Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)

Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin phép gửi lời cảm ơn chân thành và sự tri ân sâu sắc đến

Thầy PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo đã trực tiếp hướng dẫn khoa học trong suốt

quá trình thực hiện luận văn này Thầy đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báu

để tôi có thể vững bước trên con đường sự nghiệp của mình

Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn đến quý Thầy Cô đang công tác giảng dạy tại Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông Cơ Sở Tại Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã truyền đạt nhiều kiến thức quý báu trong suốt quá trình tôi học tập tại Học Viện

Và cuối cùng tôi cũng xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè, các quý anh chị học viên cao học khóa 2016 đã động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành khóa học cũng như thực hiện luận văn này

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Huỳnh Văn Hóa

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Huỳnh Văn Hóa

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 – LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu 3

1.2 Các nghiên cứu liên quan 4

1.3 Kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA) 5

1.3.1 Giới thiệu 5

1.3.2 Mô tả hoạt động 6

1.3.3 Lợi ích của kỹ thuật NOMA 9

1.4 Các kỹ thuật chuyển tiếp 9

1.4.1 Giới thiệu 9

1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF 11

1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp AF 11

1.5 Các kỹ thuật NOMA hợp tác 11

1.5.1 Giới thiệu 11

1.5.2 Kỹ thuật NOMA hợp tác DF 12

1.5.3 Kỹ thuật NOMA hợp tác AF 12

1.6 Các kỹ thuật hợp tác 13

1.6.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SC) 13

1.6.2 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC) 13

1.6.3 Kỹ thuật kết hợp cân bằng (EGC) 14

Chương 2 – PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA HỆ THỐNG NOMA HỢP TÁC VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG KỸ

THUẬT AF 15

2.1 Mô hình hệ thống 15

2.1.1 Mô tả hoạt động của mô hình đề xuất 15

2.1.1.1 Mô tả hoạt động của mô hình đề xuất sử dụng kỹ thuật MRC 15

2.1.1.2 Mô tả hoạt động của mô hình đề xuất sử dụng kỹ thuật SC 18

2.1.2 Xét tỉ số tín hiệu trên nhiễu và giao thoa 19

2.1.2.1 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của mô hình đề xuất theo kỹ thuật MRC 19

2.1.2.2 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của mô hình đề xuất theo kỹ thuật SC 20

2.2 Phân tích hiệu năng của hệ thống 22

2.2.1 Tính xác suất dừng của hệ thống đối với kỹ thuật MRC 22

2.2.2 Tính xác suất dừng của hệ thống đối với kỹ thuật SC 32

2.2.3 Phân tích tiệm cận 34

Chương 3 - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 37

3.1 Mô phỏng Monte – Carlo 37

3.2 Kết quả đạt được 37

3.3 Kết luận và hướng phát triển đề tài 46

3.3.1 Kết luận 46

3.3.2 Hướng phát triển đề tài 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

AF Amplify – and – Forward Khuếch đại và chuyển tiếp

CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

DF Decode – and – Forward Giải mã và chuyển tiếp

EGC Equal Gain Combining Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng MRC Maximal Ratio Combining Kỹ thuật kết hợp tỉ số lớn nhất NOMA Non-Orthogonal multiple access Đa truy nhập không trực giao

OMA Orthogonal Multiple Access Đa truy nhập trực giao

PDF Probability Density Function Hàm mật độ phân bố xác suất

SC Selection Combining Kỹ thuật kết hợp lựa chọn

SNR Signal to Noise Ratio Tỉ số tín hiệu trên nhiễu

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Mô hình NOMA đường xuống 6

Hình 1.2 Mô hình chuyển tiếp đơn giản 10

Hình 1.3 Mô hình chuyển tiếp hợp tác 10

Hình 1.4 Mô hình kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) với 3 anten thu 13

Hình 1.5 Mô hình kỹ thuật kết hợp tỉ số lớn nhất (MRC) với 3 anten thu 14

Hình 2.1 Mô hình đề xuất của hệ thống NOMA hợp tác sử dụng MRC 15

Hình 2.2 Mô hình đề xuất của hệ thống NOMA hợp tác sử dụng SC 18

Hình 3.1 Kết quả mô phỏng giữa mô hình OMA hợp tác và NOMA hợp tác 39

Hình 3.2 So sánh giữa hai kỹ thuật MRC và SC tại D1 trong mô hình đề xuất 40

Hình 3.3 So sánh giữa hai kỹ thuật MRC và SC trong mô hình đề xuất ở trên 41

Hình 3.4 Xác suất dừng cho các trường hợp A, B, C 42

Hình 3.5 So sánh hai trường hợp của B khi thay đổi vị trí của R 43

Hình 3.6 Xác suất dừng khi thay đổi tốc độ cho phép tại D 442 Hình 3.7 Xác suất dừng được vẽ theo 1 khi thay đổi tỉ lệ giữa P1 và P2 45

