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

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

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017

41


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

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 N a như nhau thì hiệu suất sử dụng phổ đạt được là
log2 N a bpcu1. 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 log2 N a  log2 Mc bpcu, trong đó, Mc 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 SMPNC 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.

42 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

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 Ni ,(i  1, 2) và nút chuyển tiếp R 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, P1  P2  PR  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
(i )
(i )
thứ m của nút chuyển tiếp R và ngược lại tương ứng là hmn
và hnm
ta có thể viết
(i )
(i )
{hmn , hnm }  c (0,1) . 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 N  2 và M  4 . Việc lựa chọn M  4 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

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017

43

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

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 z i và z r với {zi , zr }  c (0,1) .
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 na  nc bit, trong đó na  log2 N và
nc  log2 M c , với Mc là bậc của điều chế. Dựa trên giả thiết N  2 nên na  1
và M c  4 nên nc  2 . Xét một khối 3 bít dữ liệu b1(i ), b2(i ), b3(i ) . Tại nút Ni bít thứ
nhất b1(i ) được dùng để lựa chọn một trong hai ăng-ten được trang bị để phát; hai bít
tiếp theo b2(i ), b3(i ) được ánh xạ lên một điểm tín hiệu trong sơ đồ điều chế
Mc -QAM . Như vậy, hiệu suất sử dụng phổ trong trường hợp này là
SM-PNC  log2 N  log2 Mc  3 bpcu . Trong khi đó, các hệ thống đề xuất ở
[9][10] với cùng số lượng ăng-ten chỉ đạt được hiệu suất
SSK-PNC  log2 N  1 bpcu . 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 b1(i )  {0,1} nên tương ứng b1(i )  0 ta có ăng-ten thứ nhất được kích hoạt
và b1(i )  1 sẽ là ăng-ten thứ hai. Như vậy, nếu ký hiệu ai là véc-tơ kích hoạt ăngten thì tương ứng với hai giá trị của b1(i ) ta có ai  {[1, 0]T ,[0, 1]T } . Do Mc  4
nên 4-QAM được sử dụng để điều chế hai bit b2(i ), b3(i ) thành một symbol phát si .
Véc-tơ tín hiệu phát đi từ hai nút đầu cuối có thể được biểu diễn bởi: xi  aisi . Ký
hiệu ma trận kênh truyền giữa nút Ni và nút chuyển tiếp R là H ir  42 với các
(i )
phần tử hmn
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
cr  {[1, 0, 0, 0]T ,[0,1, 0, 0]T ,[0, 0,1, 0]T ,[0, 0, 0,1]T } thì tín hiệu thu được tại máy thu
của nút chuyển tiếp R có thể được biểu diễn như sau:
(1)
yr  1cTr H 1r a1s1  2cTr H 2r a2s2  zr ,
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 zr  c (0,1) 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
(1)
(2)
, hmn
} . Giả thiết ăng-ten
các tổ hợp tín hiệu phát {s1, s2 } và tổ hợp kênh truyền {hmn
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 cr đã được xác định. Giả thiết nút chuyển tiếp có thể ước
44 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

(i )
lượng chính xác các kênh truyền hmn
. Như vậy, luật quyết định dựa trên cự ly
Euclid cực tiểu của bộ tách ML có thể được biểu diễn như sau:


{(sˆ1, sˆ2 ),(a1,lˆ, a2,kˆ )}  min arg  yr 
{s1 ,s2 } ; 

1crT H 1r a1,l s1 

2
2crT H 2r a2,k s2  (2)


l 1,2;k 1,2

trong đó,  ký hiệu tập hợp các giá trị symbol của điều chế 4-QAM, và a1,l và a2,k
là các véc-tơ giá trị của ai với ai,1 =[1, 0]T và ai,2 =[0, 1]T . Từ luật quyết định
ML ở công thức (2), nút chuyển tiếp ước lượng được cặp symbol phát (sˆ1, sˆ2 ) và
cặp véc-tơ kích hoạt ăng-ten aˆ1  aˆ1,lˆ và aˆ2  aˆ2,kˆ .
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 sˆ1, sˆ2 và các
cặp véc-tơ kích hoạt ăng-ten đầu cuối aˆ1, aˆ2 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 aˆ1, aˆ2 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 aˆ1, aˆ2 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 ar  ([1, 0, 0, 0]T ,[0,1, 0, 0]T ,[0, 0,1, 0]T ,[0, 0, 0,1]T ) với
các véc-tơ của tổ hợp ar , p ,(p  1,2, 3, 4) . Như vậy, phép ánh xạ PNC của các bít
lựa chọn ăng-ten được biểu diễn như sau:
(a1,1  [1, 0]T , a2,1  [1, 0]T )  ar ,1  [1, 0, 0, 0]T
(a1,1  [1, 0]T , a2,2  [0,1]T )  ar ,2  [0,1, 0, 0]T
(a1,2  [0,1]T , a2,1  [1, 0]T )  ar ,3  [0, 0,1, 0]T

(3)

(a1,2  [0,1]T , a2,2  [0,1]T )  ar ,4  [0, 0, 0,1]T

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 mi , m j   thì kết quả mi  m j  mk   . 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 ei , e j   thì ei  e j  ek    , với     do có số
thành phần của tổ hợp lớn hơn. Ký hiệu f :    là hàm ánh xạ điều chế 1-1 sao
cho f (mi )  ei , i . Phép ánh xạ ngược được ký hiệu bởi h:     , do đây là
phép ánh xạ nhiều-1.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017

