nút trung gian thay đổi, các nút sử dụng MIMO-SDM.
phỏng thấy rằng, việc tăng số lượng các nút trung gian ứng cử đã cải thiện
đáng kể hiệu suất BER của hệ thống. Nhận xét thứ hai có thể rút ra từ các
kết quả này là hiệu quả đạt được khi số lượng nút ứng cử trung gian lên tới
sáu nút hầu như không còn thay đổi, đặc biệt là đối với thuật toán lựa chọn
theo SNR. Điều này có thể giải thích được thông qua ngữ cảnh thực hiện
phân bố SNR tại các nút trung gian ngẫu nhiên. Trong trường hợp số nút
tăng đến một giá trị nhất định (trường hợp này bằng sáu) thì hầu như trong
các lần mô phỏng đều có một nút trung gian đạt được giá trị SNR sát với
ngưỡng trên. Nút này sẽ được chọn làm nút chuyển tiếp nên phẩm chất đạt
được sẽ hầu như không thay đổi. Với dải SNR khảo sát như hiện tại thì kết
quả phân tích có thể đưa ra kết luận về hiệu quả lựa chọn nút tốt nhất cho
2.6.3. Đánh giá độ phức tạp
Để so sánh sự phức tạp của hai thuật toán đề xuất dựa trên SNR và giá
trị riêng với thuật toán dựa trên MSE, luận án thực hiện tính toán chi tiết
số phép tính số học (cộng, trừ, nhân và chia) cho tất cả các trường hợp số
phức và số thực. Các phép tính này sẽ được chuyển đổi thành flops (floating
points). Độ phức tạp gắn với phép cộng số thực với số thực và số thực với số
phức bằng một flop. Phép cộng số phức với số phức là hai flops, phép nhân số
thực với số phức là hai flops và phép nhân số phức với số phức là sáu flops. Độ
phức tạp tính toán của thuật toán dựa trên SNR chủ yếu bao gồm các phép
tính trong công thức (2.17) và (2.20). Độ phức tạp tính toán của thuật toán
dựa trên SNR được tính xấp xỉ bằngCmin
SNR = 36N3+34N2+28N+5 [flops]. Độ phức tính toán của thuật toán dựa trên giá trị riêng chủ yếu được sử dụng
để tính toán các giá trị riêng của hai ma trận vuông Hsk và Hkd có kích
thước N × N. Theo [45] thì độ phức tạp cho tính toán giá trị riêng bằng
thuật toán SVD (Singular Value Decomposition) là 72N3 [flops]. Độ phức tạp của thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp dựa vào MSE chủ yếu bao gồm
các phép tính trong công thức (30), (34) và (35) trong [51] và có thể tính
gần đúng bằng Cmin
MSE = 20N3+ 26N2 + 4N + 3 [flops]. Vì vậy, có thể thấy rằng cả ba thuật toán có độ phức tạp tương đương do cùng có bậc phức tạp
O(N3). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hình 2.7 so sánh độ phức tạp tính toán cần thiết của ba thuật toán cho
các trường hợp sử dụng số ăng-ten khác nhau. Từ kết quả hình vẽ có thể thấy
rằng thuật toán dựa trên giá trị riêng có độ phức tạp lớn nhất, tiếp theo SNR
2 3 4 5 6 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 Số ăng-ten Độ phức tạp [flops] Eigen−value SNR MSE
Hình 2.7: So sánh độ phức tạp tính toán giữa ba thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp MSE, SNR và Eigen-value.
cầu 4.608 flops, trong khi thuật toán dựa trên SNR là 2.965 flops và thuật toán dựa trên MSE chỉ yêu cầu 1.715 flops. Tuy nhiên, đối với trường hợp số ăng-ten sử dụng nhỏN = 2hoặc N = 3thì độ phức tạp của tất cả các thuật toán hầu như giống nhau. Điều này cho thấy rằng các thuật toán được đề
xuất là phù hợp cho hệ thống truyền thông hợp tác MIMO trong đó các nút
mạng chỉ sử dụng một số ít các ăng-ten. Điều này cũng phù hợp với thực tế
do hầu hết các chuẩn giao diện vô tuyến thường sử dụng phổ biến cấu hình
MIMO 2×2.
