Hệ thống kết hợp điều chế không gian và mã hóa mạng lớp vật lý cho thông tin vô tuyến chuyển tiếp hai chiều

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> HỆ THỐNG KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN VÀ MÃ HÓA MẠNG<br /> LỚP VẬT LÝ CHO THÔNG TIN VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU<br /> Trần Xuân Nam*<br /> Tóm tắt: Bài báo đề xuất một hệ thống kết hợp kỹ thuật điều chế không gian<br /> (Spatial Modulation – SM) và mã hóa mạng lớp vật lý (Physical-layer Network<br /> Coding – PNC) nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số và thông lượng của hệ<br /> thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp. Trong hệ thống SM-PNC, tác giả đề xuất một<br /> phương pháp mã hóa tổ hợp các bít được điều chế không gian từ hai nút đầu cuối lên<br /> các ăng-ten của nút chuyển tiếp. Đồng thời, mã hóa PNC cho điều chế QAM<br /> (Quadrature Amplitude Modulation) cũng được áp dụng cho các bít điều chế tín hiệu.<br /> So với hệ thống kết hợp khóa dịch không gian (Space Shift Keying – SSK) và PNC đã<br /> được đề xuất trước đó, hệ thống SM-PNC đạt được hiệu quả sử dụng phổ cao hơn,<br /> đồng thời lại yêu cầu sử dụng ít ăng-ten hơn. Phẩm chất hệ thống của SM-PNC sẽ<br /> được đánh giá và kiểm chứng với SSK-PNC thông qua các kết quả phân tích hiệu suất<br /> sử dụng phổ tần và mô phỏng tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp Monte-Carlo.<br /> Từ khóa: Thông tin vô tuyến, Mã hóa lớp vật lý PNC, Điều chế không gian, Khóa dịch không gian.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Xã hội hiện đại đang hướng tới một xã hội thông tin được kết nối bởi mạng<br /> Internet vạn vật (Internet of Things − IoT). Trong môi trường đó, thông tin vô<br /> tuyến được kỳ vọng sẽ là cơ sở hạ tầng kết nối các đối tượng sử dụng và thiết bị<br /> với nhau. Để đáp ứng các yêu cầu trao đổi thông tin tốc độ cao đòi hỏi các hệ<br /> thống thông tin vô tuyến phải có khả năng đạt được hiệu suất hay thông lượng<br /> truyền dẫn cao.<br /> Các nghiên cứu tiên phong về thông tin vô tuyến gần đây cho thấy hệ thống<br /> truyền dẫn đa ăng-ten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) có khả năng đạt<br /> được dung lượng hay hiệu suất sử dụng kênh truyền cao [1]. Các hệ thống MIMO có<br /> thể được phân thành 3 loại chính bao gồm: ghép kênh phân chia theo không gian<br /> (Spatial Division Multiplexing – SDM), mã không gian-thời gian (Space-Time<br /> Coding – STC) và điều chế không gian (Spatial Modulation – SM). Trong khi các kỹ<br /> thuật MIMO-SDM, MIMO-STC đã được nghiên cứu và triển khai rộng rãi trong các<br /> hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến thì MIMO-SM là một kỹ thuật truyền dẫn mới<br /> được đề xuất và nghiên cứu [2]. Hệ thống MIMO-SM, bao gồm cả khóa dịch không<br /> gian (Space-Shift Keying – SSK) [3], có ưu điểm là cho phép nâng cao hiệu suất sử<br /> dụng phổ thông qua việc sử dụng các chỉ số ăng-ten làm phương tiện mang (điều<br /> chế) thông tin trong khi lại hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu giữa các ăng-ten cũng<br /> như không yêu cầu về đồng bộ giữa các ăng-ten. Vì vậy, MIMO-SM hiện được xem<br /> như một trong các kỹ thuật tiềm năng cho thông tin vô tuyến.<br /> Song song với việc triển khai rộng rãi các hệ thống truyền dẫn vô tuyến MIMO<br /> tập trung điểm-nối-điểm, các hệ thống vô tuyến MIMO phân tán sử dụng trạm<br /> chuyển tiếp cũng đã được nghiên cứu phát triển và đưa vào các chuẩn vô tuyến tiên<br /> tiến như thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) hay các mạng vô tuyến tùy biến (ad<br /> hoc) [4]. Với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp, việc sử dụng thêm trạm chuyển<br /> tiếp dẫn đến phát sinh thêm khâu xử lý tại nút chuyển tiếp, làm tăng thêm trễ<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 41<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> truyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối. Với mô hình chuyển tiếp 2 chặng một nút<br /> chuyển tiếp thì để đảm bảo thông tin hai chiều cần tới 4 pha truyền dẫn so với 2<br /> pha trong hệ thống điểm-nối-điểm. Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến 2 chiều gần đây<br /> đã được đề xuất và nghiên cứu rộng rãi trên thế giới nhằm giảm bớt các pha truyền<br /> dẫn. Trong đó, một kỹ thuật thực hiện chuyển tiếp 2 chiều nổi bật là mã hóa mạng<br /> ở lớp vật lý (Physical-layer Network Coding – PNC) [5]. Thông qua xử lý đồng<br /> thời tín hiệu từ hai nút đầu cuối và thực hiện mã hóa ở dạng thích hợp rồi phát<br /> quảng bá ngược lại tới hai nút đầu cuối, PNC cho phép giảm số pha truyền dẫn từ 4<br /> xuống còn 2 pha giống như hệ thống điểm-nối-điểm.<br /> Việc áp dụng PNC vào các hệ thống truyền dẫn MIMO nhằm đạt được các lợi<br /> điểm đồng thời của PNC và MIMO cũng đã thu hút được nhiều nghiên cứu trong<br /> thời gian gần đây [6]-[8]. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu trước mới tập trung<br /> chủ yếu vào kết hợp PNC với các hệ thống MIMO-SDM [6][7] và MIMO-STC [8].<br /> Việc kết hợp PNC với khóa dịch không gian (SSK) (viết tắt là SSK-PNC) gần đây<br /> cũng đã được đề xuất tại [9] và [10]. Trên cơ sở SSK công trình [9] đề xuất giải<br /> pháp ánh xạ mã hóa mạng kết hợp loại bỏ tạp âm (denoise) tại nút chuyển tiếp.<br /> Công trình [10] dựa trên giao thức khuếch đại-chuyển tiếp (Amplify-and-Forward<br /> – AF ) và bổ sung thêm giải pháp phân bổ công suất kết hợp với đánh giá hiệu<br /> năng hệ thống trên kênh pha-đinh Nakagami. Điểm hạn chế của hai công trình này<br /> là do sử dụng SSK nên hiệu suất phổ của hệ thống SSK-PNC bị hạn chế bởi số<br /> lượng ăng-ten sử dụng. Giả thiết cả hai nút đầu cuối và nút chuyển tiếp đều sử<br /> dụng chung số lượng ăng-ten N a như nhau thì hiệu suất sử dụng phổ đạt được là<br /> log2 N a bpcu1. Do giới hạn về không gian nên các thiết bị đầu cuối vô tuyến không<br /> thể gắn được nhiều ăng-ten. Do đó, hiệu suất sử dụng của cả hệ thống SSK-PNC<br /> không thể đạt được cao và vì vậy, tốc độ truyền dẫn của hệ thống bị hạn chế. Trong<br /> công trình nghiên cứu này, tác giả đề xuất mô hình kết hợp SM với PNC (viết tắt là<br /> SM-PNC) nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần của kênh truyền. So với công<br /> trình [9] và [10], tác giả đề xuất sử dụng SM thay cho SSK tại cả hai nút đầu cuối<br /> và nút chuyển tiếp. Nhờ sử dụng SM nên hiệu suất sử dụng phổ kênh truyền của hệ<br /> thống đề xuất có thể đạt được bằng log2 N a  log2 Mc bpcu, trong đó, Mc là bậc<br /> điều chế tín hiệu sử dụng. Ngoài ưu điểm về cải thiện hiệu suất sử dụng phổ thì hệ<br /> thống đề xuất còn cho phép giảm bớt số lượng ăng-ten cần sử dụng khi so sánh tại<br /> cùng hiệu suất sử dụng phổ. Phẩm chất lỗi của SM-PNC so với SSK-PNC sẽ được<br /> đánh giá và so sánh thông qua các kết quả mô phỏng Monte-Carlo để làm cơ sở<br /> cho việc lựa chọn hệ thống thực tế.<br /> Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau. Mô hình của hệ thống SM-<br /> PNC sẽ được trình bày và so sánh với hệ thống SSK-PNC ở Mục 2. Mục 3 trình<br /> bày phương pháp tách tín hiệu và thực hiện ánh xạ tại nút chuyển tiếp cũng như xử<br /> lý tín hiệu tại hai nút đầu cuối cho hệ thống SM-PNC đề xuất. Kết quả mô phỏng<br /> và các phân tích đánh giá kiểm chứng được trình bày ở Mục 4 và cuối cùng các kết<br /> luận sẽ được rút ra ở Mục 5.<br /> <br /> 1<br /> Bit per channel use (bpcu): đơn vị đánh giá hiệu suất sử dụng phổ tổng quát thông qua số bit có<br /> thể truyền trong một lần sử dụng kênh.<br /> <br /> <br /> 42 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG<br /> Xét một hệ thống vô tuyến chuyển tiếp gồm 2 chặng một nút chuyển tiếp với<br /> các nút đầu cuối Ni ,(i  1, 2) và nút chuyển tiếp R như mô tả trên hình 1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình hệ thống SM-PNC.