3.3.1. Mô hình tín hiệu hệ thống 11 h 21 h 12 h 22 h N2 2 x N1 1 x Rk 1 r 2 r
Hình 3.1:Mô hình kênh chuyển tiếp hai chiều sử dụng SIMO-PNC.
Xét mô hình kênh chuyển tiếp hai chiều sử dụng SIMO-PNC như minh
họa trong Hình 3.1. Mô hình hệ thống bao gồm hai nút đầu cuối N1 và N2
trao đổi thông tin qua nút chuyển tiếp Rk. Giả thiết khoảng cách giữa N1 và
N2 đủ lớn sao cho không tồn tại đường kết nối trực tiếp giữa N1 và N2. Các nút đầu được trang bị một ăng-ten trong khi các nút chuyển tiếp được trang
bị hai ăng-ten. Mô hình chuyển tiếp hai chiều SIMO-PNC này có thể biểu
diễn lại thành mô hình MIMO điểm-điểm tương đương như trên Hình 3.2.
Việc truyền dẫn PNC bao gồm hai pha. Trong pha truy nhập (MA) đầu
tiên, cả hai nút đầu cuối N1 và N2 truyền đồng thời các symbol tương ứng x1 và x2 đến nút chuyển tiếp Rk. Giả thiết tín hiệu từ hai nút đầu cuối đến nút chuyển tiếp được đồng bộ với nhau. Tín hiệu thu tại nút chuyển tiếp lúc
này được biểu diễn như sau:
r1 = h11x1+h12x2 +z1, (3.1)
N2 2 x Rk 1 r 2 r N1 1 x 11 h 21 h 12 h 22 h H
Hình 3.2: Mô hình MIMO tương đương của hệ thống chuyển tiếp hai chiều SIMO- PNC.
trong đó ri ký hiệu tín hiệu thu được tại ăng-ten thứ i của nút chuyển tiếp,
hij là hệ số kênh AWGN phức từ ăng-ten thứ j của nút Nl đến ăng-ten thứ i của nút chuyển tiếp, xl là tín hiệu phát của nút Nl và zi là tạp âm AWGN tại ăng-ten thứ i của nút chuyển tiếp với trung bình bằng không và phương
sai σ2
r trên cả hai chiều, tức là zi ∼ CN(0, σ2
r). Để đơn giản giả thiết trường hợp các nút đều sử dụng điều chế BPSK. Trong pha đầu tiên, giả thiết có
thông tin đầy đủ về kênh truyền hij tại nút chuyển tiếp (nút thu) và không
có thông tin về kênh truyền tại hai nút đầu (nút phát). Sự ảnh hưởng của
công suất phát và pha sóng mang được thể hiện trong hệ số kênh phức. Công
thức (3.1) có thể được biểu diễn ở dạng phương trình véc-tơ như sau:
r = Hx+z, (3.2)
trong đó kí hiệu H là ma trận kênh, x là véc-tơ tín hiệu phát, z là véc-tơ
tạp âm, r là véc-tơ tín hiệu thu. Nút chuyển tiếp thực hiện ước lượng dạng
mã hóa mạng của tín hiệu từ hai nút đầu nghĩa là x1⊕x2. Trong đó thao tác
mã hóa mạng ⊕chính là phép tính XOR. Trong pha quảng bá (BC) thứ hai,
nút đầu cuối, tức là x^1 ⊕x2. Các nút đầu cuối sau đó tiến hành ước lượng
^
x1⊕x2 và thực hiện giải mã gói dữ liệu nhận được bằng cách thực hiện phép
XOR giữa tín hiệu thu được với dữ liệu bản thân đã phát đi.
