Nghiên cứu khoa học công nghệ
HỆTHỐNGKẾTHỢPĐIỀUCHẾKHÔNGGIANVÀMÃHÓAMẠNG
LỚPVẬTLÝCHOTHÔNGTINVÔTUYẾNCHUYỂNTIẾPHAICHIỀU
Trần Xuân Nam*
Tóm tắt: Bài báo đề xuất một hệ thống kết hợp kỹ thuật điều chế không gian
(Spatial Modulation SM) hóa mạng lớp vật (Physical-layer Network
Coding PNC) nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số thông lượng của hệ
thống thông tin tuyến chuyển tiếp. Trong hệ thống SM-PNC, tác giả đề xuất một
phương pháp hóa tổ hợp các bít được điều chế không gian từ hai nút đầu cuối lên
các ăng-ten của nút chuyển tiếp. Đồng thời, hóa PNC cho điều chế QAM
(Quadrature Amplitude Modulation) cũng được áp dụng cho các bít điều chế tín hiệu.
So với hệ thống kết hợp khóa dịch không gian (Space Shift Keying SSK) PNC đã
được đề xuất trước đó, hệ thống SM-PNC đạt được hiệu quả sử dụng phổ cao hơn,
đồng thời lại yêu cầu sử dụng ít ăng-ten hơn. Phẩm chất hệ thống của SM-PNC sẽ
được đánh giá kiểm chứng với SSK-PNC thông qua các kết quả phân tích hiệu suất
sử dụng phổ tần phỏng tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp Monte-Carlo.
Từ khóa: Thông tin vô tuyến, Mã hóa lớp vật lý PNC, Điều chế không gian, Khóa dịch không gian.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Xã hội hiện đại đang hướng tới một xã hội thông tin được kết nối bởi mạng
Internet vạn vật (Internet of Things − IoT). Trong môi trường đó, thông tin vô
tuyến được kỳ vọng sẽ là cơ sở hạ tầng kết nối các đối tượng sử dụng và thiết bị
với nhau. Để đáp ứng các yêu cầu trao đổi thông tin tốc độ cao đòi hỏi các hệ
thống thông tin vô tuyến phải có khả năng đạt được hiệu suất hay thông lượng
truyền dẫn cao.
Các nghiên cứu tiên phong về thông tin vô tuyến gần đây cho thấy hệ thống
truyền dẫn đa ăng-ten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) có khả năng đạt
được dung lượng hay hiệu suất sử dụng kênh truyền cao [1]. Các hệ thống MIMO có
thể được phân thành 3 loại chính bao gồm: ghép kênh phân chia theo không gian
(Spatial
Division
Multiplexing
SDM),
không
gian-thời
gian
(Space-Time
Coding – STC) và điều chế không gian (Spatial Modulation SM). Trong khi các kỹ
thuật MIMO-SDM, MIMO-STC đã được nghiên cứu và triển khai rộng rãi trong các
hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến thì MIMO-SM là một kỹ thuật truyền dẫn mới
được đề xuất và nghiên cứu [2]. Hệ thống MIMO-SM, bao gồm cả khóa dịch không
gian (Space-Shift Keying SSK) [3], có ưu điểm là cho phép nâng cao hiệu suất sử
dụng phổ thông qua việc sử dụng các chỉ số ăng-ten làm phương tiện mang (điều
chế) thông tin trong khi lại hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu giữa các ăng-ten cũng
như không yêu cầu về đồng bộ giữa các ăng-ten. Vì vậy, MIMO-SM hiện được xem
như một trong các kỹ thuật tiềm năng cho thông tin vô tuyến.
