Nút 1 S1Q Nút 2 S2Q Symbol từ nút 1 b1 Symbol từ nút 2 b2 Symbol tổ hợp tại nút chuyển tiếp R y(RQ) =b1+b2 Ánh xạ thành symbol của nút chuyển tiếp R bR =b1b2 0 0 1 1 2 1 0 1 1 -1 0 -1 1 0 -1 1 0 -1 1 1 -1 -1 -2 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 tương tự và được cho trong
Bảng 1.2. Đối với QPSK, aR = a1a2 nên thu được −1 nếu a1 6= a2, và bằng
1 nếu a1 = a2. Thành phần y(I)R = a1 +a2 có thể nhận một trong ba giá trị:
0,2 , và −2. Do yR(I) = 0 khi a1 6= a2, và y(I)R = −2 hoặc 2 khi a1 = a2, nên phép ánh xạ PNC được biểu diễn như sau:
aR = −1 nếu yR(I) = 0, +1 nếu yR(I) = −2 hoặc 2. (1.5)
Tín hiệu tần số vô tuyến (RF: Radio Frequency) được phát đi trong khe
thời gian thứ hai trong sơ đồ PNC giống như tín hiệu RF được 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(aR, bR). Trong PNC,(aR, bR) được tính toán từ thành phần tín hiệu xếp chồng (a1 +a2, b1+ b2). Trong khi đó trong NC, (a1, b1) và (a2, b2) được phát riêng rẽ bởi N1 và N2, sau đó nút chuyển tiếp R thực hiện giải mã ra (a1, b1) và (a2, b2) và mã hóa thành (aR, bR).
1.7. Mô hình mô phỏng PNC kênh TWRC
Mô hình hệ thống truyền dẫn PNC trên kênh TWRC sử dụng cho mô
phỏng trong luận án được thể hiện trên Hình 1.9 và Hình 1.10 tương ứng
cho khe thời gian thứ nhất và khe thời gian thứ hai. Hoạt động của hệ thống
Bit thông tin Điều chế Kênh pha-đinh
Bit thông tin Điều chế Kênh pha-đinh Ánh xạ PNC XOR + + Tạp âm 1 b S1 2 b S2 R 1 2 S =S S N1 N2 R
Hình 1.9:Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ nhất.
để thực hiện điều chế thành các symbol phát BPSK như sau: si = −1 nếu bi = 1, +1 nếu bi = 0. (1.6)
Gọi h1R, h2R là hệ số pha-đinh từ ăng-ten của N1 và N2 tới ăng-ten của nút chuyển tiếp R. hR1, hR2 là hệ số kênh pha-đinh từ ăng-ten của nút chuyển tiếp R tới N1 và N2.
XOR Giải điều
chế Kênh pha- đinh Ánh xạ PNC XOR 1 b R 1 2 S =S S N1 R Giải mã + Tạp âm
XOR Giải điều
chế Kênh pha- đinh 2 b N2 Giải mã + R ˆS 2 b 1 b R ˆS Tạp âm R 1 2 S =S S R 1 2 ˆb =b ⊕b R 1 2 ˆb =b ⊕b
Hình 1.10: Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ hai.
1.7.1. Mô hình PNC trên kênh pha-đinh Rayleigh phẳng sử dụng tiền mã hóa
Trong trường hợp sử dụng tiền mã hóa (precoding) giả sử kênh truyền chịu
ảnh hưởng của pha-đinh Rayleigh phẳng đối xứng, có nghĩa làh1R = hR1 = h1 và h2R = hR2 = h2. Khi có sự đồng bộ lý tưởng về pha sóng mang và hệ thống sử dụng cơ cấu điều khiển công suất, thì các hệ số kênh h1, h2 có thể
nút sẽ có dạng là h∗1
|h1|2s1 và h∗2
|h2|2s2 thay cho s1 và s2. Tín hiệu thu được ở nút chuyển tiếp R sẽ là:
yR = s1 +s2+n, (1.7)
trong đó nbiểu diễn tạp âm Gauss trắng cộng tính (AWGN: Additive White
Gaussian Noise) có trung bình 0 và phương sai một phía σ2 với hàm mật độ xác suất của n được biểu diễn bởi:
f (n) = √ 1
2πσ2exp−n
2
2σ2. (1.8)
Trong trường hợp này mô hình kênh (1.7) tương đương với mô hình truyền
trên kênh AWGN, vì vậy hệ thống PNC trên TWRC với sự đồng bộ lý tưởng
về pha sóng mang và có sử dụng điều khiển công suất được coi như là mô
hình PNC trên kênh AWGN.
