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

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 41 HỆ THỐNG KẾT HỢP ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN VÀ MÃ HÓA MẠNG LỚP 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 mạng Internet vạn vật (Internet of Things − IoT). Trong môi trường đó, thông tin vô tuyến được kỳ vọng sẽ là cơ sở hạ tầng kết nối các đối tượng sử dụng và thiết bị với nhau. Để đáp ứng các yêu cầu trao đổi thông tin tốc độ cao đòi hỏi các hệ thống thông tin vô tuyến phải có khả năng đạt được hiệu suất hay thông lượng truyền dẫn cao. Các nghiên cứu tiên phong về thông tin vô tuyến gần đây cho thấy hệ thống truyền dẫn đa ăng-ten MIMO (Multiple-Input Multiple-Output) có khả năng đạt được dung lượng hay hiệu suất sử dụng kênh truyền cao [1]. Các hệ thống MIMO có thể 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-Time Coding – STC) và điều chế không gian (Spatial Modulation – SM). Trong khi các kỹ thuật MIMO-SDM, MIMO-STC đã được nghiên cứu và triển khai rộng rãi trong các hệ thống thông tin vô tuyến tiên tiến thì MIMO-SM là một kỹ thuật truyền dẫn mới được đề xuất và nghiên cứu [2]. Hệ thống MIMO-SM, bao gồm cả khóa dịch không gian (Space-Shift Keying – SSK) [3], có ưu điểm là cho phép nâng cao hiệu suất sử dụng phổ thông qua việc sử dụng các chỉ số ăng-ten làm phương tiện mang (điều chế) thông tin trong khi lại hạn chế được ảnh hưởng của nhiễu giữa các ăng-ten cũng như không yêu cầu về đồng bộ giữa các ăng-ten. Vì vậy, MIMO-SM hiện được xem như 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 MIMO tập trung điểm-nối-điểm, các hệ thống vô tuyến MIMO phân tán sử dụng trạm chuyển tiếp cũng đã được nghiên cứu phát triển và đưa vào các chuẩn vô tuyến tiên tiến như thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) hay các mạng vô tuyến tùy biến (ad hoc) [4]. Với các hệ thống vô tuyến chuyển tiếp, việc sử dụng thêm trạm chuyển tiếp dẫn đến phát sinh thêm khâu xử lý tại nút chuyển tiếp, làm tăng thêm trễ Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” 42 truyền dẫn từ đầu cuối đến đầu cuối. Với mô hình chuyển tiếp 2 chặng một nút chuyển tiếp thì để đảm bảo thông tin hai chiều cần tới 4 pha truyền dẫn so với 2 pha trong hệ thống điểm-nối-điểm. Kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến 2 chiều gần đây đã được đề xuất và nghiên cứu rộng rãi trên thế giới nhằm giảm bớt các pha truyền dẫn. Trong đó, một kỹ thuật thực hiện chuyển tiếp 2 chiều nổi bật là mã hóa mạng ở lớp vật lý (Physical-layer Network Coding – PNC) [5]. Thông qua xử lý đồng thời tín hiệu từ hai nút đầu cuối và thực hiện mã hóa ở dạng thích hợp rồi phát quảng bá ngược lại tới hai nút đầu cuối, PNC cho phép giảm số pha truyền dẫn từ 4 xuống 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 lợi điểm đồng thời của PNC và MIMO cũng đã thu hút được nhiều nghiên cứu trong thời gian gần đây [6]-[8]. Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu trước mới tập trung chủ 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 đây cũng đã được đề xuất tại [9] và [10]. Trên cơ sở SSK công trình [9] đề xuất giải pháp 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 công suất kết hợp với đánh giá hiệu năng hệ thống trên kênh pha-đinh Nakagami. Điểm hạn chế của hai công trình này là do sử dụng SSK nên hiệu suất phổ của hệ thống SSK-PNC bị hạn chế bởi số lượng ăng-ten sử dụng. Giả thiết cả hai nút đầu cuối và nút chuyển tiếp đều sử dụng chung số lượng ăng-ten aN như nhau thì hiệu suất sử dụng phổ đạt được là 2log aN bpcu 1. Do giới hạn về không gian nên các thiết bị đầu cuối vô tuyến không thể gắn được nhiều ăng-ten. Do đó, hiệu suất sử dụng của cả hệ thống SSK-PNC không thể đạt được cao và vì vậy, tốc độ truyền dẫn của hệ thống bị hạn chế. Trong công trình nghiên cứu này, tác giả đề xuất mô hình kết hợp SM với PNC (viết tắt là SM-PNC) nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng phổ tần của kênh truyền. So với công trình [9] và [10], tác giả đề xuất sử dụng SM thay cho SSK tại cả hai nút đầu cuối và nút chuyển tiếp. Nhờ sử dụng SM nên hiệu suất sử dụng phổ kênh truyền của hệ thống đề xuất có thể đạt được bằng 2 2log loga cN M bpcu, trong đó, cM là bậc điều chế tín hiệu sử dụng. Ngoài ưu điểm về cải thiện hiệu suất sử dụng phổ thì hệ thống đề xuất còn cho phép giảm bớt số lượng ăng-ten cần sử dụng khi so sánh tại cùng hiệu suất sử dụng phổ. Phẩm chất lỗi của SM-PNC so với SSK-PNC sẽ được đánh giá và so sánh thông qua các kết quả mô phỏng Monte-Carlo để làm cơ sở cho việc lựa chọn hệ thống thực tế. Phần còn lại của bài báo được trình bày như sau. Mô hình của hệ thống SM- PNC sẽ được trình bày và so sánh với hệ thống SSK-PNC ở Mục 2. Mục 3 trình bày phương pháp tách tín hiệu và thực hiện ánh xạ tại nút chuyển tiếp cũng như xử lý tín hiệu tại hai nút đầu cuối cho hệ thống SM-PNC đề xuất. Kết quả mô phỏng và các phân tích đánh giá kiểm chứng được trình bày ở Mục 4 và cuối cùng các kết luận sẽ được rút ra ở Mục 5. 1 Bit per channel use (bpcu): đơn vị đánh giá hiệu suất sử dụng phổ tổng quát thông qua số bit có thể truyền trong một lần sử dụng kênh. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 43 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG Xét một hệ thống vô tuyến chuyển tiếp gồm 2 chặng một nút chuyển tiếp với các nút đầu cuối N ,( 1,2)i i  và nút chuyển tiếpR như mô tả trên hình 1. Hình 1. Mô hình hệ thống SM-PNC. Việc truyền dẫn giữa các nút được thực hiện thông qua phương thức chuyển tiếp 2 chiều với 2 pha truyền dẫn: pha đa truy nhập (Multiple Access – MA) và 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 được từ hai nút đầu cuối sẽ được tách và mã hóa thành tín hiệu ở dạng mã hóa mạng (network coding). Phương thức mã hóa mạng sử dụng trong mô hình là mã hóa mạng ở lớp vật lý (PNC). Tín hiệu được mã hóa mạng PNC sau đó được