Sau đó ánh xạ tổ hợp tuyến tính này thành ký hiệu mã hóa mạng sR = s1⊕s2.

+ Phương pháp 3: Thông qua giao thức DF, sử dụng phương pháp tách tín hiệu như ML [5, 72] để ước lượng riêng biệt các ký hiệu s1, s2 . Các ký hiệu này sau đó được kết hợp và ánh xạ thành từ mã sR thông qua phép tốn mã hóa mạng như cơng thức (1.1).

• Pha BC: Nút chuyển tiếp phát quảng bá từ mãsR đến đồng thời hai nút đầu cuối T1 và T2. Giải mã tại các nút đầu cuối trong pha này hoàn toàn tương tự như trường hợp hệ thống 3 pha. Nhờ giảm một nửa số khe thời gian truyền dẫn so với chuyển tiếp hai chiều truyền thống nên thơng lượng của mạng có thể tăng gần gấp đơi so với sơ đồ chuyển tiếp hai chiều truyền thống khơng mã hóa mạng [68]. Tuy nhiên, trả giá là độ phức tạp xử lý tại nút chuyển tiếp của truyền dẫn 2 pha cao hơn nhiều so với chuyển tiếp hai chiều truyền thống.

Do tín hiệu sR = s1⊕s2 phát trong pha quảng bá chứa thông tin của cả hai nút đầu cuối T1 và T2 nên tín hiệu này được gọi là tín hiệu mã hóa mạng. Với hệ thống sử dụng giao thức AF, từ mã chuyển tiếp trong pha quảng bá chứa cả tạp âm của nút chuyển tiếp nên gọi là mã hóa mạng tương tự. Trong

khi đó, các hệ thống sử dụng giao thức DNF hoặc DF thực hiện loại bỏ một phần hoặc hoàn toàn tạp âm trước khi chuyển tiếp nên được xem như là mã hóa mạng số. Mặt khác, do hai tín hiệu được phát đồng thời đến nút chuyển tiếp trong pha MA nên xẩy ra hiện tượng chồng lẫn các sóng điện từ tại lớp vật lý. Vì vậy, DNC trong trường hợp chuyển tiếp 2 pha cịn được gọi là mã hóa mạng lớp vật lý PNC. Mặc dù xử lý tại nút chuyển tiếp sử dụng ANC đơn giản hơn rất nhiều so với PNC nhưng đổi lại phẩm chất của PNC đạt được tốt hơn so với ANC.

Trong các phương pháp PNC, độ phức tạp tính tốn của DF-PNC tăng cao so với DNF-PNC [67, 69] do phải ước lượng riêng biệt các ký hiệu s1 và s2. Tuy nhiên, từ mã sR được tạo ra bằng DF-PNC khơng chứa thơng tin trạng thái kênh truyền. Vì vậy, có thể áp dụng DF-PNC cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều có kênh thuận nghịch hoặc chuyển tiếp hai chiều có kênh khơng thuận nghịch [72]. Ngược lại, phương pháp DNF-PNC tạo ra từ mãsR thơng qua tính tốn các tham số kênh truyền trong pha MA. Vì vậy, để các nút đầu cuối giải mã được thông tin này cần phải biết được CSI của cả pha BC và MA [30, 67]. Trên thực tế, điều này có thể nhận được trong các hệ thống song công phân chia theo thời gian (TDD: Time Division Duplex), thơng qua q trình ước lượng CSI trong pha MA để dự đoán được CSI cho pha BC (hệ thống có kênh truyền thuận nghịch).

c. Phương pháp ánh xạ cho mã hóa mạng

Phụ thuộc vào mối quan hệ giữa chịm sao tín hiệu phát s1, s2 trong pha MA vàsR trong pha BC, ánh xạ PNC chia thành hai loại: PNC ánh xạ tuyến tính và PNC ánh xạ phi tuyến. PNC ánh xạ tuyến tính là từ mã sR phát đi

trong pha BC vẫn giữ ngun hình dạng và kích thước so với chịm sao của các tín hiệu s1, s2 phát đi trong pha MA [44, 45]. Ngược lại, nếu kích thước và hình dạng của chịm sao sR khác so với các chịm sao của tín hiệu s1, s2 được gọi là PNC ánh xạ phi tuyến. Ví dụ các tín hiệus1, s2 phát đi trong pha MA thuộc chòm sao 4-QAM. Tuy nhiên, sau khi ánh xạ nhận được từ mã sR lại thuộc chòm sao 5-QAM [67]. Trong trường hợp này được gọi là PNC ánh xạ phi tuyến. Nguyên nhân là do ảnh hưởng của hệ số kênh truyền làm méo dạng tổ hợp tuyến tính của chịm sao tín hiệu thu, dẫn đến mở rộng chịm sao của tín hiệu tổ hợp được ước lượng tại nút chuyển tiếp. Trong trường hợp này ánh xạ tuyến tính sẽ khơng thể bao phủ được hết tất cả các trạng thái có thể xảy ra của tín hiệu tổ hợp cần ước lượng tại nút chuyển tiếp như ánh xạ phi tuyến.

DF-PNC ln đạt được ánh xạ tuyến tính [72]. Trong khi đó, ánh xạ DNF- PNC có thể là tuyến tính [44, 45, 65], hoặc phi tuyến [24, 35, 36, 67]. Các hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng phương pháp ánh xạ mã hóa mạng phi tuyến đạt phẩm chất SER cao so với ánh xạ tuyến tính. Tuy nhiên, trả giá là phổ của tín hiệu mở rộng do sử dụng chịm sao có kích thước lớn hơn, đồng thời cấu trúc bộ ước lượng và giải mã biến đổi trở nên phức tạp. Ngoài ra, do từ mã PNC ánh xạ phi tuyến chứa cả CSI trong pha MA nên khó khăn để ước lượng thơng tin này tại các nút đầu cuối. Do đó, phương pháp PNC ánh xạ phi tuyến chỉ phù hợp cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều trong mơi trường kênh thuận nghịch. Trong khi đó, phương pháp PNC tuyến tính ln đảm bảo giữ ngun chịm sao tín hiệu trong suốt thời gian truyền dẫn. Do đó, phương pháp này tiết kiệm phổ và ước lượng đơn giản hơn so với PNC ánh xạ phi tuyến. Ngoài ra, từ mã PNC ánh xạ tuyến tính khơng chứa CSI

trong pha MA nên phù hợp không những cho kênh chuyển tiếp hai chiều thuận nghịch mà còn phù hợp cho kênh không thuận nghịch. Đây là kênh thông tin vô tuyến sát với điều kiện thực tế.