Đang tải... (xem toàn văn)
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.
Nghiên cứu khoa học công nghệ HỆ THỐNG KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ KHƠNG GIAN VÀ MÃ HĨA MẠNG LỚP VẬT LÝ CHO THÔNG TIN VÔ TUYẾN CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU Trần Xuân Nam* Tóm tắt: Bài báo đề xuất hệ thống kết hợp kỹ thuật điều chế không gian (Spatial Modulation – SM) mã hóa mạng lớp vật lý (Physical-layer Network Coding – PNC) nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần số thông lượng hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp Trong hệ thống SM-PNC, tác giả đề xuất phương pháp mã hóa tổ hợp bít điều chế khơng gian từ hai nút đầu cuối lên ăng-ten nút chuyển tiếp Đồng thời, mã hóa PNC cho điều chế QAM (Quadrature Amplitude Modulation) áp dụng cho bít điều chế tín hiệu So với hệ thống kết hợp khóa dịch khơng gian (Space Shift Keying – SSK) PNC đề xuất trước đó, hệ thống SM-PNC đạt hiệu sử dụng phổ cao hơn, đồng thời lại yêu cầu sử dụng ăng-ten Phẩm chất hệ thống SM-PNC đánh giá kiểm chứng với SSK-PNC thông qua kết phân tích hiệu suất sử dụng phổ tần mơ tỉ lệ lỗi bit phương pháp Monte-Carlo Từ khóa: Thơng tin vơ tuyến, Mã hóa lớp vật lý PNC, Điều chế khơng gian, Khóa dịch khơng gian ĐẶT VẤN ĐỀ Xã hội đại hướng tới xã hội thông tin kết nối mạng Internet vạn vật (Internet of Things − IoT) Trong môi trường đó, thơng tin vơ tuyến kỳ vọng sở hạ tầng kết nối đối tượng sử dụng thiết bị với Để đáp ứng yêu cầu trao đổi thông tin tốc độ cao đòi hỏi hệ thống thơng tin vơ tuyến phải có khả đạt hiệu suất hay thơng lượng truyền dẫn cao Các nghiên cứu tiên phong thông tin vô tuyến gần cho thấy hệ thống truyền dẫn đa ăng-ten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) có khả đạt dung lượng hay hiệu suất sử dụng kênh truyền cao [1] Các hệ thống MIMO phân thành loại bao gồm: ghép kênh phân chia theo không gian (Spatial Division Multiplexing – SDM), mã không gian-thời gian (Space-Time Coding – STC) điều chế không gian (Spatial Modulation – SM) Trong kỹ thuật MIMO-SDM, MIMO-STC nghiên cứu triển khai rộng rãi hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến MIMO-SM kỹ thuật truyền dẫn đề xuất nghiên cứu [2] Hệ thống MIMO-SM, bao gồm khóa dịch khơng gian (Space-Shift Keying – SSK) [3], có ưu điểm cho phép nâng cao hiệu suất sử dụng phổ thông qua việc sử dụng số ăng-ten làm phương tiện mang (điều chế) thông tin lại hạn chế ảnh hưởng nhiễu ăng-ten không yêu cầu đồng ăng-ten Vì vậy, MIMO-SM xem kỹ thuật tiềm cho thông tin vô tuyến Song song với việc triển khai rộng rãi hệ thống truyền dẫn vô tuyến MIMO tập trung điểm-nối-điểm, hệ thống vô tuyến MIMO phân tán sử dụng trạm chuyển tiếp nghiên cứu phát triển đưa vào chuẩn vô tuyến tiên tiến thông tin di động hệ thứ (5G) hay mạng vô tuyến tùy biến (ad hoc) [4] Với hệ thống vô tuyến chuyển tiếp, việc sử dụng thêm trạm chuyển tiếp dẫn đến phát sinh thêm khâu xử lý nút chuyển tiếp, làm tăng thêm trễ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 41 