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 N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho mã hóa mạng phi tuyến.” 76 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 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 77 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 ( 1, 2)kS k 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 ( 1, 2)kS k phát đồng thời bản tin của nó (1 )k ks x đến nút chuyển tiếp R, trong đó kx thuộc chòm sao 4-QAM, 1  là hằng số chuẩn hóa công suất để đảm bảo 2(| | ) 1 ks . Tín hiệu nhận được tại nút chuyển tiếp trong pha truy nhập có thể được trình bày như sau: 1 1 2 2 1 1 2 2 1 1        y h x h x n h x h x n , (1) trong đó, ký hiệu , ( 1, 2)kh k là hệ số kênh truyền giữa nút đầu cuối kS đến nút chuyển tiếp R ; mỗi phần tử kh được mô hình hóa là một biến ngẫu nhiên Gauss phức với giá trị trung bình bằng không, phương sai bằng 1, hay  ~ 0,1k ch . Giả sử kênh khảo sát là kênh pha đinh Rayleigh phẳng, biến đổi chậm, với hệ số kênh được giữ nguyên trong suốt thời gian truyền dẫn của một ký hiệu và chỉ thay đổi từ ký hiệu này sang ký hiệu khác. Ký hiệu / k kh h là kênh truyền tương đương; n biểu diễn là tạp âm Gauss trắng cộng Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho mã hóa mạng phi tuyến.” 78 tính (AWGN) tại ăng ten thu của nút chuyển tiếp,  2~ 0, c nn . Trong bài báo này chúng tôi giả sử thông tin trạng thái kênh truyền được biết hoàn hảo tại nút nhận nhưng không được biết tại nút phát. Áp dụng thuật toán tách sóng ML để ước lượng cặp tín hiệu từ hai nút nguồn như sau: 1 2 2 1 2 1 1 2 2 , ˆ ˆ( , ) arg min ,         x x A x x y h x h x (2) trong đó, ký hiệu 2|| || là chuẩn hóa Frobenious,  1 j  A là chòm sao của tín hiệu điều chế 4-QAM. Từ mã nhận được tại nút chuyển tiếp được thực hiện thông qua phép toán XOR đơn giản như sau: 1 2 1, 2, 1, 2,ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆx ,   R r r i ix x x x x j x (3) trong đó, k, k,,r ix x biểu thị là phần thực và phần ảo tương ứng của kx . Trong pha quảng bá, nút chuyển tiếp phát ký hiệu đã được mã hóa đến các nút đầu cuối. Tín hiệu nhận được tại nút đầu cuối kS sau khi tách sóng được giải mã như sau: R, k, R, k,ˆ    kS R k r r i ix x x x x jx x , ( 1, 2)k . (4) 2.2. Nghiên cứu khả năng lỗi ước lượng của bộ tách sóng ML Thông thường, các nghiên cứu đều cho thấy bộ tách sóng sử dụng ước lượng ML đạt được phẩm chất SER tốt nhất, nhưng trả giá là độ phức tạp của phương pháp ước lượng tăng cao theo hàm mũ của bậc điều chế tín hiệu. Câu hỏi đặt ra là liệu phương pháp này có thực sự hiệu quả đối với các giá trị khác nhau của kênh truyền trong mô hình hệ thống này hay không? Để trả lời câu hỏi này, bài báo nghiên cứu các trường hợp phương pháp ML xẩy ra lỗi khi ước lượng như dưới đây. Phương trình (2) được viết lại như sau: 1 2 2 1 2 1 1 2 2 1 1 2 2 , ˆ ˆ( , ) arg min .           x x A x x h x h x h x h x n (5) Từ phương trình (5), để ước lượng được chính xác cặp nghiệm 1 2 1 2ˆ ˆ( , ) ( , )x x x x điều kiện cần là 1 1 2 2 1 1 2 2 0.    h x h x h x h x (6) Điều kiện đủ, từ phương trình (6) luôn tìm được duy nhất một cặp nghiệm thỏa mãn điều kiện 2 1 21( , ) ( , ) x xx x . Tuy nhiên, bài báo chỉ ra rằng, trong một số trường hợp của kênh truyền, phương trình (6) tồn tại nhiều hơn một nghiệm, dẫn đến lỗi khi ước lượng. Để chứng minh điều này, chúng ta giả thiết phương trình (6) tồn tại nghiệm 1 2 1 2( , ) ( , ) x x x x . Không mất tính tổng quát, chúng ta chia cả hai vế phương trình (6) cho 1h để nhận được 2 21 2 1 2 1 1 0.     