2.7. Tóm tắt chương và kết luận
Chương 2 của luận án đã trình bày đề xuất hai thuật toán lựa chọn nút
chuyển tiếp dựa trên tiêu chuẩn giá trị riêng của ma trận kênh MIMO và dựa
Các kết quả mô phỏng máy tính cho thấy hai thuật toán đề xuất đạt được
cải thiện phẩm chất BER so với thuật toán dựa trên MSE trước đó. Luận
án cũng đã tiến hành phân tích chi tiết độ phức tạp tính toán của các thuật
toán và thấy rằng các thuật toán đề xuất có cùng bậc phức tạp O(N3) do đó, chúng có độ phức tạp xấp xỉ như nhau đối với trường hợp số ăng-ten nhỏ.
Thuật toán đề xuất dựa trên SNR được chỉ ra là ứng viên tốt nhất về mặt cả
phẩm chất BER và yêu cầu độ phức tạp, đặc biệt đối với trường hợp N = 2
TRUYỀN THÔNG MIMO TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
3.1. Tổng quan về truyền thông chuyển tiếp hai chiều
Truyền thông chuyển tiếp hai chiều đã được giới thiệu trong mục 1.4.2. Ưu
điểm của chuyển tiếp hai chiều là đã giảm số pha truyền từ bốn pha xuống
còn hai pha so với chuyển tiếp một chiều, vì vậy cho phép tăng thông lượng
mạng đáng kể. Đây cũng là lý do thúc đẩy ngày càng nhiều các nghiên cứu
về truyền thông chuyển tiếp hai chiều.
Trong truyền thông chuyển tiếp hai chiều, tùy theo hệ thống xem xét, các
kỹ thuật xử lý tín hiệu sẽ được thực hiện tại nút chuyển tiếp và nút nguồn
hoặc nút đích. Boris Rankov và cộng sự trong công trình [44] đã nghiên cứu
mô hình chuyển tiếp hai chiều, trong đó mô hình gồm hai nút nguồn N1, N2 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
và một nút chuyển tiếp R. Hai nút nguồnN1, N2 truyền dữ liệu đồng thời tới nút chuyển tiếp R. Nút chuyển tiếp nhận được dữ liệu từ hai nút nguồn sẽ tiến hành xử lý bằng một trong ba kỹ thuật đó là: (i) Khuếch đại và chuyển
tiếp (AF: Amplify and Forward), (ii) Giải mã và chuyển tiếp (DF: Decode
and Forward), hoặc (iii) Trực giao hóa và chuyển tiếp (OF: Orthogonalize and
Forward). Sau khi thực hiện xử lí tín hiệu, nút chuyển tiếp sẽ phát quảng bá
dữ liệu cho cả hai nút nguồn (cũng chính là hai nút đích) trong khe thời gian
tiếp theo. Do các nút nguồn N1 và N2 đều có thông tin tại chỗ (dữ liệu phát
của chính nó) nên các nút nguồn hoàn toàn có thể tách lại dữ liệu cần thu
của nút đối tác sau khi nhận được dữ liệu từ nút chuyển tiếp.
Trong công trình [22], các tác giả đã nghiên cứu và so sánh độ lợi dung
lượng đối với mã hóa và giải mã trong hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO.
Trong công trình [40], các tác giả đã nghiên cứu trường hợp kênh chuyển tiếp
hai chiều (TWRC) và đề xuất một kỹ thuật xử lý không tái sinh, tức là AF,
tại nút chuyển tiếp đơn giản hơn so với kỹ thuật tái sinh sử dụng DF. Zhang
và cộng sự đã phát triển một thuật toán để tính toán tối ưu ma trận kênh
tổng thể tại nút chuyển tiếp trong công trình nghiên cứu [71]. Các tác giả
công trình [30] đã đề xuất áp dụng một thuật toán giảm độ dốc và đề xuất
một sơ đồ xử lý lặp để tìm mã trước chuyển tiếp cận tối ưu với mục đích tối
đa tốc độ tổng của hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO AF. Trong công
trình [59], các tác giả đề xuất một mô hình tiền mã hóa thu phát tại nút
chuyển tiếp bằng cách sử dụng các bộ tách (ZF, MMSE) với các cấu hình
ăng-ten nhất định.
