MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Ngày nay, các hệ thống truyền dẫn vô tuyến đang đứng trƣớc những thách thức to lớn cả về cải tiến giải pháp cũng nhƣ cải tiến công nghệ nhằm đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao và khắt khe hơn của ngƣời sử dụng, chẳng hạn: mở rộng phạm vi vùng phủ; gia tăng tốc độ truy cập; nâng cao phẩm chất và độ tin cậy của hệ thống; sử dụng hiệu quả năng lƣợng cũng nhƣ phổ tần; và đặc biệt là giảm thiểu độ phức tạp trong tính toán, xử lý. Để đáp ứng đƣợc những yêu cầu đó thì mạng thông tin vô tuyến đang phát triển không ngừng, cùng với đó thu hút sự đầu tƣ của các nhà mạng và cung cấp dịch vụ đã tạo ra những tiến bộ vƣợt bậc nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ truy cập của ngƣời dùng. Tốc độ truyền dẫn của mạng thông tin có những bƣớc phát triển nhanh chóng nhƣ mạng không dây sử dụng sóng vô tuyến Wifi với chuẩn IEEE 802.ac lên tới 6.77Gbps, mạng truy cập vô tuyến băng thông rộng WiMAX với chuẩn IEEE 802.16m với tốc độ 1Gbps, hoặc mạng thông tin di động 4G- LTE Advanced có thể lên tới 3.9Gbps và tƣơng lai là mạng thế hệ thứ 5 đã mang lại cuộc cách mạng làm thay đổi căn bản tốc độ truyền tải dữ liệu, giúp phát triển các lĩnh vực khoa học kỹ thuật khác và trải nghiệm ngƣời dùng tốt hơn.
Để đáp ứng đƣợc các hệ thống yêu cầu tốc độ cao nhƣ vậy, thì hệ thống MIMO (Multiple Input Multiple Output) [1] sử dụng đa ăng-ten đầu ra và đầu vào ra đời, nó tăng dung lƣợng kết nối vô tuyến bằng cách truyền và nhận tín hiệu trên nhiều đƣờng khác nhau. MIMO đã trở thành một yếu tố thiết yếu của tiêu chuẩn truyền thông không dây bao gồm IEEE 802. Để nâng cao hiệu suất và hiệu quả trải phổ, thì nhiều kỹ thuật khác nhau đã đƣợc kết hợp với MIMO. Trong đó phải kể đến nhƣ: kỹ thuật mã khối không gian thời gian (STBC) [3] giúp đem lại độ lợi phân tập nhằm cải thiện phẩm chất tỉ lệ lỗi bit; kỹ thuật ghép kênh phân chia theo không gian (SDM) [4] giúp đem lại độ lợi ghép kênh, cho phép tăng tốc độ truyền dẫn tuyến tính với số ăng-ten phát sử dụng nhằm tăng độ lợi phân tập.
13 Lê Doãn Thiện download by : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sĩ 2016 Để đảm bảo chất lƣợng truyền dẫn và mở rộng vùng phủ, thì kỹ thuật chuyển tiếp vô tuyến đƣợc sử dụng rộng rãi. Các ví dụ điển hình của kỹ thuật này đƣợc ứng dụng trong các hệ thống thông tin vô tuyến viba mặt đất, các đƣờng truyền thông tin vệ tinh, và ngày nay là các hệ thống thông tin di động và thông tin vô tuyến ad-hoc. Trong hệ thống mạng thế hệ thứ 4 hiện nay (LTE-Advanced), thì nút chuyển tiếp (relay node) thƣờng hoạt động theo phƣơng thức khuếch đại – chuyển tiếp (Amplify- and-Forward ở lớp vật lý) hoặc giải mã – chuyển tiếp (Decode-and-Forward ở lớp liên kết dữ liệu). Kỹ thuật chuyển tiếp chia đƣờng truyền trực tiếp thành hai hoặc nhiều đoạn truyền tín hiệu có chất lƣợng cao, hình thành lên một đƣờng truyền truyền dẫn đa chặng giữa trạm gốc và ngƣời sử dụng đầu cuối, giúp khắc phục đƣợc những hạn chế về vùng phủ và tốc độ truyền dữ liệu thấp do bị che chắn hoặc bị mất mát tín hiệu.