h h x x x x h h (7) Đặt 2 1 1 1 2 2/ ( ) / ( )    L h h x x x x . Do các tín hiệu đều thuộc chòm sao 4-QAM nên  1 1 x x và  2 2 x x thuộc tập các giá trị có khả năng xẩy ra là  2, 2 , 2 2   j j ; vì vậy, L sẽ nhận một trong các giá trị  1, , 1 ,1/ ( 1 )     j j j . Do  1/ ( 1 )  L j chính là Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 79 khi thay đổi tỷ số chia 2 1/h h bằng tỷ số chia 1 2/h h . Vì vậy, bài báo chỉ cần xem xét cho trường hợp  1, , 1    L j j . Như vậy, nếu tỷ số kênh truyền  1, , 1    L j j , phương trình (6) luôn nhận được ít nhất hai nghiệm, bao gồm 1 2 1 2( , ) ( , ) x x x x và 1 2 1 2( , ) ( , ) x x x x . Cho ví dụ, giả sử tỷ số kênh truyền 1L , nghĩa là 1 2h h ; cặp tín hiệu phát là 1 2( , ) (1 , 1 )   x x j j . Trong trường hợp này phương trình (6) sẽ có hai nghiệm là 1 2( , ) (1 , 1 )    x x j j và 1 2( , ) ( 1 ,1 )    x x j j . Vì vậy, quyết định ML trong phương trình (5) sẽ xẩy ra lỗi ít nhất là 50%, làm suy giảm phẩm chất SER của hệ thống. 3. ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP ƯỚC LƯỢNG VÀ MÃ HÓA MẠNG ML CẢI TIẾN EML-NC Trên thực tế, các hệ số của kênh truyền 1h và 2h biến thiên ngẫu nhiên, do vậy, giá trị L nhận được cũng biến thiên ngẫu nhiên và hiếm khi rơi vào các trường hợp { 1, , 1 }    L j j . Tuy nhiên, các giá trị xoay quanh các điểm này tương đối nhiều, cụ thể là { 1 , , 1 }       L l j l j l , trong đó, l là một biến ngẫu nhiên phức được gọi là độ lệch hay thành phần dư của giá trị L . Đặt 2 1   z h L L l h , với zL và l được xác định như sau: 2 2 2 ( )1 1 2 2 1 1 ( ) arg min , ,              x Z jZ z z h h Round x h h h h l Res h h L L (8) Trong đó,  Round biểu thị là phép toán làm tròn về số nguyên phức gần với 2 1/h h nhất;  Res là phép toán lấy phần dư của tỷ số 2 1/h h . Trong trường hợp { 1, j, 1 j}    zL ước lượng và mã hóa dựa vào ML-NC truyền thống sẽ gây ra lỗi, vì vậy bài báo đề xuất phương pháp ước lượng và ánh xạ mã hóa cải tiến EML-NC như sau: Chia hai vế phương trình (1) lần lượt cho 1h ta nhận được: 21 1 2 1 1 1 .    hy n w x x h h h (9) Phương trình (9) viết lại thành 1 1 2 2 1 .   z n w x x lx h L (10) Thay vì ước lượng riêng rẽ 1x và 2x , chúng ta ước lượng cho tổng tỷ lệ 1 2( ) zLx x của hai tín hiệu này như sau: 2 1 ˆ( ) arg min ,    x A x w x (11) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho mã hóa mạng phi tuyến.” 80 trong đó 1 2  zx Lx x , chòm sao A được mô tả như trên hình 2 nếu { 1, }  zL j , hoặc hình 3 nếu { 1 }  zL j . - Trường hợp  1,  zL j : Chòm sao của tín hiệu 1 2( ) zLx x có dạng như hình 2, trong đó mô tả các vòng tròn từ 1 đến 9 biểu thị chòm sao của tín hiệu 1 2 zx L x . Hình 2. Chòm sao của tín hiệu 1 2 zx L x với  1,  zL j . Từ chòm sao tín hiệu 1 2 zx L x với  1,  zL j được mô tả như trong hình 2, bài báo đề xuất phương pháp ánh xạ từ mã tại nút chuyển tiếp như trong bảng 1. Bảng 1. Ánh xạ từ mã Rx tại nút chuyển tiếp. Điểm trên chòm sao Giá trị ước lượng x Ánh xạ từ mã Rx {1,3,5,7} { 2 2 , 2 2 , 2 2 , 2 2 }     j j j j 1 j {2,6} {2 , 2 }j j 1  j {4,8} {2, 2} 1 j {9} {0} 1  j -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 In-phase Amplitude Q u a d ra tu re A m p lit u d e Hình 3. Sơ đồ chòm sao của 1 2 zx L x và 2zL x với  1  zL j . Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 81 Tại đầu thu, mỗi nút đầu cuối nhờ biết được thông tin trạng thái kênh truyền zL và thông tin của nó đã phát đi trong pha đầu tiên, từ đó giải mã để nhận được thông tin của nút đối tác. - Trường hợp  1  zL j : Trên hình 3 biểu thị hình tròn từ 1 đến 12 là chòm sao của tín hiệu 1 2 zx L x , các hình vuông từ a đến d là biểu thị chòm sao của tín hiệu 2zL x . Theo [22], chòm sao tín hiệu 1 2 zx L x với  1  zL j không thể ánh xạ thành ký hiệu Rx thuộc chòm sao 4-QAM. Để tối ưu cần ánh xạ thành dạng chòm sao 5-QAM như bảng 2. Bảng 2. Ánh xạ từ mã Rx tại nút chuyển tiếp. Điểm trên chòm sao Giá trị ước lượng x Ánh xạ từ mã Rx {1,6,7,12} { 1 3 ,3 , 3 ,1 3 }     j j j j 8 / 165 5 /11  j {2,8} {1 3 , 1 }  j j 16 / 165 3 / 55  j {3,9} { 3 ,1 }  j j 8 / 165 5 /11 j {4,10} {-1 ,3 } j j 3 / 55 j {5,11} {1 , 1 3 }  j j 16 / 165 3 / 55 j Tại đầu thu, mỗi nút đầu cuối nhờ biết được thông tin trạng thái kênh truyền zL và thông tin của nó đã phát đi trong pha đầu tiên, từ đó giải mã để nhận được thông tin của nút đối tác. Mặt khác trong tiểu mục 2.2 cho thấy, bất kỳ tỷ số 2 1/h h hoặc 1 2/h h nếu thuộc tập { 1, , 1 }   j j đều dẫn đến lỗi quyết định. Do vậy, bài báo đề xuất thuật toán dưới đây nhằm khắc phục những trường hợp xẩy ra lỗi để đạt được phẩm chất cao. Thuật toán 1. Ước lượng và mã hóa mạng EML-NC tại nút chuyển tiếp 1: Cho 1 2, ,y h h 2: Tính toán 2 11 11 2 1( / ), /  z zRound h l h h LhL 3: Tính toán 1 22 22 1 2( / ), /  z zRound h l h h LhL 4: Kiểm tra điều kiện 1, nếu 1 2| | | |l l thì 5: Kiểm tra điều kiện 2, nếu 21| | 1zL thì 6: Sử dụng phương trình ước lượng (11) và ánh xạ từ mã Rx theo Bảng 1 7: Ngược lại điều kiện 2. Kiểm tra điều kiện 3, nếu 21| | 2zL thì 8: Sử dụng phương trình ước lượng (11) và ánh xạ từ mã Rx theo Bảng 2 9: Ngược lại các điều kiện 2, 3 10: Sử dụng phương trình ước lượng (2) và ánh xạ từ mã Rx theo (3) 11: Kết thúc kiểm tra điều kiện 2, 3 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho mã hóa mạng phi tuyến.” 82 12: Ngược lại điều kiện 1 13: Kiểm tra điều kiện 4, nếu 22| | 1zL thì 14: Sử dụng phương trình ước lượng (11) và ánh xạ từ mã Rx theo Bảng 1 15: Ngược lại điều kiện 4. Kiểm tra điều kiện 5, nếu 22| | 2zL thì 16: Sử dụng phương trình ước lượng (11) và ánh xạ từ mã Rx theo Bảng 2 17: Ngược lại các điều kiện 4, 5 18: Sử dụng phương trình ước lượng (2) và ánh xạ từ mã Rx theo (3) 19: Kết thúc kiểm tra các điều kiện 4, 5 20 Kết thúc kiểm tra điều kiện 1. 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ SO SÁNH PHẨM CHẤT Phần này trình bày kết quả mô phỏng phẩm chất SER và thông lượng của phương pháp mã hóa mạng đề xuất EML-NC. Kết quả mô phỏng được so sánh với CQ-PNC trong [22] và ML-NC truyền thống làm việc trong chế độ 2 pha hoặc 3 pha truyền dẫn. Các kết quả tính toán được thực hiện tại nút chuyển tiếp trong pha đa truy nhập, trong đó, phương pháp điều chế 4-QAM được sử dụng. Thông lượng được tính theo công thức 2(1 ) log   FER R M , trong đó, R là tốc độ truyền ký hiệu, M là bậc điều chế, FER là tỷ lệ lỗi khung với số ký hiệu trong mỗi một khung là 20 ký hiệu. Kết quả mô phỏng thể hiện trong hình 4 cho thấy, phương pháp đề xuất có phẩm chất SER tốt hơn so với các phương pháp khác cùng sử dụng 2 pha truyền dẫn. Cụ thể tại 3ER 10S phương pháp đề xuất nhận được độ lợi tăng ích khoảng 2.5dB so với CQ- PNC trong [22] và tăng ích 2.0 dB so với ML-NC truyền thống. Mặt khác, nếu so với hệ thống chuyển tiếp hai chiều sử dụng 3 pha truyền dẫn thì hệ thống đề xuất có phẩm chất SER tương đương khi SNR tăng cao. Hình 4. So sánh phẩm chất SER của phương pháp khác nhau. Hình 5 là kết quả so sánh thông lượng của hệ thống đề xuất so với các hệ thống khác. Kết quả cho thấy, hệ thống sử dụng phương pháp mã hóa mạng đề xuất EML-NC có thông lượng cao hơn so với ML-NC truyền thống và CQ-PNC trong [22]. Cụ thể, khi so với hệ thống sử dụng 2 pha truyền dẫn, tại 15SNR dB hệ thống đề xuất hiệu quả hơn so với hệ thống CQ-PNC [22] khoảng 0.45 