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử truyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối Với mơ hình chuyển tiếp chặng nút chuyển tiếp để đảm bảo thơng tin hai chiều cần tới pha truyền dẫn so với pha hệ thống điểm-nối-điểm Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến chiều gần đề xuất nghiên cứu rộng rãi giới nhằm giảm bớt pha truyền dẫn Trong đó, kỹ thuật thực chuyển tiếp chiều bật mã hóa mạng lớp vật lý (Physical-layer Network Coding – PNC) [5] Thơng qua xử lý đồng thời tín hiệu từ hai nút đầu cuối thực mã hóa dạng thích hợp phát quảng bá ngược lại tới hai nút đầu cuối, PNC cho phép giảm số pha truyền dẫn từ xuống pha giống hệ thống điểm-nối-điểm Việc áp dụng PNC vào hệ thống truyền dẫn MIMO nhằm đạt lợi điểm đồng thời PNC MIMO thu hút nhiều nghiên cứu thời gian gần [6]-[8] Tuy nhiên, cơng trình nghiên cứu trước tập trung chủ yếu vào kết hợp PNC với hệ thống MIMO-SDM [6][7] MIMO-STC [8] Việc kết hợp PNC với khóa dịch khơng gian (SSK) (viết tắt SSK-PNC) gần đề xuất [9] [10] Trên sở SSK cơng trình [9] đề xuất giải pháp ánh xạ mã hóa mạng kết hợp loại bỏ tạp âm (denoise) nút chuyển tiếp Cơng trình [10] dựa giao thức khuếch đại-chuyển tiếp (Amplify-and-Forward – AF ) bổ sung thêm giải pháp phân bổ công suất kết hợp với đánh giá hiệu hệ thống kênh pha-đinh Nakagami Điểm hạn chế hai cơng trình sử dụng SSK nên hiệu suất phổ hệ thống SSK-PNC bị hạn chế số lượng ăng-ten sử dụng Giả thiết hai nút đầu cuối nút chuyển tiếp sử dụng chung số lượng ăng-ten N a hiệu suất sử dụng phổ đạt log2 N a bpcu1 Do giới hạn không gian nên thiết bị đầu cuối vô tuyến gắn nhiều ăng-ten Do đó, hiệu suất sử dụng hệ thống SSK-PNC khơng thể đạt cao vậy, tốc độ truyền dẫn hệ thống bị hạn chế Trong cơng trình nghiên cứu này, tác giả đề xuất mơ hình kết hợp SM với PNC (viết tắt SM-PNC) nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần kênh truyền So với cơng trình [9] [10], tác giả đề xuất sử dụng SM thay cho SSK hai nút đầu cuối nút chuyển tiếp Nhờ sử dụng SM nên hiệu suất sử dụng phổ kênh truyền hệ thống đề xuất đạt log2 N a log2 Mc bpcu, đó, Mc bậc điều chế tín hiệu sử dụng Ngồi ưu điểm cải thiện hiệu suất sử dụng phổ hệ thống đề xuất cho phép giảm bớt số lượng ăng-ten cần sử dụng so sánh hiệu suất sử dụng phổ Phẩm chất lỗi SM-PNC so với SSK-PNC đánh giá so sánh thông qua kết mô Monte-Carlo để làm sở cho việc lựa chọn hệ thống thực tế Phần lại báo trình bày sau Mơ hình hệ thống SMPNC trình bày so sánh với hệ thống SSK-PNC Mục Mục trình bày phương pháp tách tín hiệu thực ánh xạ nút chuyển tiếp xử lý tín hiệu hai nút đầu cuối cho hệ thống SM-PNC đề xuất Kết mô phân tích đánh giá kiểm chứng trình bày Mục cuối kết luận rút Mục Bit per channel use (bpcu): đơn vị đánh giá hiệu suất sử dụng phổ tổng qt thơng qua số bit truyền lần sử dụng kênh 42 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ MƠ HÌNH HỆ THỐNG Xét hệ thống vô tuyến chuyển tiếp gồm chặng nút chuyển tiếp với nút đầu cuối Ni ,(i 1, 2) nút chuyển tiếp R mô tả hình Hình Mơ hình hệ thống SM-PNC Việc