Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý trong hệ thống chuyển tiếp vô tuyến hai chiều

Chia sẻ: Trần Văn Yan | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:149

Thêm vào BST

Báo xấu

47
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm Nghiên cứu một số kỹ thuật truyền dẫn cơ bản trong chuyển tiếp vô tuyến hai chiều nhằm cải thiện phẩm chất hệ thống, đồng thời giảm độ phức tạp xử lý tại nút chuyển tiếp.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu phát triển kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý trong hệ thống chuyển tiếp vô tuyến hai chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN HỮU MINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN HỮU MINH NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ TRONG HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 9 52 02 03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM VĂN BIỂN PGS.TS. TRẦN XUÂN NAM HÀ NỘI - 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong Luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự dẫn dắt của các cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong Luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, ngày 22 tháng 3 năm 2019 Tác giả Nguyễn Hữu Minh
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án này, Nghiên cứu sinh đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Người đầu tiên Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc là các Thầy giáo hướng dẫn TS. Phạm Văn Biển và PGS.TS. Trần Xuân Nam. Các Thầy không chỉ là người hướng dẫn, giúp đỡ Nghiên cứu sinh hoàn thành Luận án này mà còn là người định hướng, truyền thụ động lực trên con đường nghiên cứu khoa học chông gai và nhiều gian khổ. Nghiên cứu sinh cũng chân thành cám ơn các Thầy giáo trong Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật Quân sự, nơi Nghiên cứu sinh làm việc, đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo trong thời gian Nghiên cứu sinh nghiên cứu tại đây. Nghiên cứu sinh chân thành cám ơn các anh chị nhân viên kỹ thuật ở Bộ môn Thông tin, các đồng nghiệp và nhóm nghiên cứu đã luôn giúp đỡ chia sẻ những khó khăn trong quá trình hoàn thành Luận án này. Cuối cùng, Nghiên cứu sinh bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình và người thân đã luôn kịp thời động viên và chia sẻ những khó khăn để giúp Nghiên cứu sinh hoàn thành nội dung nghiên cứu của mình.
MỤC LỤC MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v DANH SÁCH HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vii DANH SÁCH BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN CƠ BẢN TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU . . . . . . . . . . 10 1.1. Mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.1. Khái quát chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.1.2. Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến hai chiều. . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2. Một số kỹ thuật truyền dẫn cơ bản trong mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1. Chuyển tiếp hai chiều truyền thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật mã hóa mạng . . . . . . . 14 1.2.3. Kỹ thuật mã hóa mạng kết hợp truyền dẫn MIMO cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.2.4. Kỹ thuật mã hóa mạng kết hợp điều chế không gian cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 i