phát quảng bá đến hai nút đầu cuối trong pha BC. Dựa trên tín hiệu PNC thu được và tín hiệu của bản thân, các nút đầu cuối thực hiện tách lấy tín hiệu từ phía nút đầu cuối phía ngược lại. Chi tiết về phương pháp truyền sử dụng SM, mã hóa mạng PNC và phương pháp tách tín hiệu tại các nút đầu cuối sẽ được trình bày chi tiết trong phần dưới đây. Trong mô hình xem xét, để đơn giản giả thiết tất cả các nút thực hiện phát cùng một mức công suất, tức là, 1 2 RP P P P   . Giả thiết này tương đương với tỉ số công suất tín hiệu trên tạp âm (Signal-to-Noise Ratio – SNR) thu tại các nút là như nhau. Trong thực tế, do khoảng cách giữa các nút là khác nhau nên tỉ số SNR có thể thay đổi với từng nút. Tuy nhiên, nếu hệ thống sử dụng điều khiển công suất thì giả thiết này vẫn có thể áp dụng được. Kênh truyền giữa các nút được giả thiết chịu ảnh hưởng của pha-đinh Rayleigh phẳng, vì vậy có thể được mô hình hóa bằng một biến ngẫu nhiên phức có phân bố chuẩn với kỳ vọng bằng 0 và phương sai đơn vị. Tức là, ký hiệu kênh truyền giữa ăng-ten thứ n của các nút đầu cuối Ni với ăng-ten thứ m của nút chuyển tiếp R và ngược lại tương ứng là ( )imnh và ( )i nmh ta có thể viết ( ) ( ){ , } (0,1)i imn nm ch h   . Số lượng ăng-ten của hai nút đầu cuối được giả thiết như nhau và bằng N . Số lượng ăng-ten của nút chuyển tiếp R bằng M . Để phù hợp với điều chế SM, cả N và M được chọn là một nguyên có thể biểu diễn ở dạng lũy thừa cơ số 2. Để đơn giản cho biểu diễn và không mất tính tổng quát, trong phạm vi trình bày của bài báo, giả thiết 2N  và 4M  . Việc lựa chọn 4M  để thuận lợi cho điều chế không gian tại nút chuyển tiếp như sẽ được giải thích ở Mục 2.2.1 dưới đây. Mặc dù các nút có số lượng ăng-ten lớn hơn 1, nhưng các máy thu phát tại các nút được giả thiết chỉ được trang bị một mạch cao tần (Radio Frequency – RF). Việc chuyển mạch kết nối mạch RF với các ăng-ten được kích Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” 44 hoạt phát được giả thiết là đủ nhanh sao cho không có trễ chuyển mạch ăng-ten. Tạp âm tại các nút được ký hiệu tương ứng là iz và rz với { , } (0,1)i r cz z   . 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 của hai nút đều là tín hiệu được điều chế SM. Dữ liệu tới các nút đầu cuối được phân thành từng khối có độ dài a cn n bit, trong đó 2logan N và 2logc cn M , với cM là bậc của điều chế. Dựa trên giả thiết 2N  nên 1an  và 4cM  nên 2cn  . Xét một khối 3 bít dữ liệu ( ) ( ) ( ) 1 2 3, , i i ib b b . Tại nút Ni bít thứ nhất ( )1 ib được dùng để lựa chọn một trong hai ăng-ten được trang bị để phát; hai bít tiếp theo ( ) ( )2 3, i ib b được ánh xạ lên một điểm tín hiệu trong sơ đồ điều chế -QAMcM . Như vậy, hiệu suất sử dụng phổ trong trường hợp này là SM-PNC 2 2log log 3 bpcucN M    . Trong khi đó, các hệ thống đề xuất ở [9][10] với cùng số lượng ăng-ten chỉ đạt được hiệu suất SSK-PNC 2log 1 bpcuN   . Nếu so tại cùng hiệu suất sử dụng phổ bằng 3 bpcu