Hình 3.8 Xác suất dừng được vẽ theo  khi thay đổi tỉ lệ công suất của R 46

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây, với nhu cầu thông tin liên lạc giữa mọi người với nhau ngày một nhiều hơn và rộng hơn, chính vì vậy truyền thông không dây đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc kết nối giữa mọi người với nhau bởi vì tính linh hoạt của nó Vì vậy, các hệ thống truyền thông không dây đã được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm

Khởi đầu là công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), tức là mỗi người dùng được sử dụng mỗi tần số khác nhau và được công nhận là công nghệ đa truy nhập thế hệ thứ nhất (1G) Tiếp theo nữa là công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) Ở công nghệ này thì mỗi người dùng được cấp phép sử dụng ở mỗi khe thời gian khác nhau, và được chấp nhận là công nghệ đa truy nhập thế hệ thứ 2 (2G) Tuy nhiên, theo thời gian thì ngày càng có nhiều người dùng hơn nên công nghệ 2G không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng các thiết bị di động ngày càng tăng cao nên công nghệ đa truy nhập thế hệ thứ 3 (3G) được ra đời,

đó là công nghệ đa truy nhập theo mã (CDMA) Khoảng 10 năm trở lại đây, với tốc

độ dân số ngày càng tăng cao, đi đôi với đó là việc kết nối giữa mọi người ngày càng tăng lên Vì thế, đòi hỏi cần phải có giải pháp để đáp ứng nhu cầu sử dụng của mọi người nên công nghệ đa truy nhập thế hệ thứ 4 (4G) được đưa ra Đó là công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDM) Nhưng trong vài năm trở lại đây, ngành công nghệ thông tin ngày càng phát triển với các ứng dụng lưu trữ

dữ liệu rất lớn Bên cạnh đó, việc phát triển của các thiết bị đi động thông minh, không những kết nối giữa con người với nhau mà còn kết nối giữa các thiết bị di động với nhau Với việc nguồn tần số cấp phép sử dụng ngày càng cạn kiệt nên đòi hỏi cần phải có một công nghệ mới nhằm giải quyết những vấn đề ở trên Vì vậy, các nhà khoa học đã đề xuất công nghệ đa nhập thế hệ mới, đó là công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA) và được đề xuất là công nghệ đa truy nhập thế hệ thứ 5 (5G)

Công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA) đã giải quyết được phần lớn vấn đề thiếu phổ tần cho người dùng vì đã mở ra một miền mới, đó là miền công suất Bên cạnh việc phát triển công nghệ mới thì cũng cần giữ lại những kỹ thuật tối ưu ở công nghệ trước Bởi vậy, truyền thông hợp tác đã được kế thừa và trở thành một yếu tố cần thiết nhằm cải thiện hiệu năng của các hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến

Đa truy nhập không trực giao (NOMA) được đề xuất trong mô hình đa truy nhập thế hệ thứ 5 (5G) và đã nhận được sự quan tâm chú ý gần đây Trong luận văn, Học viên sẽ nghiên cứu sử dụng truyền thông hợp tác trong kỹ thuật NOMA dùng

kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) để đánh giá hiệu năng của kỹ thuật này so với kỹ thuật đa truy nhập trực giao thông thường (OMA) hợp tác tương tự, và xem xét đến xác suất dừng của hệ thống này ở chế độ tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu ở mức cao

Trong luận văn, Học viên nghiên cứu đến hiệu năng của mạng NOMA hợp tác qua thông số xác suất dừng của hệ thống

Nội dung luận văn được chia làm 3 chương, cụ thể như sau:

 Chương 1 – Lý thuyết tổng quan

Trong Chương 1, tìm hiểu cách thức truyền tín hiệu của mạng NOMA, các kỹ thuật chuyển tiếp và các kỹ thuật kết hợp

 Chương 2 – Phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống NOMA hợp tác với nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF

Trong Chương 2, đưa ra mô hình đề xuất, phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống từ biểu thức xác suất dừng của hệ thống

 Chương 3 – Mô phỏng và kết quả

Trong Chương 3, sử dụng phương pháp mô phỏng Monte – Carlo trên phần mềm Matlab để kiểm chứng giữa kết quả mô phỏng và kết quả phân tích lý thuyết dựa trên kết quả của xác suất dừng  OP được đưa ra ở

Chương 2 Cuối cùng là phần kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương 1 – LÝ THUYẾT TỔNG QUAN

Trong khoảng vài năm trở lại đây, các công nghệ truyền thông không dây đã đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc chuyển tải các thông tin, dữ liệu khác nhau khi mà nhu cầu sử dụng của con người ngày càng tăng cao Điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học trên thế giới quan tâm nghiên cứu như mạng vô tuyến nhận thức [1], mạng cảm biến không dây [2], và sự phát triển của mạng thông tin di động truyền thống [3], với mục đích nâng cao chất lượng truyền dẫn