truyền dẫn nút thực thông qua phương thức chuyển tiếp chiều với pha truyền dẫn: pha đa truy nhập (Multiple Access – MA) pha quảng bá (Broadcast – BC) Trong pha MA, hai nút đầu cuối truyền tín hiệu đồng thời đến nút chuyển tiếp R Tại nút chuyển tiếp, tín hiệu thu từ hai nút đầu cuối tách mã hóa thành tín hiệu dạng mã hóa mạng (network coding) Phương thức mã hóa mạng sử dụng mơ hình mã hóa mạng lớp vật lý (PNC) Tín hiệu mã hóa mạng PNC sau phát quảng bá đến hai nút đầu cuối pha BC Dựa tín hiệu PNC thu tín hiệu thân, nút đầu cuối thực tách lấy tín hiệu từ phía nút đầu cuối phía ngược lại Chi tiết phương pháp truyền sử dụng SM, mã hóa mạng PNC phương pháp tách tín hiệu nút đầu cuối trình bày chi tiết phần Trong mơ hình xem xét, để đơn giản giả thiết tất nút thực phát mức công suất, tức là, P1 P2 PR P Giả thiết tương đương với tỉ số công suất tín hiệu tạp âm (Signal-to-Noise Ratio – SNR) thu nút Trong thực tế, khoảng cách nút khác nên tỉ số SNR thay đổi với nút Tuy nhiên, hệ thống sử dụng điều khiển công suất giả thiết áp dụng Kênh truyền nút giả thiết chịu ảnh hưởng pha-đinh Rayleigh phẳng, mơ hình hóa biến ngẫu nhiên phức có phân bố chuẩn với kỳ vọng phương sai đơn vị Tức là, ký hiệu kênh truyền ăng-ten thứ n nút đầu cuối Ni với ăng-ten (i ) (i ) thứ m nút chuyển tiếp R ngược lại tương ứng hmn hnm ta viết (i ) (i ) {hmn , hnm } c (0,1) Số lượng ăng-ten hai nút đầu cuối giả thiết N Số lượng ăng-ten nút chuyển tiếp R M Để phù hợp với điều chế SM, N M chọn nguyên biểu diễn dạng lũy thừa số Để đơn giản cho biểu diễn không tính tổng qt, phạm vi trình bày báo, giả thiết N M Việc lựa chọn M để thuận lợi cho điều chế không gian nút chuyển tiếp giải thích Mục 2.2.1 Mặc dù nút có số lượng ăng-ten lớn 1, máy thu phát nút giả thiết trang bị mạch cao tần (Radio Frequency – RF) Việc chuyển mạch kết nối mạch RF với ăng-ten kích Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 43 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử hoạt phát giả thiết đủ nhanh cho khơng có trễ chuyển mạch ăng-ten Tạp âm nút ký hiệu tương ứng z i z r với {zi , zr } c (0,1) 2.1 Pha đa truy nhập (MA) Trong pha MA, hai nút đầu cuối truyền đồng thời tín hiệu tới nút chuyển tiếp Tín hiệu hai nút tín hiệu điều chế SM Dữ liệu tới nút đầu cuối phân thành khối có độ dài na nc bit, na log2 N nc log2 M c , với Mc bậc điều chế Dựa giả thiết N nên na M c nên nc Xét khối bít liệu b1(i ), b2(i ), b3(i ) Tại nút Ni bít thứ b1(i ) dùng để lựa chọn hai ăng-ten trang bị để phát; hai bít b2(i ), b3(i ) ánh xạ lên điểm tín hiệu sơ đồ điều chế Mc -QAM Như vậy, hiệu suất sử dụng phổ trường hợp SM-PNC log2 N log2 Mc bpcu Trong đó, hệ thống đề xuất [9][10] với số lượng ăng-ten đạt hiệu suất SSK-PNC log2 N bpcu Nếu so hiệu suất sử dụng phổ bpcu hệ thống SSK-PNC cần sử dụng tới ăng-ten nút đầu cuối Hạn chế làm cho hệ thống SSK-PNC khó áp dụng thực tiễn, đặc biệt hệ thống truyền dẫn tốc độ cao Do b1(i ) {0,1} nên tương ứng b1(i ) ta có ăng-ten thứ kích hoạt b1(i ) ăng-ten thứ hai Như vậy, ký hiệu véc-tơ kích hoạt ăngten