Chương 1: KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN CƠ BẢN TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU Chương này tóm lược những nội dung cơ bản liên quan đến mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều. Trong đó, tập trung một số kỹ thuật cơ bản nhằm nâng cao hiệu quả truyền dẫn, bao gồm các kỹ thuật mã hóa mạng cho chuyển tiếp 2 pha và 3 pha; các kỹ thuật truyền dẫn MIMO-STBC và SM. Ngoài ra, bối cảnh nghiên cứu đã tập trung phân tích các công trình liên quan trực tiếp đến nội dung Luận án. Qua đó làm cơ sở đề xuất các điểm mới, được trình bày chi tiết trong các Chương tiếp theo.
• Chương 2: MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ PHI TUYẾN CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU Trong chương này, Luận án nghiên cứu sự tác động của kênh truyền đến kết quả ước lượng và mã hóa mạng sử dụng ML, từ đó đề xuất phương pháp ước lượng ML cải tiến kết hợp ánh xạ mã hóa mạng phi tuyến để đạt phẩm chất cao. Sau đó, đề xuất kết hợp kỹ thuật mã hóa mạng ánh xạ phi tuyến có độ phức tạp thấp với kỹ thuật STBC để cải thiện phẩm chất cho hệ thống chuyển tiếp hai chiều MIMO. Ngoài ra, phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp dựa trên cực tiểu nhiễu dư cũng được đề xuất để nhận được tăng ích phân tập cao. • Chương 3: MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ TUYẾN TÍNH CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU Nội dung chương này đề xuất kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý sử dụng ánh xạ tuyến tính đạt phẩm chất cao trong khi độ phức tạp tính toán tại nút chuyển tiếp thấp.
Độ phức tạp thấp đạt được nhờ sử dụng ước LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 lượng dựa trên lượng tử hóa kênh kết hợp loại bỏ nhiễu SIC cải tiến. • Chương 4: KẾT HỢP MÃ HÓA MẠNG LỚP VẬT LÝ ÁNH XẠ TUYẾN TÍNH VỚI ĐIỀU CHẾ KHÔNG GIAN CHO CHUYỂN TIẾP HAI CHIỀU Trong chương này, trước hết Luận án giới thiệu tổng quan kỹ thuật PNC ánh xạ tuyến tính kết hợp kỹ thuật SM, sử dụng ước lượng ML đã được đề xuất trước đây. Từ đó, đề xuất kỹ thuật ước lượng có độ phức tạp thấp tại nút chuyển tiếp, trong khi hệ thống đạt phẩm chất cao. Kết quả mô phỏng cho thấy, hệ thống kết hợp giữa kỹ thuật PNC và SM cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng phổ so với các hệ thống chỉ sử dụng PNC thông thường.
LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chương 1 KỸ THUẬT TRUYỀN DẪN CƠ BẢN TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP VÔ TUYẾN HAI CHIỀU 1. Mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều 1. UE Khái quátR chung BS Khe thời gian 1 Khe thời gian 2 Để cải thiện tỷ số tín UE hiệu Khe trên nhiễu và tạp âm tại thời gian 4 R BS các vùng biên của tế Khe thời gian 3 bào, hoặc các vùng bị che khuất.KheCác thời gian hệ 1thống vô tuyến Khe thời thếgianhệ 2 mới đều hỗ Khe thời gian 3 trợ chế độ chuyển tiếp vô tuyến thông qua sử dụng các nút chuyển tiếp (R: R Relay) BS nhằm mở rộng vùng phủ sóng, hoặc nâng cao phẩm chất hệ thống nhờ thời gian 1 hợp tác Khe giữathời gian 2 các nút mạngUE[9, 27, 41]. Nguyên R lý cơ bản BS của kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến là sử dụng các trạm trung gian để chuyển tiếp thông tin nhận UE R BS được từ nút này đến nút khác.
