Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Truyền dẫn MIMO trong các hệ thống vô tuyến hợp tác và chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:155

Thêm vào BST

Báo xấu

42
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là đề xuất và đánh giá chất lượng thông qua mô phỏng máy tính một hệ thống MIMO-SDM kết hợp PNC (gọi tắt là MIMO-SDM-PNC) cho kênh TWRC có độ phức tạp thấp và khả năng ứng dụng thực tiễn; đề xuất và đánh giá chất lượng thông qua mô phỏng máy tính một hệ thống MIMO-STBC kết hợp PNC (gọi tắt là MIMO-STBC-PNC) cho kênh TWRC có độ phức tạp thấp và khả năng ứng dụng thực tiễn;... Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Truyền dẫn MIMO trong các hệ thống vô tuyến hợp tác và chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ ĐỨC HIỆP TRUYỀN DẪN MIMO TRONG CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ VŨ ĐỨC HIỆP TRUYỀN DẪN MIMO TRONG CÁC HỆ THỐNG VÔ TUYẾN HỢP TÁC VÀ CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG PNC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 62.52.02.03 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN XUÂN NAM HÀ NỘI - 2015
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của 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 đầy đủ và theo đúng quy định Hà Nội, ngày tháng năm 2015 Tác giả Vũ Đức Hiệp
LỜI CẢM ƠN Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, tác giả đã nhận được nhiều sự giúp đỡ và đóng góp quý báu. Đầu tiên, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy hướng dẫn PGS.TS. Trần Xuân Nam đã giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu, và hoàn thành luận án này. Tác giả cũng xin trân trọng cảm ơn TS. Phạm Văn Biển đã hướng dẫn và góp ý khoa học cho một phần nội dung của luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn Phòng Sau Đại học, Bộ môn Thông tin, Khoa Vô tuyến Điện tử Học viện Kỹ thuật Quân sự đã tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành nhiệm vụ. Tác giả cũng xin cảm ơn Bộ Tư lệnh Thông tin Liên lạc, Trường sĩ quan Thông tin là đơn vị chủ quản, đã tạo điều kiện cho phép tác giả có thể tham gia nghiên cứu trong những năm làm nghiên cứu sinh. Luận án được thực hiện trong khuôn khổ đề tài “Nghiên cứu tối ưu mạng vô tuyến hợp tác MIMO” mã số 102.03-2012.18 của Quỹ phát triển Khoa học và Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) và đề tài “Truyền thông hợp tác liên lớp mạng không dây dựa trên kỹ thuật mã mạng” mã số 39/2012/HD/NDT của Bộ Khoa học và Công nghệ. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Bộ Khoa học và Công nghệ và Quỹ Nafosted đã tài trợ một phần kinh phí cho nghiên cứu của luận án.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng chí, đồng nghiệp đã luôn động viên, giúp đỡ tác giả vượt qua các khó khăn để đạt được những kết quả nghiên cứu như ngày hôm nay.
MỤC LỤC MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii DANH MỤC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . vi DANH MỤC BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x DANH MỤC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THÔNG TIN VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.1. Sự phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2. Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3. Phân loại các trạm chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4. Phân loại các kỹ thuật chuyển tiếp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1.5. Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 1.6. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 1.7. Mô hình mô phỏng PNC kênh TWRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 1.8. Tóm tắt chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 i