3.3.2. Xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp
Để thực hiện ước lượng tín hiệu x1⊕x2 tại nút chuyển tiếp, công trình [74]
đã đề xuất mô hình PNC dựa trên tách tín hiệu tuyến tính MIMO. Trong
mô hình này nút chuyển tiếp ước lượng các thành phần tổng x1+x2 và hiệu x1−x2 chứ không thực hiện ước lượng từng thành phần x1 và x2 riêng biệt
từ véc-tơ tín hiệu thu được r. Sau đó nút chuyển tiếp sẽ thực hiện ánh xạ
các phiên bản ước lượng được x1+x2 và x1−x2 thành symbol mã hóa mạng x1⊕x2. Để thực hiện ước lượng x1+x2 và x1−x2, có thể biểu diễn phương trình (3.2) thành dạng tương đương sau [74]:
r = Hx+z (3.3) = HD−1 (Dx) +n = Hˆxˆ+z, (3.4) trong đó: D = 2D−1 = " 1 1 1 −1 #
được gọi là ma trận tổng-hiệu với ý nghĩa việc sử dụng ma trận này cho phép
biến đổi véc-tơ phát chứa từng symbol riêng biệt thành véc-tơ phát tương
đương có chứa các thành phần tổng và hiệu của chúng. Thông qua việc sử
dụng ma trận tổng-hiệu này, véc-tơ phát x được chuyển thành véc-tơ phát
tương đương xˆ chứa các thành phần tổng x1+x2 và hiệu x1−x2. Như vậy, bài toán ước lượng các thành phần x1 và x2 của x đã trở thành ước lượng
Để thực hiện ước lượng các thành phần x1+ x2 và x1 −x2 bằng phương pháp tách tín hiệu tuyến tính, nút chuyển tiếp sẽ sử dụng một ma trận kết
hợp G tương ứng với ma trận kênh Hˆ. Ước lượng của véc-tơ phát tổng-hiệu
ˆ
x được cho bởi công thức sau [74]:
y = Gr = GHˆ xˆ +Gz. (3.5)
Trường hợp sử dụng phương pháp cưỡng bức về không (ZF: Zero-Forcing)
ma trận kết hợp được cho bởi công thức:
G = HˆHHˆ −1
ˆ
HH. (3.6)
Còn đối với trường hợp sử dụng phương pháp sai số bình phương trung bình
nhỏ nhất (MMSE: Minimum Mean Square Error), chúng ta có
G = σz2I + ˆHHHˆ −1
ˆ
HH. (3.7)
Điểm khác biệt ở ma trận kết hợp của hai phương pháp này chính là thành
phần phương sai tạp âm σ được tính đến trong ma trận kết hợp của phương
pháp tách tín hiệu MMSE. Vì vậy, phương pháp tách tín hiệu MMSE có chất
lượng tốt hơn.
Từ các giá trị ước lượng y1 và y2 của y các tác giả của [74] đề xuất hai
phương pháp ước lượng trực tiếp thành phần mã hóa mạng x1⊕x2 sử dụng
luật quyết định tỷ số hợp lệ theo hàm log (LLR: Log Likelihood Ratio) và kết hợp chọn lọc. Sử dụng phương pháp quyết định theo LLR, ta có
L(x1⊕x2|y1y2) = P(y1y2|x1⊕x2 = 1)
P(y1y2|x1⊕x2 = −1) (3.8) = exp(2/σ22 −2/σ12) cosh(2y1/σ21)/cosh(2y2/σ22),
trong đó σ2
` = GHG
`,`σ2
tuyến tính. Giá trị thống kê này sau đó sẽ được quyết định như sau [74]: ^ x1⊕x2 = +1 khi L(x1 ⊕x2|y1y2) ≥ 1 −1khi L(x1⊕x2|y1y2) < 1. (3.9)
Công thức (3.8) cho thấy việc tính toán LLR của thành phần tín hiệu mã hóa
mạng tại nút chuyển tiếp có thể thực hiện được thông qua các thành phần
tổng, hiệuy1 và y2 của mỗi luồng dữ liệu. Phương pháp quyết định theo LLR
cho chất lượng tốt nhưng lại khá phức tạp. Vì vậy, các tác giả của [74] cũng
đã đề xuất phương pháp quyết định dựa trên kết hợp chọn lọc như sau
^ x1⊕x2 = sgn{|y1| −γ} khi GGH 1,1 < GGH 2,2 sgn{γ − |y2|} trường hợp khác, (3.10)
trong đóγ là ngưỡng quyết định và sgnbiểu diễn hàm lấy dấu. Trong trường hợp đơn giản tác giả của [74] đề xuất lựa chọn ngưỡng quyết định γ = 1.