BS R1 R2 UE2 UE1 Hình 1.1: Mô hình tổng quan về mạng chuyển tiếp vô tuyến [2].1 minh họa một ví dụ điển hình về việc sử dụng chuyển tiếp vô BS tuyến trong mạng UE thông tin diRđộng. Các BS nút trung gian R đóng vai trò 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 chuyển tiếp tín hiệu giữa trạm gốc (BS: Base Station) và người sử dụng (UE: User Equipment). Trường hợp chuyển tiếp qua R1 , do UE1 nằm ngoài vùng phủ sóng của BS nên không thể liên lạc trực tiếp với BS. Vì vậy, R1 hỗ trợ chuyển tiếp để mở rộng phạm vi phủ sóng giữa BS và UE1 [41].
Trong trường hợp chuyển tiếp qua R2 , vì UE2 nằm trong vùng phủ sóng của trạm BS do đó có thể liên lạc trực tiếp với BS. Tuy nhiên, khi có thêm trạm chuyển tiếp, chất lượng truyền dẫn giữa BS và UE2 có thể được cải thiện đáng kể nhờ hợp tác thông qua nút chuyển tiếp R2 [9, 27]. Truyền thông trong trường hợp chuyển tiếp qua R2 được gọi là truyền thông hợp tác. Như vậy có thể nói, truyền thông chuyển tiếp chính là trường hợp đặc biệt của truyền thông hợp tác khi không tồn tại đường truyền trực tiếp.
Ứng dụng của chuyển tiếp vô tuyến hai chiều Các thiết bị vô tuyến, nhất là các thiết bị di động, cầm tay, các thiết bị cảm biến không dây. cần có kích thước nhỏ gọn nhưng tiêu thụ nguồn năng lượng ít để duy trì hoạt động lâu dài. Do đó, vùng phủ sóng của chúng bị hạn chế, làm gián đoạn hoặc giảm chất lượng truyền tin giữa các thiết bị với nhau. Ý tưởng sử dụng một hoặc nhiều nút trung gian đóng vai trò chuyển tiếp tín hiệu nhằm kéo dài cự ly liên lạc, hoặc cải thiện phẩm chất cho hệ thống có ý nghĩa vô cùng quan trọng.
Trong thực tế, nút chuyển tiếp được ứng dụng để liên lạc giữa trạm BS với các thiết bị di động UE, hoặc kết nối giữa các thiết bị di động UE, máy tính, thiết bị điện thoại thông minh. ở chế độ Ad-hoc mà không sử dụng cơ sở hạ tầng mạng, hoặc kết nối giữa các phương tiện giao thông với nhau. Gần đây, chuyển tiếp vô tuyến được ứng dụng khá phổ biến trong các mạng LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 12 cảm biến không dây, các hệ thống kết nối vạn vật IoT. Trong đó, một số nút đóng thêm cả vai trò chuyển tiếp để kết nối giữa các nút cảm biến với nút mạng trung tâm.
Trong quân sự, hình thức tác chiến lấy mạng làm trung tâm ra đời là tiền đề cho việc ứng dụng kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến để mạng Ad-hoc quân sự kết nối, hợp đồng tác chiến giữa các lực lượng với nhau. Một số kỹ thuật truyền dẫn cơ bản trong mạng chuyển tiếp vô tuyến hai chiều 1. Chuyển tiếp hai chiều truyền thống Mô hình chuyển tiếp hai chiều truyền thống (TS: Traditional Scheme) được minh họa như trong Hình 1. s1 T1 R s1 Miền thời gian R T2 s2 R T2 s2 T1 R Hình 1.2: Sơ đồ chuyển tiếp hai chiều không sử dụng mã hóa mạng.
s1 T1 R Miền thời gian Quá trình trao đổi dữ liệu giữa hai nút đầu cuối được thực hiện trong 4 s2 R nhất, nút đầu cuối khe thời gian [30]. Trong khe thời gian thứ T2 T1 truyền bản tin s1 đến nút chuyển tiếp R. Trong s1 s2 khe thời gian s1 thứ s2 2, nút R chuyển tiếp T1 R T2 bản tin s1 đến nút đầu cuối T2. Tương tự như vậy, trong khe thời gian thứ 3 và thứ 4, bản tin s2 của nút đầu s cuối T2 sẽ được s chuyển tiếp đến nút đầu Miền thời gian 1 2 T1 R T2 cuối T1.