thì các hệ thống SSK-PNC cần sử dụng tới 8 ăng-ten tại các nút đầu cuối. Hạn chế này làm cho hệ thống SSK-PNC khó có thể được áp dụng trong thực tiễn, đặc biệt là trong các hệ thống truyền dẫn tốc độ cao. Do ( )1 {0,1} ib  nên tương ứng ( )1 0 ib  ta có ăng-ten thứ nhất được kích hoạt và ( )1 1 ib  sẽ là ăng-ten thứ hai. Như vậy, nếu ký hiệu ia là véc-tơ kích hoạt ăng- ten thì tương ứng với hai giá trị của ( )1 ib ta có {[1, 0] ,[0, 1] }T Ti a . Do 4cM  nên 4-QAM được sử dụng để điều chế hai bit ( ) ( )2 3, i ib b thành một symbol phát is . Véc-tơ tín hiệu phát đi từ hai nút đầu cuối có thể được biểu diễn bởi: i i isx a . Ký hiệu ma trận kênh truyền giữa nút Ni và nút chuyển tiếp R là 4 2 ir H  với các phần tử ( )imnh như đã định nghĩa ở trên. Do máy thu được giả thiết chỉ có một mạch RF nên tại một thời điểm chỉ có một ăng-ten thu được nối đến mạch RF. Việc sử dụng ăng-ten thu nào có thể được quyết định bởi một thuật toán lựa chọn ăng-ten thích hợp. Tuy nhiên, trong phạm vi bài báo này vấn đề lựa chọn ăng-ten không được xét đến. Vì vậy, ăng-ten bất kỳ sẽ được lựa chọn thu tín hiệu. Nếu ký hiệu véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu của nút chuyển tiếp là {[1,0,0,0] ,[0,1, 0,0] ,[0, 0,1, 0] ,[0, 0, 0,1] }T T T Tr c thì tín hiệu thu được tại máy thu của nút chuyển tiếp R có thể được biểu diễn như sau: 1 1 1 1 2 2 2 2 T T r r r r r ry s s z   c H a c H a , (1) trong đó, 1 và 2 ký hiệu tỉ số SNR tương ứng với tín hiệu thu từ hai nút đầu cuối tại nút chuyển tiếp và (0,1)r cz   là tạp âm tại nút chuyển tiếp. Để thực tiện tách tối ưu tín hiệu từ 2 nút đầu cuối, nút chuyển tiếp sử dụng bộ tách tín hiệu hợp lệ cực đại (Maximum Likelihood – ML). Bộ tách ML thực hiện thuật toán vét cạn với các tổ hợp tín hiệu phát 1 2{ , }s s và tổ hợp kênh truyền (1) (2){ , }mn mnh h . Giả thiết ăng-ten thu m đã được lựa chọn để thu tín hiệu từ hai nút đầu cuối, tương ứng với véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu rc đã được xác định. Giả thiết nút chuyển tiếp có thể ước Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 45 lượng chính xác các kênh truyền ( )imnh . Như vậy, luật quyết định dựa trên cự ly Euclid cực tiểu của bộ tách ML có thể được biểu diễn như sau: 1 2 2 ˆ ˆ1 2 1 1 1, 1 2 2 2, 21, 2, { , } ; 1,2; 1,2 ˆ ˆ{( , ),( , )} min arg T Tr r r l r r kl k s s l k s s y s s            a a c H a c H a  (2) trong đó, ký hiệu tập hợp các giá trị symbol của điều chế 4-QAM, và 1,la và 2,ka là các véc-tơ giá trị của ia với ,1=[1, 0] T ia và ,2=[0, 1] T ia . Từ luật quyết định ML ở công thức (2), nút chuyển tiếp ước lượng được cặp symbol phát 1 2ˆ ˆ( , )s s và cặp véc-tơ kích hoạt ăng-ten ˆ1 1,ˆ ˆ la a và ˆ2 2,ˆ ˆ ka a . 