ii Chương 2. TRUYỀN THÔNG CHUYỂN TIẾP MIMO KẾT HỢP LỰA CHỌN NÚT CHUYỂN TIẾP . . . . . . . . . . . . . . 36 2.1. Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2. Mô hình truyền thông chuyển tiếp MIMO-SDM . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 2.3. Mô hình truyền thông hợp tác MIMO-SDM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4. Lựa chọn nút chuyển tiếp cho kênh truyền thông hợp tác MIMO-SDM . . 42 2.5. Đề xuất các thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cải tiến . . . . . . . . 44 2.6. Mô phỏng đánh giá chất lượng các thuật toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 2.7. Tóm tắt chương và kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Chương 3. TRUYỀN THÔNG MIMO TRÊN KÊNH VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.1. Tổng quan về truyền thông chuyển tiếp hai chiều. . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.2. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC cho kênh MIMO . . . . . . . . . . . 60 3.3. Hệ thống SIMO-PNC trên kênh TWRC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 3.4. Mô hình đề xuất MIMO-SDM-PNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5. Mô hình đề xuất MIMO-STBC-PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 3.6. Vấn đề ước lượng kênh truyền và đồng bộ trong các hệ thống MIMO-PNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 3.7. Tóm tắt và kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 KẾT LUẬN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ . . . . . . . . . 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt 3GPP Third Generation Partner- Dự án hợp tác thế hệ 3 ship Project AWGN Additive White Gaussian Tạp âm Gauss trắng cộng Noise tính AF Amplify and Forward Khuếch đại và chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỷ lệ lỗi bít BC Broadcast Phase Pha quảng bá BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BS Base Station Trạm gốc CCI Co-Channel Interference Nhiễu đồng kênh CQI Channel Quality Index Chỉ số chất lượng kênh truyền CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền DF Decode and Forward Giải mã và chuyển tiếp eNodeB Nút B của E-UTRAN E-UTRAN Evolved -Universal Terres- Mạng truy nhập vô tuyến trial Radio Access Network mặt đất vạn năng tăng cường LLR Log Likelihood Ratio Tỷ số hợp lệ theo hàm lô-ga- rít LTE Long Term Evolution Phát triển dài hạn MA Multiple Access Đa truy nhập MAC Medium Access Control Điều khiển truy nhập môi trường iii
iv MAP Maximum A posteriori Prob- Xác suất hậu nghiệm cực đại ability MANET Mobile Ad hoc Network Mạng Ad hoc di động MIMO Multiple Input-Multiple Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra Output MISO Multiple Input-Single Out- Nhiều đầu vào-một đầu ra put ML Maximum Likelihood Hợp lệ cực đại MRT Maximal Ratio Transmission Phát tỷ lệ cực đại MMSE Minimum Mean Square Er- Sai số bình phương trung ror bình nhỏ nhất MS Mobile Station Trạm di động MSE Mean Square Error Sai số bình phương trung bình NC Network Coding Mã hóa mạng N Node Nút PNC Physical layer Network Cod- Mã hóa mạng lớp vật lý ing QAM Quadrature Amplitude Mod- Điều chế biên độ cầu phương ulation QPSK Quadrature Phase-Shift Khóa dịch pha cầu phương Keying SDM Spatial Division Multiplex- Ghép kênh phân chia theo ing không gian SIMO Single Input – Multiple Out- Một đầu vào-nhiều đầu ra put SINR Signal to Interference plus Tỷ số công suất tín hiệu trên Noise Ratio công suất nhiễu cộng tạp âm SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số công suất tín hiệu trên tạp âm
v STBC Space-Time Block Code Mã khối không gian thời gian STC Space-Time Coding Mã không gian thời gian R Relay Chuyển tiếp RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RN Relay Node Nút chuyển tiếp RS Relay Station Trạm chuyển tiếp TS Traditional Scheme Sơ đồ truyền thống TWRC Two-Way Relay Channel Kênh chuyển tiếp hai chiều UE User Equipment Thiết bị người dùng V-BLAST Vertical Bell Labs Layered Hệ thống không gian thời Space Time gian phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs Wi-Fi Wireless Fidelity Chuẩn mạng cục bộ không dây của Wi-Fi Alliance WiMAX Worldwide Interoperability Tương thích toàn cầu qua for Microwave Access truy nhập vi-ba ZF Zero Forcing Cưỡng bức về không