tương ứng với hai giá trị b1(i ) ta có {[1, 0]T ,[0, 1]T } Do Mc nên 4-QAM sử dụng để điều chế hai bit b2(i ), b3(i ) thành symbol phát si Véc-tơ tín hiệu phát từ hai nút đầu cuối biểu diễn bởi: xi aisi Ký hiệu ma trận kênh truyền nút Ni nút chuyển tiếp R H ir 42 với (i ) phần tử hmn định nghĩa Do máy thu giả thiết có mạch RF nên thời điểm có ăng-ten thu nối đến mạch RF Việc sử dụng ăng-ten thu định thuật toán lựa chọn ăng-ten thích hợp Tuy nhiên, phạm vi báo vấn đề lựa chọn ăng-ten không xét đến Vì vậy, ăng-ten lựa chọn thu tín hiệu Nếu ký hiệu véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu nút chuyển tiếp cr {[1, 0, 0, 0]T ,[0,1, 0, 0]T ,[0, 0,1, 0]T ,[0, 0, 0,1]T } tín hiệu thu máy thu nút chuyển tiếp R biểu diễn sau: (1) yr 1cTr H 1r a1s1 2cTr H 2r a2s2 zr , đó, 1 2 ký hiệu tỉ số SNR tương ứng với tín hiệu thu từ hai nút đầu cuối nút chuyển tiếp zr c (0,1) tạp âm nút chuyển tiếp Để thực tiện tách tối ưu tín hiệu từ nút đầu cuối, nút chuyển tiếp sử dụng tách tín hiệu hợp lệ cực đại (Maximum Likelihood – ML) Bộ tách ML thực thuật toán vét cạn với (1) (2) , hmn } Giả thiết ăng-ten tổ hợp tín hiệu phát {s1, s2 } tổ hợp kênh truyền {hmn thu m lựa chọn để thu tín hiệu từ hai nút đầu cuối, tương ứng với véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu cr xác định Giả thiết nút chuyển tiếp ước 44 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” Nghiên cứu khoa học công nghệ (i ) lượng xác kênh truyền hmn Như vậy, luật định dựa cự ly Euclid cực tiểu tách ML biểu diễn sau: {(sˆ1, sˆ2 ),(a1,lˆ, a2,kˆ )} arg yr {s1 ,s2 } ; 1crT H 1r a1,l s1 2 2crT H 2r a2,k s2 (2) l 1,2;k 1,2 đó, ký hiệu tập hợp giá trị symbol điều chế 4-QAM, a1,l a2,k véc-tơ giá trị với ai,1 =[1, 0]T ai,2 =[0, 1]T Từ luật định ML công thức (2), nút chuyển tiếp ước lượng cặp symbol phát (sˆ1, sˆ2 ) cặp véc-tơ kích hoạt ăng-ten aˆ1 aˆ1,lˆ aˆ2 aˆ2,kˆ 2.2 Ánh xạ PNC Khác với mã hóa mạng (Network Coding) thực mã hóa mức bit (lớp mạng), mã hóa mạng PNC thực mã hóa tín hiệu lớp vật lý, tức dạng tín hiệu (symbol) thành tín hiệu kết hợp cho nút đầu cuối tách dễ dàng Đối với hệ thống đề xuất dựa tín hiệu thu lớp vật lý, nút chuyển tiếp R cần phải thực mã hóa symbol ước lượng sˆ1, sˆ2 cặp véc-tơ kích hoạt ăng-ten đầu cuối aˆ1, aˆ2 thành symbol mã hóa mạng để phát quảng bá Chi tiết phương pháp thực mã hóa PNC trình bày 2.2.1 Ánh xạ PNC cho bít lựa chọn ăng-ten Để thực ánh xạ véc-tơ kích hoạt ăng-ten ước lượng aˆ1, aˆ2 thành dạng tín hiệu SM, tác giả đề xuất sử dụng thông tin ăng-ten phát nút chuyển tiếp để mang thông tin Tương ứng với tổ hợp aˆ1, aˆ2 có ăng-ten nút chuyển tiếp kích hoạt Ký hiệu véc-tơ kích hoạt ăng-ten phát nút chuyển tiếp ar ([1, 0, 0, 0]T ,[0,1, 0, 0]T ,[0, 0,1, 0]T ,[0, 0, 0,1]T ) với véc-tơ tổ hợp ar , p ,(p 1,2, 3, 4) Như vậy, phép ánh xạ PNC bít lựa chọn ăng-ten biểu diễn sau: (a1,1 [1, 0]T , a2,1 [1, 0]T ) ar ,1 [1, 0, 0, 0]T (a1,1 [1, 0]T , a2,2 [0,1]T ) ar ,2 [0,1, 0, 0]T (a1,2 [0,1]T , a2,1 [1, 0]T ) ar ,3 [0, 0,1, 0]T (3) (a1,2 [0,1]T , a2,2 [0,1]T ) ar ,4 [0, 0, 0,1]T 2.2.2 Ánh xạ PNC cho symbol điều chế QAM Để minh họa cho phương pháp mã hóa PNC, ký hiệu tập symbol số ký hiệu toán tử nhị phân tổng quát (khơng thiết phải thực theo bít) Với symbol số mi , m j kết mi m j mk Ký hiệu tập symbols điều chế mức tín hiệu tốn tử kết hợp nhị phân Với symbol tín hiệu ei , e j ei e j ek , với có số thành phần tổ hợp lớn Ký hiệu f : hàm ánh xạ điều chế 1-1 cho f (mi ) ei , i Phép ánh xạ ngược ký hiệu h: , phép ánh xạ nhiều-1 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 45 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Do tín hiệu QAM điều chế pha biên độ nên việc áp dụng trực tiếp phương pháp mã hóa PNC thông qua hàm ánh xạ f h khơng thể Tuy nhiên, tín hiệu QAM tách thành tín hiệu thành phần đồng pha (kênh I) vuông pha (kênh Q) dạng điều chế biên độ (Pulse Amplitude Modulation – PAM) nên áp dụng mã hóa PNC cho kênh Dựa ý tưởng này, tác giả cơng trình số [5] đề xuất phương pháp ánh xạ PNC tổng quát cho tín hiệu QAM Với số mức biên độ kênh L Mc / tập symbol số {0,1, 2, ,(L 1)} , phép ánh xạ f cho công thức sau [5]: f (mi ) ei 2mi (L 1) (4) Do tín hiệu PAM kết hợp với cho ta tín hiệu PAM với biên độ tổng biên độ tín hiệu thành phần nên ta có ei e j ei e j Giả thiết toán tử PNC thực cho tập sau: mi m j (mi m j ) mod L Lúc tồn phép ánh xạ ngược h sau [5]: ei e j h(ek ) h(ei e j ) mod L (5) Bảng minh họa kết phép ánh xạ cho trường hợp tín hiệu PAM mức ( L ), tương ứng với tín hiệu kênh điều chế 4-QAM Bảng Ánh xạ cho mã hóa PNC cho tín hiệu 2-PAM mi mj ei ej ei e j h(ei e j ) mi m j 0 -1 -1 -2 0 -1 1 1 -1 1 1 1 0 Dựa nguyên lý ánh xạ trình bày để áp dụng PNC cho hệ thống đề xuất áp dụng trình truyền dẫn chiều kênh I kênh Q Tuy nhiên, tín hiệu thu nút chuyển tiếp pha MA tổng tín hiệu 4-QAM từ hai nút đầu cuối bao gồm hai thành phần tổng tín hiệu kênh I Q riêng biệt nên q trình xử lý khơng cần thay đổi Sau ước lượng symbol sˆ1, sˆ2 , cần thực xử lý riêng cho kênh riêng biệt Ký hiệu: sˆ1I Re(sˆ1 ); sˆ2I Re(sˆ2 ); sˆ1Q Im(sˆ1 ); sˆ2Q Im(sˆ2 ) , với Im(.) Re(.) biểu diễn tương ứng phép toán lấy phần thực phần ảo Lúc này, thành phần đồng pha vng pha symbol PNC thu là: sˆQ sˆQ sˆI sˆI 2 mod srI mod ; srQ 2 (6) Như vậy, symbol tín hiệu 4-QAM mã hóa mạng nút chuyển tiếp biểu diễn sr srI jsrQ Symbol tín hiệu sau phát qua ăng-ten lựa chọn dựa véc-tơ kích hoạt ăng-ten ar thu trình bày 46 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” Nghiên cứu khoa học công nghệ 2.3 Pha phát quảng bá (BC) Trong pha BC, nút chuyển tiếp R thực phát quảng bá symbol PNC sr tới hai nút đầu cuối N1, N2 Sử dụng biểu diễn tương tự pha MA, thu tín hiệu hai nút đầu cuối sau: y1 1cT1r H r 1ar sr z1 , (7) y2 2cT2r H r 2ar sr z (8) đó, c1r c2r tương ứng véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu hai nút đầu cuối, c1r , c2r {[1, 0]T ,[0,1]T } ; H r 1, H r 42 ma trận kênh truyền từ nút chuyển tiếp tới hai nút đầu cuối, z1, z1 c (0,1) tương ứng tạp âm nút N1, N2 Với giả thiết véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu xác