Tiến Sĩ Truyền dẫn MIMO trong các hệ thống vô tuyến hợp tác và chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC

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
iii
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 128DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Nghĩa Tiếng Anh Nghĩa Tiếng Việt
3GPP Third Generation Partner-
ship Project
Dự án hợp tác thế hệ 3
AWGN Additive White Gaussian
Noise
Tạp âm Gauss trắng cộng
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-
trial Radio Access Network
Mạng truy nhập vô tuyến
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
iiiiv
MAP Maximum A posteriori Prob-
ability
Xác suất hậu nghiệm cực đại
MANET Mobile Ad hoc Network Mạng Ad hoc di động
MIMO Multiple Input-Multiple
Output
Nhiều đầu vào-nhiều đầu ra
MISO Multiple Input-Single Out-
put
Nhiều đầu vào-một đầu ra
ML Maximum Likelihood Hợp lệ cực đại
MRT Maximal Ratio Transmission Phát tỷ lệ cực đại
MMSE Minimum Mean Square Er-
ror
Sai số bình phương trung
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-
ing
Mã hóa mạng lớp vật lý
QAM Quadrature Amplitude Mod-
ulation
Điều chế biên độ cầu phương
QPSK Quadrature Phase-Shift
Keying
Khóa dịch pha cầu phương
SDM Spatial Division Multiplex-
ing
Ghép kênh phân chia theo
không gian
SIMO Single Input – Multiple Out-
put
Một đầu vào-nhiều đầu ra
SINR Signal to Interference plus
Noise Ratio
Tỷ số công suất tín hiệu trên
công suất nhiễu cộng tạp âm
SNR Signal to Noise Ratio Tỷ số công suất tín hiệu trên
tạp âmv
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
Space Time
Hệ thống không gian thời
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
for Microwave Access
Tương thích toàn cầu qua
truy nhập vi-ba
ZF Zero Forcing Cưỡng bức về khôngDANH 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 λ i 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
vivii
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 92viii
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 . 112ix
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 . 118DANH 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
xDANH 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
tử trên đường chéo bằng 1 và
các phần tử khác bằng 0
I
N Số ăng-ten phát N
z Tạp âm z r
σ 2
Phương sai tạp âm
E {·} Phép tính kỳ vọng E {x}
Pr{·} Xác suất Pr{A<b}
f y {·} Phân bố xác suất có điều
kiện
kãk
2
2
Chuẩn Frobenious của ma
trận
kHk
2
2
t Chỉ số thời gian y(t)
κ Chỉ số chuyển tiếp tốt nhất
W Ma trận trọng số
H
sd
Kênh giữa nguồn và đích
xixii
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
trậnMỞ 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:
12
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 không3
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, các4
mạng truyền dữ liệu đã có xu thế chuyển dần từ mạng hữu tuyến sang mạng
vô tuyến (còn gọi là không dây). Các mạng truyền dữ liệu vô tuyến theo kiểu
ad-hoc đã có thể thấy ở khắp nơi từ các mạng dân dụng như các máy tính
cá nhân, mạng truyền dữ liệu công nghiệp, mạng cảm biến không dây, mạng
thông tin di động, đến cả các mạng thông tin quân sự như mạng kết nối hỏa
lực tác chiến thế hệ mới. Các nghiên cứu mã hóa mạng, vì vậy, cũng đã được
quan tâm và đề xuất cho các mạng truyền dữ liệu vô tuyến ad-hoc. Kỹ thuật
mã hóa mạng áp dụng cho mạng vô tuyến ad-hoc có đặc điểm riêng và được
thực hiện ở lớp vật lý thay cho lớp liên kết dữ liệu. Vì vậy, mã hóa mạng
kiểu này được gọi là mã hóa mạng lớp vật lý (PNC: Physical-layer Network
Coding).
Với tất cả sự tiến bộ về kỹ thuật truyền dẫn, mã hóa và kết nối mạng thì
việc ứng dụng mã hóa mạng lớp vật lý PNC vào các mạng ad-hoc vô tuyến
sử dụng chuyển tiếp hai chiều kết hợp truyền dẫn MIMO sẽ là một tất yếu
về phát triển công nghệ và đây thực sự là một chủ đề nghiên cứu có tính thời
sự chứa đựng cả ý nghĩa về khoa học và thực tiễn.