Theo phép ánh xạ XOR như đã được mô tả trong mục 1.6.4 thìsR = s1s2 sẽ có giá trị là −1 khi s1 + s2 bằng 0 và sẽ có giá trị là 1 khi s1 +s2 bằng
2 hoặc −2 tùy thuộc vào các giá trị ban đầu của s1, s2. Sử dụng luật xác suất hậu nghiệm cực đại (MAP: Maximum A posteriori Probability) để giải
mã sˆR từ tín hiệu thu có tạp âm yR trong công thức (1.7), luật xác suất hậu nghiệm cực đại là để cực tiểu hóa xác suất mà ˆsR bị lỗi và được cho bởi:
ˆ
sR = arg max
s=−1,1fY (yR|sR = s) Pr{sR = s}, (1.9) trong đó fY (yR|sR = s) là phân bố xác suất có điều kiện của hàm XOR, sR = s1s2 từ tín hiệu thu yR. Do tạp âm giả thiết là AWGN nên ta có:
fY (yR|sR = s) = 1 √ 2πσ2exp− y2R 2σ2 với s = −1, 1 2√ 2πσ2 exp−( yR−2)2 2σ2 + exp−( yR+2)2 2σ2 với s = +1. (1.10)
với giả thiết Pr{sR = −1} = Pr{sR = 1}= 0,5 và ký hiệu Pr{yR|sR = −1} = √ 1 2πσ2exp− y2R 2σ2, (1.11) Pr{yR|sR = +1} = 1 2√ 2πσ2 exp−( yR−2)2 2σ2 + exp−( yR+2)2 2σ2 , (1.12) thì phép ánh xạ PNC (1.9) trở thành: ˆ sR = −1 nếu Pr{yR|sR = −1} ≥ Pr{yR|sR = 1}, ˆ sR = +1 nếu Pr{yR|sR = −1}< Pr{yR|sR = 1}. (1.13)
Symbol mã hóa mạng PNC tại nút chuyển tiếp R ˆsR sẽ được phát quảng bá tới N1 và N2 trong khe thời gian thứ hai. Tín hiệu thu được tại N1 và N2
tương ứng là y1 và y2 được cho bởi:
y1 = h1sˆR +n1, y2 = h2sˆR +n2,
(1.14)
trong đón1, n2 là tạp âm AWGN có kỳ vọng bằng0và phương sai σ2. Trường hợp này thành phầnsˆR cũng là tín hiệu BPSK. Từ công thức (1.14), sˆR được khôi phục tại các nút bằng giải mã hợp lệ cực đại (ML: Maximum Likelihood).
Sau đó giải điều chế được thực hiện để giải bit thông tin ra ˆb
R = b1 ⊕b2 từ
ˆ
sR, trong đó ⊕ ký hiệu là phép XOR (cộng modul-2) với từng bit. Cuối cùng
bằng cách sử dụng thông tin của chính mình, các nút sẽ nhận được thông tin
gửi từ nút đối tác bằng luật XOR như sau:
Tại nút N1: b1⊕ˆbR = b1 ⊕b1⊕b2 = b2, Tại nút N2: b2⊕ˆbR = b2 ⊕b1⊕b2 = b1.
1.7.2. Mô hình PNC trên kênh pha-đinh Rayleigh phẳng sử dụng tách ML
Trong trường hợp kênh truyền là chịu ảnh hưởng của pha-đinh bất đối
kênh từ nút chuyển tiếp R tới nó nhưng không biết được thông tin kênh từ nó tới nút chuyển tiếp R.
Ở mô hình kênh pha-đinh này, tín hiệu thu được tại nút chuyển tiếp R ở khe thời gian thứ nhất là:
yR = h1Rs1 +h2Rs2+n. (1.15)
Nút chuyển tiếp R sau đó thực hiện tách tín hiệu ML để giải ra sˆ1 và sˆ2
từ yR ở công thức (1.15) theo luật sau:
(ˆs1,sˆ2) = arg min ˆ
s1,sˆ2∈{−1,1}|yR−h1Rsˆ1−h2Rsˆ2|2. (1.16) Sau khi thu được sˆ1 và ˆs2, nút chuyển tiếp R thực hiện phép ánh xạ PNC theo luật XOR để nhận được ˆsR = ˆs1 ˆs2 và phát quảng bá tới các nút N1
và N2 trong khe thời gian thứ hai. Quá trình xử lý tín hiệu tại các nút trong khe thời gian thứ hai tương tự như trường hợp PNC cho kênh AWGN trong
mục 1.7.1.