DANH MỤC HÌNH VẼ 1.1 Minh họa kỹ thuật chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.2 Minh họa vai trò của trạm chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . 18 1.3 Chuyển tiếp loại I và loại II [19]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.4 Minh họa mô hình chuyển tiếp một chiều [19]. . . . . . . . . . . 20 1.5 Minh họa mô hình chuyển tiếp hai chiều [19]. . . . . . . . . . . . 21 1.6 Sơ đồ không mã hóa mạng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 1.7 Sơ đồ mã hóa mạng NC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.8 Sơ đồ mã hóa mạng lớp vật lý PNC. . . . . . . . . . . . . . . . 26 1.9 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ nhất. . . . 30 1.10 Sơ đồ băng gốc hệ thống PNC trong khe thời gian thứ hai. . . . 31 1.11 So sánh phẩm chất của PNC trên kênh AWGN và kênh pha-đinh. 35 2.1 Mô hình truyền thông chuyển tiếp MIMO-SDM. . . . . . . . . . 38 2.2 Mô hình truyền thông hợp tác. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.3 Mô hình kênh MIMO tương đương sử dụng phân tích SVD, trong đó λi là giá trị riêng của kênh [1]. . . . . . . . . . . . . . . 45 2.4 So sánh phẩm chất BER cho các trường hợp lựa chọn nút khác nhau, các nút sử dụng MIMO-SDM, hai nút chọn một. . . . . . . 53 2.5 Phẩm chất BER của thuật toán lựa chọn nút dựa trên SNR khi số nút trung gian thay đổi, các nút sử dụng MIMO-SDM. . . 53 2.6 Phẩm chất BER của thuật toán lựa chọn nút dựa trên giá trị riêng khi số nút trung gian thay đổi, các nút sử dụng MIMO-SDM. 54 2.7 So sánh độ phức tạp tính toán giữa ba thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp MSE, SNR và Eigen-value. . . . . . . . . . . . . . . 56 3.1 Mô hình kênh chuyển tiếp hai chiều sử dụng SIMO-PNC. . . . . 63 vi
vii 3.2 Mô hình MIMO tương đương của hệ thống chuyển tiếp hai chiều SIMO-PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 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. . . . . . . . . . . . . . . 74 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. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 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. . . . . . . . . . . . . . . 75 3.7 Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC kết hợp lựa chọn nút chuyển tiếp sử dụng tách tín hiệu ZF khi số nút trung gian thay đổi. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.8 Phẩm chất BER của hệ thống SIMO-PNC kết hợp lựa chọn nút sử dụng tách tín hiệu MMSE khi số nút trung gian thay đổi. 78 3.9 Đề xuất mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO-SDM-PNC.79 3.10 Giá trị ngưỡng γ tốt nhất cho trường hợp tách ZF trong hệ thống MIMO-SDM-PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 3.11 Giá trị ngưỡng γ tốt nhất cho trường hợp tách MMSE trong hệ thống MIMO-SDM-PNC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 3.12 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách ZF. 90 3.13 Phẩm chất BER của hệ thống MIMO-SDM-PNC sử dụng tách MMSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 3.14 Ngưỡng γ tốt nhất cho trường hợp tách ZF trong hệ thống MIMO-SDM-PNC với N = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
viii 3.15 Ngưỡng γ tốt nhất cho trường hợp tách MMSE trong hệ thống MIMO-SDM-PNC với N = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 3.16 Phẩm chất BER cho trường hợp tách ZF trong hệ thống MIMO- SDM-PNC với N = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 3.17 Phẩm chất BER cho trường hợp tách MMSE trong hệ thống MIMO-SDM-PNC với N = 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 3.18 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC sử dụng lựa chọn nút và không lựa chọn nút; tách ZF (LLR); hai nút chọn một.96 3.19 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC sử dụng lựa chọn nút và không lựa chọn nút; tách ZF (kết hợp chọn lọc); hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 3.20 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC sử dụng lựa chọn nút và không lựa chọn nút; tách MMSE (LLR); hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.21 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC sử dụng lựa chọn nút và không lựa chọn nút; tách MMSE (kết hợp chọn lọc); hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 3.22 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-SDM-PNC đề xuất kết hợp lựa chọn nút trong trường hợp số nút trung gian thay đổi. . . 