ii 1.3. Bối cảnh nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.3.1. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC . . . . . . . . . . . . . . . . 29 1.3.2. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC kết hợp MIMO 34 1.3.3. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC kết hợp SM . . . . 36 1.4. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Chương 2. MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ PHI TUYẾN CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU . . . . . . . . 39 2.1. Mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ phi tuyến . . . . . . . . . . . . . 39 2.1.1. Tổng quan về chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa mạng dựa trên ước lượng ML . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.1.2. Đề xuất phương pháp ước lượng và ánh xạ mã hóa mạng . . 43 2.1.3. Kết quả mô phỏng và so sánh phẩm chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 2.2. Kết hợp mã hóa mạng lớp vật lý ánh xạ phi tuyến với chuyển tiếp hai chiều MIMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 2.2.1. Mô hình chuyển tiếp hai chiều MIMO-STBC kết hợp PNC . . 50 2.2.2. Cấu hình STBC kết hợp PNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.2.3. Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên cực tiểu công suất nhiễu dư . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 2.2.4. Nghiên cứu độ phức tạp tính toán. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 2.2.5. Đánh giá phẩm chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
iii Chương 3. MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ TUYẾN TÍNH CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU . . . . . . . . . . 66 3.1. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.2. Mã hóa mạng lớp vật lý kết hợp giữa lượng tử hóa kênh và ước lượng dựa trên loại bỏ nhiễu SIC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.1. QSIC-PNC cho nút chuyển tiếp đơn ăng-ten. . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.2.2. QSIC-PNC cho nút chuyển tiếp đa ăng-ten . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.3. Phân tích ảnh hưởng của thành phần nhiễu lx2 đến quyết định tín hiệu (x1 + Lx2 ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.3.1. Trường hợp K = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.3.2. Trường hợp K ≥ 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.4. Nghiên cứu độ phức tạp tính toán của ước lượng . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.5. Kết quả mô phỏng và phân tích phẩm chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.5.1. So sánh phẩm chất SER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 3.5.2. So sánh thông lượng trong pha MA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 3.5.3. So sánh các phương pháp ánh xạ khác nhau . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 3.5.4. So sánh độ phức tạp xử lý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Chương 4. KẾT HỢP MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ TUYẾN TÍNH VỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN CHO CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.1. Tổng quan về kỹ thuật SM kết hợp PNC ánh xạ tuyến tính dựa trên ước lượng ML cho chuyển tiếp hai chiều . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
iv 4.2. Mã hóa mạng dựa vào ước lượng độ phức tạp thấp tại nút chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 4.2.1. Đề xuất phương pháp ước lượng độ phức tạp thấp SM-QSIC 95 ˆ .. 4.2.2. Thiết kế chòm sao (x(1) + Lx(2) ) và hàm quyết định Q(·) 99 4.3. Nghiên cứu độ phức tạp tính toán của ước lượng . . . . . . . . . . . . . 104 ˆ và Q(·) 4.3.1. Nghiên cứu độ phức tạp của hàm quyết đinh Q(·) 104 4.3.2. Xác định độ phức tạp của các phương pháp ước lượng . . . . 106 4.4. Kết quả mô phỏng và phân tích phẩm chất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 4.5. Kết luận chương. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI . . . . 113 PHỤ LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt 1G the first Generation Thế hệ thứ nhất 4G the fourth Generation Thế hệ thứ tư 5G the fifth Generation Thế hệ thứ năm AWGN Additive White Gaussian Tạp âm trắng chuẩn cộng Noise tính AF Amplify-and-Forward Khuếch đại và chuyển tiếp ANC Analog Network Coding Mã hóa mạng tương tự BC Broadcast Quảng bá BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BM Beamforming Tạo dạng búp sóng BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CQ Channel Quantization Lượng tử hóa kênh CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh DF Decode-and-Forward Giải mã và chuyển tiếp DNC Digital Network Coding Mã hóa mạng số DNF Denoise-and-Forward Hạn chế tạp âm và chuyển tiếp FD Full Duplex Song công hoàn toàn FER Frame Error Rate Tỷ lệ lỗi khung GSM Generalized Spatial Modu- Điều chế không gian tổng lation quát v
vi IAS Inter Antenna Synchroniza- Đồng bộ giữa các ăng-ten tion ICI Inter Channel Interference Nhiễu đồng kênh IoT Internet of Things Kết nối vạn vật MA Multiple Access Đa truy nhập IEEE Institute of Electrical and Hiệp hội các kĩ sư điện và Electronic Engineers điện tử LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MIMO Multiple Input Multiple Đa đầu vào đa đầu ra Output ML Maximum Likelihood Hợp lẽ cực đại MMSE Minimum Mean Square Er- Sai số bình phương trung ror bình cực tiểu MRC Maximal Ratio Combining Kết hợp tỷ lệ cực đại NC Network Coding Mã hóa mạng OSTBC Orthogonal Space-Time Mã khối không gian thời Block Code gian trực giao PAM Pulse Amplitude Modula- Điều chế biên độ xung tion PNC Physical-layer Network Mã hóa mạng lớp vật lý Coding QAM Quadrature Amplitude Điều chế biên độ cầu Modulation phương QPSK Quadrature Phase Shift Khóa dịch pha cầu phương Keying QSM Quadrature Spatial Modu- Điều chế không gian cầu lation phương QOSTBC Quasi-Orthogonal Space- Mã khối không gian thời Time Block Code gian cận trực giao R Relay Chuyển tiếp
vii SDM Spatial Division Multiplex- Ghép kênh phân chia theo ing không gian SER Symbol Error Rate Tỷ lệ lỗi ký hiệu SIC Successive Interference Loại bỏ nhiễu nối tiếp Cancellation SIMO Single Input Multiple Out- Đơn đầu vào - đa đầu ra put SINR Signal to Interference and Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm Noise Ratio và nhiễu SM Spatial Modulation Điều chế không gian SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên tạp âm STBC Space Time Block Code Mã khối không gian thời gian STC Space Time Code Mã không gian thời gian STTC Space Time Trellis Code Mã lưới không gian thời gian SVD Singular Value Decomposi- Phân giải giá trị singular tion TDD Time Division Duplexing Song công phân chia theo thời gian TS Traditional Scheme Sơ đồ truyền thống TWRN Two Way Relay Network Mạng chuyển tiếp hai chiều UE User Equipment Thiết bị người dùng V-BLAST Vertical-Bell Laboratories Tách sóng không gian - thời Layered Space-Time gian tuần tự theo lớp của Phòng thí nghiệm Bell WiMAX Worldwide Interoperability Chuẩn tương tác mạng diện for Microwave Access rộng bằng sóng vô tuyến ZF Zero Forcing Cưỡng bức không
DANH SÁCH HÌNH VẼ 1.1 Mô hình tổng quan về mạng chuyển tiếp vô tuyến [2]. . . . . . . 10 1.2 Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều không sử dụng mã hóa mạng. . . . . 12 1.3 Mô tả kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . 13 1.4 Mô tả kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5 Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều sử dụng 3 pha. . . . . . . . . . . . . 15 1.6 Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều sử dụng 2 pha. . . . . . . . . . . . . 