Tuy nhiên, với thời đại bùng nổ thông tin như hiện nay đã nảy sinh nhiều vấn

đề về tốc độ truyền dẫn như khả năng xảy ra lỗi trong quá trình truyền, hay tốc độ truyền bị chậm do thiếu phổ tần Vì vậy cần phải đưa ra các giải pháp cải thiện phổ tần, và đó cũng là lý do thúc đẩy các nhà nghiên cứu hiện nay tập trung đề xuất các

kỹ thuật mở rộng nhằm nâng cao hiệu năng cho mạng truyền thông không dây [4], [5]

Bên cạnh đó, hiện nay cũng có nhiều bài báo công bố về công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA) và kỹ thuật mới này được lựa chọn đề xuất cho mạng truy nhập thế hệ thứ 5 (5G) [6] Kỹ thuật NOMA đưa ra một miền mới, đó là miền công suất Trong kỹ thuật NOMA, dựa vào thông tin trạng thái của kênh truyền và áp dụng phương thức khử nhiễu tuần tự (SIC) để giải mã tín hiệu cho từng thiết bị đầu cuối, như các mô hình ở [7], [8], [9]

Tuy nhiên, để tối đa hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến hơn nữa thì mạng truyền thông hợp tác đã trở nên phổ biến trước đó với hiệu quả đã được kiểm chứng [10], [11], [12] Vì vậy, mạng truyền thông hợp tác cũng được áp dụng trong mạng truy nhập NOMA Mặc dù mạng NOMA sử dụng tính chất phân bổ công suất

để giúp cho các người dùng đầu cuối đều có khả năng nhận dữ liệu từ máy phát là tương đương nhau Tuy nhiên, mạng này cũng khó có thể tránh khỏi việc một vài người dùng không thể kết nối trực tiếp với máy phát được Chính vì vậy, mạng này cần sử dụng các nút trung gian để chuyển tiếp dữ liệu từ máy phát đến máy thu qua

khoảng cách xa hoặc khi máy thu bị che khuất, qua đó mở rộng thêm vùng phủ sóng của trạm phát sóng [13] Ngoài việc sử dụng nút chuyển tiếp để truyền tới các máy thu ở xa thì mạng truyền thông hợp tác cũng được tận dụng để truyền thông tin tới những máy thu ở gần nó vì tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến Sau đó, các máy thu sử dụng các bộ kết hợp các dữ liệu từ các kênh truyền này lại để nhận được tín hiệu tốt hơn

Với xu hướng xã hội ngày càng phát triển, không những kết nối giữa mọi người càng tăng mà còn có sự kết nối giữa các thiết bị thông minh với nhau, đòi hỏi các hệ thống vô tuyến ngày càng phải cải tiến hơn nữa để đáp ứng được nhu cầu sử dụng của người dùng Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã không ngừng nghiên cứu để đưa ra những giải pháp tăng cường khả năng kết nối Vì vậy việc sử dụng mạng truy nhập NOMA hợp tác đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay Đây cũng là lý do để Học viên định hướng theo nghiên cứu này

Gần đây có nhiều bài báo công bố về công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA) hợp tác như là mô hình đa truy nhâp không trực giao được đưa ra với việc

sử dụng nút trung gian để khuếch đại tín hiệu rồi truyền đến nút đích [14], hay tại nút chuyển tiếp được trang bị nhiều ăng-ten phát để truyền tín hiệu tới những người dùng khác với điều kiện truyền khó khăn hơn [15]

Thêm nữa, mô hình đa truy nhập không trực giao hợp tác với nút chuyển tiếp dùng 2 cách chuyển tiếp được nghiên cứu và các nút chuyển tiếp lựa chọn dựa trên

tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR) lớn nhất, nghiên cứu về đa truy nhập không trực giao hợp tác với nút chuyển tiếp dùng giao thức giải mã và chuyển tiếp [16], hay đa truy nhập không trực giao hợp tác với nút chuyển tiếp dùng giao thức truyền song công [17] Tất cả các nghiên cứu trên đều cho thấy hiệu suất phổ tần được cải thiện một cách đáng kể so với các công nghệ truy nhập trước đó

Sau khi tham khảo các nghiên cứu liên quan, Học viên nhận thấy rằng, mô hình đa truy nhập không trực giao NOMA hợp tác với nút chuyển tiếp sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp vẫn chưa được nghiên cứu một cách đầy đủ Vì vậy

trong luận văn này, tôi tập trung nghiên cứu mô hình đa truy nhập không trực giao hợp tác với nút chuyển tiếp sử dụng giao thức khuếch đại và chuyển tiếp

Trong mô hình đề xuất, Học viên phân tích hiệu năng của mô hình NOMA hợp tác và so sánh với mô hình OMA hợp tác Bên cạnh đó, Học viên cũng tiếp tục đưa ra biểu thức tính xác suất dừng của hệ thống NOMA hợp tác dựa trên việc sử dụng hai kỹ thuật kết hợp khác nhau tại nút đích, đó là kỹ thuật kết hợp tỉ số lớn nhất (MRC) và kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SC)

