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
các thuật toán đề xuất so với trường hợp không lựa chọn nút mà [74] đề xuất
trong mô hình SIMO-PNC sử dụng tách ZF cho cả hai trường hợp sử dụng
luật quyết định LLR và kết hợp chọn lọc. Từ các hình vẽ này có thể thấy rõ
ràng là cả ba thuật toán được đề xuất cho phép thu được phẩm chất BER
tốt hơn so với trường hợp không sử dụng lựa chọn nút mà [74] đã đề xuất.
Ví dụ, trên Hình 3.3 tại cùng tỉ lệ BER =10−3 thuật toán đề xuất lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên giá trị riêng của ma trận kênh chỉ yêu cầu tỉ số
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, Selective)
Lựa chọn nút theo trung bình hài hòa cho SIMO−PNC (ZF, Selective)
Lựa chọn nút theo chuẩn ma trận kênh cho SIMO−PNC(ZF, Selective)
Không lựa chọn nút cho SIMO−PNC (ZF, Selective)
5 dB
Hình 3.4: Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC sử dụng ZF (kết hợp chọn lọc) cho các trường hợp lựa chọn nút khác nhau và không lựa chọn nút; hai nút chọn một.
lựa chọn nút khi sử dụng tách ZF-LLR. Điều này tương đương với tiết kiệm
1/2công suất phát cho các nút. Đối với trường hợp sử dụng ZF-Selective (kết hợp chọn lọc) trên Hình 3.4 tỉ số Eb/N0 cho trường hợp sử dụng lựa chọn nút
còn thấp hơn 5 dB so với không lựa chọn nút. Các thuật toán khác dựa trên chuẩn ma trận kênh hay trung bình hài hòa cũng cho phép tiết kiệm năng
lượng phát nhưng với hiệu quả đạt được chỉ khoảng 0,7 dB.
Biểu diễn tương tự trên các Hình 3.5 và Hình 3.6 là so sánh phẩm chất
BER của các thuật toán đề xuất trong trường hợp hệ thống SIMO-PNC sử
dụng tách MMSE (LLR và kết hợp chọn lọc). Kết quả quan sát trên các hình
vẽ cũng cho thấy hiệu quả của việc sử dụng lựa chọn nút. Tuy nhiên, hiệu
quả tiết kiệm công suất không được rõ rệt như với trường hợp sử dụng bộ
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(MMSE, LLR) Lựa chọn nút theo trung bình hài hòa cho SIMO−PNC(MMSE, LLR) Lựa chọn nút theo chuẩn ma trận kênh cho SMO−PNC(MMSE, LLR) Không lựa chọn nút cho SIMO-PNC(MMSE, LLR)
1,5 dB
Hình 3.5: Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC sử dụng MMSE (LLR) cho các trường hợp lựa chọn nút khác nhau và không lựa chọn nút; hai nút chọn một. 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(MMSE, Selective) Lựa chọn nút theo trung bình hài hòa cho SIMO−PNC(MMSE, Selective) Lựa chọn nút theo chuẩn ma trận kênh cho SIMO−PNC(MMSE, Selective) Không lựa chọn nút cho SIMO−PNC(MMSE, Selective)
2 dB
Hình 3.6: Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC sử dụng MMSE (kết hợp chọn lọc) cho các trường hợp lựa chọn nút khác nhau và không lựa chọn nút; hai nút chọn một.
BER tốt hơn so với trường hợp ZF.
Hình 3.7 và Hình 3.8 minh họa phẩm chất BER đạt được khi cho các nút
trung gian thay đổi từ hai đến sáu nút. Ứng với mỗi giá trị Eb/N0 sử dụng
để mô phỏng, tỉ số SNR của các nút trung gian cũng thay đổi ngẫu nhiên
tương ứng từ giá trị thấp nhất -10 dB cho tới giá trị đó. Ví dụ, tại giá trị tỉ
sốEb/N0 sử dụng cho mô phỏng tại nút đích bằng 10 dB, các nút trung gian
sẽ được gán các giá trị SNR ngẫu nhiên trong khoảng từ -10 dB đến 20 dB.