98 3.23 Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO-STBC-PNC. . . . 101 3.24 Giá trị ngưỡng tốt nhất cho hệ thống MIMO-STBC-PNC sử dụng tách ZF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 3.25 Giá trị ngưỡng tốt nhất cho hệ thống MIMO-STBC-PNC sử dụng tách MMSE. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 3.26 Phẩm chất BER của hệ thống đề xuất MIMO-STBC-PNC sử dụng tách tín hiệu ZF tại chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . . . 112 3.27 Phẩm chất BER của hệ thống đề xuất MIMO-STBC-PNC sử dụng tách tín hiệu MMSE tại chuyển tiếp. . . . . . . . . . . . . 112
ix 3.28 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC sử dụng tách ZF (LLR) kết hợp lựa chọn nút và không lựa chọn nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 3.29 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC sử dụng tách ZF (kết hợp chọn lọc) kết hợp lựa chọn nút và không lựa chọn nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.30 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC sử dụng tách MMSE (LLR) kết hợp lựa chọn nút và không lựa chọn nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 3.31 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC sử dụng tách MMSE (kết hợp chọn lọc) kết hợp lựa chọn nút và không lựa chọn nút; hai nút chọn một. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 3.32 Phẩm chất BER của mô hình MIMO-STBC-PNC kết hợp lựa chọn nút trong trường hợp số nút trung gian thay đổi. . . . . . . 118
DANH MỤC BẢNG 1.1 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu đồng pha. . . . . . . 29 1.2 Phép ánh xạ PNC của thành phần tín hiệu vuông pha. . . . . . . 29 2.1 Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp dựa vào giá trị riêng. . . . . 47 2.2 Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp dựa vào SNR. . . . . . . . 49 3.1 Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cho hệ thống SIMO-PNC trên kênh TWRC theo chuẩn ma trận kênh. . . . . . . . . . . . 71 3.2 Thuật toán lựa chọn nút chuyển tiếp cho hệ thống SIMO-PNC trên kênh TWRC theo tiêu chuẩn trung bình hài hòa. . . . . . . 72 x
DANH MỤC 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 nghiêng, đậm Ma trận H Chữ I in đậm, nghiêng Ma trận đơn vị có các phần I tử trên đường chéo bằng 1 và các phần tử khác bằng 0 N Số ăng-ten phát N z Tạp âm zr σ2 Phương sai tạp âm E {·} Phép tính kỳ vọng E {x} Pr{·} Xác suất Pr{A
xii H rd Kênh giữa chuyển tiếp và đích H sr Kênh giữa nguồn và chuyển tiếp ⊕ Phép XOR (cộng modul-2) det(·) Đa thức đặc trưng của ma trận
MỞ ĐẦU 1. Bối cảnh nghiên cứu Thông tin vô tuyến đang có những tiến bộ vượt bậc nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ truy nhập của người dùng. Từ các hệ thống thông tin vô tuyến ban đầu với tốc độ truyền dẫn vài kbps, các hệ thống hiện tại đã có những bước phát triển vượt bậc với tốc độ lên tới hàng trăm Mbps. Điển hình trong đó là các hệ thống mạng cục bộ vô tuyến Wi-Fi (Wireless Fidelity) theo tiêu chuẩn IEEE.802.11ac cho tốc độ truy nhập lên tới 866,7 Mbps, hệ thống mạng đô thị vô tuyến WiMAX (Worldwide Interoperability for Microwave Access) theo tiêu chuẩn IEEE 802.16m cho tốc độ lên tới 1 Gbps, hay hệ thống thông tin di động tế bào thế hệ 4 (4G) theo chuẩn LTE-Advanced (Long Term Evolution-Advanced) cũng đã được chuẩn hóa với tốc độ 1 Gbps trên đường xuống trong môi trường truy nhập cục bộ. Từ sự phát triển của các hệ thống thông tin vô tuyến hiện tại và các nghiên cứu gần đây có thể thấy được xu thế khá rõ rệt về các kỹ thuật truyền dẫn trên các giao diện vô tuyến. Để đạt được tốc độ truy cập cao, các hệ thống thông tin vô tuyến hiện tại đều đã đưa vào sử dụng các chuẩn truyền dẫn đa ăng-ten sử dụng công nghệ đa đầu vào đa đầu ra MIMO (Multiple-Input Multiple-Output). Các hệ thống MIMO được sử dụng bao gồm: (i) mã hoá không gian thời gian (STC: 1