Luận án của nghiên cứu sinh được đặt ra trong bối cảnh nghiên cứu này
với nhiệm vụ phát triển các hệ thống truyền dẫn MIMO cho kênh vô tuyến
chuyển tiếp hai chiều (TWRC: Two-Way Relay Channel) sử dụng mã hóa
mạng PNC. Mục tiêu của luận án là đề xuất các hệ thống MIMO-PNC trên
kênh TWRC có thể đạt được tốc độ truyền dẫn cao và chất lượng truyền tín
hiệu tốt trong khi lại có độ phức tạp chấp nhận được hướng tới khả năng áp
dụng vào trong các hệ thống thực tế như hệ thống 4G/sau 4G hoặc các mạng
vô tuyến ad-hoc khác có sử dụng truyền dẫn MIMO.5
2. Các công trình nghiên cứu liên quan
Các nghiên cứu về NC được bắt đầu từ công trình quan trọng của Ahlswede
và đồng nghiệp năm 2000 [3] và đã thu hút một sự quan tâm lớn trong cộng
đồng nghiên cứu. Các tác giả chứng minh rằng có thể đạt được thông lượng
của một mạng phát đa điểm bằng cách thực hiện mã hóa tại các nút mạng
trung gian, mà với phương thức định tuyến truyền thống ta không thể đạt
được cho mạng phát đa điểm. Thay vì chỉ đơn thuần lưu trữ và chuyển tiếp
thông tin như trong phương thức truyền thống, mỗi nút mạng trung gian có
thể tổ hợp các gói tin từ các đầu vào của nó và biến thành một hoặc nhiều
gói tin ra các đầu ra của nó. Với hình thức này, NC cho phép các nút trung
gian sinh ra các gói tin mới, và nó có thể được xem là một dạng tổng quát
hóa của phương thức định tuyến trong mạng truyền thống. Như vậy, với sự tổ
hợp thông tin tại các nút trung gian, NC được xem là một hình thức truyền
thông hợp tác tại nút mạng. Năm 2003, Li và đồng nghiệp [31] đã chứng
minh được rằng đối với các mạng phát đa điểm chỉ cần sử dụng mã tuyến
tính là đủ để đạt được thông lượng, phương pháp này được gọi là mã mạng
tuyến tính (linear network coding). Cùng năm này, Koetter và Medard [29]
mở rộng kết quả này cho mạng bất kỳ và giới thiệu phương pháp đại số cho
NC. Phương pháp này thiết lập một kết nối hữu ích giữa một bài toán NC
với nghiệm của một số hệ phương trình đa thức. Song song với các phát triển
lý thuyết này của NC, Chou và đồng nghiệp trong năm 2003 [10] đề xuất
một phương pháp thực tiễn để thực hiện NC mà không cần thông tin tập
trung của tô-pô mạng hay là các hàm mã hóa/hàm giải mã; phương pháp
này gọi là “Practical network coding”. Ý tưởng chính các tác giả đưa ra để6
làm được điều đó là lồng ghép một véc-tơ mã hóa toàn cục (global encoding
vector) trong mỗi một gói tin. Như vậy, véc-tơ mã hóa này sẽ được lấy ra từ
những gói tin nhận được và dùng chính nó để giải mã các gói tin nhận được.
Phương pháp này cho phép áp dụng NC trong mạng phân tán (Distributed
network). Năm 2006, Ho và đồng nghiệp [24] kết hợp kết quả lý thuyết về mã
tuyến tính [29] và mô hình thực tiễn [10] để đề xuất một phương pháp phân
tán và ngẫu nhiên (Random linear network coding). Ho và đồng nghiệp cũng
đã chứng minh được rằng dung năng của mạng có thể đạt được tốc độ lũy
thừa theo độ dài của mã với xác suất tiến đến một.
Từ sự đóng góp tiên phong của Ahlswede và đồng nghiệp, NC đã trở thành
một lĩnh vực nghiên cứu lớn trong lý thuyết thông tin do nó có nhiều ứng
dụng trong mạng truyền thông. Với sự xuất hiện của NC và sự nhận định về
các tiềm năng của nó, hiện nay có rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm đến
NC. Hội thảo đầu tiên trên thế giới về NC đã được tổ chức năm 2005- First
Network Coding Workshop (NetCod 2005) - và từ sau đó chuyển thành hội
nghị thường niên của hiệp hội IEEE - International Symposium on Network
Coding (http://www.netcod2012.org/). Năm 2012, Hội nghị quốc tế về các
công nghệ tiên tiến trong truyền thông (ATC2012) tại Hà Nội cũng đã tổ chức
một hội thảo chuyên đề về mã hóa mạng và mời GS. Raymond W. Yeung,
một trong các nhà phát minh về mã hóa mạng ở công trình [31] về trình bày
báo cáo trọng tâm.