<br /> Việc truyền dẫn giữa các nút được thực hiện thông qua phương thức chuyển<br /> tiếp 2 chiều với 2 pha truyền dẫn: pha đa truy nhập (Multiple Access – MA) và pha<br /> quảng bá (Broadcast – BC). Trong pha MA, hai nút đầu cuối truyền tín hiệu đồng<br /> thời đến nút chuyển tiếp R. Tại nút chuyển tiếp, tín hiệu thu được từ hai nút đầu<br /> cuối sẽ được tách và mã hóa thành tín hiệu ở dạng mã hóa mạng (network coding).<br /> Phương thức mã hóa mạng sử dụng trong mô hình là mã hóa mạng ở lớp vật lý<br /> (PNC). Tín hiệu được mã hóa mạng PNC sau đó được phát quảng bá đến hai nút<br /> đầu cuối trong pha BC. Dựa trên tín hiệu PNC thu được và tín hiệu của bản thân,<br /> các nút đầu cuối thực hiện tách lấy tín hiệu từ phía nút đầu cuối phía ngược lại. Chi<br /> tiết về phương pháp truyền sử dụng SM, mã hóa mạng PNC và phương pháp tách<br /> tín hiệu tại các nút đầu cuối sẽ được trình bày chi tiết trong phần dưới đây.<br /> Trong mô hình xem xét, để đơn giản giả thiết tất cả các nút thực hiện phát cùng<br /> một mức công suất, tức là, P1  P2  PR  P . Giả thiết này tương đương với tỉ số<br /> công suất tín hiệu trên tạp âm (Signal-to-Noise Ratio – SNR) thu tại các nút là như<br /> nhau. Trong thực tế, do khoảng cách giữa các nút là khác nhau nên tỉ số SNR có<br /> thể thay đổi với từng nút. Tuy nhiên, nếu hệ thống sử dụng điều khiển công suất thì<br /> giả thiết này vẫn có thể áp dụng được. Kênh truyền giữa các nút được giả thiết chịu<br /> ảnh hưởng của pha-đinh Rayleigh phẳng, vì vậy có thể được mô hình hóa bằng một<br /> biến ngẫu nhiên phức có phân bố chuẩn với kỳ vọng bằng 0 và phương sai đơn vị.<br /> Tức là, ký hiệu kênh truyền giữa ăng-ten thứ n của các nút đầu cuối Ni với ăng-ten<br /> (i ) (i )<br /> thứ m của nút chuyển tiếp R và ngược lại tương ứng là hmn và hnm ta có thể viết<br /> (i ) (i )<br /> {hmn , hnm }  c (0,1) . Số lượng ăng-ten của hai nút đầu cuối được giả thiết như<br /> nhau và bằng N . Số lượng ăng-ten của nút chuyển tiếp R bằng M . Để phù hợp<br /> với điều chế SM, cả N và M được chọn là một nguyên có thể biểu diễn ở dạng lũy<br /> thừa cơ số 2. Để đơn giản cho biểu diễn và không mất tính tổng quát, trong phạm<br /> vi trình bày của bài báo, giả thiết N  2 và M  4 . Việc lựa chọn M  4 để<br /> thuận lợi cho điều chế không gian tại nút chuyển tiếp như sẽ được giải thích ở Mục<br /> 2.2.1 dưới đây. Mặc dù các nút có số lượng ăng-ten lớn hơn 1, nhưng các máy thu<br /> phát tại các nút được giả thiết chỉ được trang bị một mạch cao tần (Radio<br /> Frequency – RF). Việc chuyển mạch kết nối mạch RF với các ăng-ten được kích<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 43<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> hoạt phát được giả thiết là đủ nhanh sao cho không có trễ chuyển mạch ăng-ten.<br /> Tạp âm tại các nút được ký hiệu tương ứng là z i và z r với {zi , zr }  c (0,1) .<br /> 2.1. Pha đa truy nhập (MA)<br /> Trong pha MA, hai nút đầu cuối truyền đồng thời tín hiệu tới nút chuyển tiếp.<br /> Tín hiệu của hai nút đều là tín hiệu được điều chế SM. Dữ liệu tới các nút đầu cuối<br /> được phân thành từng khối có độ dài na  nc bit, trong đó na  log2 N và<br /> nc  log2 M c , với Mc là bậc của điều chế. Dựa trên giả thiết N  2 nên na  1<br /> và M c  4 nên nc  2 . Xét một khối 3 bít dữ liệu b1(i ), b2(i ), b3(i ) . Tại nút Ni bít thứ<br /> nhất b1(i ) được dùng để lựa chọn một trong hai ăng-ten được trang bị để phát; hai bít<br /> tiếp theo b2(i ), b3(i ) được ánh xạ lên một điểm tín hiệu trong sơ đồ điều chế<br /> Mc -QAM . Như vậy, hiệu suất sử dụng phổ trong trường hợp này là<br /> SM-PNC  log2 N  log2 Mc  3 bpcu . Trong khi đó, các hệ thống đề xuất ở<br /> [9][10] với cùng số lượng ăng-ten chỉ đạt được hiệu suất<br /> SSK-PNC  log2 N  1 bpcu . Nếu so tại cùng hiệu suất sử dụng phổ bằng 3 bpcu<br /> thì các hệ thống SSK-PNC cần sử dụng tới 8 ăng-ten tại các nút đầu cuối. Hạn chế<br /> này làm cho hệ thống SSK-PNC khó có thể được áp dụng trong thực tiễn, đặc biệt<br /> là trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao.<br /> Do b1(i )  {0,1} nên tương ứng b1(i )  0 ta có ăng-ten thứ nhất được kích hoạt<br /> và b1(i )  1 sẽ là ăng-ten thứ hai. Như vậy, nếu ký hiệu ai là véc-tơ kích hoạt ăng-<br /> ten thì tương ứng với hai giá trị của b1(i ) ta có ai  {[1, 0]T ,[0, 1]T } . Do Mc  4<br /> nên 4-QAM được sử dụng để điều chế hai bit b2(i ), b3(i ) thành một symbol phát si .<br /> Véc-tơ tín hiệu phát đi từ hai nút đầu cuối có thể được biểu diễn bởi: xi  aisi . Ký<br /> hiệu ma trận kênh truyền giữa nút Ni và nút chuyển tiếp R là H ir  42 với các<br /> (i )<br /> phần tử hmn như đã định nghĩa ở trên. Do máy thu được giả thiết chỉ có một mạch<br /> RF nên tại một thời điểm chỉ có một ăng-ten thu được nối đến mạch RF. Việc sử<br /> dụng ăng-ten thu nào có thể được quyết định bởi một thuật toán lựa chọn ăng-ten<br /> thích hợp. Tuy nhiên, trong phạm vi bài báo này vấn đề lựa chọn ăng-ten không<br /> được xét đến. Vì vậy, ăng-ten bất kỳ sẽ được lựa chọn thu tín hiệu. Nếu ký hiệu<br /> véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu của nút chuyển tiếp là<br /> cr  {[1, 0, 0, 0]T ,[0,1, 0, 0]T ,[0, 0,1, 0]T ,[0, 0, 0,1]T } thì tín hiệu thu được tại máy thu<br /> của nút chuyển tiếp R có thể được biểu diễn như sau:<br /> yr  1cTr H 1r a1s1  2cTr H 2r a2s2  zr , (1)<br /> trong đó, 1 và 2 ký hiệu tỉ số SNR tương ứng với tín hiệu thu từ hai nút đầu cuối<br /> tại nút chuyển tiếp và zr  c (0,1) là tạp âm tại nút chuyển tiếp. Để thực tiện tách<br /> tối ưu tín hiệu từ 2 nút đầu cuối, nút chuyển tiếp sử dụng bộ tách tín hiệu hợp lệ<br /> cực đại (Maximum Likelihood – ML). Bộ tách ML thực hiện thuật toán vét cạn với<br /> (1) (2)<br /> các tổ hợp tín hiệu phát {s1, s2 } và tổ hợp kênh truyền {hmn , hmn } . Giả thiết ăng-ten<br /> thu m đã được lựa chọn để thu tín hiệu từ hai nút đầu cuối, tương ứng với véc-tơ<br /> lựa chọn ăng-ten thu cr đã được xác định. Giả thiết nút chuyển tiếp có thể ước<br /> <br /> <br /> 44 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> (i )<br /> lượng chính xác các kênh truyền hmn . Như vậy, luật quyết định dựa trên cự ly<br /> Euclid cực tiểu của bộ tách ML có thể được biểu diễn như sau:<br />  2<br /> {(sˆ1, sˆ2 ),(a1,lˆ, a2,kˆ )}  min arg  yr  1crT H 1r a1,l s1  2crT H 2r a2,k s2  (2)<br /> {s1 ,s2 } ;  <br /> l 1,2;k 1,2<br /> <br /> trong đó,  ký hiệu tập hợp các giá trị symbol của điều chế 4-QAM, và a1,l và a2,k<br /> là các véc-tơ giá trị của ai với ai,1 =[1, 0]T và ai,2 =[0, 1]T . Từ luật quyết định<br /> ML ở công thức (2), nút chuyển tiếp ước lượng được cặp symbol phát (sˆ1, sˆ2 ) và<br /> cặp véc-tơ kích hoạt ăng-ten aˆ1  aˆ1,lˆ và aˆ2  aˆ2,kˆ .<br /> 2.2. Ánh xạ PNC<br /> Khác với mã hóa mạng (Network Coding) thực hiện mã hóa ở mức bit (lớp<br /> mạng), mã hóa mạng PNC thực hiện mã hóa các tín hiệu ở lớp vật lý, tức là ở dạng<br /> tín hiệu (symbol) thành các tín hiệu kết hợp sao cho các nút đầu cuối có thể tách<br /> được dễ dàng. Đối với hệ thống đề xuất dựa trên tín hiệu thu được ở lớp vật lý, nút<br /> chuyển tiếp R cần phải thực hiện mã hóa các symbol ước lượng được sˆ1, sˆ2 và các<br /> cặp véc-tơ kích hoạt ăng-ten đầu cuối aˆ1, aˆ2 thành các symbol mã hóa mạng để phát<br /> quảng bá. Chi tiết phương pháp thực hiện mã hóa PNC sẽ được trình bày dưới đây.