2.2. Ánh xạ PNC Khác với mã hóa mạng (Network Coding) thực hiện mã hóa ở mức bit (lớp mạng), mã hóa mạng PNC thực hiện mã hóa các tín hiệu ở lớp vật lý, tức là ở dạng tín hiệu (symbol) thành các tín hiệu kết hợp sao cho các nút đầu cuối có thể tách được dễ dàng. Đối với hệ thống đề xuất dựa trên tín hiệu thu được ở lớp vật lý, nút chuyển tiếp R cần phải thực hiện mã hóa các symbol ước lượng được 1 2ˆ ˆ,s s và các cặp véc-tơ kích hoạt ăng-ten đầu cuối 1 2ˆ ˆ,a a thành các symbol mã hóa mạng để phát quảng bá. Chi tiết phương pháp thực hiện mã hóa PNC sẽ được trình bày dưới đây. 2.2.1. Ánh xạ PNC cho các bít lựa chọn ăng-ten Để thực hiện ánh xạ các véc-tơ kích hoạt ăng-ten ước lượng được 1 2ˆ ˆ,a a thành dạng tín hiệu SM, tác giả đề xuất sử dụng các thông tin về ăng-ten phát của nút chuyển tiếp để mang thông tin. Tương ứng với 4 tổ hợp của 1 2ˆ ˆ,a a sẽ có một trong 4 ăng-ten của nút chuyển tiếp được kích hoạt. Ký hiệu véc-tơ kích hoạt ăng-ten phát của nút chuyển tiếp là ([1,0, 0, 0] ,[0,1, 0,0] ,[0, 0,1,0] ,[0, 0, 0,1] )T T T Tr a với các véc-tơ của tổ hợp , ,( 1,2, 3, 4)r p p a . Như vậy, phép ánh xạ PNC của các bít lựa chọn ăng-ten được biểu diễn như sau: 1,1 2,1 ,1 1,1 2,2 ,2 1,2 2,1 ,3 1,2 2,2 ,4 ( [1, 0] , [1, 0] ) [1, 0, 0, 0] ( [1, 0] , [0,1] ) [0,1, 0, 0] ( [0,1] , [1, 0] ) [0, 0,1, 0] ( [0,1] , [0,1] ) [0, 0, 0,1] T T T r T T T r T T T r T T T r                 a a a a a a a a a a a a (3) 2.2.2. Ánh xạ PNC cho các symbol điều chế QAM Để minh họa cho phương pháp mã hóa PNC, ký hiệu là tập các symbol số và ký hiệu  là toán tử nhị phân tổng quát (không nhất thiết phải thực hiện theo từng bít). Với các symbol số ,i jm m  thì kết quả i j km m m   . Ký hiệu  là tập các symbols đã được điều chế ở mức tín hiệu và  là toán tử kết hợp nhị phân. Với các symbol tín hiệu ,i je e   thì i j ke e e     , với    do có số thành phần của tổ hợp lớn hơn. Ký hiệu : f   là hàm ánh xạ điều chế 1-1 sao cho ( ) ,i if m e i  . Phép ánh xạ ngược được ký hiệu bởi : h    , do đây là phép ánh xạ nhiều-1. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” 46 Do tín hiệu QAM được điều chế cả pha và biên độ nên việc áp dụng trực tiếp phương pháp mã hóa PNC thông qua các hàm ánh xạ f và h là không thể. Tuy nhiên, do tín hiệu QAM có thể được tách thành 2 tín hiệu thành phần đồng pha (kênh I) và vuông pha (kênh Q) đều ở dạng điều chế biên độ (Pulse Amplitude Modulation – PAM) nên có thể áp dụng được mã hóa PNC cho từng kênh. Dựa trên ý tưởng này, các tác giả của công trình số [5] đã đề xuất một phương pháp ánh xạ PNC tổng quát cho tín hiệu QAM. Với số mức biên độ trên mỗi kênh là / 2cL M và tập các symbol số {0,1,2,...,( 1)}L  , phép ánh xạ f được cho bởi các công thức sau [5]: ( ) 2 ( 1)i i if m e m L    . (4) Do 2 tín hiệu PAM kết hợp với nhau sẽ cho ta tín hiệu PAM mới với biên độ là tổng biên độ của 2 tín hiệu thành phần nên ta có i j i je e e e  . Giả thiết toán tử PNC được thực hiện cho tập như sau: ( )modi j i jm m m m L   . Lúc này tồn tại phép ánh xạ ngược h như sau [5]: ( ) ( ) 1 mod 2 i j k i j e e h e h e e L            . (5) Bảng 1 minh họa kết quả các phép ánh xạ cho trường hợp tín