Song song với việc triển khai rộng rãi các hệ thống truyền dẫn vô tuyến MIMO
tập trung điểm-nối-điểm, các hệ thống vô tuyến MIMO phân tán sử dụng trạm
chuyển tiếp cũng đã được nghiên cứu phát triển và đưa vào các chuẩn vô tuyến tiên
tiến như thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) hay các mạng vô tuyến tùy biến (ad
hoc) [4]. Với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp, việc sử dụng thêm trạm chuyển
tiếp dẫn đến phát sinh thêm khâu xử lý tại nút chuyển tiếp, làm tăng thêm trễ
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017
41
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử
truyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối. Với mô hình chuyển tiếp 2 chặng một nút
chuyển tiếp thì để đảm bảo thông tin hai chiều cần tới 4 pha truyền dẫn so với 2
pha trong hệ thống điểm-nối-điểm. Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến 2 chiều gần đây
đã được đề xuất và nghiên cứu rộng rãi trên thế giới nhằm giảm bớt các pha truyền
dẫn. Trong đó, một kỹ thuật thực hiện chuyển tiếp 2 chiều nổi bật là mã hóa mạng
ở lớp vật lý (Physical-layer Network Coding – PNC) [5]. Thông qua xử lý đồng
thời tín hiệu từ hai nút đầu cuối và thực hiện mã hóa ở dạng thích hợp rồi phát
quảng bá ngược lại tới hai nút đầu cuối, PNC cho phép giảm số pha truyền dẫn từ 4
xuống còn 2 pha giống như hệ thống điểm-nối-điểm.
Việc áp dụng PNC vào các hệ thống truyền dẫn MIMO nhằm đạt được các lợi
điểm đồng thời của PNC và MIMO cũng đã thu hút được nhiều nghiên cứu trong
thời gian gần đây [6]-[8]. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu trước mới tập trung
chủ yếu vào kết hợp PNC với các hệ thống MIMO-SDM [6][7] và MIMO-STC [8].
Việc kết hợp PNC với khóa dịch không gian (SSK) (viết tắt là SSK-PNC) gần đây
cũng đã được đề xuất tại [9] và [10]. Trên cơ sở SSK công trình [9] đề xuất giải
pháp ánh xạ mã hóa mạng kết hợp loại bỏ tạp âm (denoise) tại nút chuyển tiếp.
Công trình [10] dựa trên giao thức khuếch đại-chuyển tiếp (Amplify-and-Forward
AF ) và bổ sung thêm giải pháp phân bổ công suất kết hợp với đánh giá hiệu
năng hệ thống trên kênh pha-đinh Nakagami. Điểm hạn chế của hai công trình này
là do sử dụng SSK nên hiệu suất phổ của hệ thống SSK-PNC bị hạn chế bởi số
lượng ăng-ten sử dụng. Giả thiết cả hai nút đầu cuối và nút chuyển tiếp đều sử
dụng chung số lượng ăng-ten Na như nhau thì hiệu suất sử dụng phổ đạt được là
log2 Na bpcu1. Do giới hạn về không gian nên các thiết bị đầu cuối vô tuyến không
thể gắn được nhiều ăng-ten. Do đó, hiệu suất sử dụng của cả hệ thống SSK-PNC
không thể đạt được cao và vì vậy, tốc độ truyền dẫn của hệ thống bị hạn chế. Trong
công trình nghiên cứu này, tác giả đề xuất mô hình kết hợp SM với PNC (viết tắt là
SM-PNC) nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần của kênh truyền. So với công
trình [9] và [10], tác giả đề xuất sử dụng SM thay cho SSK tại cả hai nút đầu cuối
và nút chuyển tiếp. Nhờ sử dụng SM nên hiệu suất sử dụng phổ kênh truyền của hệ
thống đề xuất có thể đạt được bằng
log2 Na log2 Mc bpcu, trong đó, Mc là bậc
điều chế tín hiệu sử dụng. Ngoài ưu điểm về cải thiện hiệu suất sử dụng phổ thì hệ
thống đề xuất còn cho phép giảm bớt số lượng ăng-ten cần sử dụng khi so sánh tại
cùng hiệu suất sử dụng phổ. Phẩm chất lỗi của SM-PNC so với SSK-PNC sẽ được
đánh giá và so sánh thông qua các kết quả mô phỏng Monte-Carlo để làm cơ sở
cho việc lựa chọn hệ thống thực tế.
Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau. Mô hình của hệ thống SM-
PNC sẽ được trình bày và so sánh với hệ thống SSK-PNC ở Mục 2. Mục 3 trình
bày phương pháp tách tín hiệu và thực hiện ánh xạ tại nút chuyển tiếp cũng như xử
lý tín hiệu tại hai nút đầu cuối cho hệ thống SM-PNC đề xuất. Kết quả mô phỏng
và các phân tích đánh giá kiểm chứng được trình bày ở Mục 4 và cuối cùng các kết
luận sẽ được rút ra ở Mục 5.