<br /> 2.2.1. Ánh xạ PNC cho các bít lựa chọn ăng-ten<br /> Để thực hiện ánh xạ các véc-tơ kích hoạt ăng-ten ước lượng được aˆ1, aˆ2 thành<br /> dạng tín hiệu SM, tác giả đề xuất sử dụng các thông tin về ăng-ten phát của nút<br /> chuyển tiếp để mang thông tin. Tương ứng với 4 tổ hợp của aˆ1, aˆ2 sẽ có một trong<br /> 4 ăng-ten của nút chuyển tiếp được kích hoạt. Ký hiệu véc-tơ kích hoạt ăng-ten<br /> phát của nút chuyển tiếp là ar  ([1, 0, 0, 0]T ,[0,1, 0, 0]T ,[0, 0,1, 0]T ,[0, 0, 0,1]T ) với<br /> các véc-tơ của tổ hợp ar , p ,(p  1,2, 3, 4) . Như vậy, phép ánh xạ PNC của các bít<br /> lựa chọn ăng-ten được biểu diễn như sau:<br /> (a1,1  [1, 0]T , a2,1  [1, 0]T )  ar ,1  [1, 0, 0, 0]T<br /> (a1,1  [1, 0]T , a2,2  [0,1]T )  ar ,2  [0,1, 0, 0]T<br /> (3)<br /> (a1,2  [0,1]T , a2,1  [1, 0]T )  ar ,3  [0, 0,1, 0]T<br /> (a1,2  [0,1]T , a2,2  [0,1]T )  ar ,4  [0, 0, 0,1]T<br /> <br /> 2.2.2. Ánh xạ PNC cho các symbol điều chế QAM<br /> Để minh họa cho phương pháp mã hóa PNC, ký hiệu  là tập các symbol số và<br /> ký hiệu  là toán tử nhị phân tổng quát (không nhất thiết phải thực hiện theo từng<br /> bít). Với các symbol số mi , m j   thì kết quả mi  m j  mk   . Ký hiệu <br /> là tập các symbols đã được điều chế ở mức tín hiệu và  là toán tử kết hợp nhị<br /> phân. Với các symbol tín hiệu ei , e j   thì ei  e j  ek    , với     do có số<br /> thành phần của tổ hợp lớn hơn. Ký hiệu f :    là hàm ánh xạ điều chế 1-1 sao<br /> cho f (mi )  ei , i . Phép ánh xạ ngược được ký hiệu bởi h:     , do đây là<br /> phép ánh xạ nhiều-1.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 45<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> Do tín hiệu QAM được điều chế cả pha và biên độ nên việc áp dụng trực tiếp<br /> phương pháp mã hóa PNC thông qua các hàm ánh xạ f và h là không thể. Tuy<br /> nhiên, do tín hiệu QAM có thể được tách thành 2 tín hiệu thành phần đồng pha<br /> (kênh I) và vuông pha (kênh Q) đều ở dạng điều chế biên độ (Pulse Amplitude<br /> Modulation – PAM) nên có thể áp dụng được mã hóa PNC cho từng kênh. Dựa<br /> trên ý tưởng này, các tác giả của công trình số [5] đã đề xuất một phương pháp ánh<br /> xạ PNC tổng quát cho tín hiệu QAM. Với số mức biên độ trên mỗi kênh là<br /> L  Mc / 2 và tập các symbol số   {0,1, 2,...,(L  1)} , phép ánh xạ f được<br /> cho bởi các công thức sau [5]:<br /> f (mi )  ei  2mi  (L  1) . (4)<br /> Do 2 tín hiệu PAM kết hợp với nhau sẽ cho ta tín hiệu PAM mới với biên độ là<br /> tổng biên độ của 2 tín hiệu thành phần nên ta có ei  e j  ei  e j . Giả thiết toán tử<br /> PNC được thực hiện cho tập  như sau: mi  m j  (mi  m j ) mod L . Lúc này<br /> tồn tại phép ánh xạ ngược h như sau [5]:<br />  ei  e j <br /> h(ek )  h(ei  e j )    1  mod L . (5)<br />  2 <br /> Bảng 1 minh họa kết quả các phép ánh xạ cho trường hợp tín hiệu PAM 2 mức<br /> ( L  2 ), tương ứng với tín hiệu trên một kênh của điều chế 4-QAM.<br /> Bảng 1. Ánh xạ cho mã hóa PNC cho tín hiệu 2-PAM.<br /> mi mj ei ej ei  e j h(ei  e j ) mi  m j<br /> 0 0 -1 -1 -2 0 0<br /> 0 1 -1 1 0 1 1<br /> 1 0 1 -1 0 1 1<br /> 1 1 1 1 2 0 0<br /> Dựa trên nguyên lý ánh xạ trình bày ở trên thì để áp dụng PNC cho hệ thống đề<br /> xuất có thể áp dụng quá trình truyền dẫn 2 chiều trên từng kênh I và kênh Q. Tuy<br /> nhiên, do tín hiệu thu được tại nút chuyển tiếp trong pha MA là tổng của 2 tín hiệu<br /> 4-QAM từ hai nút đầu cuối bao gồm hai thành phần tổng của tín hiệu trên 2 kênh I<br /> và Q riêng biệt nên quá trình xử lý không cần thay đổi. Sau khi đã ước lượng được<br /> các symbol sˆ1, sˆ2 , cần thực hiện xử lý riêng cho từng kênh riêng biệt. Ký hiệu:<br /> sˆ1I  Re(sˆ1 ); sˆ2I  Re(sˆ2 ); sˆ1Q  Im(sˆ1 ); sˆ2Q  Im(sˆ2 ) , với Im(.) và Re(.) biểu diễn<br /> tương ứng phép toán lấy phần thực và phần ảo. Lúc này, các thành phần đồng pha<br /> và vuông pha của symbol PNC có thể thu được là:<br />  sˆI  sˆI   sˆQ  sˆQ <br /> <br /> srI   1 2<br />  1  mod 2 ; srQ   1 2<br />  1  mod 2 . (6)<br />  2   2 <br /> <br /> Như vậy, symbol tín hiệu 4-QAM đã được mã hóa mạng tại nút chuyển tiếp có<br /> thể được biểu diễn bởi sr  srI  jsrQ . Symbol tín hiệu này sau đó sẽ được phát đi<br /> qua ăng-ten được lựa chọn dựa trên véc-tơ kích hoạt ăng-ten ar thu được như đã<br /> trình bày ở trên.