định, tức c1r c1r c2r c2r nút đầu cuối ước lượng xác kênh truyền nút chuyển tiếp với chúng sử dụng tách tín hiệu ML tối ưu để ước lượng đồng thời symbol phát sr véc-tơ kích hoạt ăng-ten phát ar sau: Tại nút Ni ,(i 1, 2) : {sˆr , ar ,lˆ} arg yi 1ciT H riar ,l sr s ; l 1,2,3,4 (9) đó, tập giá trị sr xác định theo Bảng Do sr srI jsrQ thành phần srI srQ nhận giá trị tập {0,1} nên {0,1, j,1 j } Từ giá trị ước lượng sˆr , ar ,lˆ nút đầu cuối dựa thơng tin tín hiệu phát để tách thơng tin nút đối tác Cụ thể từ ước lượng ar ,lˆ , sử dụng công thức (3) để ánh xạ ngược lại tổ hợp véc-tơ kích hoạt phát hai nút sau xác định véc-tơ kích hoạt phát nút đối tác Ví dụ: trường hợp ar ,lˆ ar ,2 [0,1, 0, 0]T , ta có a1,1 [1, 0]T , a2,2 [0,1]T , nhờ nút N1 xác định a2,2 [0,1]T suy bˆ1(2) ; tương tự N2 xác định a [1, 0]T suy bˆ(2) 1,1 Để thực giải mã sˆr sử dụng lại tốn tử mã hóa PNC nút chuyển tiếp mr mi m j (mi m j ) mod L Để ước lượng symbol nút N2 , nút N1 tính ˆ m1 m ˆ r (m ˆ r m1 ) mod L m Tương tự nút N2 ước lượng ˆ m2 m ˆ r (m ˆ r m2 ) mod L Do mã hóa PNC sr thực riêng m cho kênh I Q nên việc giải mã sˆr cần thực tương tự để xác định sˆ1I , sˆ1Q sˆ2I , sˆ2Q Tiếp theo sử dụng giải điều chế 4-QAM, nút đầu cuối ước lượng bit liệu phát bˆ2(1), bˆ3(1) bˆ2(2), bˆ3(2) KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Để thực đánh giá hiệu hệ thống đề xuất sử dụng mô MonteCarlo để xác định phẩm chất lỗi thông qua tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate) Mơ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 47, 02 - 2017 47 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử hình hệ thống sử dụng để đánh giá mơ hình SM-PNC mơ tả Mục với tham số N , M (cấu hình 2-4-2), sử dụng điều chế 4-QAM có hiệu suất sử dụng phổ bpcu Kênh truyền nút đầu cuối với nút chuyển tiếp kênh pha-đinh Rayleigh phẳng giả thiết ước lượng hồn hảo Kết mô tỉ lệ BER hệ thống minh họa hình Để đánh giá so sánh kiểm chứng đường BER hệ thống liên quan gồm SSK-PNC cấu hình 2-4-2 (1 bpcu), 4-16-4 SM-PNC (2 bpcu) sử dụng điều chế BPSK, biểu diễn hình vẽ Hình Phẩm chất BER hệ thống SM-PNC hệ thống liên quan Từ hình vẽ rút nhận xét sau Thứ nhất, việc sử dụng kết hợp SM giúp hệ thống PNC tăng hiệu sử dụng phổ lại gây thiệt hại phẩm chất BER Mức độ thiệt hại tỉ lệ nghịch với gia tăng hiệu suất sử dụng phổ Ví dụ, với cấu hình hệ thống tăng hiệu suất sử dụng phổ lên bpcu (SMPNC, BPSK) phẩm chất BER hệ thống SM-PNC thang Eb / N giảm khoảng dB Tương tự, để đạt hiệu suất sử dụng phổ bpcu phẩm chất BER hệ thống SM-PNC chịu thiệt hại khoảng dB so với hệ thống SSKPNC với bpcu Tuy nhiên, so sánh phẩm chất BER hệ thống SM-PNC SSK-PNC hiệu suất phổ bpcu thấy phẩm chất đạt hệ thống SM-PNC đề xuất có phẩm chất BER tốt khoảng dB Quan sát hình vẽ thấy phẩm chất BER hệ thống SSK-PNC bpcu tương đương với phẩm chất hệ thống SM-PNC bpcu Tuy nhiên, hệ thống SSKPNC cần sử dụng tới 16 ăng-ten nút chuyển tiếp hệ thống SM-PNC đề xuất cần sử dụng ăng-ten Nếu tăng lên bpcu số ăng-ten yêu cầu sử dụng nút chuyển tiếp cho