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

Bài viết này xem xét mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa mạng lớp vật lý tại nút chuyển tiếp, trong đó, tất cả các nút được trang bị đơn ăng ten. Nghiên cứu tác động của tỷ số kênh truyền giữa hai nút đầu cuối đến nút chuyển tiếp cho thấy, trong một số trường hợp, phẩm chất của hệ thống sử dụng ước lượng hợp lẽ cực đại (ML: Maximum Likelihood) bị suy giảm nghiêm trọng.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
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 NÂNG CAO PHẨM CHẤT CHO HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU SỬ DỤNG ÁNH XẠ MÃ HÓA MẠNG PHI TUYẾN Nguyễn Hữu Minh1,*, Phạm Văn Biển2, Trần Xuân Nam1 Tóm tắt: Bài báo này xem xét mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa mạng lớp vật lý tại nút chuyển tiếp, trong đó, tất cả các nút được trang bị đơn ăng ten. Nghiên cứu tác động của tỷ số kênh truyền giữa hai nút đầu cuối đến nút chuyển tiếp cho thấy, trong một số trường hợp, phẩm chất của hệ thống sử dụng ước lượng hợp lẽ cực đại (ML: Maximum Likelihood) bị suy giảm nghiêm trọng. Do vậy, bài báo đề xuất phương pháp ước lượng ML cải tiến, kết hợp với ánh xạ phi tuyến để đạt được phẩm tốt hơn cho hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy, so sánh với hệ thống truyền dẫn 3 pha, phẩm chất tỷ lệ lỗi ký hiệu (SER: Symbol Error Rate) của hệ thống đạt được tương đương, trong khi đó thông lượng tại nút chuyển tiếp tăng gấp đôi. Khi so sánh với hệ thống sử dụng ước lượng ML kết hợp với mã hóa mạng (NC: Network Coding) truyền thống (ML-NC) hai pha, hệ thống đề xuất có độ lợi tăng khoảng 2 dB. Từ khóa: Mạng chuyển tiếp hai chiều; Ước lượng ML; Mã hóa mạng; Mã hóa mạng lớp vật lý; Lượng tử kênh. 1. MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều trong đó gồm hai nút đầu cuối trao đổi thông tin với nhau thông qua một nút chuyển tiếp đã thu hút được nhiều sự quan tâm do nhiều lợi thế mà nó mang lại, như làm tăng khả năng mở rộng vùng phủ sóng, tăng hiệu quả sử dụng phổ cũng như hợp tác giữa các nút nhằm cải thiện phẩm chất và tăng dung lượng cho hệ thống [1-5]. Mạng chuyển tiếp hai chiều làm việc trong chế độ bán song công có thể được thực hiện trong hai hoặc ba pha truyền dẫn [6-9], trong đó, các hệ thống sử dụng hai pha truyền dẫn cho phép cải thiện hiệu quả phổ hơn so với hệ thống truyền dẫn ba pha. Trong pha thứ nhất của hệ thống hai pha, hai nút đầu cuối phát các bản tin của nó đến nút chuyển tiếp tại cùng một thời gian. Trong pha thứ hai, nút chuyển tiếp phát quảng bá thông tin nhận được trong pha thứ nhất đến các nút đầu cuối. Dựa vào thông tin đã biết của chính nó đã phát đi trong pha đầu tiên, mỗi nút đầu cuối có thể giải mã để khôi phục tín hiệu thu mong muốn. Phương pháp xử lý tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp trong thời gian pha thứ nhất có thể được thực hiện bằng: khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify and Forward) [10-13], hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF: Decode and Forward) [14-16]. Bên cạnh đó, các phương pháp như mã hóa mạng tương tự (ANC: Analog Network coding) [10, 17] và mã hóa mạng lớp vật lý (PNC: Physical-layer Network Coding) [18-22] cũng thu hút được nhiều sự quan tâm. Mặc dù PNC thực hiện phức tạp hơn so với ANC, tuy nhiên, PNC cho phép giảm tạp âm tại nút chuyển tiếp, do vậy, cải thiện được phẩm chất cho hệ thống. Trong bài báo này, chúng tôi xem xét một mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều bao gồm hai nút đầu cuối trao đổi thông tin với nhau thông qua một nút chuyển tiếp, trong đó tất cả các nút được trang bị đơn ăng ten, làm việc trong chế độ bán song công. Có nhiều công trình nghiên cứu liên quan đến mô hình này. Trong công trình [18] đã đề xuất phương pháp thiết kế hệ thống với giới hạn hồi tiếp, sử dụng mã hóa mạng lớp vật lý. Tuy nhiên, với đề xuất này, hệ thống trở nên phức tạp do cần phải truyền các thông tin hồi tiếp. Các công trình [19, 20] đã đề xuất phương pháp phân bổ công suất tối ưu cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều có áp dụng mã hóa mạng lớp vật lý. Mặc dù phẩm chất của hệ thống đạt được tối ưu, nhưng hệ thống trở nên phức tạp do máy phát yêu cầu biết trước thông tin trạng thái kênh truyền. Gần đây, trong các công trình [21, 22], các tác giả đã đề xuất phương pháp mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ phi tuyến để đạt được phẩm chất cao 76 N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho … mã hóa mạng phi tuyến.” Nghiên cứu khoa học công nghệ cho hệ thống có nhiều ăng ten tại nút chuyển tiếp. Tuy nhiên, đối với hệ thống đơn ăng ten tại nút chuyển tiếp, phẩm chất của hệ thống đạt được còn kém [22]. Bài báo này trước hết nghiên cứu sự tác động của kênh truyền đến lỗi ước lượng ML, từ đó đề xuất phương pháp ước lượng ML cải tiến, kết hợp với phương pháp ánh xạ phi tuyến nhằm khắc phục các trường hợp xẩy ra lỗi của ước lượng ML. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hệ thống sử dụng phương pháp ước lượng và ánh xạ mã hóa mạng đề xuất đạt được phẩm chất SER và thông lượng tốt hơn so với các phương pháp trước đó. Phần còn lại của bài báo được cấu trúc như sau: Mục 2 trình bày mô hình hệ thống và nghiên cứu các khả năng gây lỗi của bộ ước lượng ML. Mục 3 trình bày đề xuất phương pháp ước lượng và mã hóa mạng lớp vật lý cải tiến. Mục 4 trình bày các kết quả mô phỏng so sánh phẩm chất SER và thông lượng của các phương pháp khác nhau. Cuối cùng, mục 5 là kết luận của bài báo. 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1. Mô hình hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa mạng truyền thống dựa trên tách sóng ML Xét mô hình chuyển tiếp hai chiều được minh họa như trong hình 1, trong đó gồm hai nút đầu cuối S k (k  1, 2) trao đổi thông tin với nhau thông qua một nút chuyển tiếp R . Giả sử tất cả các nút được trang bị đơn ăng ten, làm việc trong chế độ bán song công và không tồn tại tia trực tiếp giữa hai nút đầu cuối. Hình 1. Mô hình mạng chuyển tiếp hai chiều. Quá trình truyền dẫn giữa hai nút đầu cuối được thực hiện trong hai pha, bao gồm pha đa truy nhập và pha quảng bá. Do pha quảng bá tương đương như hệ thống liên lạc điểm- điểm; vì vậy bài báo chỉ tập trung trình bày cho pha đa truy nhập. Tại khe thời gian của pha đa truy nhập, mỗi nút đầu cuối S k (k  1, 2) phát đồng thời bản tin của nó sk  (1  ) xk đến nút chuyển tiếp R, tr ...