Gần đây, Gunduz và các cộng sự trong công trình [21] đã khảo sát kênh
TWRC đa chặng trong đó tất cả các nút đầu cuối đều được trang bị đa
ăng-ten. Với giả thiết các kênh pha-đinh Rayleigh giả tĩnh, độc lập, và có sẵn
thông tin kênh tại máy thu, các tác giả thực hiện mô hình hóa đường cong
thỏa hiệp tối ưu giữa độ lợi phân tập và ghép kênh đối với trường hợp nút
chuyển tiếp thực hiện truyền song công. Các tác giả đã chứng minh được sự
thỏa hiệp tối ưu giữa độ lợi phân tập và ghép kênh tối ưu có thể đạt được
bằng một chiến lược nén và chuyển tiếp (CF: Compress and Forward).
Trong công trình [60], Vaze và cộng sự đã đề cập đến vấn đề xác định bộ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
tiếp hai chiều đa chuyển tiếp, trong đó mỗi nút chuyển tiếp đều sử dụng kỹ
thuật AF. Việc sử dụng chiến lược AF xuất phát từ thực tế là tất cả các chiến
lược chuyển tiếp đã biết khác như DF, DF một phần, CF hoạt động không
tốt trong chuyển tiếp đa chặng. Với trường hợp khi cả hai trạm đầu cuối N1
và N2 có một ăng-ten và mỗi chuyển tiếp đều có số ăng-ten bất kỳ, các tác giả đã tìm ra một thuật toán xử lý lặp để tính toán bộ tạo búp sóng chuyển
tiếp tối ưu. Thuật toán này tương đương với việc giải bài toán tối thiểu công
suất với các ràng buộc tỉ số tín hiệu trên tạp âm cộng nhiễu (SINR: Signal-
to-Interference-plus-Noise Ratio) tại mỗi bước. Trong công trình [43], các tác
giả đã nghiên cứu các miền tốc độ có thể đạt được đối với kênh chuyển tiếp
hai chiều có giới hạn và cho thấy rằng chiến lược tối ưu theo tốc độ tổng cộng
đạt được khi sử dụng sơ đồ giải mã CF kết hợp khi trạm chuyển tiếp ở gần
một trong hai đầu cuối. Trong trường hợp tăng ích kênh từ trạm chuyển tiếp
tới cả hai đầu cuối giống nhau về biên độ thì sử dụng chiến lược CF hoặc AF
sẽ tốt hơn.
Ngoài các kỹ thuật NC thông thường, gần đây việc sử dụng kỹ thuật mã
hóa PNC cho kênh vô tuyến chuyển tiếp hai chiều nhằm cải thiện thông lượng
mạng đã được quan tâm nghiên cứu [5], [11], [14], [20], [28], [36], [41], [42],
[61], [66], [74], [77], [78].
3.2. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC cho kênh MIMO
Khi kết hợp PNC với MIMO hệ thống cho phép cải thiện hơn nữa thông
lượng đạt được của mạng cũng như chất lượng tín hiệu. Các hệ thống MIMO-
PNC khác nhau cho kênh chuyển tiếp hai chiều có thể tìm thấy trong nhiều
nhóm đó là MIMO-PNC phân tán và MIMO-PNC đầy đủ. Trong hệ thống
MIMO-PNC phân tán, các nút đầu cuối có hai ăng-ten trong khi nút chuyển
tiếp chỉ có một ăng-ten [55] hoặc tất cả các nút đầu cuối chỉ có một ăng-ten
trong khi nút chuyển tiếp có hai ăng-ten [20], [66], [74]. Để phân biệt các hệ
thống MIMO phân tán, luận án gọi các hệ thống này tương ứng là MISO-PNC
(Multiple Input Single Output-PNC), và SIMO-PNC (Single Input Multiple
Output-PNC). Đối với hệ thống MIMO-PNC đầy đủ, các nút đều được trang
bị đa ăng-ten (thông thường là hai) [14], [41], [67]. Trong phạm vi của luận (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
án sẽ chỉ quan tâm đến hệ thống MIMO-PNC đầy đủ, gọi tắt là MIMO-PNC.