SSK-PNC tăng lên tới 64 nên không thực tế Đây lý tác giả không mô biểu diễn kết cho trường hợp hình vẽ Một đặc điểm rút ta từ hình vẽ ảnh hưởng lỗi giải điều chế không gian lớn so với giải điều chế tín hiệu Điều nhận thấy từ hình so sánh hai đường SSK-PNC bpcu với bpcu SM-PNC 48 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” Nghiên cứu khoa học công nghệ bpcu với bpcu Khi tăng lên bpcu hệ thống SSK-PNC chịu thiệt hại khoảng dB hệ thống SM-PNC thiệt hại khoảng dB Đây nhược điểm hệ thống SSK so với SM số lượng điểm tín hiệu tăng lên nhiều Xét chặng chuyển tiếp bpcu, hệ thống SSK-PNC có 64 điểm tín hiệu ngẫu nhiên chòm khơng gian hệ thống SM-PNC có điểm tín hiệu ngẫu nhiên chòm khơng gian điểm tín hiệu xác định chòm tín hiệu (BPSK) Nhận xét dẫn đến kết luận tiếp tục tăng hiệu suất sử dụng phổ hệ thống SSK-PNC có phẩm chất nhiều so với hệ thống SM-PNC với số lượng ăng-ten bậc điều chế thích hợp KẾT LUẬN Trong báo này, tác giả đề xuất mô hình hệ thống SM-PNC cho hệ thống thơng tin vơ tuyến chuyển tiếp chiều thông qua kết hợp điều chế khơng gian (SM) với mã hóa mạng lớp vật lý (PNC) So với hệ thống SSK hiệu suất sử dụng phổ hệ thống đề xuất cho phép cải thiện đáng kể phẩm chất BER Ngoài ra, hệ thống đề xuất có ưu điểm so với hệ thống SSK-PNC yêu cầu số lượng ăng-ten sử dụng nên thích hợp với hệ thống thơng tin vơ tuyến thực tế Ngồi hệ thống SM SSK, nghiên cứu gần việc sử dụng kỹ thuật SM suy rộng (Generalized SM – GSSK) [11] SSK suy rộng (Generalized SM – GSM) [12] với nhiều ăng-ten kích hoạt cho phép giảm số lượng ăng-ten cần sử dụng Do kích hoạt nhiều ăng-ten đồng thời để phát liệu nên hệ thống GSSK GSM cho phép giảm số lượng ăng-ten sử dụng Tuy nhiên, xuất nhiễu liên kênh (Inter-Channel Interference – ICI) nên cần thực giải pháp tách tín hiệu kết hợp triệt nhiễu Vì vậy, việc áp dụng GSM GSSK với PNC chủ đề nghiên cứu có ý nghĩa khoa học tốt cần tiếp tục giải Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 102.02-2015.23 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] T X Nam L M Tuấn, “Kỹ thuật xử lý không gian thời gian,” NXB Khoa học & Kỹ thuật, 2013 [2] R Y Mesleh et al "Spatial modulation." IEEE Trans on Vehicular Technology, Vol 57, No 4, pp 2228-2241, 2008 [3] J Jeganathan et al "Space shift keying modulation for MIMO channels," IEEE Trans on Wireless Communications, Vol 8, No 7, pp 3692-3703, 2009 [4] A Nosratinia, T E Hunter, and A Hedayat, “Cooperative communication in wireless networks,” IEEE Commun Magazine, Vol 42, No 10, 74-80, 2004 [5] S Zhang, S C Liew, and P P Lam, “Hot topic: Physical-layer network coding,” Proc of the 12th Annual International Conference on Mobile Computing and Networking, Los Angeles, CA, USA, pp 358-365, 2006 [6] S Zhang, and S C Liew, “Physical layer network coding with multiple antennas,” Proc of 2010 IEEE Wireless Communication and Networking Conference, pp 1-6, 2010 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 49 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử [7] D H Vu, and X N Tran, “Physical