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

Bài viết đề xuất một hệ thống kết hợp kỹ thuật điều chế không gian (Spatial Modulation – SM) và mã hóa mạng lớp vật lý (Physical-layer Network Coding – PNC) nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số và thông lượng của hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Hệ thống kết hợp điều chế không gian và mã hóa mạng lớp vật lý cho thông tin vô tuyến chuyển tiếp hai chiềuNghiên cứu khoa học công nghệHỆ THỐNG KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN VÀ MÃ HÓA MẠNGLỚP VẬT LÝ CHO THÔNG TIN VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU Trần Xuân Nam* Tóm tắt: Bài báo đề xuất một hệ thống kết hợp kỹ thuật điều chế không gian (Spatial Modulation – SM) và mã hóa mạng lớp vật lý (Physical-layer Network Coding – PNC) nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số và thông lượng của hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp. Trong hệ thống SM-PNC, tác giả đề xuất một phương pháp mã hóa tổ hợp các bít được điều chế không gian từ hai nút đầu cuối lên các ăng-ten của nút chuyển tiếp. Đồng thời, mã hóa PNC cho điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) cũng được áp dụng cho các bít điều chế tín hiệu. So với hệ thống kết hợp khóa dịch không gian (Space Shift Keying – SSK) và PNC đã được đề xuất trước đó, hệ thống SM-PNC đạt được hiệu quả sử dụng phổ cao hơn, đồng thời lại yêu cầu sử dụng ít ăng-ten hơn. Phẩm chất hệ thống của SM-PNC sẽ được đánh giá và kiểm chứng với SSK-PNC thông qua các kết quả phân tích hiệu suất sử dụng phổ tần và mô phỏng tỉ lệ lỗi bit bằng phương pháp Monte-Carlo.Từ khóa: Thông tin vô tuyến, Mã hóa lớp vật lý PNC, Điều chế không gian, Khóa dịch không gian. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Xã hội hiện đại đang hướng tới một xã hội thông tin được kết nối bởi mạngInternet vạn vật (Internet of Things − IoT). Trong môi trường đó, thông tin vôtuyến được kỳ vọng sẽ là cơ sở hạ tầng kết nối các đối tượng sử dụng và thiết bịvới nhau. Để đáp ứng các yêu cầu trao đổi thông tin tốc độ cao đòi hỏi các hệthống thông tin vô tuyến phải có khả năng đạt được hiệu suất hay thông lượngtruyền dẫn cao. Các nghiên cứu tiên phong về thông tin vô tuyến gần đây cho thấy hệ thốngtruyền dẫn đa ăng-ten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) có khả năng đạtđược dung lượng hay hiệu suất sử dụng kênh truyền cao [1]. Các hệ thống MIMO cóthể được phân thành 3 loại chính bao gồm: ghép kênh phân chia theo không gian(Spatial Division Multiplexing – SDM), mã không gian-thời gian (Space-TimeCoding – STC) và điều chế không gian (Spatial Modulation – SM). Trong khi các kỹthuật MIMO-SDM, MIMO-STC đã được nghiên cứu và triển khai rộng rãi trong cáchệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến thì MIMO-SM là một kỹ thuật truyền dẫn mớiđược đề xuất và nghiên cứu [2]. Hệ thống MIMO-SM, bao gồm cả khóa dịch khônggian (Space-Shift Keying – SSK) [3], có ưu điểm là cho phép nâng cao hiệu suất sửdụng phổ thông qua việc sử dụng các chỉ số ăng-ten làm phương tiện mang (điềuchế) thông tin trong khi lại hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu giữa các ăng-ten cũngnhư không yêu cầu về đồng bộ giữa các ăng-ten. Vì vậy, MIMO-SM hiện được xemnhư một trong các kỹ thuật tiềm năng cho thông tin vô tuyến. Song song với việc triển khai rộng rãi các hệ thống truyền dẫn vô tuyến MIMOtập trung điểm-nối-điểm, các hệ thống vô tuyến MIMO phân tán sử dụng trạmchuyển tiếp cũng đã được nghiên cứu phát triển và đưa vào các chuẩn vô tuyến tiêntiến như thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) hay các mạng vô tuyến tùy biến (adhoc) [4]. Với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp, việc sử dụng thêm trạm chuyểntiếp dẫn đến phát sinh thêm khâu xử lý tại nút chuyển tiếp, làm tăng thêm trễTạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 41 Kỹ thuật điều khiển & Điện tửtruyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối. Với mô hình chuyển tiếp 2 chặng một nútchuyển tiếp thì để đảm bảo thông tin hai chiều cần tới 4 pha truyền dẫn so với 2pha trong hệ thống điểm-nối-điểm. Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến 2 chiều gần đâyđã được đề xuất và nghiên cứu rộng rãi trên thế giới nhằm giảm bớt các pha truyềndẫn. Trong đó, một kỹ thuật thực hiện chuyển tiếp 2 chiều nổi bật là mã hóa mạngở lớp vật lý (Physical-layer Network Coding – PNC) [5]. Thông qua xử lý đồngthời tín hiệu từ hai nút đầu cuối và thực hiện mã hóa ở dạng thích hợp rồi phátquảng bá ngược lại tới hai nút đầu cuối, PNC cho phép giảm số pha truyền dẫn từ 4xuống còn 2 pha giống như hệ thống điểm-nối-điểm. Việc áp dụng PNC vào các hệ thống truyền dẫn MIMO nhằm đạt được các lợiđiểm đồng thời của PNC và MIMO cũng đã thu hút được nhiều nghiên cứu trongthời gian gần đây [6]-[8]. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu trước mới tập trungchủ yếu vào kết hợp PNC với các hệ thống MIMO-SDM [6][7] và MIMO-STC [8].Việc kết hợp PNC với khóa dịch không gian (SSK) (viết tắt là SSK-PNC) gần đâycũng đã được đề xuất tại [9] và [10]. Trên cơ sở SSK công trình [9] đề xuất giảipháp ánh xạ mã hóa mạng kết hợp loại bỏ tạp âm (denoise) tại nút chuyển tiếp.Công trình [10] dựa trên giao thức khuếch đại-chuyển tiếp (Amplify-and-Forward– AF ) và bổ sung thêm giải pháp phân bổ côn ...