Các tín hiệu đƣợc phát đi thƣờng đƣợc mã hóa tại nguồn hoặc đƣợc mã hóa trên kênh truyền. Nhƣng hiện nay, ngƣời ta áp dụng một phƣơng pháp để tăng thông lƣợng truyền dữ liệu trong mạng rất hiệu quả đó là kỹ thuật mã hóa mạng (Network coding) [5]. Với kỹ thuật này, các gói tín sẽ đƣợc xử lý và kết hợp tuyến tính từ các nguồn khác nhau tại nút chuyển tiếp. Việc ứng dụng kỹ thuật mã hóa này giúp giảm số pha thời gian truyền dữ liệu cần thiết so với phƣơng pháp lƣu trữ và chuyển tiếp theo kiểu cũ.
Từ đó làm tăng thông lƣợng của hệ thống, đồng thời cũng giúp giảm độ phức tạp tính toán, tăng tính bảo mật của thông tin. Và khi thực hiện mã hóa mạng ở lớp vật lý cho mạng vô tuyến ad-hoc còn giúp giảm pha thời gian truyền dữ liệu hơn nữa, ngƣời ta gọi đó là kỹ thuật mã hóa mạng lớp vật lý (Physical-layer Network Coding) [6]. Chính vì vậy mà việc kết hợp hệ thống MIMO với các kỹ thuật truyền dẫn, mã hóa và kết nối mạng vào các hệ thống truyền thông vô tuyến nhƣ mạng ad-hoc, mạng tế bào di động,. là xu thế tất yếu của sự phát triển khoa học công nghệ.
Để bắt kịp xu hƣớng đó, thì việc nghiên cứu hệ thống truyền dẫn MIMO-SDM sử dụng PNC trên kênh chuyển tiếp hai chiều [7] là một hƣớng nghiên cứu hấp dẫn và mang lại hiệu quả cao trong tƣơng lai. Nhƣng hiện nay, việc nghiên cứu về hệ thống truyền dẫn này mới chỉ dừng lại ở lý thuyết và mô phỏng trên máy tính mà chƣa có nghiên cứu khoa học 14 Lê Doãn Thiện download by : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sĩ 2016 nào đƣợc triển khai trên phần cứng nhằm đánh giá hiệu năng sử dụng của hệ thống trƣớc khi đƣa vào ứng dụng thực tế. Với những lý do nêu trên, tôi đã lựa chọn đề tài Luận văn tốt nghiệp là: “Thiết kế bộ tách sóng cho truyền thông MIMO-SDM chuyển tiếp hai chiều sử dụng PNC ”. Lịch sử nghiên cứu Hệ thống MIMO đƣợc biết đến nhƣ là một trong những cách hiệu quả nhất để tăng dung lƣợng kênh truyền trong hệ thống thông tin vô tuyến [1], [8].
Có rất nhiều bài báo khoa học, công trình nghiên cứu về cách cải tiến hệ thống này, trong đó có một kỹ thuật rất nối tiếng là hệ thống không gian thời gian phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs (V-BLAST: Vertical Bell Labs Layered Space Time) [4]. Hệ thống MIMO-SDM này sử dụng ghép kênh phân chia theo không gian tại máy phát và sử dụng bộ tách sóng tuyến tính nhằm loại bỏ sự can thiệp nhiễu tại máy thu, từ đó giúp hệ thống đạt đƣợc độ lợi ghép kênh nhằm tăng hiệu quả trải phổ. Ahlswede và đồng nghiệp đã giới thiệu kỹ thuật mã hóa mạng (NC) [5] trong năm 2000 vào hệ thống truyền dẫn. Với kỹ thuật này, các nút mạng trung gian thay vì chỉ lƣu trữ và chuyển tiếp dữ liệu theo phƣơng pháp truyền thống, mà nó sẽ có chức năng tổ hợp các gói tin các gói tin từ đầu vào thành các gói tin ở đầu ra nhƣ các điểm phát.