1.3.1 Giới thiệu

Trong lịch sử của truyền thông không dây, từ thế hệ đầu tiên (1G) đến thế

hệ thứ 4 (4G), các mô hình đa truy nhập được coi là chìa khóa công nghệ để phân biệt các hệ thống không dây khác nhau Các mô hình đa truy nhập được biết đến như là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) cho 1G, đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) hầu hết cho thế hệ thứ 2 (2G), đa truy nhập phân chia theo

mã (CDMA) cho thế hệ thứ 3 (3G), và đa truy nhập chia theo tần số trực giao (OFDM) cho thế hệ (4G) Trong các mô hình đa truy nhập trực giao thông thường này, các người dùng khác nhau được phân bổ các nguồn tài nguyên trực giao nhau trong miền thời gian, tần số hoặc mã theo bậc (thứ tự) để tránh hoặc làm giảm bớt khả năng gây nhiễu giữa các người dùng với nhau Trong trường hợp này, độ lợi ghép kênh có thể đạt được với khả năng kết hợp một cách hợp lý Tuy nhiên với sự phát triển nhanh của các mạng di động có thể tăng lên 1000 lần lưu lượng vào năm

2020 cho mạng thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) Do đó hiệu suất phổ tần trở thành một vấn đề thách thức khi mà lưu lượng dữ liệu ngày càng tăng Hơn nữa,

do sự phát triển nhanh chóng của IoT (Internet of Thing), chính vì vậy cần phải cải tiến công nghệ truy nhập nhằm hỗ trợ kết nối tối đa của người dùng hoặc các thiết

bị để đáp ứng được yêu cầu cho độ trễ thấp, chi phí thiết bị thấp, và tương thích với các kiểu dịch vụ khác nhau Để đáp ứng được những yêu cầu này, nâng cao công nghệ là điều cần thiết Xa hơn nữa, một vài ứng viên tiềm năng cho mạng thế

hệ thứ 5 (5G), chẳng hạn như kỹ thuật massive MIMO [18], truyền thông sóng

millimeter [19], và kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA) Trong luận văn này, Học viên chú trọng đến kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA),

kỹ thuật này được chọn là đặc trưng cho mạng 5G và được mong chờ giúp cho thông lượng của hệ thống tăng lên cao hơn và kết nối được nhiều người dùng hơn NOMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ nguồn tài nguyên như là thời gian và tần số trong cùng lớp không gian giống nhau thông qua miền ghép kênh mới, đó là miền công suất

Trạm gốc

Tần số Công suất

Người dùng thứ hai không có SIC

Người dùng thứ nhất với SIC

cơ bản đó là kỹ thuật NOMA đường xuống

Như trong Hình 1.1, mô hình đề xuất NOMA đường xuống bao gồm một trạm gốc  S , và hai thiết bị người dùng lần lượt là người dùng thứ nhất  D và 1

người dùng thứ 2  D Để đơn giản, ta chỉ xem xét các nút hoạt động chỉ có một

ăng-ten Tổng băng thông chuẩn hóa trong hệ thống được giả sử bằng 1Hz, S

truyền tín hiệu đi là x , trong đó x  x1 x2 với x và 1 x lần lượt là tín hiệu của 2

hai người dùng là D và 1 D với 2  2

E x P và  2

E x P Tổng công suất phát của trạm gốc  S là P T  P1 P2 Tín hiệu nhận được tại hai người dùng như sau:

,

trong đó i{1, 2}, h là hệ số kênh truyền giữa S và i D , i n là nhiễu cộng hay i

nhiễu Gauss của hệ thống Mật độ phổ công suất nhiễu của n là i N 0,i Trong kỹ

thuật NOMA đường xuống, tín hiệu được phát đi tại S truyền tới hai người dùng đều là x Do đó sự phân tách tín hiệu tại phía các người dùng  D , với i i{ }1, 2cần được thực hiện để mỗi người dùng D có thể nhận biết được tín hiệu của chính i

nó Để thực hiện được điều này thì tại mỗi D i cần phải sử dụng kỹ thuật khử nhiễu tuần tự (SIC) Trong kỹ thuật này, dựa vào thông tin hệ số kênh truyền trước đó

mà S sẽ phân bổ các mức công suất khác nhau, nếu ở gần sẽ phân bổ mức công

suất ít hơn và ở xa thì ngược lại Tiếp theo, người dùng sẽ tiến hành giải mã tín hiệu nào có hệ số kênh truyền yếu nhất, quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi giải

mã được tín hiệu của chính nó Trong mô hình này, giả sử rằng h và 1 h lần lượt là 2

hệ số kênh truyền của D và 1 D , và 2

0,1 0,2

h h

N  N Vì vậy, tại D sử dụng phương 1

thức khử nhiễu tuần tự (SIC) như sau, D không thực hiện việc hủy nhiễu trước vì 2

tín hiệu từ S truyền tới D trước, tại 1 D tiến hành giải mã tín hiệu 1 x của 2 D 2

trước và xem tín hiệu của D như là nhiễu Vì vậy, tỉ số tín hiệu trên nhiễu 1  12

Trong (1.2), P là công suất được phân bổ cho 2 D , 2 P là công suất được 1

phân bổ cho D , 1 h là độ lợi kênh truyền giữa S và 12 D và 1 N0,1 được định nghĩa