3.3.3. Tách tín hiệu tại nút đích
Sau khi ước lượng thành công symbol mã hóa mạng x˜R = x^1⊕x2, nút chuyển tiếp sẽ truyền chúng tới hai nút đầu cuối N1 và N2.
Định nghĩa véc-tơ phát từ nút chuyển tiếp như sau:
xR =
˜
xR, x˜RT
, (3.11)
và các kênh ngược từ nút chuyển tiếp tới các nút đầu cuối (các nút đích) như
sau: h1 = h11, h21 , (3.12) h2 = h12, h22 , (3.13)
trong đó h(jil) là độ lợi kênh truyền từ ăng-ten thứ j của nút chuyển tiếp đến
ăng-ten thứ i của nút Nl. Tuy nhiên, để đơn giản luận án giả thiết kênh truyền chịu ảnh hưởng của pha-đinh Rayleigh phẳng đối xứng, có nghĩa là
hji(l) = hij(l). Với giả thiết này, luận án sử dụng kí hiệu h(jil) để biểu diễn kênh trên cả hai hướng.
Tín hiệu thu tại hai nút đích N1 và N2 được cho bởi: u1 = √1
2h1xR +n1, (3.14)
u2 = √1
2h2xR +n2, (3.15)
trong đó, phân số √1
2 biểu diễn hệ số chuẩn hóa công suất, n1 và n2 là tạp âm tại hai nút đích tương ứng.
Do h1xR = (h11+h21)xR,h2xR = (h12+h22)xR nên để ước lượng symbol mã hóa mạng, các nút đầu cuối thực hiện bù ảnh hưởng của pha-đinh bằng
cách nhân tương ứng với các thành phần (h11 + h21)∗ và (h12 + h22)∗. Tín hiệu thu tại hai nút đầu cuối như sau:
ˆ x(1)R = √1 2|h11+h21|2 xR+ n01, (3.16) ˆ x(2)R = √1 2|h12+h22|2xR+ n02, (3.17) trong đó n01 = (h11+h21)∗n1 và n02 = (h12 +h22)∗n2.
Các nút đích có thể sử dụng một hàm quyết định Q(·) để thu được ước lượng của các symbol mã hóa mạng x1 ⊕x2 = Q(ˆx(Rl)). Các nút đích sau đó thực hiện thao tác đơn giản bằng cách XOR giữa các symbol mã hóa mạng
ước lượng được với symbol phát của chính nó để thu được symbol của đối
3.3.4. Đề xuất áp dụng lựa chọn nút chuyển tiếp vào hệ thống SIMO- PNC
Các thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp được thực hiện theo mô hình phân
tán tương tự như trong các tài liệu tham khảo [8], [51]. Trong [51] nhóm tác
giả đã đề xuất ba thuật toán như lựa chọn nút dựa trên chuẩn ma trận kênh
(norm), lựa chọn nút dựa trên trung bình hài hòa (harmonic mean), lựa chọn
nút dựa trên sai số bình phương trung bình (MSE: Mean Square Error). Các
tác giả trong công trình [51] đã chứng minh được rằng thuật toán lựa chọn
nút dựa trên MSE cho phẩm chất BER tốt nhất, kế đến lần lượt là các thuật
toán dựa trên trung bình hài hoà, và cuối cùng là chuẩn của ma trận kênh.
