Nâng cao phẩm chất cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng ánh xạ mã hóa mạng phi tuyến

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> NÂNG CAO PHẨM CHẤT CHO HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP<br /> HAI CHIỀU SỬ DỤNG ÁNH XẠ MÃ HÓA MẠNG PHI TUYẾN<br /> Nguyễn Hữu Minh1,*, Phạm Văn Biển2, Trần Xuân Nam1<br /> Tóm tắt: Bài báo này xem xét mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã<br /> hóa mạng lớp vật lý tại nút chuyển tiếp, trong đó, tất cả các nút được trang bị đơn<br /> ăng ten. Nghiên cứu tác động của tỷ số kênh truyền giữa hai nút đầu cuối đến nút<br /> chuyển tiếp cho thấy, trong một số trường hợp, phẩm chất của hệ thống sử dụng<br /> ước lượng hợp lẽ cực đại (ML: Maximum Likelihood) bị suy giảm nghiêm trọng. Do<br /> vậy, bài báo đề xuất phương pháp ước lượng ML cải tiến, kết hợp với ánh xạ phi<br /> tuyến để đạt được phẩm tốt hơn cho hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy, so sánh<br /> với hệ thống truyền dẫn 3 pha, phẩm chất tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER: Symbol Error Rate)<br /> của hệ thống đạt được tương đương, trong khi đó thông lượng tại nút chuyển tiếp<br /> tăng gấp đôi. Khi so sánh với hệ thống sử dụng ước lượng ML kết hợp với mã hóa<br /> mạng (NC: Network Coding) truyền thống (ML-NC) hai pha, hệ thống đề xuất có độ<br /> lợi tăng khoảng 2 dB.<br /> Từ khóa: Mạng chuyển tiếp hai chiều; Ước lượng ML; Mã hóa mạng; Mã hóa mạng lớp vật lý; Lượng tử kênh.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Trong những năm gần đây, mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều trong đó gồm hai nút<br /> đầu cuối trao đổi thông tin với nhau thông qua một nút chuyển tiếp đã thu hút được nhiều<br /> sự quan tâm do nhiều lợi thế mà nó mang lại, như làm tăng khả năng mở rộng vùng phủ<br /> sóng, tăng hiệu quả sử dụng phổ cũng như hợp tác giữa các nút nhằm cải thiện phẩm chất<br /> và tăng dung lượng cho hệ thống [1-5].<br /> Mạng chuyển tiếp hai chiều làm việc trong chế độ bán song công có thể được thực hiện<br /> trong hai hoặc ba pha truyền dẫn [6-9], trong đó, các hệ thống sử dụng hai pha truyền dẫn<br /> cho phép cải thiện hiệu quả phổ hơn so với hệ thống truyền dẫn ba pha. Trong pha thứ<br /> nhất của hệ thống hai pha, hai nút đầu cuối phát các bản tin của nó đến nút chuyển tiếp tại<br /> cùng một thời gian. Trong pha thứ hai, nút chuyển tiếp phát quảng bá thông tin nhận được<br /> trong pha thứ nhất đến các nút đầu cuối. Dựa vào thông tin đã biết của chính nó đã phát đi<br /> trong pha đầu tiên, mỗi nút đầu cuối có thể giải mã để khôi phục tín hiệu thu mong muốn.<br /> Phương pháp xử lý tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp trong thời gian pha thứ nhất có<br /> thể được thực hiện bằng: khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) [10-13],<br /> hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) [14-16]. Bên cạnh đó, các phương<br /> pháp như mã hóa mạng tương tự (ANC: Analog Network coding) [10, 17] và mã hóa<br /> mạng lớp vật lý (PNC: Physical-layer Network Coding) [18-22] cũng thu hút được nhiều<br /> sự quan tâm. Mặc dù PNC thực hiện phức tạp hơn so với ANC, tuy nhiên, PNC cho phép<br /> giảm tạp âm tại nút chuyển tiếp, do vậy, cải thiện được phẩm chất cho hệ thống.