<br /> <br /> <br /> 46 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> 2.3. Pha phát quảng bá (BC)<br /> Trong pha BC, nút chuyển tiếp R thực hiện phát quảng bá symbol PNC sr tới<br /> hai nút đầu cuối N1, N2 . Sử dụng biểu diễn tương tự trong pha MA, có thể thu<br /> được tín hiệu tại hai nút đầu cuối như sau:<br /> y1  1cT1r H r 1ar sr  z1 , (7)<br /> y2  2cT2r H r 2ar sr  z 2 . (8)<br /> trong đó, c1r và c2r tương ứng là các véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu tại hai nút đầu<br /> cuối, c1r , c2r  {[1, 0]T ,[0,1]T } ; H r 1, H r 2  42 là các ma trận kênh truyền từ nút<br /> chuyển tiếp tới hai nút đầu cuối, z1, z1  c (0,1) tương ứng là tạp âm tại các nút<br /> N1, N2 . Với giả thiết các véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu đã xác định, tức là<br /> c1r  c1r và c2r  c2r và các nút đầu cuối có thể ước lượng được chính xác kênh<br /> truyền giữa nút chuyển tiếp với chúng thì có thể sử dụng tách tín hiệu ML tối ưu để<br /> ước lượng đồng thời symbol phát sr và véc-tơ kích hoạt ăng-ten phát ar như sau:<br />  2<br /> Tại nút Ni ,(i  1, 2) : {sˆr , ar ,lˆ}  min arg  yi  1ciT H riar ,l sr  . (9)<br /> s  ;  <br /> l 1,2,3,4<br /> <br /> trong đó,   là tập các giá trị của sr được xác định theo Bảng 1. Do sr  srI  jsrQ<br /> và các thành phần srI và srQ đều nhận các giá trị trong tập {0,1} nên<br />   {0,1, j,1  j } .<br /> Từ các giá trị ước lượng được sˆr , ar ,lˆ các nút đầu cuối dựa trên thông tin về tín<br /> hiệu phát của chính nó để tách ra thông tin của nút đối tác. Cụ thể là từ ước lượng<br /> ar ,lˆ , sử dụng công thức (3) để ánh xạ ngược lại tổ hợp các véc-tơ kích hoạt phát<br /> của hai nút và sau đó xác định được véc-tơ kích hoạt phát của nút đối tác. Ví dụ:<br /> trường hợp ar ,lˆ  ar ,2  [0,1, 0, 0]T , ta có a1,1  [1, 0]T , a2,2  [0,1]T , nhờ đó nút<br /> N1 xác định được a2,2  [0,1]T và suy ra bˆ1(2)  1 ; tương tự N2 xác định được<br /> a  [1, 0]T và suy ra bˆ(2)  0 .<br /> 1,1 1<br /> <br /> Để thực hiện giải mã sˆr sử dụng lại toán tử mã hóa PNC tại nút chuyển tiếp<br /> mr  mi  m j  (mi  m j ) mod L . Để ước lượng symbol của nút N2 , nút N1 tính<br /> ˆ 2  m1  m<br /> m ˆ r  (m<br /> ˆ r  m1 ) mod L . Tương tự nút N2 ước lượng được<br /> m ˆ 1  m2  m ˆ r  (mˆ r  m2 ) mod L . Do mã hóa PNC của sr được thực hiện riêng<br /> cho từng kênh I và Q nên việc giải mã sˆr cũng cần thực hiện tương tự để xác định<br /> sˆ1I , sˆ1Q và sˆ2I , sˆ2Q . Tiếp theo sử dụng giải điều chế 4-QAM, các nút đầu cuối có thể<br /> ước lượng được các bit dữ liệu đã phát bˆ2(1), bˆ3(1) và bˆ2(2), bˆ3(2) .<br /> 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN<br /> Để thực hiện đánh giá hiệu quả của hệ thống đề xuất sử dụng mô phỏng Monte-<br /> Carlo để xác định phẩm chất lỗi thông qua tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate). Mô<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 47<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> hình hệ thống được sử dụng để đánh giá là mô hình SM-PNC như đã mô tả ở Mục<br /> 2 với các tham số N  2 , M  4 (cấu hình 2-4-2), và sử dụng điều chế 4-QAM<br /> có hiệu suất sử dụng phổ bằng 3 bpcu. Kênh truyền giữa các nút đầu cuối với nút<br /> chuyển tiếp là kênh pha-đinh Rayleigh phẳng và được giả thiết có thể ước lượng<br /> hoàn hảo. Kết quả mô phỏng tỉ lệ BER của hệ thống được minh họa trên hình 2. Để<br /> đánh giá và so sánh kiểm chứng các đường BER của các hệ thống liên quan gồm<br /> SSK-PNC cấu hình 2-4-2 (1 bpcu), 4-16-4 SM-PNC (2 bpcu) sử dụng điều chế<br /> BPSK, cũng được biểu diễn trên hình vẽ.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Phẩm chất BER của hệ thống SM-PNC và các hệ thống liên quan.