bít/khe thời gian và hiệu quả hơn khoảng 0.32 bít/khe Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 83 thời gian khi so với ML-NC. Nếu so với hệ thống ML-NC sử dụng 3 pha truyền dẫn thì EML-NC có thông lượng tăng gấp 2 lần khi 30SNR dB . Hình 5. So sánh hiệu quả thông lượng của các hệ thống khác nhau. 5. KẾT LUẬN Bài báo này xem xét một mô hình chuyển tiếp hai chiều đơn ăng ten, bao gồm hai nút đầu cuối trao đổi thông tin với nhau thông qua sự trợ giúp của một nút chuyển tiếp. Qua nghiên cứu sự tác động của tỷ số kênh truyền giữa hai nút đầu cuối và nút chuyển tiếp đến kết quả ước lượng ML truyền thống cho thấy, trong một số trường hợp, ước lượng ML xẩy ra lỗi quyết định, dẫn đến phẩm chất hệ thống bị suy giảm. Do vậy, bài báo đã đề xuất phương pháp ước lượng ML cải tiến, kết hợp với ánh xạ phi tuyến được gọi là (EML-NC). Mặc dù còn hạn chế do có trường hợp phải sử dụng ánh xạ điều chế 5-QAM để thay thế 4- QAM; Tuy nhiên, đề xuất này cho phép đạt được phẩm chất SER và thông lượng tốt hơn nhiều so với các phương pháp đề xuất trước đó. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. T. Cover and A. E. Gamal, "Capacity theorems for the relay channel," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 25, pp. 572-584, 1979. [2]. M. Gastpar and M. Vetterli, "On the capacity of wireless networks: the relay case," in Proceedings.Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies, 2002, pp. 1577-1586 vol.3. [3]. J. N. Laneman, D. N. C. Tse, and G. W. Wornell, "Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior," IEEE Transactions on Information Theory, vol. 50, pp. 3062-3080, 2004. [4]. P. K. Sharma and P. K. Upadhyay, "Performance Analysis of Cooperative Spectrum Sharing With Multiuser Two-Way Relaying Over Fading Channels," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 66, pp. 1324-1333, 2017. [5]. S. Zhu, Q. Zhang, M. Peng, and W. Wang, "Capacity Analysis for Cooperative Two- Relay Channel," in 2007 IEEE 18th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, 2007, pp. 1-5. [6]. R. Y. Chang, S. J. Lin, and W. H. Chung, "On network coding and modulation mapping for three-phase bidirectional relaying," in Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), 2015 IEEE 26th Annual International Symposium on, 2015, pp. 191-196. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. H. Minh, P. V. Biển, T. X. Nam, “Nâng cao phẩm chất cho mã hóa mạng phi tuyến.” 84 [7]. Z. Fang and L. Zhang, "Three-phase differential transmission for two-way relay networks with direct link," in 2015 IEEE 5th International Conference on Electronics Information and Emergency Communication, 2015, pp. 297-300. [8]. S. Zhang and S. C. Liew, "Physical Layer Network Coding with Multiple Antennas," in 2010 IEEE Wireless Communication and Networking Conference, 2010, pp. 1-6. [9]. P. Popovski and H. Yomo, "Physical Network Coding in Two-Way Wireless Relay Channels," in 2007 IEEE International Conference on Communications, 2007, pp. 707-712. [10]. J. Qin, Y. Zhu, and P. Zhe, "Broadband Analog Network Coding with Robust Processing for Two-Way Relay Networks," IEEE Communications Letters, vol. PP, pp. 1-1, 2017. [11]. Y. Yang, W. Chen, O. Li, and L. Hanzo, "Joint Rate and Power Adaptation for Amplify-and-Forward Two-Way Relaying Relying on Analog Network Coding," IEEE Access, vol. 4, pp. 2465-2478, 2016. [12]. J. C. Park, I. Song, S. R. Lee, and Y. H. Kim, "Average rate performance of two-way amplify-and-forward relaying in asymmetric fading channels," Journal of Communications and Networks, vol. 13, pp. 250-256, 