Trong chương trước luận án cũng đã trình bày đề xuất thuật toán lựa chọn
nút dựa trên SNR và giá trị riêng. Các thuật toán này đều được đề xuất sử
dụng cho mô hình truyền thông hợp tác MIMO-SDM sử dụng phương pháp
khuếch đại-chuyển tiếp tại nút chuyển tiếp và tách tín hiệu tuyến tính MMSE
tại nút đích. Do tính chất tuyến tính của mô hình nên việc tính toán tỉ số
SNR hoặc MSE tại nút đích là có thể khả thi. Tuy nhiên, khi áp dụng các
thuật toán này vào mô hình kênh TWRC gặp phải khó khăn do nút chuyển
tiếp sử dụng giải mã, mã hoá và chuyển tiếp. Do đó mô hình kênh TWRC
không còn là tuyến tính và việc tính toán SNR và MSE tại nút đích không
còn dễ dàng. Vì vậy, luận án đề xuất sử dụng ba thuật toán có tính khả thi
nhất cho kênh TWRC là (i) thuật toán lựa chọn nút dựa trên giá trị riêng của
kênh, (ii) thuật toán dựa trên chuẩn của ma trận kênh và (iii) thuật toán dựa
trên trung bình hài hoà của kênh. Nguyên lý thực hiện lựa chọn nút chuyển
tiếp hoàn toàn tương tự như đã trình bày cho kênh truyền thông hợp tác ở
a) Lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên giá trị riêng của kênh
Ý tưởng của lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên giá trị riêng của kênh tương
tự như trong mục 2.5.1, trong đó kênh MIMO tương đương H(k) giữa hai nút
đầu cuối với nút trung gian k có kích thước 2×2. Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên giá trị riêng tương tự như trình bày ở Bảng 2.1. Điểm
khác biệt trong trường hợp này là giá trị riêng chỉ tính cho H(k), vì vậy chỉ
cần phải tính giá trị λ(1k,2) cho mỗi nút k.
b) Lựa chọn nút chuyển tiếp theo chuẩn ma trận kênh
Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp theo chuẩn ma trận kênh đã được
đề xuất cho hệ thống truyền thông hợp tác ở [51]. Ý tưởng của thuật toán
là lựa chọn ra nút chuyển tiếp có tổng độ lợi các kênh thành phần của kênh
MIMO trên cả hai hướng thuận ngược lớn nhất. Tổng độ lợi của các kênh
thành phần chính là chuẩn của ma trận kênh MIMO. Thuật toán lựa chọn
trong trường hợp này được thực hiện theo phương pháp cực đại hoá chuẩn
của ma trận kênh. Chỉ số CQI tương ứng với nút chuyển tiếp k được cho bởi
công thức sau: CQIk = H(k) 2 2 , (3.18)
và nút chuyển tiếp κ được lựa chọn từ K nút trung gian như sau:
κ = arg max
k {CQIk}, (3.19)
trong đó kHk22 biểu diễn chuẩn Frobenius của H.
Tóm tắt thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cho hệ thống SIMO-PNC
trên kênh TWRC theo chuẩn ma trận kênh ở dạng giả mã được trình bày ở
Bảng 3.1.
Bảng 3.1:Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cho hệ thống SIMO-PNC trên kênh TWRC theo chuẩn ma trận kênh.