<br /> Trong bài báo này, chúng tôi xem xét một mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều bao<br /> gồm hai nút đầu cuối trao đổi thông tin với nhau thông qua một nút chuyển tiếp, trong đó<br /> tất cả các nút được trang bị đơn ăng ten, làm việc trong chế độ bán song công. Có nhiều<br /> công trình nghiên cứu liên quan đến mô hình này. Trong công trình [18] đã đề xuất<br /> phương pháp thiết kế hệ thống với giới hạn hồi tiếp, sử dụng mã hóa mạng lớp vật lý. Tuy<br /> nhiên, với đề xuất này, hệ thống trở nên phức tạp do cần phải truyền các thông tin hồi tiếp.<br /> Các công trình [19, 20] đã đề xuất phương pháp phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống<br /> chuyển tiếp hai chiều có áp dụng mã hóa mạng lớp vật lý. Mặc dù phẩm chất của hệ thống<br /> đạt được tối ưu, nhưng hệ thống trở nên phức tạp do máy phát yêu cầu biết trước thông tin<br /> trạng thái kênh truyền. Gần đây, trong các công trình [21, 22], các tác giả đã đề xuất<br /> phương pháp mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ phi tuyến để đạt được phẩm chất cao<br /> <br /> <br /> 76 N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho … mã hóa mạng phi tuyến.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> cho hệ thống có nhiều ăng ten tại nút chuyển tiếp. Tuy nhiên, đối với hệ thống đơn ăng ten<br /> tại nút chuyển tiếp, phẩm chất của hệ thống đạt được còn kém [22].<br /> Bài báo này trước hết nghiên cứu sự tác động của kênh truyền đến lỗi ước lượng ML, từ<br /> đó đề xuất phương pháp ước lượng ML cải tiến, kết hợp với phương pháp ánh xạ phi tuyến<br /> nhằm khắc phục các trường hợp xẩy ra lỗi của ước lượng ML. Kết quả nghiên cứu cho thấy,<br /> hệ thống sử dụng phương pháp ước lượng và ánh xạ mã hóa mạng đề xuất đạt được phẩm<br /> chất SER và thông lượng tốt hơn so với các phương pháp trước đó.<br /> Phần còn lại của bài báo được cấu trúc như sau: Mục 2 trình bày mô hình hệ thống và<br /> nghiên cứu các khả năng gây lỗi của bộ ước lượng ML. Mục 3 trình bày đề xuất phương<br /> pháp ước lượng và mã hóa mạng lớp vật lý cải tiến. Mục 4 trình bày các kết quả mô phỏng<br /> so sánh phẩm chất SER và thông lượng của các phương pháp khác nhau. Cuối cùng, mục 5<br /> là kết luận của bài báo.<br /> 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG<br /> 2.1. Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa mạng truyền thống dựa<br /> trên tách sóng ML<br /> Xét mô hình chuyển tiếp hai chiều được minh họa như trong hình 1, trong đó gồm hai<br /> nút đầu cuối S k (k  1, 2) trao đổi thông tin với nhau thông qua một nút chuyển tiếp R .<br /> Giả sử tất cả các nút được trang bị đơn ăng ten, làm việc trong chế độ bán song công và<br /> không tồn tại tia trực tiếp giữa hai nút đầu cuối.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều.<br /> <br /> Quá trình truyền dẫn giữa hai nút đầu cuối được thực hiện trong hai pha, bao gồm pha<br /> đa truy nhập và pha quảng bá. Do pha quảng bá tương đương như hệ thống liên lạc điểm-<br /> điểm; vì vậy bài báo chỉ tập trung trình bày cho pha đa truy nhập. Tại khe thời gian của<br /> pha đa truy nhập, mỗi nút đầu cuối S k (k  1, 2) phát đồng thời bản tin của nó<br /> sk  (1  ) xk đến nút chuyển tiếp R, trong đó xk thuộc chòm sao 4-QAM, 1  là<br /> hằng số chuẩn hóa công suất để đảm bảo (| sk | )  1 . Tín hiệu nhận được