16 1.7 Pha đa truy nhập của chuyển tiếp hai chiều sử dụng STBC kết hợp PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.8 Pha quảng bá của chuyển tiếp hai chiều sử dụng STBC kết hợp PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.9 Chòm sao không gian ba chiều với 4 ăng-ten phát và điều chế 4-QAM [42]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.10 Pha đa truy nhập của chuyển tiếp hai chiều sử dụng SM kết hợp PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 1.11 Pha quảng bá của chuyển tiếp hai chiều sử dụng SM kết hợp PNC.28 2.1 Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều. . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.2 Chòm sao A của tín hiệu x1 + Lx2 với L ∈ {±1, ±j}. . . . . . 44 2.3 Chòm sao của tín hiệu x1 + Lx2 và Lx2 , với L ∈ {±1 ± j} [67]. 45 2.4 So sánh phẩm chất SER tại nút chuyển tiếp của các phương pháp khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.5 So sánh thông lượng tại nút chuyển tiếp của các hệ thống khác nhau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.6 Mô hình chuyển tiếp hai chiều kết hợp PNC và STBC. . . . . . . 50 viii
ix 2.7 So sánh phẩm chất SER của các đề xuất STBC-CQ-PNC so với các cấu hình liên quan đến chuyển tiếp hai chiều MIMO-STBC.62 2.8 So sánh phầm chất SER của các phương pháp đề xuất STBC- CQ-PNC so với CQ-PNC trong [67]. . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.9 Phẩm chất SER của cấu hình đề xuất STBC-CQ-PNC với lựa chọn nút chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.10 Phẩm chất SER của cấu hình đề xuất STBC-CQ-PNC thích nghi với lựa chọn nút chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.1 Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều. . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.2 Chòm sao AL¯ của tín hiệu (x1 + Lx2 ) với M = 4, L ∈ {0, ±1, ±j, ±1 ± j}. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3 So sánh phẩm chất SER trong trường hợp M = 4. . . . . . . . . 86 3.4 Thông lượng trong pha MA khi M = 4. . . . . . . . . . . . . . . 87 3.5 So sánh phẩm chất của phương pháp đề xuất QSIC-PNC sử dụng ánh xạ tuyến tính với phương pháp CQ-PNC sử dụng ánh xạ phi tuyến [67] trong trường hợp điều chế 4-QAM. . . . . 88 4.1 Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng SM kết hợp PNC. 91 4.2 Đồ thị chòm sao tín hiệu (x(1) + Lx(2) ), với M = 4, L ∈ {0, ±1, ±j, ±1 ± j}. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 4.3 Đồ thị chòm sao tín hiệu (x(1) + Lx(2) ), với M = 16, L ∈ {0, ±1, ±j, ±1 ± j}. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.4 Đồ thị chòm sao tín hiệu (x(1) + Lx(2) ), với M = 64, L ∈ {0, ±1, ±j, ±1 ± j}. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 (1b) 4.5 Ví dụ minh họa (wr(1b) , wi ) thuộc điểm C1 (−1.5, −1, 5) và (1b) (|wr(1b) |, |wi |) thuộc C2 (1.5, 1, 5) trên chòm sao x(1) + Lx(2) với M = 16, L = 0. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.6 Xác suất điểm ước lượng nằm bên phải và bên trái biên giới hạn. 105 4.7 So sánh phẩm chất BER trong trường hợp hiệu quả sử dụng phổ 4 bít/s/Hz, với N = 4, M = 4. . . . . . . . . . . . . . . . . 108
x 4.8 So sánh phẩm chất BER trong trường hợp hiệu quả sử dụng phổ 5 bít/s/Hz, với N = 8, M = 4. . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.9 So sánh phẩm chất BER trong trường hợp hiệu quả sử dụng phổ 6 bít/s/Hz, với N = 4, M = 16. . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.10 So sánh phẩm chất BER đầu cuối đến đầu cuối trong trường hợp hiệu quả sử dụng phổ 3 bít/s/Hz, với N = 2, M = 4. . . . . 110 4.11 So sánh phẩm chất BER đầu cuối đến đầu cuối trong trường hợp hiệu quả sử dụng phổ 6 bít/s/Hz, với N = 4, M = 16. . . . 111