hiệu PAM 2 mức ( 2L  ), tương ứng với tín hiệu trên một kênh của điều chế 4-QAM. Bảng 1. Ánh xạ cho mã hóa PNC cho tín hiệu 2-PAM. im jm ie je i je e ( )i jh e e i jm m 0 0 -1 -1 -2 0 0 0 1 -1 1 0 1 1 1 0 1 -1 0 1 1 1 1 1 1 2 0 0 Dựa trên nguyên lý ánh xạ trình bày ở trên thì để áp dụng PNC cho hệ thống đề xuất có thể áp dụng quá trình truyền dẫn 2 chiều trên từng kênh I và kênh Q. Tuy nhiên, do tín hiệu thu được tại nút chuyển tiếp trong pha MA là tổng của 2 tín hiệu 4-QAM từ hai nút đầu cuối bao gồm hai thành phần tổng của tín hiệu trên 2 kênh I và Q riêng biệt nên quá trình xử lý không cần thay đổi. Sau khi đã ước lượng được các symbol 1 2ˆ ˆ,s s , cần thực hiện xử lý riêng cho từng kênh riêng biệt. Ký hiệu: I I Q Q 1 1 2 2 1 1 2 2ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆRe( ); Re( ); Im( ); Im( )s s s s s s s s    , với Im(.) và Re(.) biểu diễn tương ứng phép toán lấy phần thực và phần ảo. Lúc này, các thành phần đồng pha và vuông pha của symbol PNC có thể thu được là: I I I 1 2ˆ ˆ 1 mod2 2r s s s         ; Q Q Q 1 2ˆ ˆ 1 mod2 2r s s s         . (6) Như vậy, symbol tín hiệu 4-QAM đã được mã hóa mạng tại nút chuyển tiếp có thể được biểu diễn bởi I Qr r rs s js  . Symbol tín hiệu này sau đó sẽ được phát đi qua ăng-ten được lựa chọn dựa trên véc-tơ kích hoạt ăng-ten ra thu được như đã trình bày ở trên. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 47 2.3. Pha phát quảng bá (BC) Trong pha BC, nút chuyển tiếp R thực hiện phát quảng bá symbol PNC rs tới hai nút đầu cuối 1 2N ,N . Sử dụng biểu diễn tương tự trong pha MA, có thể thu được tín hiệu tại hai nút đầu cuối như sau: 1 1 1 1 1 T r r r ry s z c H a , (7) 2 2 2 2 2 T r r r ry s z c H a . (8) trong đó, 1rc và 2rc tương ứng là các véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu tại hai nút đầu cuối, 1 2, {[1, 0] ,[0,1] } T T r r c c ; 4 2 1 2,r r H H  là các ma trận kênh truyền từ nút chuyển tiếp tới hai nút đầu cuối, 1 1, (0,1)cz z   tương ứng là tạp âm tại các nút 1 2N ,N . Với giả thiết các véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu đã xác định, tức là 1 1r rc c và 2 2r rc c và các nút đầu cuối có thể ước lượng được chính xác kênh truyền giữa nút chuyển tiếp với chúng thì có thể sử dụng tách tín hiệu ML tối ưu để ước lượng đồng thời symbol phát rs và véc-tơ kích hoạt ăng-ten phát ra như sau: Tại nút N ,( 1,2)i i  : 2 ˆ 1 ,, ; 1,2,3,4 ˆ{ , } min arg Tr i i ri r l rr l s l s y s         a c H a  . (9) trong đó,  là tập các giá trị của rs được xác định theo Bảng 1. Do I Q r r rs s js  và các thành phần Irs và Q rs đều nhận các giá trị trong tập {0,1} nên {0,1, ,1 }j j  . Từ các giá trị ước lượng được ˆ,ˆ ,r r ls a các nút đầu cuối dựa trên thông tin về tín hiệu phát của chính nó để tách ra thông tin của nút đối tác. Cụ thể là từ ước lượng ˆ,r la , sử dụng công thức (3) để ánh xạ ngược lại tổ hợp các véc-tơ kích hoạt phát của hai nút và sau đó xác định được