là phương sai của nhiễu cộng tại D 1

Sau khi giải mã xong tín hiệu của D rồi, 2 D tiến hành trừ tín hiệu 1 x của 2

0,1

P h N

Giả sử quá trình giải mã các tín hiệu x và 1 x tại 2 D thành công, và trong 1

quá trình truyền không xảy ra lỗi Dựa vào tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến, D sẽ gửi một mã xác nhận để truyền tới các thiết bị khác để các thiết bị 1

khác nhận được Tại D (không sử dụng SIC), sau khi đã nhận tín hiệu 2 x từ S ,

cùng với mã xác nhận của D gửi tới nên tỉ số tín hiệu trên nhiễu 1  2 nhận được tại D là 2

Trong (1.4), h2 2 là độ lợi kênh truyền giữa S và D , 2 N0,2 được định nghĩa

là phương sai của nhiễu Gauss tại D 2

Từ hai phương trình (1.3) và (1.4) ở trên, có thể thấy rằng việc phân bổ công suất khác nhau cho mỗi D i sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của các người dùng và cũng do các mô hình điều chế và mã hóa được dùng trong hệ thống để truyền dữ liệu của mỗi D i Sau khi D giải mã được tín hiệu của chính nó thì sẽ 1

quảng bá tới D để 2 D biết được Và tại 2 D sau khi đã nhận được thông tin từ 2 D 1

thì xem tín hiệu của D là nhiễu thì tiến hành loại ra và giải mã tín hiệu của chính 1

nó

1.3.3 Lợi ích của kỹ thuật NOMA

NOMA là một kỹ thuật ghép kênh mới nhằm mục đích cải thiện hiệu quả phổ bằng cách sử dụng một tên miền mới, đó là miền công suất mà miền này không được sử dụng trong các hệ thống trước đó

Không giống như kỹ thuật đa truy nhập trực giao thông thường (OMA), sử dụng ghép kênh theo miền thời gian hoặc tần số hay theo mã khác nhau để đảm bảo chất lượng của hệ thống Tuy nhiên, với nhu cầu ngày càng tăng cao bởi nhu cầu sử dụng của các thiết bị trong tương lai nên cần thiết phải có một kỹ thuật mới

để đáp ứng được yêu cầu Đó là kỹ thuật ghép kênh theo miền mới, đó là miền công suất Bên cạnh việc phân bổ các nguồn công suất với các mức khác nhau cho các người dùng khác nhau tùy theo điều kiện xa hoặc gần thì trong kỹ thuật ghép kênh mới này cũng giúp cho khả năng giải mã tín hiệu của các người dùng được tốt hơn, bởi vì các người dùng sẽ biết được thông tin hệ số kênh truyền của tất cả các người dùng khác, qua đó sẽ nhận biết và giải mã được chính xác dữ liệu của chính nó

1.4.1 Giới thiệu

Đặc trưng của mạng đa truy nhập không trực giao (NOMA) là các mạng tế bào nhỏ, khi đó với mật độ người dùng nhiều thì xảy ra hiện tượng sẽ có một số người dùng bị mất liên lạc với trạm gốc do bị che chắn hoặc nhiễu từ các thiết bị điện tử khác hoặc di chuyển xa hơn vùng phủ sóng Mặc dù kỹ thuật này sử dụng phương thức ghép kênh theo miền mới là miền công suất để đảm bảo cho các thiết

bị ở xa với sự phân bổ công suất nhiều hơn để dễ dàng kết nối hơn Chính vì vậy,

để giải quyết vấn đề này thì cần phải có các thiết bị chuyển tiếp nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống mà đặc trưng là các nút chuyển tiếp, các nút chuyển tiếp (node relay) đóng vai trò tiếp nhận, xử lý và truyền các tín hiệu mang thông tin

Có nhiều mô hình kênh chuyển tiếp khác nhau như mô hình kênh chuyển tiếp đơn giản và mô hình kênh chuyển tiếp hợp tác Trong mô hình kênh chuyển tiếp đơn giản, nút chuyển tiếp có nhiệm vụ là trợ giúp cho các đường truyền trực tiếp giữa

nút nguồn và nút đích Tuy nhiên, mô hình nút chuyển tiếp trong truyền thông hợp tác đã được mở rộng hơn Cụ thể, nút chuyển tiếp này là những đầu cuối cố định

và bản thân nó không chứa thông tin, hoặc có thể là những đầu cuối vừa có chức năng phát thông tin của chính nó, vừa có chức năng như một đầu cuối để truyền thông tin tới các đầu cuối khác để kết hợp các tín hiệu lại với nhau và cuối cùng chọn ra được tín hiệu tốt nhất