<br /> Từ hình vẽ có thể rút ra các nhận xét sau đây. Thứ nhất, việc sử dụng kết hợp<br /> SM giúp hệ thống PNC tăng được hiệu quả sử dụng phổ nhưng lại gây thiệt hại về<br /> phẩm chất BER. Mức độ thiệt hại tỉ lệ nghịch với gia tăng hiệu suất sử dụng phổ.<br /> Ví dụ, với cùng cấu hình hệ thống khi tăng hiệu suất sử dụng phổ lên 2 bpcu (SM-<br /> PNC, BPSK) phẩm chất BER của hệ thống SM-PNC trên thang Eb / N 0 giảm<br /> khoảng 4 dB. Tương tự, để đạt được hiệu suất sử dụng phổ bằng 3 bpcu thì phẩm<br /> chất BER của hệ thống SM-PNC chịu thiệt hại khoảng 6 dB so với hệ thống SSK-<br /> PNC với 1 bpcu. Tuy nhiên, khi so sánh phẩm chất BER của hệ thống SM-PNC và<br /> SSK-PNC tại cùng hiệu suất phổ 2 bpcu có thể thấy phẩm chất đạt được của hệ<br /> thống SM-PNC đề xuất có phẩm chất BER tốt hơn khoảng 2 dB. Quan sát trên<br /> hình vẽ cũng có thể thấy phẩm chất BER của hệ thống SSK-PNC tại 2 bpcu tương<br /> đương với phẩm chất của hệ thống SM-PNC tại 3 bpcu. Tuy nhiên, hệ thống SSK-<br /> PNC cần sử dụng tới 16 ăng-ten tại nút chuyển tiếp trong khi hệ thống SM-PNC đề<br /> xuất chỉ cần sử dụng 4 ăng-ten. Nếu tăng lên 3 bpcu thì số ăng-ten yêu cầu sử dụng<br /> tại nút chuyển tiếp cho SSK-PNC tăng lên tới 64 nên không thực tế. Đây cũng là lý<br /> do tác giả không mô phỏng và biểu diễn kết quả cho trường hợp này trên hình vẽ.<br /> Một đặc điểm nữa cũng có thể rút ta từ hình vẽ là ảnh hưởng của lỗi giải điều<br /> chế không gian lớn hơn so với giải điều chế tín hiệu. Điều này có thể nhận thấy từ<br /> hình 2 khi so sánh hai đường SSK-PNC tại 1 bpcu với 2 bpcu và SM-PNC tại 2<br /> <br /> <br /> 48 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> bpcu với 3 bpcu. Khi tăng lên 1 bpcu hệ thống SSK-PNC chịu thiệt hại khoảng 6<br /> dB trong khi hệ thống SM-PNC chỉ thiệt hại khoảng 2 dB. Đây cũng chính là<br /> nhược điểm của hệ thống SSK so với SM do số lượng điểm tín hiệu tăng lên nhiều<br /> hơn. Xét trên một chặng chuyển tiếp tại 2 bpcu, hệ thống SSK-PNC có 64 điểm tín<br /> hiệu ngẫu nhiên trên chòm sao không gian trong khi hệ thống SM-PNC chỉ có 8<br /> điểm tín hiệu ngẫu nhiên trên chòm sao không gian và 2 điểm tín hiệu xác định<br /> trên chòm sao tín hiệu (BPSK). Nhận xét này dẫn đến kết luận nếu tiếp tục tăng<br /> hiệu suất sử dụng phổ thì hệ thống SSK-PNC sẽ có phẩm chất kém hơn nhiều so<br /> với hệ thống SM-PNC với số lượng ăng-ten và bậc điều chế thích hợp.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này, tác giả đã đề xuất một mô hình hệ thống SM-PNC cho hệ<br /> thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp 2 chiều thông qua kết hợp điều chế không<br /> gian (SM) với mã hóa mạng lớp vật lý (PNC). So với hệ thống SSK tại cùng hiệu<br /> suất sử dụng phổ hệ thống đề xuất cho phép cải thiện đáng kể phẩm chất BER.<br /> Ngoài ra, hệ thống đề xuất còn có ưu điểm hơn so với hệ thống SSK-PNC là yêu<br /> cầu số lượng ăng-ten sử dụng ít hơn nên thích hợp hơn với hệ thống thông tin vô<br /> tuyến trong thực tế.<br /> Ngoài các hệ thống SM và SSK, các nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra việc sử<br /> dụng các kỹ thuật SM suy rộng (Generalized SM – GSSK) [11] và SSK suy rộng<br /> (Generalized SM – GSM) [12] với nhiều hơn 1 ăng-ten kích hoạt cho phép giảm số<br /> lượng ăng-ten cần sử dụng. Do kích hoạt nhiều ăng-ten đồng thời để phát dữ liệu<br /> nên hệ thống GSSK và GSM cho phép giảm được số lượng ăng-ten sử dụng. Tuy<br /> nhiên, do xuất hiện nhiễu liên kênh (Inter-Channel Interference – ICI) nên cần<br /> thực hiện các giải pháp tách tín hiệu kết hợp triệt nhiễu. Vì vậy, việc áp dụng GSM<br /> và GSSK với PNC là một chủ đề nghiên cứu có ý nghĩa khoa học tốt và cần được<br /> tiếp tục giải quyết.<br /> Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia<br /> (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.02-2015.23.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. T. X. Nam và L. M. Tuấn, “Kỹ thuật xử lý không gian và thời gian,” NXB<br /> Khoa học & Kỹ thuật, 2013.