Input: K, H(k) For k = 1 to K Tính CQIk = H(k) 2 2
Lựa chọn κ = arg max
k {CQIk} End
Output: nút chuyển tiếp κ
Thuật toán lựa nút chuyển tiếp cho kênh TWRC cũng được xây dựng từ
thuật toán cho kênh truyền thông hợp tác ở [51]. Ý tưởng của thuật toán là
nút chuyển tiếp tính toán trung bình hài hòa của biên độ của các kênh thành
phần làm tiêu chí lựa chọn. Thuật toán lựa chọn dựa trên cực đại hóa trung
bình hài hòa cũng có thể được mở rộng cho trường hợp kênh chuyển tiếp hai
chiều. Kênh MIMO tương đương có chứa 2×2 kênh thành phần nên trung bình hài hòa của độ lợi kênh trong trường hợp này sẽ được tính như sau:
CQIk = 4 2 P i=1 2 P j=1 1 |hkij|2 . (3.20)
Dựa trên chỉ số chất lượng kênh truyền CQIk và công thức quyết định (3.19), thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp theo tiêu chuẩn trung bình hài hoà
cho hệ thống SIMO-PNC trên kênh TWRC ở dạng giả mã được trình bày ở
Bảng 3.2.
3.3.5. Đánh giá chất lượng hệ thống SIMO-PNC trên kênh TWRC sử dụng lựa chọn nút
a) Mô hình mô phỏng
Bảng 3.2:Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cho hệ thống SIMO-PNC trên kênhTWRC theo tiêu chuẩn trung bình hài hòa. TWRC theo tiêu chuẩn trung bình hài hòa.
Input: K, H(k)
For k = 1 to K
Tính CQIk theo (3.20)
Lựa chọn κ = arg max
k {CQIk} End
Output: nút chuyển tiếp κ
tiếp hai chiều SIMO-PNC, luận án thực hiện mô phỏng Monte-Carlo để đánh
giá phẩm chất lỗi bit (BER). Trong kịch bản mô phỏng đầu tiên, luận án sử
dụng một mô hình đơn giản với ba nút, tức là hai nút đầu cuối và một nút
chuyển tiếp. Để lựa chọn nút chuyển tiếp, luận án giả thiết rằng có hai nút
chuyển tiếp trong vùng phủ sóng của hai nút đầu cuối. Các thuật toán lựa
chọn nút như đã trình bày ở trên sẽ được sử dụng để chọn nút tốt nhất làm
nút chuyển tiếp. Các kênh truyền giữa hai nút đầu cuối đến các nút trung
gian và từ các nút trung gian đến các nút đầu cuối được giả thiết chịu ảnh
hưởng của pha-đinh Rayleigh phẳng, không tương quan. Các nút đầu cuối
được trang bị một ăng-ten, nút chuyển tiếp được trang bị hai ăng-ten. Năng
lượng symbol trung bình của mỗi nút được chuẩn hóa là Es = 1. Tạp âm tác động lên hệ thống là tạp âm Gauss trắng cộng tính với phương sai σ2
n. Nút chuyển tiếp sử dụng bộ kết hợp ZF, MMSE trong mục 3.3.2 để ước lượng
tín hiệu phát. Trong tất cả các mô phỏng, tỉ lệ BER của trường hợp không
lựa chọn nút [74] cũng được biểu diễn để tham khảo so sánh. Trong kịch bản
mô phỏng thứ hai, luận án sử dụng mô hình tương tự như kịch bản thứ nhất
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 10−4 10−3 10−2 10−1 100 Eb / No [dB] BER
Lựa chọn nút theo eigen-value cho SIMO−PNC(ZF, LLR) Lựa chọn nút theo trung bình hài hòa cho SIMO−PNC(ZF, LLR) Lựa chọn nút theo chuẩn ma trận kênh cho SIMO−PNC(ZF, LLR) Không lựa chọn nút cho SIMO-PNC(ZF, LLR)
3 dB
Hình 3.3: Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC sử dụng ZF (LLR) cho các trường hợp lựa chọn nút khác nhau và không lựa chọn nút; hai nút chọn một.
[-10,20] dB, trong khi số lượng các nút trung gian thay đổi để phân tích hiệu
quả của việc lựa chọn một nút chuyển tiếp từ một số lượng lớn các nút trung
gian.
b) Đánh giá phẩm chất BER
Hình 3.3 và Hình 3.4 so sánh phẩm chất BER trung bình thu được của