DANH SÁCH BẢNG 2.1 Ánh xạ thành từ mã xR tại nút chuyển tiếp khi L ∈ {±1, ±j} . 44 2.2 Ánh xạ thành từ mã xR tại nút chuyển tiếp khi L ∈ {±1 ± j} [67]45 2.3 Giải ánh xạ từ mã xR tại nút đầu cuối T2 hoặc T1 khi L ∈ {±1 ± j}46 2.4 Thuật toán ước lượng và mã hóa mạng thích nghi EML-PNC . . 47 2.5 Bảng quy ước số lượng phép tính của các phép toán theo đơn vị [flop] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.6 So sánh độ phức tạp tính toán của các cấu hình khác nhau . . . 65 3.1 Thuật toán xác định các điểm thuộc góc phần tư thứ nhất AL≥0 ¯ ¯ 2 ) . . . . . . . . . . . . . . 74 của chòm sao tín hiệu (x1 + Lx 3.2 Tổng số điểm cL≥0 ¯ thuộc góc phần tư thứ nhất AL≥0 ¯ . . . . . . . 75 3.3 Thuật toán thích nghi xác định các tham số sử dụng cho ước lượng khi K = 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.4 Thuật toán thích nghi xác định các tham số sử dụng cho ước lượng khi K ≥ 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 3.5 Tổng số điểm cL≥0 ¯ trong góc phần tư thứ nhất AL≥0 ¯ của chòm sao và số lượng d [flop] yêu cầu cho hàm quyết định Q(·) . . . . 84 3.6 So sánh hiệu quả xử lý tại nút chuyển tiếp theo đơn vị [flop/symbol]89 4.1 Thuật toán xác định các tham số cho ước lượng . . . . . . . . . 97 4.2 Tập hợp theo M các giá trị của A phụ thuộc vào L khi L ∈ {0, ±1, ±j} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.3 Tập hợp theo M các giá trị của A khi L ∈ {±1 ± j} và miền ước lượng nằm bên trái biên giới hạn . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.4 Tập hợp theo M giá trị B của các điểm nằm trên biên giới hạn . 104 4.5 Giá trị xác suất Pr (Φ ≤ 0)M , Pr (Φ > 0)M phụ thuộc vào M . . 105 xi
xii 4.6 Giá trị của AM,L¯ và BM theo M . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.7 ˆ và Q(·) phụ thuộc Tổng hợp số lượng phép tính của hàm Q(·) vào M theo đơn vị [flop] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 4.8 So sánh hiệu quả độ phức tạp tính toán [flop/symbol] theo M và N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu Ý nghĩa Ví dụ Chữ thường, in nghiêng Biến số x Chữ thường, in nghiêng, đậm Véc-tơ s Chữ hoa, in đứng, đậm Ma trận H E {·} Phép tính kỳ vọng E {x} qr (·) Phép phân rã ma trận qr (H) H = QR ∗ (·) Phép lấy liên hợp phức x∗ H (·) Chuyển vị liên hợp phức HH của véc tơ hoặc ma trận k·k Chuẩn Frobenius |·| Phép toán tính mô đun ⊕ Phép toán kết hợp các tín sR = s1 ⊕ s2 hiệu a mod b Phép lấy phần dư của a/b sign(·) Phép lấy dấu của một số thực. round(x) Phép làm tròn về số nguyên gần x nhất. res(·) Phép lấy phần dư của x − round(x) round(x) Cn×m Ma trận kích thước n×m In×n Ma trận đơn vị có kích thước n × n xiii
MỞ ĐẦU Thông tin vô tuyến ngày nay đang phát triển vượt bậc cả về công nghệ và kỹ thuật nhằm đáp ứng nhu cầu về chất lượng, tốc độ cũng như đa dạng hóa các loại hình dịch vụ cho người sử dụng. Điển hình cho thấy sự phát triển của thông tin vô tuyến chính là thông tin di động tế bào. Xuất phát từ thế hệ đầu tiên 1G vào những năm 80 của thế kỷ trước, đến nay mạng thông tin di động tế bào đã phát triển lên đến thế hệ thứ 4 (4G: the fourth Generation) và chuẩn bị cho ra đời thế hệ thứ 5 (5G: the fifth Generation). Công nghệ 4G cho phép thu/phát băng thông rộng tốc độ cao, tốc độ truyền dữ liệu lên đến 100 Mb/s trong khi người sử dụng di chuyển và 1 Gb/s khi người sử dụng cố định. Công nghệ tiên phong trong lĩnh vực 4G phải kể đến là hệ thống phát triển dài hạn (LTE: Long Term Evolution), hệ thống tương tích toàn cầu truy nhập (WiMAX: Worldwide Interoperability for Microwave Access). Cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã mở ra một kỷ nguyên mới về truyền thông không dây nhằm hỗ trợ triển khai và kết nối hàng loạt các thiết bị (IoT: Internet of Things). Các thiết bị như cảm biến, điện thoại thông minh. . . thường có kích thước nhỏ gọn, dung lượng điện thấp nên chỉ kết nối được với nhau trong phạm vi ngắn. Do vậy, để mở rộng phạm vi kết nối và nâng cao hiệu quả truyền dẫn cho mạng vô tuyến thế hệ mới, gần đây các vấn đề liên quan đến mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều đã nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà nghiên cứu. 1