tại nút chuyển<br /> 2<br /> <br /> <br /> tiếp trong pha truy nhập có thể được trình bày như sau:<br /> 1 1<br /> y  h1 x1  h2 x2  n  h1 x1  h2 x2  n , (1)<br />  <br /> trong đó, ký hiệu hk , (k  1, 2) là hệ số kênh truyền giữa nút đầu cuối S k đến nút chuyển<br /> tiếp R ; mỗi phần tử hk được mô hình hóa là một biến ngẫu nhiên Gauss phức với giá trị<br /> trung bình bằng không, phương sai bằng 1, hay hk ~  c  0,1 . Giả sử kênh khảo sát là<br /> kênh pha đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm, với hệ số kênh được giữ nguyên trong suốt<br /> thời gian truyền dẫn của một ký hiệu và chỉ thay đổi từ ký hiệu này sang ký hiệu khác. Ký<br /> hiệu hk  hk /  là kênh truyền tương đương; n biểu diễn là tạp âm Gauss trắng cộng<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 77<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> <br /> tính (AWGN) tại ăng ten thu của nút chuyển tiếp, n ~  c 0,  n2 . Trong bài báo này <br /> chúng tôi giả sử thông tin trạng thái kênh truyền được biết hoàn hảo tại nút nhận nhưng<br /> không được biết tại nút phát.<br /> Áp dụng thuật toán tách sóng ML để ước lượng cặp tín hiệu từ hai nút nguồn như sau:<br /> 2<br /> ( xˆ1 , xˆ2 )  arg min y  h1 x1  h2 x2 , (2)<br /> x1 , x2  A<br /> <br /> trong đó, ký hiệu ||  ||2 là chuẩn hóa Frobenious, A  1  j là chòm sao của tín hiệu<br /> điều chế 4-QAM.<br /> Từ mã nhận được tại nút chuyển tiếp được thực hiện thông qua phép toán XOR đơn<br /> giản như sau:<br /> xR  xˆ1  xˆ2  xˆ1,r xˆ2,r  j xˆ 1,i xˆ2,i , (3)<br /> trong đó, xk,r , xk,i biểu thị là phần thực và phần ảo tương ứng của xk .<br /> Trong pha quảng bá, nút chuyển tiếp phát ký hiệu đã được mã hóa đến các nút đầu<br /> cuối. Tín hiệu nhận được tại nút đầu cuối S k sau khi tách sóng được giải mã như sau:<br /> xˆSk  xR  xk  xR,r xk,r  jxR,i xk,i , (k  1, 2) . (4)<br /> <br /> 2.2. Nghiên cứu khả năng lỗi ước lượng của bộ tách sóng ML<br /> Thông thường, các nghiên cứu đều cho thấy bộ tách sóng sử dụng ước lượng ML đạt<br /> được phẩm chất SER tốt nhất, nhưng trả giá là độ phức tạp của phương pháp ước lượng<br /> tăng cao theo hàm mũ của bậc điều chế tín hiệu. Câu hỏi đặt ra là liệu phương pháp này có<br /> thực sự hiệu quả đối với các giá trị khác nhau của kênh truyền trong mô hình hệ thống này<br /> hay không? Để trả lời câu hỏi này, bài báo nghiên cứu các trường hợp phương pháp ML<br /> xẩy ra lỗi khi ước lượng như dưới đây.<br /> Phương trình (2) được viết lại như sau:<br /> 2<br /> ( xˆ1 , xˆ2 )  arg min h1 x1  h2 x2  h1 x1  h2 x2  n . (5)<br /> x1 , x2  A<br /> <br /> Từ phương trình (5), để ước lượng được chính xác cặp nghiệm ( xˆ1 , xˆ2 )  ( x1 , x2 ) điều<br /> kiện cần là<br /> h1 x1  h2 x2  h1 x1  h2 x2  0. (6)<br /> Điều kiện đủ, từ phương trình (6) luôn tìm được duy nhất một cặp nghiệm thỏa mãn<br /> điều kiện ( x1 , x2 )  ( x1 , x2 ) . Tuy nhiên, bài báo chỉ ra rằng, trong một số trường hợp của<br /> kênh truyền, phương trình (6) tồn tại nhiều hơn một nghiệm, dẫn đến lỗi khi ước lượng. Để<br /> chứng minh điều này, chúng ta giả thiết phương trình (6) tồn tại nghiệm<br /> ( x1 , x2 )  ( x1 , x2 ) . Không mất tính tổng quát, chúng ta chia cả hai vế phương trình (6) cho<br /> h1 để nhận được<br /> h2 h<br /> x1  x2  x1  2 x2  0. (7)<br /> h1 h1<br /> Đặt L  h2 / h1  ( x1  x1 ) / ( x2  x2 ) . Do các tín hiệu đều thuộc chòm sao 4-QAM nên<br />  x1  x1  và  x2  x2  thuộc tập các giá trị có khả năng xẩy ra là 2,  2 j ,  2  2 j ; vì vậy,<br /> L sẽ nhận một trong các giá trị 1,  j ,  1  j ,1/ (1  j ) . Do L  1/ (1  j ) chính là<br /> <br /> <br /> <br /> 78 N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho … mã hóa mạng phi tuyến.