Hình 1.3: Mô hình chuyển tiếp hợp tác

Trong hai loại hình nút chuyển tiếp trên, chuyển tiếp hợp tác đóng vai trò quan trọng hơn do nút thực hiện chuyển tiếp là cố định Bên cạnh đó, khi thực hiện chức năng chuyển tiếp thì nút chuyển tiếp có các bước xử lý dữ liệu được chuyển tới, chính vì vậy sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn Từ đó nảy sinh ra các vấn đề như hao hụt năng lượng hoặc chuyển tiếp sai thông tin Vì thế, tại mỗi nút chuyển tiếp cần thực hiện các kỹ thuật để đảm bảo được chất lượng của tín hiệu chuyển tiếp như: Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode – and – Forward, viết tắt là DF) Hoặc kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify – and – Forward, viết tắt

là AF)

1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)

Trong kỹ thuật chuyển tiếp này, nút chuyển tiếp hoạt động như sau: Khi tín hiệu từ nút nguồn được truyền tới nút chuyển tiếp thì nút này sẽ tiến hành xử lý tín hiệu bằng cách giải điều chế tín hiệu từ nút nguồn ở pha truyền thứ nhất Sau đó tín hiệu được điều chế lại và truyền tới nút đích ở pha truyền tiếp theo

1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

Ở mô hình nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp thì nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại tín hiệu nhận từ nút nguồn và chuyển tiếp đến nút đích

1.5.1 Giới thiệu

Cũng giống như các mô hình đa truy nhập thông thường như: Đa truy nhập phân chia theo thời gian, tần số và đa truy nhập trực giao (OFDM) Mô hình đa truy nhập không trực giao (NOMA) cũng xảy ra hiện tượng là sẽ có một số người dùng ở điều kiện truyền khó khăn hơn vì lý do bị che chắn bởi vật cản, nhiễu từ các thiết bị khác hoặc vì khoảng cách xa hơn mức cho phép và như vậy sẽ ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu nhận được của người dùng đầu cuối Bên cạnh việc

sử dụng kênh chuyển tiếp để nâng cao chất lượng của hệ thống có thể vẫn chưa đảm bảo tối đa chất lượng của hệ thống Chính vì vậy, kỹ thuật NOMA cũng cần phải có sự hợp tác tại nút người dùng đầu cuối từ các kênh truyền khác nhau như kênh truyền trực tiếp và kênh truyền chuyển tiếp để nâng cao chất lượng của hệ thống hơn nữa Để thực hiện quá trình hợp tác giữa các kênh truyền khác nhau thì cần phải sử dụng các kỹ thuật hợp tác khác nhau như: Kỹ thuật kết hợp chọn lựa (Selection Combining, viết tắt là SC), kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio Combining, viết tắt là MRC) hay kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal Gain Combining, viết tắt là EGC) Tùy theo điều kiện kênh truyền như thế nào mà chúng ta sẽ sử dụng những kỹ thuật khác nhau để đảm bảo chất lượng của tín hiệu được chuyển tới người dùng đầu cuối

1.5.2 Kỹ thuật NOMA hợp tác DF

Như đã giới thiệu ở phần trên, xem xét mô hình hợp tác ở Hình 1.3, hoạt động trong kỹ thuật NOMA hợp tác sử dụng kỹ thuật DF đơn giản gồm có một nút nguồn  S , một nút chuyển tiếp  R và một nút đích  D và sử dụng hai khe thời

gian để truyền đi Trong khe thời gian đầu tiên, do tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến, tín hiệu x gồm nhiều tín hiệu của các nút đích khác nhau từ nút

nguồn được truyền tới nút chuyển tiếp và các nút đích Tại nút chuyển tiếp, tín hiệu nhận được sẽ tiến hành giải mã hoặc giải điều chế, lúc này tín hiệu được tái tạo lại như ban đầu và nhiễu trong quá trình truyền cũng được khử hoàn toàn Trong khe thời gian thứ hai, nút đích không truyền tín hiệu và nút chuyển tiếp sẽ truyền tín hiệu đến nút đích, lúc này tại nút đích gồm có 2 tín hiệu là từ nút nguồn truyền tới và từ nút chuyển tiếp truyền tới Lúc này tại nút đích sẽ tiến hành kết hợp các tín hiệu từ các kênh lại với nhau để chọn ra tín hiệu tốt nhất Sau đó tiếp tục sử dụng kỹ thuật khử nhiễu tuần tự (SIC) để có được tín hiệu chính xác cho từng nút đích khác nhau

1.5.3 Kỹ thuật NOMA hợp tác AF

Cũng giống như mô hình ở Hình 1.3 trên, trong phần này xem xét tại nút chuyển tiếp nhận được tín hiệu từ nút nguồn  S , tuy nhiên tại nút chuyển tiếp

 R không tiến hành giải mã hay giải điều chế mà tiếp tục khuếch đại tín hiệu với

một mức công suất nhất định để truyền đi và quá trình này xảy ra tuyến tính, tức là bên cạnh việc khuếch đại tín hiệu được truyền đi thì nhiễu trong quá trình truyền trước đó cũng được khuếch đại và truyền đi theo, như vậy tín hiệu truyền đi sẽ không được khử nhiễu và tại nút đích  D sẽ tiến hành khử nhiễu tuần tự (SIC) để

nhận được tín hiệu chính xác và sau đó tiến hành kết hợp hai tín hiệu này lại với nhau để có được tín hiệu tốt nhất



max( , , )