Hoạt cảnh mô phỏng này tương ứng với trường hợp các nút trung gian phân
bố ở các vị trí ngẫu nhiên xung quang nút nguồn và nút đích nên nhận các
giá trị SNR khác nhau. Từ các kết quả mô phỏng có thể thấy rõ rằng hiệu
quả của việc lựa chọn nút tăng lên đáng kể khi số nút trung gian ứng cử tăng.
Tuy nhiên, hiệu quả đạt được tốt hơn cho trường hợp có hai đến ba nút trung
gian. Khi số nút trung gian bằng bốn thì hiệu quả đạt được không cao và xu
thế cho thấy không có cải thiện thêm nếu có hơn sáu nút trung gian.
3.4. Mô hình đề xuất MIMO-SDM-PNC
3.4.1. Mô hình hệ thống
Trong phần trên, luận án đã trình bày mô hình SIMO-PNC do [74] đề
xuất và đánh giá hiệu quả các thuật toán lựa chọn nút cho các trường hợp
khác nhau. Một điểm hạn chế của mô hình SIMO-PNC là chưa lợi dụng được
ưu điểm của sử dụng MIMO vào mô hình PNC. Trong phần này, luận án đề
xuất một mô hình PNC mới trong đó các nút mạng đều sử dụng truyền dẫn
MIMO và kỹ thuật truyền dẫn ghép kênh phân chia theo không gian (SDM)
nhằm mục đích đạt được thêm độ lợi ghép kênh (spatial multiplexing), gia
−10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10−3 10−2 10−1 100 Eb/No [dB] BER Không lựa chọn nút, ZF (LLR) Eigen−value 2 nút chọn 1, ZF (LLR) Eigen−value 3 nút chọn 1, ZF (LLR) Eigen−value 4 nút chọn 1, ZF (LLR) Eigen−value 5 nút chọn 1, ZF (LLR) Eigen−value 6 nút chọn 1, ZF (LLR) −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10−3 10−2 10−1 100 Eb/No [dB] BER Không lựa chọn nút, ZF (Selective) Eigen−value 2 nút chọn 1, ZF (Selective) Eigen−value 3 nút chọn 1, ZF (Selective) Eigen−value 4 nút chọn 1, ZF (Selective) Eigen−value 5 nút chọn 1, ZF (Selective) Eigen−value 6 nút chọn 1, ZF (Selective)
(a) Tách tín hiệu ZF, lựa chọn theo giá trị riêng.
−10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10−3 10−2 10−1 100 Eb/No [dB] BER Không lựa chọn nút, ZF (LLR) Trung bình hài hòa 2 nút chọn 1, ZF (LLR) Trung bình hài hòa 3 nút chọn 1, ZF (LLR) Trung bình hài hòa 4 nút chọn 1, ZF (LLR) Trung bình hài hòa 5 nút chọn 1, ZF (LLR) Trung bình hài hòa 6 nút chọn 1, ZF (LLR)
−6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10−3 10−2 10−1 100 Eb/No [dB] BER Không lựa chọn nút, ZF (Selective) Trung bình hài hòa 2 nút chọn 1, ZF (Selective) Trung bình hài hòa 3 nút chọn 1, ZF (Selective) Trung bình hài hòa 4 nút chọn 1, ZF (Selective) Trung bình hài hòa 5 nút chọn 1, ZF (Selective) Trung bình hài hòa 6 nút chọn 1, ZF (Selective)
(b) Tách tín hiệu ZF, lựa chọn theo trung bình hài hoà.
−10 −8 −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10−3 10−2 10−1 100 Eb/No [dB] BER Không lựa chọn nút, ZF (LLR) Chuẩn ma trận kênh 2 nút chọn 1, ZF (LLR) Chuẩn ma trận kênh 3 nút chọn 1, ZF (LLR) Chuẩn ma trận kênh 4 nút chọn 1, ZF (LLR) Chuẩn ma trận kênh 5 nút chọn 1, ZF (LLR) Chuẩn ma trận kênh 6 nút chọn 1, ZF (LLR) −6 −4 −2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 10−3 10−2 10−1 100 Eb/No [dB] BER Không lựa chọn nút, ZF (Selective) Chuẩn ma trận kênh 2 nút chọn 1, ZF (Selective) Chuẩn ma trận kênh 3 nút chọn 1, ZF (Selective)