1.7.3. Đánh giá chất lượng PNC
Hình 1.11 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 được mô tả trong
mục 1.7.1 và 1.7.2. Hệ số kênh pha-đinh giữa nút đầu cuối và nút chuyển tiếp
được coi như các biến ngẫu nhiên phức với độ lợi kênh được mô tả bởi một
biến ngẫu nhiên Gauss phức có kỳ vọng 0 và phương sai bằng 1.
Các kết quả mô phỏng sử dụng phương pháp Monte-Carlo cho thấy chất
lượng PNC khi có sự đồng bộ lý tưởng về pha sóng mang kết hợp với điều
khiển công suất (kênh AWGN) tốt hơn rất nhiều so với PNC kênh pha-đinh.
xạ PNC thực hiện tại nút chuyển tiếp R sẽ cao hơn do phải thực hiện luật giải mã ML thay cho sử dụng luật MAP như đối với kênh AWGN.
0 5 10 15 20 25 30 10−4 10−3 10−2 10−1 100 Eb/No [dB] BER
PNC trên kênh AWGN PNC trên kênh pha−đinh
Hình 1.11: So sánh phẩm chất của PNC trên kênh AWGN và kênh pha-đinh.
1.8. Tóm tắt chương
Chương 1 đã trình bày các vấn đề cơ bản về thông tin vô tuyến chuyển
tiếp, các phương thức chuyển tiếp và các kỹ thuật chuyển tiếp trong mạng
thông tin vô tuyến thế hệ mới. Đặc biệt, Chương 1 cũng đã trình bày về kỹ
thuật mã mạng NC, kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý PNC cho kênh vô tuyến
chuyển tiếp hai chiều. Kết quả phân tích cho thấy mã hóa mạng lớp vật lý
cho kênh TWRC trong trường hợp lý tưởng có thể cải thiện 50%thông lượng mạng so với sơ đồ chuyển tiếp truyền thống. Phần cuối của chương đã trình
bày phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng cho hệ thống PNC trên kênh
TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP MIMO KẾT HỢP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP
2.1. Giới thiệu
Truyền thông không dây hiện đại đang phát triển rất nhanh nhằm đáp ứng
nhu cầu truy cập dữ liệu tốc độ cao của con người. Thập kỷ qua đã chứng
kiến những sự phát triển thành công của các công nghệ điện tử. Sự phát triển
quan trọng nhất có thể khẳng định đó là truyền dẫn nhiều đầu vào nhiều đầu
ra (MIMO) [15]. Các hệ thống truyền dẫn MIMO có thể được thiết kế theo
dạng phân tập phát [6] hoặc ghép kênh phân chia theo không gian (SDM:
Spatial Division Multiplexing) [63]. Mục đích của phân tập phát là đạt được
độ lợi phân tập để giảm tỷ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate) và vì vậy tăng
được độ tin cậy liên kết. Mô hình phân tập phát này được biết đến như là mã
khối không gian thời gian (STBC: Space Time Block Code) [6]. Trong khi đó,
các hệ thống MIMO-SDM nhằm đạt được độ lợi ghép kênh để tăng hiệu quả
phổ. Điều này có thể được thực hiện bằng cách truyền các dòng dữ liệu song
song tại máy phát và dùng một bộ tách tín hiệu hiệu quả tại máy thu. Một
ví dụ điển hình của hệ thống MIMO-SDM là hệ thống không gian thời gian
phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs (V-BLAST: Vertical Bell Labs Layered
Space Time) [63]. Một hệ thống MIMO tập trung nơi có nhiều ăng-ten được
đặt tại máy phát và máy thu được chỉ ra trong [80] có sự thỏa hiệp giữa độ
lợi phân tập và độ lợi ghép kênh. Điều này dẫn đến hạn chế đối với hệ thống
MIMO tập trung là không thể đạt được đồng thời độ lợi phân tập và độ lợi
ghép kênh đầy đủ. Gần đây, hệ thống truyền thông hợp tác [34], [46], [47] đã
được đề xuất để thay thế hệ thống MIMO tập trung. Các hệ thống truyền
thông hợp tác sử dụng kết hợp đường truyền trực tiếp và chuyển tiếp thông
qua một nút trung gian để tạo nên một hệ thống MIMO phân tán. Các hệ
thống truyền thông hợp tác phù hợp cho các hệ thống không dây trong đó
do giới hạn kích thước ở đầu cuối không cho phép sử dụng nhiều ăng-ten.
Lợi ích của truyền thông hợp tác là mang lại độ lợi phân tập như trong hệ
thống phân tập phát [34], [46], [47]. Các thuật toán lựa chọn nút trung gian
đã được đề xuất trong trường hợp truyền thông hợp tác đơn ăng-ten được đề
xuất [2], [8], [12], [79].