véc-tơ kích hoạt phát của nút đối tác. Ví dụ: trường hợp ˆ ,2, [0,1, 0, 0] T rr l  a a , ta có 1,1 2,2[1, 0] , [0,1] T T a a , nhờ đó nút 1N xác định được 2,2 [0,1] Ta và suy ra (2)1 ˆ 1b  ; tương tự 2N xác định được 1,1 [1, 0] Ta và suy ra (2)1 ˆ 0b  . Để thực hiện giải mã rˆs sử dụng lại toán tử mã hóa PNC tại nút chuyển tiếp ( )modr i j i jm m m m m L    . Để ước lượng symbol của nút 2N , nút 1N tính 2 1 1ˆ ˆ ˆ( )modr rm m m m m L    . Tương tự nút 2N ước lượng được 1 2 2ˆ ˆ ˆ( )modr rm m m m m L    . Do mã hóa PNC của rs được thực hiện riêng cho từng kênh I và Q nên việc giải mã rˆs cũng cần thực hiện tương tự để xác định I Q 1 1ˆ ˆ,s s và I Q 2 2ˆ ˆ,s s . Tiếp theo sử dụng giải điều chế 4-QAM, các nút đầu cuối có thể ước lượng được các bit dữ liệu đã phát (1) (1)2 3 ˆ ˆ,b b và (2) (2)2 3 ˆ ˆ,b b . 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN Để thực hiện đánh giá hiệu quả của hệ thống đề xuất sử dụng mô phỏng Monte- Carlo để xác định phẩm chất lỗi thông qua tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate). Mô Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” 48 hình hệ thống được sử dụng để đánh giá là mô hình SM-PNC như đã mô tả ở Mục 2 với các tham số 2N  , 4M  (cấu hình 2-4-2), và sử dụng điều chế 4-QAM có hiệu suất sử dụng phổ bằng 3 bpcu. Kênh truyền giữa các nút đầu cuối với nút chuyển tiếp là kênh pha-đinh Rayleigh phẳng và được giả thiết có thể ước lượng hoàn hảo. Kết quả mô phỏng tỉ lệ BER của hệ thống được minh họa trên hình 2. Để đánh giá và so sánh kiểm chứng các đường BER của các 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, cũng được biểu diễn trên hình vẽ. Hình 2. Phẩm chất BER của hệ thống SM-PNC và các hệ thống liên quan. Từ hình vẽ có thể rút ra các nhận xét sau đây. Thứ nhất, việc sử dụng kết hợp SM giúp hệ thống PNC tăng được hiệu quả sử dụng phổ nhưng lại gây thiệt hại về phẩm chất BER. Mức độ thiệt hại tỉ lệ nghịch với gia tăng hiệu suất sử dụng phổ. Ví dụ, với cùng cấu hình hệ thống khi tăng hiệu suất sử dụng phổ lên 2 bpcu (SM- PNC, BPSK) phẩm chất BER của hệ thống SM-PNC trên thang 0/bE N giảm khoảng 4 dB. Tương tự, để đạt được hiệu suất sử dụng phổ bằng 3 bpcu thì phẩm chất BER của hệ thống SM-PNC chịu thiệt hại khoảng 6 dB so với hệ thống SSK- PNC với 1 bpcu. Tuy nhiên, khi so sánh phẩm chất BER của hệ thống SM-PNC và SSK-PNC tại cùng hiệu suất phổ 2 bpcu có thể thấy phẩm chất đạt được của hệ thống SM-PNC đề xuất có phẩm chất BER tốt hơn khoảng 2 dB. Quan sát trên hình vẽ cũng có thể thấy phẩm chất BER của hệ thống SSK-PNC tại 2 bpcu tương đương với phẩm chất của hệ thống SM-PNC tại 3 bpcu. Tuy nhiên, hệ thống SSK- PNC cần sử dụng tới 16 ăng-ten tại nút chuyển tiếp trong khi hệ thống SM-PNC đề xuất chỉ cần sử dụng 4 ăng-ten. Nếu tăng lên 3 bpcu thì số ăng-ten yêu cầu sử dụng tại nút chuyển tiếp cho SSK-PNC tăng lên tới 64 nên không thực tế. Đây cũng là lý do tác giả không mô phỏng và biểu diễn