network coding for bidirectional relay MIMO-SDM system,” Proc 2013 International Conference on Advanced Technologies for Communications (ATC 2013), pp 141-146, 2013 [8] X N Tran, V B Pham, D H Vu, and Y Karasawa, “Design of Two-Way Relay Network Using Space-Time Block Coded Network Coding with Relay Selection,” IEICE Trans Fund of Elect., Commun and Comput Sci., Vol 98, No 8, pp 1657-1666, 2015 [9] X Xie, Z Zhao, M Peng, W Wang, (2012, September) “Spatial modulation in two-way network coded channels: Performance and mapping optimization,” Proc 2012 IEEE 23rd Int’l Symp on Personal, Indoor and Mobile Radio Commun., pp 72-76, 2012 [10] M Wen, X Cheng, H V Poor and B Jiao, "Use of SSK Modulation in TwoWay Amplify-and-Forward Relaying," IEEE Trans on Vehic Tech., Vol 63, No 3, pp 1498-1504, 2014 [11] J Jeganathan, A Ghrayeb, and L Szczecinski "Generalized space shift keying modulation for MIMO channels," Proc IEEE 19th Int’l Symp on Personal, Indoor and Mobile Radio Comm., pp 1-5, 2008 [12] A Younis et al "Generalised spatial modulation." Proc IEEE 2010 The 44th Asilomar Conf on Signals, Systems and Computers, pp 1-5, 2010 ABSTRACT COMBINED SPATIAL MODULATION AND PHYSICAL-LAYER NETWORK CODING FOR BIDIRECTIONAL RELAY COMMUNICATION SYSTEMS In this paper, a combined Spatial Modulation (SM) and Physical-layer Network Coding (PNC) system which improves spectral efficiency and network throughput of relay communication systems are proposed The proposed SM-PNC system performs encoding of spatially modulated bits from the two end nodes into antenna indeces of the relay Also, PNC for Quadrature Amplitude Modulation (QAM) is also applied to modulated symbols Compared with the combined Space Shift Keying (SSK) and PNC system, the proposed SM-PNC system achieves higher spectral efficiency while requiring the fewer number of antennas The performance of the SMPNC system is analyzed and compared with that of the SSK-PNC using spectral efficiency analysis and simulated bit error rate Wireless Communications, Physical-layer Network Coding, Spatial Modulation, Space Shift Keywords: Leying Nhận ngày 15 tháng 12 năm 2016 Hoàn thiện ngày 07 tháng 01 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 02 năm 2017 Địa chỉ: * Khoa Vô tuyến Điện tử, Học viện Kỹ thuật quân ; Email: namtx@mta.edu.vn 50 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” ... hình hệ thống SM-PNC cho hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp chiều thông qua kết hợp điều chế khơng gian (SM) với mã hóa mạng lớp vật lý (PNC) So với hệ thống SSK hiệu suất sử dụng phổ hệ thống. .. quát thông qua số bit truyền lần sử dụng kênh 42 Trần Xuân Nam, Hệ thống kết hợp điều chế không gian vô tuyến chuyển tiếp hai chiều. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ MƠ HÌNH HỆ THỐNG Xét hệ thống. .. chuyển tiếp, tín hiệu thu từ hai nút đầu cuối tách mã hóa thành tín hiệu dạng mã hóa mạng (network coding) Phương thức mã hóa mạng sử dụng mơ hình mã hóa mạng lớp vật lý (PNC) Tín hiệu mã hóa mạng