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> khi thay đổi tỷ số chia h2 / h1 bằng tỷ số chia h1 / h2 . Vì vậy, bài báo chỉ cần xem xét cho trường<br /> hợp L  1,  j ,  1  j .<br /> Như vậy, nếu tỷ số kênh truyền L  1,  j ,  1  j , phương trình (6) luôn nhận<br /> được ít nhất hai nghiệm, bao gồm ( x1 , x2 )  ( x1 , x2 ) và ( x1 , x2 )  ( x1 , x2 ) . Cho ví dụ, giả<br /> sử tỷ số kênh truyền L  1 , nghĩa là h1  h2 ; cặp tín hiệu phát là<br /> ( x1 , x2 )  (1  j ,  1  j ) . Trong trường hợp này phương trình (6) sẽ có hai nghiệm là<br /> ( x1 , x2 )  (1  j ,  1  j ) và ( x1 , x2 )  (1  j ,1  j ) . Vì vậy, quyết định ML trong<br /> phương trình (5) sẽ xẩy ra lỗi ít nhất là 50%, làm suy giảm phẩm chất SER của hệ thống.<br /> <br /> 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG<br /> VÀ MÃ HÓA MẠNG ML CẢI TIẾN EML-NC<br /> Trên thực tế, các hệ số của kênh truyền h1 và h2 biến thiên ngẫu nhiên, do vậy, giá trị<br /> L nhận được cũng biến thiên ngẫu nhiên và hiếm khi rơi vào các trường hợp<br /> L  {  1,  j ,  1  j} . Tuy nhiên, các giá trị xoay quanh các điểm này tương đối nhiều, cụ<br /> thể là L  {  1  l ,  j  l ,  1  j  l} , trong đó, l là một biến ngẫu nhiên phức được gọi<br /> là độ lệch hay thành phần dư của giá trị L .<br /> h<br /> Đặt L  2  Lz  l , với Lz và l được xác định như sau:<br /> h1<br /> 2<br /> h h<br /> Lz  Round ( 2 )  arg min 2  x ,<br /> h1 x( Z  jZ ) h1<br /> (8)<br /> h  h<br /> l  Res  2   2  Lz ,<br />  h1  h1<br /> Trong đó, Round   biểu thị là phép toán làm tròn về số nguyên phức gần với h2 / h1<br /> nhất; Res   là phép toán lấy phần dư của tỷ số h2 / h1 .<br /> Trong trường hợp Lz  {  1,  j, 1  j} ước lượng và mã hóa dựa vào ML-NC truyền<br /> thống sẽ gây ra lỗi, vì vậy bài báo đề xuất phương pháp ước lượng và ánh xạ mã hóa cải<br /> tiến EML-NC như sau:<br /> Chia hai vế phương trình (1) lần lượt cho h1 ta nhận được:<br /> y h n<br /> w1   x1  2 x2  . (9)<br /> h1 h1 h1<br /> Phương trình (9) viết lại thành<br /> n<br /> w1  x1  Lz x2  lx2  . (10)<br /> h1<br /> Thay vì ước lượng riêng rẽ x1 và x2 , chúng ta ước lượng cho tổng tỷ lệ ( x1  Lz x2 )<br /> của hai tín hiệu này như sau:<br /> 2<br /> ( xˆ )  arg min w1  x , (11)<br /> x A<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 79<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> trong đó x  x1  Lz x2 , chòm sao A được mô tả như trên hình 2 nếu Lz  {  1,  j} , hoặc<br /> hình 3 nếu Lz  {  1  j} .<br /> - Trường hợp Lz  1,  j :<br /> Chòm sao của tín hiệu ( x1  Lz x2 ) có dạng như hình 2, trong đó mô tả các vòng tròn từ<br /> 1 đến 9 biểu thị chòm sao của tín hiệu x1  Lz x2 .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Chòm sao của tín hiệu x1  Lz x2 với Lz  1,  j .<br /> Từ chòm sao tín hiệu x1  Lz x2 với Lz  1,  j được mô tả như trong hình 2, bài<br /> báo đề xuất phương pháp ánh xạ từ mã tại nút chuyển tiếp như trong bảng 1.<br /> Bảng 1. Ánh xạ từ mã xR tại nút chuyển tiếp.