Để đạt được đồng thời cả độ lợi phân tập và độ lợi ghép kênh thì khái
niệm về truyền thông hợp tác MIMO-SDM đã được đề xuất trong các công
trình nghiên cứu gần đây [38], [50], [51]. Trong các công trình này, các tác giả
đã đề xuất 3 thuật toán lựa chọn nút phân tán và một thuật toán kết hợp tuyến tính dựa trên tiêu chuẩn MMSE cho phép đạt được độ lợi phân tập và
độ lợi ghép kênh đầy đủ đồng thời nhờ sự hỗ trợ của nút chuyển tiếp. Trong
3thuật toán lựa chọn nút được đề xuất, tức là, dựa trên chuẩn ma trận kênh cực đại, trung bình hài hòa kênh cực đại và sai số bình phương trung bình
(MSE: Mean Square Error) nhỏ nhất, thuật toán dựa trên MSE đã được chỉ
ra có thể đạt được phẩm chất BER tốt nhất [51]. Trong luận án này, dựa trên
các ý tưởng của [23] đối với trường hợp MIMO-SDM, chúng tôi đề xuất hai
thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp mới theo tiêu chuẩn tỉ số công suất tín
Hai thuật toán đề xuất này cho phẩm chất BER tốt hơn thuật toán dựa trên
MSE trong khi có cùng bậc phức tạp.
2.2. Mô hình truyền thông chuyển tiếp MIMO-SDM
sr H R N1 N2 rd H
Hình 2.1:Mô hình truyền thông chuyển tiếp MIMO-SDM.
Hình 2.1 minh họa mô hình vô tuyến chuyển tiếp MIMO-SDM. Một hệ
thống mạng bao gồm một nút nguồnN1 và một nút đích N2 liên lạc với nhau với sự giúp đỡ của nút trung gianRthông qua đường chuyển tiếp. Tất cả các nút được trang bị hai ăng-ten và thực hiện ghép kênh phân chia theo không
gian SDM. Mô hình chuyển tiếp trong trường hợp này là kênh chuyển tiếp
một chiều, tức là nút nguồnN1 truyền dữ liệu tới nút trung gian R, nút trung gian R xử lý tín hiệu thu được từ nút nguồn N1 sau đó phát tới nút đích N2. Trường hợp nút đích N2 có dữ liệu cần truyền cho nút nguồn N1, nút đích
N2 sẽ phát dữ liệu tới nút trung gian R, nút trung gian Rxử lý tín hiệu thu được của nút đích N2 sau đó phát tới nút nguồn N1.
Trường hợp tồn tại đường liên lạc trực tiếp từ nút nguồn N1 tới nút đích
N2, nút đích N2 sẽ thực hiện kết hợp tín hiệu trên cả hai đường trực tiếp từ nút nguồn N1 tới nút đích N2 và đường chuyển tiếp qua nút chuyển tiếp R. Mô hình truyền thông trong trường hợp này được gọi là truyền thông hợp
biệt của truyền thông hợp tác khi không tồn tại đường trực tiếp. Các thuật
toán đề xuất cho truyền thông hợp tác hoàn toàn có thể áp dụng cho trường
hợp truyền thông chuyển tiếp nếu loại bỏ thành phần tín hiệu trên đường
trực tiếp. Kỹ thuật xử lý tín hiệu trong trường hợp truyền thông chuyển tiếp,
vì vậy, sẽ đơn giản hơn so với truyền thông hợp tác. Trong phần tiếp theo
luận án sẽ trình bày ý tưởng lựa chọn nút cho truyền thông hợp tác. Trên cơ
sở các thuật toán đề xuất cho truyền thông hợp tác luận án sẽ phát triển cho
trường hợp lựa chọn nút cho kênh TWRC ở chương tiếp theo.
2.3. Mô hình truyền thông hợp tác MIMO-SDM
Luận án xem xét một mạng truyền thông hợp tác MIMO-SDM tương tự
[38], [50], [51] như minh họa trong Hình 2.2. Một hệ thống mạng bao gồm
một nút nguồn N1 và một nút đích N2 liên lạc với nhau nhờ sự giúp đỡ của một nút trung gian Rk thông qua đường chuyển tiếp. Để không mất tính tổng quát, luận án giả thiết rằng tất cả các nút (bao gồm nút nguồn, nút đích và
nút trung gian) đều được trang bị với N = 2 ăng-ten. Có K nút trung gian k = 1,2, ..., K giữa nút nguồn và nút đích. Dựa trên giao thức lựa chọn nút chuyển tiếp phân tán đã đề xuất ở [8], [51] các nút trung gian k sẽ hợp tác