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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH SÁCH HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH SÁCH BẢNG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC . . . . . . . . . . . . . . . . .
MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Chương
1.
v
vii
x
xiii
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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
i
24
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 . . . . . . . .
2.1. Mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ phi tuyến . . . . . . . . . . . . .
39
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 . . . . . . . . . .
3.1. Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
66
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
4.2.2. Thiết kế chòm sao (x(1) + Lx(2) ) và hàm quyết định Q̂(·) . .
99
4.3. Nghiên cứu độ phức tạp tính toán của ước lượng . . . . . . . . . . . . .
104
4.3.1. Nghiên cứu độ phức tạp của hàm quyết đinh Q̂(·) và 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
Đa đầu vào đa đầu ra
Input
Multiple
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
Mã khối không gian thời
PAM
Space-Time
Block Code
gian trực giao
Pulse Amplitude Modula-
Điều chế biên độ xung
tion
PNC
Physical-layer
Network
Mã hóa mạng lớp vật lý
Coding
QAM
Quadrature
Amplitude
Modulation
QPSK
Quadrature
Điều
chế
biên
độ
cầu
phương
Phase
Shift
Khóa dịch pha cầu phương
Quadrature Spatial Modu-
Điều chế không gian cầu
lation
phương
Keying
QSM
QOSTBC
R
Quasi-Orthogonal
Space-
Mã khối không gian thời
Time Block Code
gian cận trực giao
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
Loại bỏ nhiễu nối tiếp
Interference
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
Tách sóng không gian - thời
Laboratories
Layered Space-Time
gian tuần tự theo lớp của
Phòng thí nghiệm Bell
WiMAX
ZF
Worldwide Interoperability
Chuẩn tương tác mạng diện
for Microwave Access
rộng bằng sóng vô tuyến
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}.
2.3
Chòm sao của tín hiệu x1 + Lx2 và Lx2 , với L ∈ {±1 ± j} [67].
2.4
So sánh phẩm chất SER tại nút chuyển tiếp của các phương
. . . . . 44
45
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 STBCCQ-PNC so với CQ-PNC trong [67].
2.9
. . . . . . . . . . . . . . . 63
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 AL̄ 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
4.5
(1b)
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
AL̄≥0 của chòm sao tín hiệu (x1 + L̄x2 ) . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2
Tổng số điểm cL̄≥0 thuộc góc phần tư thứ nhất AL̄≥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 cL̄≥0 trong góc phần tư thứ nhất AL̄≥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
xi
. . 105
xii
4.6
Giá trị của AM,L̄ và BM theo M . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.7
Tổng hợp số lượng phép tính của hàm Q̂(·) và Q(·) phụ thuộc
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
∗
(·)
H
(·)
Phép lấy liên hợp phức
x∗
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
round(x)
Cn×m
Ma trận kích thước n×m
In×n
Ma trận đơn vị có kích
thước n × n
xiii
x − round(x)
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
- Xem thêm -