Cụ thể, luận án sẽ hướng đến việc thiết kế một mạng chuyển tiếp hai chiều
sử dụng MIMO-PNC đơn giản và có độ phức tạp thấp.
Đối với hệ thống SIMO-PNC, trên cơ sở công trình [74] luận án đề xuất sử
dụng kết hợp lựa chọn nút với PNC để tăng chất lượng truyền. Luận án sử
dụng ba thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp, cụ thể là dựa trên giá trị riêng
(eigen-value), trung bình hài hòa (harmonic mean) và chuẩn (norm) của ma
trận kênh truyền. Ba thuật toán đề xuất này cho phẩm chất BER tốt hơn
so với mô hình không sử dụng lựa chọn nút đề xuất trong [74]. Chi tiết các
thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cho mô hình SIMO-PNC được trình bày
trong mục 3.3 của luận án.
Đối với hệ thống MIMO-PNC đầy đủ, luận án đề xuất một mô hình mạng
chuyển tiếp hai chiều MIMO-SDM-PNC, trong đó tất cả các nút nguồn trang
bị hai ăng-ten trong khi nút chuyển tiếp có bốn ăng-ten. Các nút nguồn sử
dụng ghép kênh phân chia không gian MIMO-SDM để hoán đổi dữ liệu của
chúng thông qua nút chuyển tiếp. Hệ thống MIMO-SDM cho phép phát hai
gấp đôi so với hệ thống trong [11], [74], [77]. Hệ thống thực hiện tách các
symbol mã hóa mạng nhờ sử dụng tách tín hiệu tuyến tính kết hợp với luật
quyết định dựa trên hàm log (LLR: Log Likelihood Ratio) và kết hợp chọn
lọc (Selective) được đề xuất trong [77]. Công trình này đã khắc phục được
ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh (CCI) giữa hai luồng dữ liệu phát. Trong pha
phát quảng bá (MA: Multiple Acces) đến các nút đích, hai ăng-ten phát được
sử dụng bởi nút chuyển tiếp và một bộ san bằng pha-đinh MIMO đơn giản
được đề xuất tại đích để bù sự ảnh hưởng của kênh. Luận án cũng có phân
tích ảnh hưởng của lựa chọn ngưỡng quyết định đến phẩm chất BER trong
trường hợp kết hợp chọn lọc. Chi tiết của mô hình đề xuất MIMO-SDM-PNC
được trình bày trong mục 3.4 của luận án.
Với mục tiêu đạt được bậc phân tập nhằm cải thiện chất lượng truyền
dẫn, luận án đề xuất một mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều hai chặng mới
với tên gọi MIMO-STBC-PNC. Trong mô hình mạng đề xuất tất cả các nút (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
mạng đều được trang bị hai ăng-ten. Tuy nhiên, mã khối không gian thời gian
của Alamouti [6] sẽ được sử dụng để mã hóa tín hiệu MIMO tại tất cả các nút
đầu cuối cũng như nút chuyển tiếp. Để giảm độ phức tạp tính toán, kỹ thuật
ước lượng tín hiệu tuyến tính sẽ được sử dụng tại nút chuyển tiếp, trong khi
các nút đầu cuối sử dụng một kỹ thuật san bằng pha-đinh đơn giản để khôi
phục tín hiệu. Trong công trình [67] Xu và Fu cũng đã đề xuất một hệ thống
MIMO-PNC tương tự. Tuy nhiên, trong hệ thống đề xuất MIMO-PNC ở [67]
xử lý tách tín hiệu tại nút chuyển tiếp cũng như tại các nút đích đều bằng
phương pháp phi tuyến sử dụng tách tín hiệu hợp lệ cực đại (ML). Trong khi
đó hệ thống của luận án chỉ sử dụng phương pháp tách tuyến tính tại tất cả
trong mục 3.5 của luận án.
3.3. Hệ thống SIMO-PNC trên kênh TWRC
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