2 Trong các nghiên cứu về mạng chuyển tiếp hai chiều, việc nghiên cứu xử lý tại nút chuyển tiếp đóng một vai trò quan trọng, giúp nâng cao hiệu quả truyền dẫn như: cải thiện tốc độ truyền dẫn, tốc độ xử lý cũng như nâng cao phẩm chất tỷ lệ lỗi bít (BER: Bit Error Rate) và hiệu quả phổ. . . Gần đây, có nhiều nghiên cứu đề xuất các kỹ thuật áp dụng tại nút chuyển tiếp nhằm đạt hiệu quả truyền dẫn cao. Trong số các nghiên cứu đó, kỹ thuật cốt lõi là mã hóa mạng lớp vật lý (PNC: Physical-layer Network Coding). Nguyên nhân là do kỹ thuật này cho phép giảm thời gian truyền dẫn, giúp làm tăng thông lượng mạng lên gấp đôi so với chuyển tiếp truyền thống không sử dụng mã hóa mạng [30]. Khái quát có thể phân loại kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý thành hai loại chính bao gồm: Mã hóa mạng sử dụng ánh xạ phi tuyến và mã hóa mạng sử dụng ánh xạ tuyến tính [44, 45]. • Mã hóa mạng sử dụng ánh xạ phi tuyến cho phép giảm thiểu khả năng gây lỗi của kênh truyền vô tuyến, giúp nâng cao chất lượng truyền dẫn. Tuy nhiên, do hình dạng chòm sao tín hiệu trong pha quảng bá biến đổi so với pha đa truy nhập nên phức tạp cho xử lý tại máy thu. Ngoài ra, từ mã chuyển tiếp chứa cả tín hiệu lẫn thông tin trạng thái kênh truyền (CSI: Channel State Information) nên chỉ phù hợp truyền dẫn chuyển tiếp trong môi trường kênh đối xứng. • Mã hóa mạng sử dụng ánh xạ tuyến tính có phẩm chất kém hơn so với mã hóa mạng ánh xạ phi tuyến nhưng phương pháp ánh xạ luôn đảm bảo giữ nguyên hình dạng và kích thước của chòm sao tín hiệu trong quá trình truyền dẫn, do đó dễ dàng ước lượng tại các nút đầu cuối. Để có phẩm chất cao, kỹ thuật mã hóa mạng sử dụng ánh xạ tuyến tính thường
3 dựa trên phương pháp ước lượng tín hiệu có độ phức tạp cao như hợp lẽ cực đại (ML: Maximum likelihood). Vì vậy, nghiên cứu kỹ thuật mã hóa mạng dựa trên phương pháp ước lượng có độ phức tạp thấp nhưng đạt được phẩm chất cao có ý nghĩa quan trọng và thiết thực. Để nâng cao hơn nữa hiệu quả truyền dẫn, mã hóa mạng lớp vật lý có thể kết hợp thêm các kỹ thuật khác. Trong số đó, truyền dẫn đa đầu vào đa đầu ra (MIMO: Multiple-Input Multiple-Output) là kỹ thuật được biết đến trong các hệ thống bao gồm: ghép kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing) [1, 55], tạo dạng búp sóng (BM: Beamforming) [18, 29] hoặc trong hệ thống phát mã không gian thời gian (STC: Space Time Code) [1, 3, 48]. Mục đích SDM nhằm cải thiện tốc độ truyền dẫn. BM hay còn gọi là hệ thống tiền mã hóa (Pre-coding) giúp giảm thiểu nhiễu tác động tại đầu vào máy thu, cải thiện tỷ số tín hiệu trên tạp âm và nhiễu (SINR: Signal-to-Interference and Noise Ratio). Trong khi đó, sử dụng STC nhằm đạt được phân tập phát. Trong số ba kỹ thuật về MIMO, do kỹ thuật SDM sử dụng nhiều ăng-ten phát nên cần yêu cầu đồng bộ giữa các ăng-ten (IAS: Inter-Antenna Synchronization) phát, dẫn đến hệ thống sẽ phức tạp. Ngoài ra, nhiễu đồng kênh (ICI: Inter-Channel Interference) tác động tại đầu vào ăng-ten thu làm giảm chất lượng hệ thống cũng như làm tăng độ phức tạp xử lý tại nút chuyển tiếp. Với các nhược điểm đó, kỹ thuật SDM ít được quan tâm nghiên cứu trong mạng chuyển tiếp hai chiều. Kỹ thuật tiền mã hóa giúp đơn giản cho xử lý tại nút chuyển tiếp nhưng trả giá là máy phát yêu cầu biết trước thông tin trạng thái kênh truyền. Ngoài ra, quá trình xử lý tại máy phát của các nút đầu cuối trở nên phức tạp khi có thêm các bộ