Lúc này, hệ thống truyền dẫn với các nút mạng đƣợc coi là mạng phát đa điểm với thông lƣợng cao hơn so với hệ thống truyền dẫn truyền thống. Nhƣ vậy, NC giúp tổ hợp thông tin tại các nút mạng, tạo ra các gói tin mới, định tuyến lại đƣờng truyền và đƣợc coi là một hình thức truyền thông hợp tác tại các nút mạng. Sau đó vào năm 2003, Li và các đồng nghiệp đã giới thiệu mã mạng tuyến tính (Linear Network Coding) [18] mở rộng nghiên cứu về NC, đã cho thấy các mạng phát đa điểm chỉ cần sử dụng mã tuyến tính là có thể đạt đƣợc thông lƣợng yêu cầu trong khi giảm độ phức tạp của tính toán, giúp kỹ thuật này có thể triển khai vào thực tế. Từ công trình nghiên cứu NC của Ahlswede và đồng nghiệp, đã tạo tiền đề cho Zhang và các đồng nghiệp của mình nghiên cứu về mã hóa mạng lớp vật lý (Physical layer Network Coding) [6] cho mạng vô tuyến ad-hoc vào năm 2006.
Các nhà nghiên có ý tƣởng chính là tạo ra các thiết bị tƣơng tự nhƣ NC nhƣng tại lớp vật lý đối với 15 Lê Doãn Thiện download by : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sĩ 2016 việc thu và giải điều chế các tín hiệu dạng sóng thay cho các bit số. Bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế và giải điều chế, các thành phần tín hiệu đƣợc ánh xạ thành các bit dữ liệu. Từ đó PNC cho phép tăng thông lƣợng của hệ thống lên 100% so với mạng truyền thống và 50% so với mạng NC thông thƣờng. PNC cho phép sử dụng hầu hết các lý thuyết và các kỹ thuật đang đƣợc áp dụng cho NC đƣợc điều chỉnh để áp dụng với chính nó.
Điểm khác biệt giữa PNC và NC chính là việc mã hóa thông tin sau khi thu đƣợc chúng từ các đầu vào. Khi có nhiều sóng điện từ trong cùng một không gian vật lý thì chúng sẽ đƣợc cộng dồn với nhau, thông thƣờng thì việc trộn lẫn các sóng điện từ này đƣợc coi là một hiện tƣợng gây nhiễu, nhƣng đồng thời nó cũng đƣợc coi là một dạng mã hóa mạng vô tuyến [6]. PNC coi tính chất xếp chồng của tín hiệu nhƣ một phép mã hóa tự nhiên, và nó lợi dụng mã hóa mạng tự nhiên ở dạng can nhiễu vô tuyến thành có ích để dử dụng. Sau những thành công của việc giới thiệu PNC, Zhang và các đồng sự tiếp tục áp dụng PNC vào trong các hệ thống MIMO [9] để cải thiện thông lƣợng, hiệu quả sử dụng phổ và giảm độ phức tạp tính toán.
Hệ thống MIMO-PNC này trên kênh truyền chuyển tiếp hai chiều sử dụng tách tín hiệu tuyến tính tại các nút trung gian để thu đƣợc tín hiệu tốt với độ phức tạp thấp. Trong nghiên cứu này, các nút chuyển tiếp tạo ra các thành phần tổng và hiệu của hai đầu vào từ hai nút đích, sau đó mã hóa chúng thành các gói mã hóa mạng để chuyển tiếp. Trong [10] Chung và các cộng sự đề xuất sử dụng bộ tách tín hiệu tuyến tính cƣỡng bức về không (ZF) và sai số bình phƣơng trung bình tối thiểu (MMSE) cho tín hiệu điều chế biên độ cầu phƣơng QAM. Gần đây, Zhang và cộng sự tiếp tục mở rộng nghiên cứu MIMO-PNC với bộ tách tín hiệu không gian thời gian phân lớp theo chiều dọc của Bell Labs (V-BLAST) tại nút chuyển tiếp [11].
Nghiên cứu này đề xuất hai bộ tách sóng tuyến tính dựa trên phƣơng pháp sử dụng tỷ lệ log-likelihood và kết hợp chọn lọc. Tất cả các hệ thống đề xuất này chỉ xem xét trƣờng hợp các nút nguồn chỉ sử dụng một ăng-ten và do đó không đạt đƣợc độ lợi ghép kênh. Chính những điều trên, Hiệp và các cộng sự đã đề xuất ứng dụng kỹ thuật PNC trong các hệ thống MIMO-SDM cho kênh chuyền chuyển tiếp hai chiều [7], [12] mà ở đó, tất cả các nút nguồn đều có hai ăng-ten, trong khi nút chuyển tiếp có bốn ăng-ten. 16 Lê Doãn Thiện download by : skknchat@gmail.com Luận văn thạc sĩ 2016 Các nút nguồn sử dụng MIMO-SDM để trao đổi dữ liệu của chúng thông qua nút chuyển tiếp.