45

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

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
L  Mc / 2 và tập các symbol số   {0,1, 2,...,(L  1)} , phép ánh xạ f được
cho bởi các công thức sau [5]:
f (mi )  ei  2mi  (L  1) .
(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 ei  e j  ei  e j . Giả thiết toán tử
PNC được thực hiện cho tập  như sau: mi  m j  (mi  m j ) mod L . Lúc này
tồn tại phép ánh xạ ngược h như sau [5]:
 ei  e j

h(ek )  h(ei  e j )  
 1  mod L .
 2


(5)

Bảng 1 minh họa kết quả các phép ánh xạ cho trường hợp tín hiệu PAM 2 mức
( L  2 ), 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.
mi

mj

ei

ej

ei  e j

h(ei  e j )

mi  m j

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 sˆ1, sˆ2 , cần thực hiện xử lý riêng cho từng kênh riêng biệt. Ký hiệu:
sˆ1I  Re(sˆ1 ); sˆ2I  Re(sˆ2 ); sˆ1Q  Im(sˆ1 ); sˆ2Q  Im(sˆ2 ) , 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:
 sˆQ  sˆQ
 sˆI  sˆI



2
2
 1  mod 2 .
srI   1
 1  mod 2 ; srQ   1



 2
2


(6)

Như vậy, symbol tín hiệu 4-QAM đã được mã hóa mạng tại nút chuyển tiếp có
thể được biểu diễn bởi sr  srI  jsrQ . Symbol tín hiệu này sau đó sẽ được phát đi
qua ăng-ten được lựa chọn dựa trên véc-tơ kích hoạt ăng-ten ar thu được như đã
trình bày ở trên.
46 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”


Nghiên cứu khoa học công nghệ

2.3. Pha phát quảng bá (BC)
Trong pha BC, nút chuyển tiếp R thực hiện phát quảng bá symbol PNC sr tới
hai nút đầu cuối N1, N2 . Sử dụng biểu diễn tương tự trong pha MA, có thể thu
được tín hiệu tại hai nút đầu cuối như sau:
y1 

1cT1r H r 1ar sr  z1 ,

(7)

y2 

2cT2r H r 2ar sr  z 2 .

(8)

trong đó, c1r và c2r tương ứng là các véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu tại hai nút đầu
cuối, c1r , c2r  {[1, 0]T ,[0,1]T } ; H r 1, H r 2  42 là các ma trận kênh truyền từ nút
chuyển tiếp tới hai nút đầu cuối, z1, z1  c (0,1) tương ứng là tạp âm tại các nút
N1, N2 . Với giả thiết các véc-tơ lựa chọn ăng-ten thu đã xác định, tức là
c1r  c1r và c2r  c2r 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 sr và véc-tơ kích hoạt ăng-ten phát ar như sau:


Tại nút Ni ,(i  1, 2) : {sˆr , ar ,lˆ}  min arg  yi  1ciT H riar ,l sr  .
2

s  ;
l 1,2,3,4





(9)

trong đó,   là tập các giá trị của sr được xác định theo Bảng 1. Do sr  srI  jsrQ
và các thành phần srI và srQ đều nhận các giá trị trong tập {0,1} nên
  {0,1, j,1  j } .
Từ các giá trị ước lượng được sˆr , ar ,lˆ 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
ar ,lˆ , 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 ar ,lˆ  ar ,2  [0,1, 0, 0]T , ta có a1,1  [1, 0]T , a2,2  [0,1]T , nhờ đó nút
N1 xác định được a2,2  [0,1]T và suy ra bˆ1(2)  1 ; tương tự N2 xác định được
a  [1, 0]T và suy ra bˆ(2)  0 .
1,1

1

Để thực hiện giải mã sˆr sử dụng lại toán tử mã hóa PNC tại nút chuyển tiếp
mr  mi  m j  (mi  m j ) mod L . Để ước lượng symbol của nút N2 , nút N1 tính
ˆ 2  m1  m
ˆ r  (m
ˆ r  m1 ) mod L .
m

Tương tự nút N2 ước lượng được
ˆ 1  m2  m
ˆ r  (m
ˆ r  m2 ) mod L . Do mã hóa PNC của sr được thực hiện riêng
m
cho từng kênh I và Q nên việc giải mã sˆr cũng cần thực hiện tương tự để xác định
sˆ1I , sˆ1Q và sˆ2I , sˆ2Q . Tiếp theo sử dụng giải điều chế 4-QAM, các nút đầu cuối có thể
ước lượng được các bit dữ liệu đã phát bˆ2(1), bˆ3(1) và bˆ2(2), bˆ3(2) .
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN
Để thực hiện đánh giá hiệu quả của hệ thống đề xuất sử dụng mô phỏng MonteCarlo để xác định phẩm chất lỗi thông qua tỉ lệ lỗi bit BER (Bit Error Rate). Mô
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017

47

Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

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 N  2 , M  4 (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 (SMPNC, BPSK) phẩm chất BER của hệ thống SM-PNC trên thang Eb / N 0 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 SSKPNC 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 SSKPNC 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
48 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”

Nghiên cứu khoa học công nghệ

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.

Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 47, 02 - 2017

49


Kỹ thuật điều khiển & Điện tử

[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 TwoWay 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 SMPNC system is analyzed and compared with that of the SSK-PNC using
spectral efficiency analysis and simulated bit error rate.
Wireless Communications, Physical-layer Network Coding, Spatial Modulation, Space Shift

Keywords:

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:

50 Trần Xuân Nam, “Hệ thống kết hợp điều chế không gian… vô tuyến chuyển tiếp hai chiều.”