<br /> [2]. R. Y. Mesleh et al. "Spatial modulation." IEEE Trans. on Vehicular<br /> Technology, Vol. 57, No. 4, pp. 2228-2241, 2008.<br /> [3]. J. Jeganathan et al. "Space shift keying modulation for MIMO channels," IEEE<br /> Trans. on Wireless Communications, Vol. 8, No. 7, pp. 3692-3703, 2009.<br /> [4]. A. Nosratinia, T. E. Hunter, and A. Hedayat, “Cooperative communication in<br /> wireless networks,” IEEE Commun. Magazine, Vol. 42, No. 10, 74-80, 2004.<br /> [5]. S. Zhang, S. C. Liew, and P. P. Lam, “Hot topic: Physical-layer network<br /> coding,” Proc. of the 12th Annual International Conference on Mobile<br /> Computing and Networking, Los Angeles, CA, USA, pp. 358-365, 2006.<br /> [6]. S. Zhang, and S. C. Liew, “Physical layer network coding with multiple<br /> antennas,” Proc. of 2010 IEEE Wireless Communication and Networking<br /> Conference, pp. 1-6, 2010.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 49<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> [7]. D. H. Vu, and X. N. Tran, “Physical network coding for bidirectional relay<br /> MIMO-SDM system,” Proc. 2013 International Conference on Advanced<br /> Technologies for Communications (ATC 2013), pp. 141-146, 2013.<br /> [8]. X. N. Tran, V. B. Pham, D. H. Vu, and Y. Karasawa, “Design of Two-Way<br /> Relay Network Using Space-Time Block Coded Network Coding with Relay<br /> Selection,” IEICE Trans. Fund. of Elect., Commun. and Comput. Sci., Vol.<br /> 98, No. 8, pp. 1657-1666, 2015.<br /> [9]. X. Xie, Z. Zhao, M. Peng, W. Wang, (2012, September). “Spatial modulation<br /> in two-way network coded channels: Performance and mapping<br /> optimization,” Proc. 2012 IEEE 23rd Int’l Symp. on Personal, Indoor and<br /> Mobile Radio Commun., pp. 72-76, 2012.<br /> [10]. M. Wen, X. Cheng, H. V. Poor and B. Jiao, "Use of SSK Modulation in Two-<br /> Way Amplify-and-Forward Relaying," IEEE Trans. on Vehic. Tech., Vol. 63,<br /> No. 3, pp. 1498-1504, 2014.<br /> [11]. J. Jeganathan, A. Ghrayeb, and L. Szczecinski. "Generalized space shift<br /> keying modulation for MIMO channels," Proc. IEEE 19th Int’l Symp. on<br /> Personal, Indoor and Mobile Radio Comm., pp. 1-5, 2008.<br /> [12]. A. Younis et al. "Generalised spatial modulation." Proc. IEEE 2010 The 44th<br /> Asilomar Conf. on Signals, Systems and Computers, pp. 1-5, 2010.<br /> ABSTRACT<br /> COMBINED SPATIAL MODULATION AND PHYSICAL-LAYER<br /> NETWORK CODING FOR BIDIRECTIONAL RELAY COMMUNICATION<br /> SYSTEMS<br /> In this paper, a combined Spatial Modulation (SM) and Physical-layer<br /> Network Coding (PNC) system which improves spectral efficiency and<br /> network throughput of relay communication systems are proposed. The<br /> proposed SM-PNC system performs encoding of spatially modulated bits<br /> from the two end nodes into antenna indeces of the relay. Also, PNC for<br /> Quadrature Amplitude Modulation (QAM) is also applied to modulated<br /> symbols. Compared with the combined Space Shift Keying (SSK) and PNC<br /> system, the proposed SM-PNC system achieves higher spectral efficiency<br /> while requiring the fewer number of antennas. The performance of the SM-<br /> PNC system is analyzed and compared with that of the SSK-PNC using<br /> spectral efficiency analysis and simulated bit error rate.<br /> Keywords: Wireless Communications, Physical-layer Network Coding, Spatial Modulation, Space Shift<br /> Leying.<br /> <br /> Nhận bài ngày 15 tháng 12 năm 2016<br /> Hoàn thiện ngày 07 tháng 01 năm 2017<br /> Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017<br /> <br /> Địa chỉ: Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật quân sự ;<br /> *<br /> Email: namtx@mta.edu.vn<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 50 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”<br />