Luận án Tiến sĩ: Phát triển kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý cho hệ thống chuyển tiếp vô tuyến hai chiều

• Tác giả: Nguyễn Hữu Minh
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Văn Biển
• Trường học: Học viện Kỹ thuật Quân sự
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: Phát Triển Kỹ Thuật Mã Hóa Mạng Lớp Vật Lý Cho Hệ Thống Chuyển Tiếp Vô Tuyến Hai Chiều
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. MỤC LỤC
• 1.1. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
• 1.2. DANH SÁCH HÌNH VẼ
• 1.3. DANH SÁCH BẢNG
• 1.4. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC
• 1.5. MỞ ĐẦU
• 2. CHƯƠNG 1: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN CƠ BẢN TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU
• 2.1. Mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều
• 2.2. Khái quát chung
• 2.3. Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến hai chiều
• 2.4. Một số kỹ thuật truyền dẫn cơ bản trong mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều
• 2.4.1. Chuyển tiếp hai chiều truyền thống
• 2.4.2. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật mã hóa mạng
• 2.5. Kỹ thuật mã hóa mạng kết hợp truyền dẫn MIMO cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều
• 2.6. Kỹ thuật mã hóa mạng kết hợp điều chế không gian cho mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều
• 2.7. Bối cảnh nghiên cứu
• 2.8. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC
• 2.8.1. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC kết hợp MIMO
• 2.8.2. Các nghiên cứu liên quan đến kỹ thuật PNC kết hợp SM
• 2.9. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 2: MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ PHI TUYẾN CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
• 3.1. Mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ phi tuyến
• 3.2. Tổng quan về chuyển tiếp hai chiều sử dụng mã hóa mạng dựa trên ước lượng ML
• 3.3. Đề xuất phương pháp ước lượng và ánh xạ mã hóa mạng
• 3.4. Kết quả mô phỏng và so sánh phẩm chất
• 3.5. Kết hợp mã hóa mạng lớp vật lý ánh xạ phi tuyến với chuyển tiếp hai chiều MIMO
• 3.5.1. Mô hình chuyển tiếp hai chiều MIMO-STBC kết hợp PNC
• 3.5.2. Cấu hình STBC kết hợp PNC
• 3.5.3. Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên cực tiểu công suất nhiễu dư
• 3.5.4. Nghiên cứu độ phức tạp tính toán
• 3.5.5. Đánh giá phẩm chất
• 3.6. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 3: MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ TUYẾN TÍNH CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
• 4.1. Mô hình hệ thống
• 4.2. Mã hóa mạng lớp vật lý kết hợp giữa lượng tử hóa kênh và ước lượng dựa trên loại bỏ nhiễu SIC
• 4.3. QSIC-PNC cho nút chuyển tiếp đơn ăng-ten
• 4.4. QSIC-PNC cho nút chuyển tiếp đa ăng-ten
• 4.5. Phân tích ảnh hưởng của thành phần nhiễu lx2 đến quyết định tín hiệu (x1 + Lx2)
• 4.5.1. Trường hợp K = 1
• 4.5.2. Trường hợp K ≥ 2
• 4.6. Nghiên cứu độ phức tạp tính toán của ước lượng
• 4.7. Kết quả mô phỏng và phân tích phẩm chất
• 4.8. So sánh phẩm chất SER
• 4.9. So sánh thông lượng trong pha MA
• 4.10. So sánh các phương pháp ánh xạ khác nhau
• 4.11. So sánh độ phức tạp xử lý
• 4.12. Kết luận chương
• 5. CHƯƠNG 4: KẾT HỢP MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ TUYẾN TÍNH VỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN CHO CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU
• 5.1. Tổng quan về kỹ thuật SM kết hợp PNC ánh xạ tuyến tính dựa trên ước lượng ML cho chuyển tiếp hai chiều
• 5.2. Mã hóa mạng dựa vào ước lượng độ phức tạp thấp tại nút chuyển tiếp
• 5.3. Đề xuất phương pháp ước lượng độ phức tạp thấp SM-QSIC
• 5.4. Thiết kế chòm sao (x(1) + Lx(2)) và hàm quyết định Q̂(·)
• 5.5. Nghiên cứu độ phức tạp tính toán của ước lượng
• 5.6. Nghiên cứu độ phức tạp của hàm quyết định Q̂(·) và Q(·)
• 5.7. Xác định độ phức tạp của các phương pháp ước lượng
• 5.8. Kết quả mô phỏng và phân tích phẩm chất
• 5.9. Kết luận chương
• KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TƯƠNG LAI
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý

Kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý (PNC) là một trong những công nghệ tiên tiến trong hệ thống vô tuyến hai chiều. PNC cho phép truyền tải thông tin hiệu quả hơn thông qua việc sử dụng các kỹ thuật ánh xạ phi tuyến và ánh xạ tuyến tính. Việc áp dụng kỹ thuật mã hóa này giúp giảm thiểu tỷ lệ lỗi và cải thiện thông lượng mạng. Đặc biệt, trong bối cảnh ngày càng tăng cao về nhu cầu sử dụng dịch vụ hệ thống vô tuyến, việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp mã hóa hiệu quả là điều cần thiết để nâng cao chất lượng dịch vụ và đáp ứng nhu cầu ngày càng đa dạng của người dùng.