Hình 1.4: Mô hình kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) với 3 anten thu

1.6.2 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC)

Các tín hiệu nhận được từ các nhánh được đánh giá và gán trọng số tỉ lệ dựa theo tỉ số SNR riêng lẻ của chúng và sau đó được cộng lại (các tín hiệu này phải được làm cho đồng pha trước khi thực hiện quá trình cộng) Kỹ thuật này tạo ra tín hiệu có tỉ số SNR trung bình là tổng của các SNR riêng lẻ của tín hiệu thu từ các nhánh khác nhau Chính vì vậy, ta có thể đạt được tỉ số SNR chấp nhận được ngay cả khi không có tín hiệu từ nhánh nào có SNR đạt tiêu chuẩn Đây là

phương pháp khá tối ưu nhưng đòi hỏi phải biết các thông số của kênh truyền (trạng thái thông tin kênh truyền, viết tắt là CSI)

Trong kỹ thuật MRC thì yêu cầu cần phải thu được tất cả các SNR từng nhánh để đưa vào xử lý, SNR ngõ ra của bộ kết hợp là tổng của các SNR thành phần SNR của tín hiệu thu được sẽ tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập Với

3



      

Hình 1.5: Mô hình kỹ thuật kết hợp tỉ số lớn nhất (MRC) với 3 anten thu

1.6.3 Kỹ thuật kết hợp cân bằng (EGC)

Trong kỹ thuật MRC thì yêu cầu phải biết sự biến đổi của SNR trên từng nhánh theo thời gian, tuy nhiên thông số này rất khó để đo được Vì vậy, để đơn giản kỹ thuật MRC người ta dùng kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng EGC Về bản chất EGC cũng giống như MRC, đều sử dụng tất cả các tín hiệu thu được tại các nhánh để đưa vào xử lý, tuy nhiên, tỉ số SNR đầu ra trong phương pháp EGC thỏa điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh như nhau Tuy nhiên, hiệu quả của kỹ thuật này có thể thấy là không cao như đối với kỹ thuật MRC nhưng EGC dễ thực thi trong thực tế hơn kỹ thuật MRC

Chương 2 – PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA

HỆ THỐNG NOMA HỢP TÁC VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP

SỬ DỤNG KỸ THUẬT AF

2.1.1 Mô tả hoạt động của mô hình đề xuất

Trong phần này, các thành phần chính của mô hình hệ thống NOMA hợp tác với nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF sẽ được giới thiệu Cụ thể như sau, Học viên đề xuất một mô hình mạng hợp tác đa truy nhập không trực giao (NOMA) đường xuống bao gồm một nút nguồn  S , một nút chuyển tiếp  R và

hai nút đích, lần lượt là nút đích thứ nhất  D và nút đích thứ hai 1  D Mỗi thiết 2

bị có 1 ăng-ten Hệ thống hoạt động trên kênh truyền fading Rayleigh, ở chế độ bán song công (half – Duplex), sử dụng giao thức khuếch đại chuyển tiếp (AF ) Trong mô hình đề xuất, nút D sử dụng hai kỹ thuật kết hợp khác nhau, đó là kỹ 1

thuật MRC và kỹ thuật SC

2.1.1.1 Mô tả hoạt động của mô hình đề xuất sử dụng kỹ thuật MRC

1

SD h

1

SD y

1

SRD y

SR h

1

RD h

2

RD h SR

Khe thời gian thứ hai Khe thời gian thứ nhất

MRC

Hình 2.1: Mô hình đề xuất của hệ thống NOMA hợp tác sử dụng MRC

Theo như Hình 2.1, quá trình truyền dữ liệu từ S đến D i S D i với

1, 2

i diễn ra trong hai khe thời gian

Trong khe thời gian thứ nhất, nút S truyền tín hiệu đồng thời đến nút D 1

và R Vì vậy, tín hiệu nhận được tại D là 1

Trong (2.2), với h là hệ số kênh truyền từ S đến R , và SR n là nhiễu SR

Gauss tại R của hệ thống

Sau khi nút R nhận được tín hiệu từ S là y thì sử dụng kỹ thuật khuếch SR

đại với một giá trị là  như trong [14] là

2 0

được định nghĩa là phương sai của nhiễu Gauss trong hệ thống

Vì vậy, tín hiệu nhận được tại R sau khi khuếch đại tín hiệu y với một SR

đại lượng  là

Tại khe thời gian thứ 2, nút S không truyền tín hiệu, và nút R sau khi đã

khuếch đại tín hiệu nhận được như ở công thức (2.4) thì tiếp tục truyền đến D 1

và D

Tín hiệu nhận đƣợc tại D từ R truyền tới đƣợc cho ở công thức sau: 1

Tại nút D , sau khi nhận đƣợc tín hiệu từ R chuyển tới thì kết hợp với tín 1

hiệu nhận đƣợc từ S truyền tới trong khe thời gian thứ nhất ở công thức (2.1)

bằng cách sử dụng kỹ thuật kết hợp tỉ số lớn nhất (MRC) để có đƣợc tín hiệu tốt nhất