Mã hóa mạng lớp vật lý (PNC: Physical layer Network Coding) lần đầu
tiên được đề xuất bởi Zhang và các cộng sự trong [78] năm 2006 cho mạng
vô tuyến ad-hoc. PNC được đưa ra như một thay thế cho mô hình mã mạng
nguyên thủy áp dụng đối với mạng vô tuyến. Ý tưởng của PNC là tạo ra một7
công cụ tương tự như NC nhưng tại lớp vật lý với việc thu và giải điều chế
các tín hiệu dạng sóng, thay vì với các bit số. Bằng cách sử dụng kỹ thuật
điều chế và giải điều chế phù hợp, thao tác cộng các thành phần tín hiệu có
thể được ánh xạ sang thành cộng các bit dữ liệu. PNC cho phép gia tăng
thông lượng hơn NC thông thường. Phần lớn các lý thuyết và các kỹ thuật
được phát triển cho NC thông thường có thể được điều chỉnh để áp dụng cho
PNC.
Khác với NC thông thường, trong đó mã hóa các bit thông tin sau khi
nhận được chúng, PNC coi tính chất xếp chồng (cộng tính) của các sóng điện
từ (tín hiệu) như một phép mã hóa tự nhiên. Thực tế là khi có nhiều sóng
điện từ trong cùng một không gian vật lý thì chúng sẽ được cộng vào với
nhau. Sự trộn lẫn các sóng điện từ, thường được coi là hiện tượng gây nhiễu,
lại chính là một dạng mã hóa mạng tuyến tính [3], [31]. PNC là một kỹ thuật
tập trung vào việc biến mã hóa mạng tự nhiên ở dạng can nhiễu vô tuyến
trở thành có ích để sử dụng. Trong kênh TWRC, PNC đã được chỉ ra có thể
cải thiện thông lượng của hệ thống lên đến 50% [78]. Ngoài ra, sự kết hợp
của PNC cho các giao thức điều khiển truy nhập vô tuyến (MAC: Medium
Access Control) và các thiết kế lớp mạng cũng được nghiên cứu trong [78].
Với khả năng ứng dụng tiềm năng và lợi ích to lớn mà PNC mang lại, từ
năm 2006 đến nay đã có rất nhiều nghiên cứu tiếp theo tập trung vào PNC
[4], [5], [33], [37], [42], [53], [54], [62], [64], [65], [73], [75], [76]. Tại Việt Nam,
PNC cũng đang được nghiên cứu trong khuôn khổ Nhiệm vụ nghị định thư
với Cộng hòa Pháp được tài trợ bởi Bộ Khoa học và Công nghệ do PGS.TS.
Nguyễn Linh Trung chủ trì.
Việc sử dụng PNC trong các hệ thống MIMO có thể mang lại hai lợi ích đó8
là: cải thiện hiệu năng thông lượng và/hoặc giảm độ phức tạp xử lý. Zhang
và cộng sự trong công trình [74] đã đề xuất một hệ thống SIMO-PNC cho
kênh TWRC sử dụng tách tín hiệu tuyến tính tại các nút trung gian để thu
được chất lượng tín hiệu tốt với độ phức tạp cho phép. Trong đề xuất này nút
chuyển tiếp trích xuất các thành phần tổng và hiệu của hai gói dữ liệu nhận
được từ hai đầu cuối và sau đó mã hóa chúng thành các gói mã hóa mạng
để chuyển tiếp. Trong [11] Chung và cộng sự đã đề xuất sử dụng tách tín
hiệu tuyến tính cưỡng bức về không (ZF: Zero Forcing) và sai số bình phương
trung bình nhỏ nhất (MMSE: Minimum Mean Square Error) cho tín hiệu điều
chế biên độ cầu phương (QAM: Quadrature Amplitude Modulation). Zhang
và cộng sự trong [77] đã đề xuất MIMO-PNC với tách tín hiệu không gian
thời gian phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs (V-BLAST: Vertical Bell
Labs Layered Space Time). Trong công trình [18] Gao và cộng sự đã xem xét
một hệ thống chuyển tiếp hai chiều đa ăng-ten kết hợp lựa chọn ăng-ten tại
nút chuyển tiếp. Trong công trình này, truyền dẫn tín hiệu được thực hiện
nhờ phương pháp sử dụng phương pháp mã hoá trước (precoding) ZF nhằm
thu được độ lợi phân tập của hệ thống. Trong một công trình gần đây [70],
Yuan và cộng sự đã nghiên cứu đánh giá dung lượng kênh truyền cho một mô
hình MIMO-PNC dựa trên phân chia không gian (SDM) trong đó các nút
mạng đều sử dụng đa ăng-ten. Trong mô hình này, mã hoá PNC không sử
dụng toán tử XOR và việc tách tín hiệu tại nút chuyển tiếp được thực hiện
nhờ phương pháp chiếu hình lên các không gian con nhằm tách ra hai thành