<br /> <br /> Điểm trên Ánh xạ từ mã<br /> Giá trị ước lượng x<br /> chòm sao xR<br /> {1,3,5,7} {  2  2 j , 2  2 j , 2  2 j ,  2  2 j} 1 j<br /> {2,6} {2 j ,  2 j} 1  j<br /> {4,8} {2,  2} 1 j<br /> {9} {0} 1  j<br /> <br /> 4<br /> <br /> 3<br /> <br /> 2<br /> Quadrature Amplitude<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 1<br /> <br /> 0<br /> <br /> -1<br /> <br /> -2<br /> <br /> -3<br /> <br /> -4<br /> -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4<br /> In-phase Amplitude<br /> <br /> <br /> Hình 3. Sơ đồ chòm sao của x1  Lz x2 và Lz x2 với Lz  1  j .<br /> <br /> <br /> <br /> 80 N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho … mã hóa mạng phi tuyến.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Tại đầu thu, mỗi nút đầu cuối nhờ biết được thông tin trạng thái kênh truyền Lz và<br /> thông tin của nó đã phát đi trong pha đầu tiên, từ đó giải mã để nhận được thông tin của<br /> nút đối tác.<br /> - Trường hợp Lz  1  j :<br /> Trên hình 3 biểu thị hình tròn từ 1 đến 12 là chòm sao của tín hiệu x1  Lz x2 , các hình<br /> vuông từ a đến d là biểu thị chòm sao của tín hiệu Lz x2 .<br /> Theo [22], chòm sao tín hiệu x1  Lz x2 với Lz  1  j không thể ánh xạ thành ký<br /> hiệu xR thuộc chòm sao 4-QAM. Để tối ưu cần ánh xạ thành dạng chòm sao 5-QAM như<br /> bảng 2.<br /> Bảng 2. Ánh xạ từ mã xR tại nút chuyển tiếp.<br /> Điểm trên Ánh xạ từ mã xR<br /> Giá trị ước lượng x<br /> chòm sao<br /> {1,6,7,12} {  1  3 j ,3  j ,  3  j ,1  3 j} 8 / 165  j 5 /11<br /> {2,8} {1  3 j ,  1  j} 16 / 165  j 3 / 55<br /> {3,9} {  3  j ,1  j} 8 / 165  j 5 /11<br /> {4,10} {-1  j ,3  j}  j 3 / 55<br /> {5,11} {1  j , 1  3 j} 16 / 165  j 3 / 55<br /> <br /> Tại đầu thu, mỗi nút đầu cuối nhờ biết được thông tin trạng thái kênh truyền Lz và<br /> thông tin của nó đã phát đi trong pha đầu tiên, từ đó giải mã để nhận được thông tin của<br /> nút đối tác.<br /> Mặt khác trong tiểu mục 2.2 cho thấy, bất kỳ tỷ số h2 / h1 hoặc h1 / h2 nếu thuộc tập<br /> {  1,  j ,  1  j} đều dẫn đến lỗi quyết định. Do vậy, bài báo đề xuất thuật toán dưới đây<br /> nhằm khắc phục những trường hợp xẩy ra lỗi để đạt được phẩm chất cao.<br /> Thuật toán 1. Ước lượng và mã hóa mạng EML-NC tại nút chuyển tiếp<br /> 1: Cho y, h1 , h2<br /> 2: Tính toán Lz1  Round (h2 / h1 ), l1  h2 / h1  Lz1<br /> 3: Tính toán Lz 2  Round (h1 / h2 ), l2  h1 / h2  Lz 2<br /> 4: Kiểm tra điều kiện 1, nếu | l1 || l2 | thì<br /> 5: Kiểm tra điều kiện 2, nếu | Lz1 |2  1 thì<br /> 6: Sử dụng phương trình ước lượng (11) và ánh xạ từ mã xR theo Bảng 1<br /> 7: Ngược lại điều kiện 2. Kiểm tra điều kiện 3, nếu | Lz1 |2  2 thì<br /> 8: Sử dụng phương trình ước lượng (11) và ánh xạ từ mã xR theo Bảng 2<br /> 9: Ngược lại các điều kiện 2, 3<br /> 10: Sử dụng phương trình ước lượng (2) và ánh xạ từ mã xR theo (3)<br /> 11: Kết thúc kiểm tra điều kiện 2, 3<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 81<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> 12: Ngược lại điều kiện 1<br /> 13: Kiểm tra điều kiện 4, nếu | Lz 2 |2  1 thì<br /> 14: Sử dụng phương trình ước lượng (11) và ánh xạ từ mã xR theo Bảng 1<br /> 15: Ngược lại điều kiện 4. Kiểm tra điều kiện 5, nếu | Lz 2 |2  2 thì<br /> 16: Sử dụng phương trình ước lượng (11) và ánh xạ từ mã xR theo Bảng 2<br /> 17: Ngược lại các điều kiện 4, 5<br /> 18: Sử dụng phương trình ước lượng (2) và ánh xạ từ mã xR theo (3)<br /> 19: Kết thúc kiểm tra các điều kiện 4, 5<br /> 20 Kết thúc kiểm tra điều kiện 1.