2 Space-Time Coding), (ii) ghép kênh phân chia theo không gian (SDM: Spatial Division Multiplexing), và (iii) tạo dạng búp sóng (beamforming). Trong đó mã hoá không gian thời gian đem lại độ lợi phân tập (diversity gain) nhằm cải thiện phẩm chất tỉ lệ lỗi bit (BER: Bit Error Rate), ghép kênh phân chia theo không gian SDM đem lại độ lợi ghép kênh (multiplexing gain) cho phép gia tăng tốc độ truyền dẫn tuyến tính với số ăng-ten phát sử dụng, còn hệ thống tạo búp sóng mang lại độ lợi mảng (array gain) góp phần cải thiện tỉ số công suất tín hiệu trên công suất nhiễu cộng tạp âm (SINR: Signal-to-Interference plus Noise Ratio). Để triển khai các hệ thống MIMO vào thực tiễn đòi hỏi các phần tử ăng-ten cách nhau khoảng vài bước sóng nên hầu hết các chuẩn đều đặt giới hạn cấu hình 2 × 2, 3 × 3, và 4 × 4 do giới hạn về kích thước thiết bị. Xu thế thứ hai có thể thấy được là các hệ thống Wi-Fi, WiMAX và LTE- Advanced đều hỗ trợ chế độ chuyển tiếp vô tuyến thông qua sử dụng các nút chuyển tiếp (relay node) nhằm mở rộng vùng phủ hoặc nâng cao chất lượng nhờ hợp tác giữa các nút mạng. Việc thực hiện chuyển tiếp đối với các mạng Wi-Fi có thể đạt được thông qua chế độ ad-hoc đã được tích hợp sẵn trong các thiết bị. Trong khi đó chuẩn LTE-Advanced cho phép thực hiện chuyển tiếp vô tuyến theo các phương thức và tại các lớp khác nhau. Việc chuyển tiếp có thể thực hiện được ở lớp một (lớp vật lý) theo phương thức khuếch đại-chuyển tiếp (AF: Amplify-and-Forward), ở lớp hai (lớp liên kết dữ liệu) theo phương thức giải mã và chuyển tiếp (DF: Decode-and-Forward), và ở lớp ba (lớp mạng) theo phương thức xử lý và chuyển tiếp (Processing-and- Forward). Trong khi đó chuẩn WiMAX IEEE.802.16j định nghĩa các trạm chuyển tiếp (RS: Relay Station) làm việc ở hai chế độ trong suốt và không
3 trong suốt trên cả hai lớp một và lớp hai. Về khả năng thì các chuẩn này đều hỗ trợ chuyển tiếp đơn chặng và đa chặng, tuy nhiên cấu hình chuyển tiếp đơn chặng vẫn được coi là có khả năng ứng dụng cao hơn trong thực tế. Các chuyển tiếp vô tuyến đều có thể thực hiện được trên cả hai chiều, do đó, hình thành khái niệm chuyển tiếp vô tuyến hai chiều. Trong khi đó, song song với lĩnh vực truyền thông vô tuyến, mạng viễn thông cũng đã có các bước tiến mới nhằm mục đích tăng thông lượng (through- put) truyền dữ liệu trong mạng. Một trong các kỹ thuật mang tính phát minh gần đây chính là kỹ thuật mã hóa mạng (NC: Network Coding) [3]. Khác với các kỹ thuật mã hóa trước đây thường được thực hiện tại nguồn như mã hóa nguồn (source coding), mã hóa kênh truyền (channel coding) mã hóa mạng được thực hiện ở các nút mạng trung gian. Thông qua việc thực hiện xử lý và kết hợp (thường là tuyến tính) các gói tin từ các nút nguồn khác nhau, mã hóa mạng cho phép giảm được số lượng pha truyền dữ liệu cần thiết so với các phương pháp xử lý theo kiểu lưu trữ và chuyển tiếp (store-and-forward) trong các mạng chuyển mạch gói truyền thống. Việc giảm bớt các pha trao đổi, truyền dữ liệu cho phép làm tăng thông lượng, tức là tốc độ truyền dữ liệu thực tế trong mạng. Ngoài ưu điểm về thông lượng, mã hóa mạng còn có ưu điểm khác, bao gồm: (i) độ phức tạp tính toán giảm khi áp dụng NC tuyến tính; (ii) đảm bảo tính bền vững ngay cả khi tô-pô mạng bị thay đổi hay khi một số liên kết mạng không hoạt động thì đích vẫn có thể thu lại được thông tin đã được gửi đi nếu nhận được một số lượng đủ lớn các gói tin mã hóa có chứa thông tin của các gói tin khác; (iii) tăng khả năng bảo mật thông tin, vì thông tin truyền đi trên liên kết là tổ hợp của nhiều thông tin. Ngày nay do sự phát triển của thiết bị và nhu cầu của người sử dụng, các