1.1. Khái quát về mã hóa mạng lớp vật lý

Mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ phi tuyến cho phép giảm thiểu khả năng gây lỗi của kênh truyền. Đặc điểm nổi bật của kỹ thuật này là khả năng tăng cường chất lượng truyền dẫn mà không làm tăng độ phức tạp xử lý tại nút chuyển tiếp. Ngược lại, mã hóa mạng sử dụng ánh xạ tuyến tính có khả năng dễ dàng ước lượng tại các nút đầu cuối nhưng có phẩm chất kém hơn. Việc lựa chọn giữa hai loại mã hóa này phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống và môi trường hoạt động.

II. Các kỹ thuật truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều

Trong bối cảnh hệ thống vô tuyến hai chiều, các kỹ thuật truyền dẫn cơ bản như MIMO (Đa đầu vào đa đầu ra) và STBC (Mã khối không gian thời gian) đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi. Kỹ thuật MIMO cho phép cải thiện tốc độ truyền dẫn và giảm thiểu nhiễu, trong khi STBC giúp đạt được phân tập toàn phần mà không cần biết thông tin trạng thái kênh. Tuy nhiên, việc áp dụng các kỹ thuật này trong mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều còn gặp nhiều thách thức, đặc biệt là về độ phức tạp xử lý và yêu cầu đồng bộ giữa các ăng-ten.

2.1. Kỹ thuật MIMO trong mạng chuyển tiếp

Kỹ thuật MIMO mang lại nhiều lợi ích trong việc nâng cao hiệu quả truyền dẫn. Tuy nhiên, yêu cầu đồng bộ giữa các ăng-ten phát tạo ra độ phức tạp cho hệ thống. Nghiên cứu các giải pháp giảm thiểu độ phức tạp và cải thiện khả năng hoạt động của MIMO trong mạng chuyển tiếp là rất cần thiết. Điều này có thể được thực hiện thông qua việc áp dụng các phương pháp như BM (tạo dạng búp sóng) và SDM (ghép kênh phân chia theo không gian).

III. Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật mã hóa trong truyền dẫn

Đánh giá hiệu quả của kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý trong truyền dẫn là rất quan trọng để xác định khả năng hoạt động của hệ thống. Các chỉ số như tỷ lệ lỗi bít (BER) và thông lượng mạng cần được phân tích kỹ lưỡng. Việc so sánh giữa các phương pháp mã hóa khác nhau giúp tìm ra giải pháp tối ưu cho từng tình huống cụ thể. Nghiên cứu cho thấy rằng mã hóa mạng lớp vật lý có thể cải thiện đáng kể hiệu suất truyền dẫn trong các điều kiện kênh khác nhau.

3.1. Phân tích tỷ lệ lỗi và thông lượng

Phân tích tỷ lệ lỗi và thông lượng cho thấy rằng kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý có khả năng giảm thiểu tỷ lệ lỗi trong các kênh truyền không ổn định. Các mô phỏng cho thấy rằng thông lượng mạng có thể tăng gấp đôi khi áp dụng PNC so với các phương pháp truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng mã hóa mạng không chỉ cải thiện chất lượng truyền dẫn mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng phổ tần số, điều này đặc biệt quan trọng trong bối cảnh phổ tần số đang trở nên khan hiếm.

IV. Kết luận và hướng nghiên cứu tương lai

Nghiên cứu về kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý trong hệ thống vô tuyến hai chiều đã chỉ ra tiềm năng to lớn trong việc cải thiện hiệu suất truyền dẫn. Việc kết hợp các kỹ thuật mã hóa với các phương pháp khác như MIMO và STBC có thể tạo ra những bước tiến mới trong lĩnh vực này. Hướng nghiên cứu tương lai nên tập trung vào việc phát triển các giải pháp mã hóa tối ưu hơn, giảm thiểu độ phức tạp xử lý và nâng cao khả năng thích ứng với các điều kiện kênh khác nhau.

4.1. Đề xuất hướng nghiên cứu mới

Hướng nghiên cứu mới có thể bao gồm việc phát triển các thuật toán mã hóa thông minh, có khả năng tự động điều chỉnh theo điều kiện kênh. Nghiên cứu cũng nên chú trọng đến việc tối ưu hóa các phương pháp truyền dẫn để đảm bảo hiệu quả cao nhất trong việc sử dụng tài nguyên mạng. Tích hợp các công nghệ mới như AI vào quá trình mã hóa và truyền dẫn có thể mở ra những cơ hội mới cho sự phát triển của hệ thống vô tuyến trong tương lai.