kết quả cho trường hợp này trên hình vẽ. Một đặc điểm nữa cũng có thể rút ta từ hình vẽ là ảnh hưởng của lỗi giải điều chế không gian lớn hơn so với giải điều chế tín hiệu. Điều này có thể nhận thấy từ hình 2 khi so sánh hai đường SSK-PNC tại 1 bpcu với 2 bpcu và SM-PNC tại 2 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017 49 bpcu với 3 bpcu. Khi tăng lên 1 bpcu hệ thống SSK-PNC chịu thiệt hại khoảng 6 dB trong khi hệ thống SM-PNC chỉ thiệt hại khoảng 2 dB. Đây cũng chính là nhược điểm của hệ thống SSK so với SM do số lượng điểm tín hiệu tăng lên nhiều hơn. Xét trên một chặng chuyển tiếp tại 2 bpcu, hệ thống SSK-PNC có 64 điểm tín hiệu ngẫu nhiên trên chòm sao không gian trong khi hệ thống SM-PNC chỉ có 8 điểm tín hiệu ngẫu nhiên trên chòm sao không gian và 2 điểm tín hiệu xác định trên chòm sao tín hiệu (BPSK). Nhận xét này dẫn đến kết luận nếu tiếp tục tăng hiệu suất sử dụng phổ thì hệ thống SSK-PNC sẽ có phẩm chất kém hơn nhiều so với hệ thống SM-PNC với số lượng ăng-ten và bậc điều chế thích hợp. 4. KẾT LUẬN Trong bài báo này, tác giả đã đề xuất một mô hình hệ thống SM-PNC cho hệ thống thông tin vô tuyến chuyển tiếp 2 chiều thông qua kết hợp điều chế không gian (SM) với mã hóa mạng lớp vật lý (PNC). So với hệ thống SSK tại cùng hiệu suất sử dụng phổ hệ thống đề xuất cho phép cải thiện đáng kể phẩm chất BER. Ngoài ra, hệ thống đề xuất còn có ưu điểm hơn so với hệ thống SSK-PNC là yêu cầu số lượng ăng-ten sử dụng ít hơn nên thích hợp hơn với hệ thống thông tin vô tuyến trong thực tế. Ngoài các hệ thống SM và SSK, các nghiên cứu gần đây cũng đã chỉ ra việc sử dụng các kỹ thuật SM suy rộng (Generalized SM – GSSK) [11] và SSK suy rộng (Generalized SM – GSM) [12] với nhiều hơn 1 ăng-ten kích hoạt cho phép giảm số lượng ăng-ten cần sử dụng. Do kích hoạt nhiều ăng-ten đồng thời để phát dữ liệu nên hệ thống GSSK và GSM cho phép giảm được số lượng ăng-ten sử dụng. Tuy nhiên, do xuất hiện nhiễu liên kênh (Inter-Channel Interference – ICI) nên cần thực hiện các giải pháp tách tín hiệu kết hợp triệt nhiễu. Vì vậy, việc áp dụng GSM và GSSK với PNC là một chủ đề nghiên cứu có ý nghĩa khoa học tốt và cần được tiếp tục giải quyết. Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 102.02-2015.23. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. T. X. Nam và L. M. Tuấn, “Kỹ thuật xử lý không gian và 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. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.” 50 [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 Two- Way 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 SM- PNC system is analyzed and compared with that of the SSK-PNC using spectral efficiency analysis and simulated bit error rate. Keywords: Wireless Communications, Physical-layer Network Coding, Spatial Modulation, Space Shift Leying. Nhận bài 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 sự ; *Email: namtx@mta.edu.vn