2011. [13]. H. Li, M. W. Liu, S. H. Song, and K. B. Letaief, "Optimality of amplify-and-forward based two-way relaying," in 2013 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), 2013, pp. 3715-3719. [14]. J. Zhou, X. Wang, and M. Li, "Performance Analysis for Decode-and-Forward Two- Way Relay Networks with Limited Feedback Beamforming," in 2014 IEEE 79th Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2014, pp. 1-5. [15]. Z. Hu, Z. Chen, and H. Li, "Performance analysis of joint decode-and-forward scheme for two-way relay channels," in 2013 47th Annual Conference on Information Sciences and Systems (CISS), 2013, pp. 1-6. [16]. A. Alsharoa, F. Bader, and M. S. Alouini, "Relay Selection and Resource Allocation for Two-Way DF-AF Cognitive Radio Networks," IEEE Wireless Communications Letters, vol. 2, pp. 427-430, 2013. [17]. K. Ntontin, M. D. Renzo, and C. Verikoukis, "Analog-Network-Coded Two-Way Relaying Under the Impact of CSI Errors and Network Interference," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 65, pp. 9029-9040, 2016. [18]. Y. T. Kim, K. Lee, Y. Jeon, and I. Lee, "Limited feedback designs for two-way relaying systems with physical network coding," Journal of Communications and Networks, vol. 17, pp. 463-472, 2015. [19]. C. Chen, L. Bai, Y. Yang, Y. Jin, and J. Choi, "Near optimal power allocation in two-way relay systems with physical layer network coding," IET Communications, vol. 9, pp. 1885-1893, 2015. [20]. X. Chen, H. Wang, W. Yang, G. Wang, and Z. Yan, "An Optimal Power Allocation for Two-Way Relay Channel Using Physical-Layer Network Coding," in Instrumentation & Measurement, Computer, Communication and Control (IMCCC), 2016 Sixth International Conference on, 2016, pp. 486-491. [21]. S. Zhang, Q. F. Zhou, C. Kai, and W. Zhang, "Channel quantization based physical- layer network coding," in 2013 IEEE International Conference on Communications (ICC), 2013, pp. 5137-5142. [22]. S. Zhang, Q. F. Zhou, C. Kai, and W. Zhang, "Full Diversity Physical-Layer Network Coding in Two-Way Relay Channels With Multiple Antennas," IEEE Transactions on Wireless Communications vol. 13, pp. 4273-4282, 2014. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 56, 08 - 2018 85 ABSTRACT PERFORMANCE IMPROVEMENT FOR TWO WAY RELAY NETWORK USING NONLINEAR NETWORK CODING MAPPING In this paper, a two way relay network scheme, using physical-layer network coding at the relay node, where all nodes are equipped single antenna is considered. The effective analysis of the channel ratio between the two end nodes to the relay node indicates that in some cases although the system uses maximum likelihood (ML) estimation, its performance is significantly decayed. Thus, in the paper, an improved ML estimation method, combined with nonlinear mapping, to achieve high performance is proposed. The simulation results show that compared to the three-phase transmission systems, the symbol error rate (SER) performance of the proposed system is equivalent while the throughput at the relay node increases double. Compared to the two phase system, combined the ML estimation with conventional Network Coding (NC), the proposed system has a gain of about 2 dB. Keywords: Two way relay network; ML estimation; Network coding; Physical-layer network coding; Channel quantization. Nhận bài ngày 09 tháng 04 năm 2018 Hoàn thiện ngày 08 tháng 06 năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 8 năm 2018 Địa chỉ: 1 Học viện Kỹ thuật quân sự-BQP; 2 Trung tâm Phát thanh Truyền hình Quân đội. * Email: nguyenhuuminh@tcu.edu.vn.