<br /> <br /> 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH PHẨM CHẤT<br /> Phần này trình bày kết quả mô phỏng phẩm chất SER và thông lượng của phương pháp<br /> mã hóa mạng đề xuất EML-NC. Kết quả mô phỏng được so sánh với CQ-PNC trong [22]<br /> và ML-NC truyền thống làm việc trong chế độ 2 pha hoặc 3 pha truyền dẫn. Các kết quả<br /> tính toán được thực hiện tại nút chuyển tiếp trong pha đa truy nhập, trong đó, phương pháp<br /> điều chế 4-QAM được sử dụng. Thông lượng được tính theo công thức<br />   (1  FER) R log 2 M , trong đó, R là tốc độ truyền ký hiệu, M là bậc điều chế, FER<br /> là tỷ lệ lỗi khung với số ký hiệu trong mỗi một khung là 20 ký hiệu.<br /> Kết quả mô phỏng thể hiện trong hình 4 cho thấy, phương pháp đề xuất có phẩm chất<br /> SER tốt hơn so với các phương pháp khác cùng sử dụng 2 pha truyền dẫn. Cụ thể tại<br /> SER  103 phương pháp đề xuất nhận được độ lợi tăng ích khoảng 2.5 dB so với CQ-<br /> PNC trong [22] và tăng ích 2.0 dB so với ML-NC truyền thống. Mặt khác, nếu so với hệ<br /> thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng 3 pha truyền dẫn thì hệ thống đề xuất có phẩm chất<br /> SER tương đương khi SNR tăng cao.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. So sánh phẩm chất SER của phương pháp khác nhau.<br /> Hình 5 là kết quả so sánh thông lượng của hệ thống đề xuất so với các hệ thống khác.<br /> Kết quả cho thấy, hệ thống sử dụng phương pháp mã hóa mạng đề xuất EML-NC có thông<br /> lượng cao hơn so với ML-NC truyền thống và CQ-PNC trong [22]. Cụ thể, khi so với hệ<br /> thống sử dụng 2 pha truyền dẫn, tại SNR  15 dB hệ thống đề xuất hiệu quả hơn so với hệ<br /> thống CQ-PNC [22] khoảng 0.45 bít/khe thời gian và hiệu quả hơn khoảng 0.32 bít/khe<br /> <br /> <br /> 82 N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho … mã hóa mạng phi tuyến.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> thời gian khi so với ML-NC. Nếu so với hệ thống ML-NC sử dụng 3 pha truyền dẫn thì<br /> EML-NC có thông lượng tăng gấp 2 lần khi SNR  30dB .<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. So sánh hiệu quả thông lượng của các hệ thống khác nhau.<br /> <br /> 5. KẾT LUẬN<br /> Bài báo này xem xét một mô hình chuyển tiếp hai chiều đơn ăng ten, bao gồm hai nút<br /> đầu cuối trao đổi thông tin với nhau thông qua sự trợ giúp của một nút chuyển tiếp. Qua<br /> nghiên cứu sự tác động của tỷ số kênh truyền giữa hai nút đầu cuối và nút chuyển tiếp đến<br /> kết quả ước lượng ML truyền thống cho thấy, trong một số trường hợp, ước lượng ML xẩy<br /> ra lỗi quyết định, dẫn đến phẩm chất hệ thống bị suy giảm. Do vậy, bài báo đã đề xuất<br /> phương pháp ước lượng ML cải tiến, kết hợp với ánh xạ phi tuyến được gọi là (EML-NC).<br /> Mặc dù còn hạn chế do có trường hợp phải sử dụng ánh xạ điều chế 5-QAM để thay thế 4-<br /> QAM; Tuy nhiên, đề xuất này cho phép đạt được phẩm chất SER và thông lượng tốt hơn<br /> nhiều so với các phương pháp đề xuất trước đó.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. T. Cover and A. E. Gamal, "Capacity theorems for the relay channel," IEEE<br /> Transactions on Information Theory, vol. 25, pp. 572-584, 1979.