Để thực hiện truyền dẫn tín hiệu có hiệu quả, ngoài việc xử lý tín s1 s2 s1 s2 T1 R T2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 hiệu tại các nút đầu cuối có thể xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp. Việc xử lý tại nút chuyển tiếp có thể thực hiện theo các giao thức như: Khuếch đại và chuyển tiếp (AF: Amplify-and-Forward) [26,28,64] hoặc giao thức giải mã và chuyển tiếp (DF: Decode-and-Forward) [50, 71]. UE • AF hay còn Rgọi là chuyển BS tiếp tương tự (analog relaying) như minh họa Khe thời trong Hình 1.gian 1 Trong giao thứcKhe thời nút này, gian 2chuyển tiếp chỉ đơn giản khuyếch Khe thời gian 3 UE Khe thời gian 4 R BS đại tín hiệu nó nhận được trước khi chuyển tiếp đến nút tiếp theo. Tuy nhiên, Khe thời gian 1 Khe thời gian 2 chuyển tiếp AF có nhược điểm là do khuếch đại cả tín hiệu và tạp âm nên Khe thời gian 3 làm suy giảm tỷ số SINR tại máy thu nút đích.
Khi truyền dẫn qua nhiều R BS trạm chuyển tiếp làm tích lũy tạp âm, dẫn đến phẩm chất hệ thống suy giảm. thời gian 1 Khe thời gian 2 UE R BS Hình 1.3: Mô tả kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp. • DF hay còn gọi là chuyển tiếp số (digital relaying) được minh họa trong Hình 1. Nguyên lý giải mã và chuyển BS tiếp được mô tả ngắn gọn như sau: R nhất, nút nguồn phát tín hiệu đã được điều chế Trong khoảng thời gian thứ đến nút chuyển tiếp.
Trong khoảng thời gian thứ R hai, nútUE chuyển tiếp thực BS hiện tách tín hiệu để loại bỏ ảnh hưởng của tạp âm, sau đó điều chế lại và UE phát chuyển tiếp tín hiệu này tới nút đích. Nhờ quá trình khôi phục tín hiệu (tái sinh tín hiệu) tại nút chuyển tiếp sẽ giúp loại bỏ ảnh hưởng tạp âm của nút chuyển tiếp tại máy thu nút đích, do đó hệ thống DF đạt phẩm chất cao. UE R BS UE R BS LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com UE R BS Khe thời gian 1 Khe thời gian 2 Khe thời gian 3 UE Khe thời gian 4 R BS 14 Khe thời gian 1 Khe thời gian 2 Khe thời gian 3 Tuy nhiên, do quá trình xử lý tín hiệu tại nút chuyển tiếp phức tạp nên tăng R trễ truyền dẫn. thời gian BS Ngoài ra, cấu trúc thiết bị chuyển tiếp sử dụng giao thời gian 1 Khe thời gian 2 thức DF phức tạp hơn so với AF.
UE R BS UE R BS Hình 1.4: Mô tả kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp. Chuyển tiếp hai chiều sử dụng kỹ thuật mã hóa mạng BS Mã hóa mạng được hiểu là sự kết hợp tín hiệu của các nút mạng thành R một từ mã duy nhất để sử dụng chung cho tất cả các nút mạng. Mỗi nút R UE mạng khi nhận được từ mã này hoàn toàn giải mã để lấy thông tin nút đối tác thông qua loại bỏ thông UE tin của chính nó chứa trong từ mã. Để giảm số lượng khe thời gian truyền dẫn, cho phép nâng cao hiệu quả phổ so với chuyển tiếp truyền thống, nút chuyển tiếp ngoài việc xử lý theo các giao thức như AF hoặc DF còn phải thực hiện xử lý bằng cách: Kết hợp các tín hiệu UE R đến từ UE các nút đầu cuối R tạo thành từBS mã duy nhất trước khi phát quảng bá cho các nút đầu cuối.