1 Bit per channel use (bpcu): đơn vị đánh giá hiệu suất sử dụng phổ tổng quát thông qua số bit có
thể truyền trong một lần sử dụng kênh.
42
Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… tuyến chuyển tiếp hai chiều.
1 2 R
mn nm
mn nm
Nghiên cứu khoa học công nghệ
2. HÌNH HỆ THỐNG
Xét một hệ thống vô tuyến chuyển tiếp gồm 2 chặng một nút chuyển tiếp với
các nút đầu cuối Ni,(i 1,2)và nút chuyển tiếpR như mô tả trên hình 1.
Hình 1. hình hệ thống SM-PNC.
Việc truyền dẫn giữa các nút được thực hiện thông qua phương thức chuyển
tiếp 2 chiều với 2 pha truyền dẫn: pha đa truy nhập (Multiple Access MA) và pha
quảng bá (Broadcast – BC). Trong pha MA, hai nút đầu cuối truyền tín hiệu đồng
thời đến nút chuyển tiếp R. Tại nút chuyển tiếp, tín hiệu thu được từ hai nút đầu
cuối sẽ được tách và mã hóa thành tín hiệu ở dạng mã hóa mạng (network coding).
Phương thức mã hóa mạng sử dụng trong mô hình là mã hóa mạng ở lớp vật lý
(PNC). Tín hiệu được mã hóa mạng PNC sau đó được phát quảng bá đến hai nút
đầu cuối trong pha BC. Dựa trên tín hiệu PNC thu được và tín hiệu của bản thân,
các nút đầu cuối thực hiện tách lấy tín hiệu từ phía nút đầu cuối phía ngược lại. Chi
tiết về phương pháp truyền sử dụng SM, mã hóa mạng PNC và phương pháp tách
tín hiệu tại các nút đầu cuối sẽ được trình bày chi tiết trong phần dưới đây.
Trong mô hình xem xét, để đơn giản giả thiết tất cả các nút thực hiện phát cùng
một mức công suất, tức là, P P P P . Giả thiết này tương đương với tỉ số
công suất tín hiệu trên tạp âm (Signal-to-Noise Ratio – SNR) thu tại các nút là như
nhau. Trong thực tế, do khoảng cách giữa các nút là khác nhau nên tỉ số SNR có
thể thay đổi với từng nút. Tuy nhiên, nếu hệ thống sử dụng điều khiển công suất thì
giả thiết này vẫn có thể áp dụng được. Kênh truyền giữa các nút được giả thiết chịu
ảnh hưởng của pha-đinh Rayleigh phẳng, vì vậy có thể được mô hình hóa bằng một
biến ngẫu nhiên phức có phân bố chuẩn với kỳ vọng bằng 0 và phương sai đơn vị.
Tức là, ký hiệu kênh truyền giữa ăng-ten thứ n của các nút đầu cuối Ni với ăng-ten
thứ m
của nút chuyển tiếp R và ngược lại tương ứng là h(i) h(i) ta có thể viết
{h(i) ,h(i) } c(0,1). Số lượng ăng-ten của hai nút đầu cuối được giả thiết như
nhau và bằng N . Số lượng ăng-ten của nút chuyển tiếp R
bằng M . Để phù hợp
với điều chế SM, cả N M được chọn là một nguyên có thể biểu diễn ở dạng lũy
thừa cơ số 2. Để đơn giản cho biểu diễn và không mất tính tổng quát, trong phạm
vi trình bày của bài báo, giả thiết
N 2 M 4 . Việc lựa chọn M 4
để
thuận lợi cho điều chế không gian tại nút chuyển tiếp như sẽ được giải thích ở Mục
2.2.1 dưới đây. Mặc dù các nút có số lượng ăng-ten lớn hơn 1, nhưng các máy thu
phát
tại
các
nút
được
giả
thiết
chỉ
được
trang
bị
một
mạch
cao
tần
(Radio
Frequency RF). Việc chuyển mạch kết nối mạch RF với các ăng-ten được kích
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017
43