<br /> [2]. M. Gastpar and M. Vetterli, "On the capacity of wireless networks: the relay case,"<br /> in Proceedings.Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and<br /> Communications Societies, 2002, pp. 1577-1586 vol.3.<br /> [3]. J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, "Cooperative diversity in wireless<br /> networks: Efficient protocols and outage behavior," IEEE Transactions on<br /> Information Theory, vol. 50, pp. 3062-3080, 2004.<br /> [4]. P. K. Sharma and P. K. Upadhyay, "Performance Analysis of Cooperative Spectrum<br /> Sharing With Multiuser Two-Way Relaying Over Fading Channels," IEEE<br /> Transactions on Vehicular Technology, vol. 66, pp. 1324-1333, 2017.<br /> [5]. S. Zhu, Q. Zhang, M. Peng, and W. Wang, "Capacity Analysis for Cooperative Two-<br /> Relay Channel," in 2007 IEEE 18th International Symposium on Personal, Indoor<br /> and Mobile Radio Communications, 2007, pp. 1-5.<br /> [6]. R. Y. Chang, S. J. Lin, and W. H. Chung, "On network coding and modulation<br /> mapping for three-phase bidirectional relaying," in Personal, Indoor, and Mobile<br /> Radio Communications (PIMRC), 2015 IEEE 26th Annual International Symposium<br /> on, 2015, pp. 191-196.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 83<br />  Kỹ thuật điều khiển & Điện tử<br /> <br /> [7]. Z. Fang and L. Zhang, "Three-phase differential transmission for two-way relay<br /> networks with direct link," in 2015 IEEE 5th International Conference on Electronics<br /> Information and Emergency Communication, 2015, pp. 297-300.<br /> [8]. S. Zhang and S. C. Liew, "Physical Layer Network Coding with Multiple Antennas,"<br /> in 2010 IEEE Wireless Communication and Networking Conference, 2010, pp. 1-6.<br /> [9]. P. Popovski and H. Yomo, "Physical Network Coding in Two-Way Wireless Relay<br /> Channels," in 2007 IEEE International Conference on Communications, 2007, pp.<br /> 707-712.<br /> [10]. J. Qin, Y. Zhu, and P. Zhe, "Broadband Analog Network Coding with Robust<br /> Processing for Two-Way Relay Networks," IEEE Communications Letters, vol. PP,<br /> pp. 1-1, 2017.<br /> [11]. Y. Yang, W. Chen, O. Li, and L. Hanzo, "Joint Rate and Power Adaptation for<br /> Amplify-and-Forward Two-Way Relaying Relying on Analog Network Coding,"<br /> IEEE Access, vol. 4, pp. 2465-2478, 2016.<br /> [12]. J. C. Park, I. Song, S. R. Lee, and Y. H. Kim, "Average rate performance of two-way<br /> amplify-and-forward relaying in asymmetric fading channels," Journal of<br /> Communications and Networks, vol. 13, pp. 250-256, 2011.<br /> [13]. H. Li, M. W. Liu, S. H. Song, and K. B. Letaief, "Optimality of amplify-and-forward<br /> based two-way relaying," in 2013 IEEE Wireless Communications and Networking<br /> Conference (WCNC), 2013, pp. 3715-3719.<br /> [14]. J. Zhou, X. Wang, and M. Li, "Performance Analysis for Decode-and-Forward Two-<br /> Way Relay Networks with Limited Feedback Beamforming," in 2014 IEEE 79th<br /> Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2014, pp. 1-5.<br /> [15]. Z. Hu, Z. Chen, and H. Li, "Performance analysis of joint decode-and-forward<br /> scheme for two-way relay channels," in 2013 47th Annual Conference on<br /> Information Sciences and Systems (CISS), 2013, pp. 1-6.