phần mã hoá PNC hoàn toàn trực giao và không trực giao. Tuy nhiên, do chỉ
quan tâm đến dung lượng kênh truyền nên các tác giả chưa đưa ra phương
pháp xử lý tín hiệu tại các nút đích. Zhuo và cộng sự trong công trình [82]9
đã phân tích việc sử dụng giải mã hợp lệ cực đại (ML: Maximum Likelihood)
tối ưu tại chuyển tiếp với nhiều ăng-ten và kết luận rằng mô hình này là tốt
hơn nhiều so với mô hình khuếch đại và chuyển tiếp. To và cộng sự trong
công trình [55] đã phân tích tỷ lệ lỗi symbol của hệ thống trong đó hai nút
đầu cuối được trang bị là hai ăng-ten và chuyển tiếp chỉ có một ăng-ten, sử
dụng mã khối không gian-thời gian. Kết quả của mô hình đề xuất này là thu
được bậc phân tập bằng hai. Xu và cộng sự trong công trình [67] cũng đã
nghiên cứu hệ thống MIMO-PNC với mã không gian-thời gian. Nút chuyển
tiếp và hai nút đầu cuối được trang bị là hai ăng-ten. Yang và cộng sự trong
công trình [68] đã nghiên cứu các kỹ thuật mã hóa trước tuyến tính (linear
precoding). Các tác giả đã chỉ ra rằng mô hình đề xuất mã hóa trước dựa vào
mã lưới lồng ghép có thể tiếp cận gần với đường bao dung lượng cut-set
1
của
MIMO TWRC. Công trình [71] đã khảo sát mô hình MIMO ANC (Analog
Network Coding) trong đó các nút chuyển tiếp sử dụng đa ăng-ten và hai nút
đầu cuối chỉ có một ăng-ten. Công trình [13] xem xét một hệ thống di động
trong đó trạm gốc liên lạc với nhiều người sử dụng thông qua chuyển tiếp.
Các trạm gốc và chuyển tiếp được trang bị nhiều ăng-ten trong khi người sử
dụng đầu cuối được trang bị một ăng-ten. Các công trình [26], [39], [44], [48],
[52], [69] , [81] đã nghiên cứu hệ thống có nhiều chuyển tiếp nối liền hai nút
đầu cuối. Khi có nhiều chuyển tiếp nối liền hai nút đầu cuối, hoặc là một
chiến lược lựa chọn chuyển tiếp, hoặc nhiều chuyển tiếp có thể làm việc với
nhau như một hệ thống MIMO phân tán.
Từ phân tích nói trên, nghiên cứu sinh nhận thấy còn một số vấn đề mở
đối với các hệ thống sử dụng PNC trên kênh TWRC mà nghiên cứu sinh có
1
Trong mạng không nhớ sử dụng mã hóa mạng, đường bao cut-set chính là tổng dung lượng của các liên kết.10
thể tập trung nghiên cứu như sau:
ã Ngoại trừ công trình [70] mới chỉ đề xuất đến các kỹ thuật xử lý ở phía
phát và nút chuyển tiếp chưa có một công trình nào nghiên cứu hoàn
chỉnh nào ứng dụng kỹ thuật PNC trong các hệ thống MIMO-SDM cho
kênh TWRC. Như đã phân tích ở trên, các hệ thống MIMO-SDM hiện
đã trở thành chuẩn giao diện vô tuyến cho các hệ thống thông tin vô
tuyến tiên tiến nên việc nghiên cứu đề xuất sử dụng MIMO-SDM cho
kênh TWRC sử dụng PNC có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Luận án
tiếp cận vấn đề này trên cơ sở sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu có độ
phức tạp thấp.
ã Đối với kênh TWRC sử dụng kỹ thuật PNC, theo hiểu biết của nghiên
cứu sinh thì ngoài công trình [67] đã đề xuất áp dụng sử dụng STBC và
tách tín hiệu hợp lệ cực đại (ML: Maximum Likelihood) cho trường hợp
tất cả các nút đều sử dụng đa ăng-ten ra các nghiên cứu khác vẫn còn
hạn chế. Luận án tiếp cận hướng nghiên cứu mở này trên cơ sở sử dụng
các kỹ thuật xử lý tín hiệu tuyến tính có độ phức tạp thấp thay cho các
bộ tách tín hiệu ML ở [67]. Do các bộ tách tín hiệu tuyến tính có khả
năng tích hợp với các thuật toán thích nghi dễ dàng hơn nên đề xuất của
luận án không chỉ có ý nghĩa về khoa học mà cả thực tiễn ứng dụng cao.
ã Với các hệ thống sử dụng kết hợp MIMO và PNC trên kênh TWRC,
trong phạm vi hiểu biết của nghiên cứu sinh hiện tại vẫn chưa có công
trình nghiên cứu nào đề cập đến bài toán lựa chọn nút chuyển tiếp trung
gian. Luận án giải quyết bài toán mở này bằng các thuật toán đề xuất
mới kết hợp với ứng dụng các thuật toán sử dụng cho kênh truyền thông