<br /> [16]. A. Alsharoa, F. Bader, and M. S. Alouini, "Relay Selection and Resource Allocation<br /> for Two-Way DF-AF Cognitive Radio Networks," IEEE Wireless Communications<br /> Letters, vol. 2, pp. 427-430, 2013.<br /> [17]. K. Ntontin, M. D. Renzo, and C. Verikoukis, "Analog-Network-Coded Two-Way<br /> Relaying Under the Impact of CSI Errors and Network Interference," IEEE<br /> Transactions on Vehicular Technology, vol. 65, pp. 9029-9040, 2016.<br /> [18]. Y. T. Kim, K. Lee, Y. Jeon, and I. Lee, "Limited feedback designs for two-way<br /> relaying systems with physical network coding," Journal of Communications and<br /> Networks, vol. 17, pp. 463-472, 2015.<br /> [19]. C. Chen, L. Bai, Y. Yang, Y. Jin, and J. Choi, "Near optimal power allocation in<br /> two-way relay systems with physical layer network coding," IET Communications,<br /> vol. 9, pp. 1885-1893, 2015.<br /> [20]. X. Chen, H. Wang, W. Yang, G. Wang, and Z. Yan, "An Optimal Power Allocation<br /> for Two-Way Relay Channel Using Physical-Layer Network Coding," in<br /> Instrumentation & Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC),<br /> 2016 Sixth International Conference on, 2016, pp. 486-491.<br /> [21]. S. Zhang, Q. F. Zhou, C. Kai, and W. Zhang, "Channel quantization based physical-<br /> layer network coding," in 2013 IEEE International Conference on Communications<br /> (ICC), 2013, pp. 5137-5142.<br /> [22]. S. Zhang, Q. F. Zhou, C. Kai, and W. Zhang, "Full Diversity Physical-Layer<br /> Network Coding in Two-Way Relay Channels With Multiple Antennas," IEEE<br /> Transactions on Wireless Communications vol. 13, pp. 4273-4282, 2014.<br /> <br /> <br /> 84 N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho … mã hóa mạng phi tuyến.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> ABSTRACT<br /> PERFORMANCE IMPROVEMENT FOR TWO WAY RELAY NETWORK<br /> USING NONLINEAR NETWORK CODING MAPPING<br /> In this paper, a two way relay network scheme, using physical-layer network<br /> coding at the relay node, where all nodes are equipped single antenna is<br /> considered. The effective analysis of the channel ratio between the two end nodes to<br /> the relay node indicates that in some cases although the system uses maximum<br /> likelihood (ML) estimation, its performance is significantly decayed. Thus, in the<br /> paper, an improved ML estimation method, combined with nonlinear mapping, to<br /> achieve high performance is proposed. The simulation results show that compared<br /> to the three-phase transmission systems, the symbol error rate (SER) performance<br /> of the proposed system is equivalent while the throughput at the relay node<br /> increases double. Compared to the two phase system, combined the ML estimation<br /> with conventional Network Coding (NC), the proposed system has a gain of about 2<br /> dB.<br /> Keywords: Two way relay network; ML estimation; Network coding; Physical-layer network coding; Channel<br /> quantization.<br /> <br /> Nhận bài ngày 09 tháng 04 năm 2018<br /> Hoàn thiện ngày 08 tháng 06 năm 2018<br /> Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2018<br /> 1<br /> Địa chỉ: Học viện Kỹ thuật quân sự-BQP;<br /> 2<br /> Trung tâm Phát thanh Truyền hình Quân đội.<br /> *<br /> Email: nguyenhuuminh@tcu.edu.vn.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 85<br />