Tín hiệu nhận đƣợc tại D sau khi kết hợp là 1

SD y

1

SRD y

SR h

1

RD h

2

RD h SR

Khe thời gian thứ hai Khe thời gian thứ nhất

SC

Hình 2.2: Mô hình đề xuất của hệ thống NOMA hợp tác sử dụng SC

Trong mô hình đề xuất ở Hình 2.2, khi sử dụng kỹ thuật kết hợp SC tại D 1

thì sẽ có điểm khác so với việc sử dụng kỹ thuật kết hợp MRC Cụ thể như sau:

Trong khe thời gian thứ nhất, cũng tương tự như sử dụng kỹ thuật MRC khi tín hiệu thu được tại D và R lần lượt là 1

1

SD

y và y như trong hai công thức SR

(2.1) và (2.2) Sau đó, tại D sử dụng giao thức khử nhiễu tuần tự (SIC) dựa vào 1

thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) để giải mã được tín hiệu của D Còn tại 1

R với tín hiệu nhận được là y từ S sẽ được khuếch đại thành SR x R với độ khuếch đại là  như trong [14] và được cho ở (2.3)

Trong khe thời gian thứ hai, nút S không truyền tín hiệu Tại nút R , sau

khi tín hiệu đã được khuếch đại thành x thì tiếp tục được truyền tới R D và 1 D 2

D Tại D , sau khi giải mã thành công tín hiệu của 1 D từ R tới thì tiếp tục sử 1

dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) để chọn ra được tín hiệu tốt nhất

Sau khi mô tả mô hình đề xuất như trên, với việc sử dụng hai kỹ thuật kết hợp khác nhau lần lượt là MRC và SC thì ta tiếp tục đưa ra các biểu thức tỉ số tín

hiệu trên nhiễu dựa trên các tín hiệu nhận được tại các nút là R , D và 1 D để 2

phân tích và so sánh hiệu năng của hệ thống khi sử dụng các kỹ thuật khác nhau

2.1.2 Xét tỉ số tín hiệu trên nhiễu và giao thoa

2.1.2.1 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của mô hình đề xuất theo kỹ thuật MRC

Theo mô hình đề xuất, sau khi D nhận được tín hiệu tổng hợp là 1

1

D

y từ

nút nguồn  S ở khe thời gian thứ nhất và từ R ở khe thời gian thứ hai Theo kỹ

thuật NOMA với kỹ thuật khử nhiễu tuần tự (SIC) dựa vào thông tin trạng thái kênh truyền, giả sử rằng khoảng cách từ SD1 nhỏ hơn khoảng cách từ

2

S D thì D giải mã tín hiệu 1 x của 2 D trước và xem 2 x là nhiễu 1

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của x tại 2 D từ công thức (2.11) được cho như 1

SD SRD D

Trong (2.12), P và 1 P được định nghĩa lần lượt là công suất phát trung 2

bình của S tới D và 1 D , với 2  2

2 2

Sau khi giải mã tín hiệu x tại 2 D xong thì trừ tín hiệu này ra và tiếp tục 1

giải mã tín hiệu x của 1 D Ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu nhận được của 1 D dựa 1

SD SRD D

2

2 2 2 2

2.1.2.2 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của mô hình đề xuất theo kỹ thuật SC

Theo như mô tả hệ thống ở Hình 2.2, mô hình đề xuất NOMA hợp tác sử dụng kỹ thuật SC có phần khác so với việc sử dụng kỹ thuật MRC Trong khe thời gian thứ nhất, tại D sau khi nhận được tín hiệu x từ S là 1

1

SD

y thì sử dụng giao thức khử nhiễu tuần tự (SIC), tiến hành giải mã tín hiệu x của 2 D trước và 2

xem x như là nhiễu, ta có 1

1 12

1

2 2 2

SD SD

Sau khi giải mã xong tín hiệu x của 2 D tại 2 D thì tiến hành trừ tín hiệu 1

này ra và tiếp tục giải mã tín hiệu x của 1 D , ta có biểu thức tỉ số tín hiệu trên 1

nhiễu tại D là 1

1 1

2 1

0

SD SD

P h N

Ở khe thời gian thứ hai, nút S không truyền tín hiệu, chỉ có R khuếch đại

tín hiệu nhận được là y với một giá trị là SR  từ khe thời gian thứ nhất và truyền tới D và 1 D Tín hiệu nhận được tại 2 D (trong pha chuyển tiếp) là 1

1

SRD

y như ở (2.3)

Dựa vào giao thức SIC của kỹ thuật NOMA, D giải mã tín hiệu 1 x trước 2

và xem x như là nhiễu, ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu của 1 x tại 2 D theo (2.9) là 1

1 12

2 2 2 2

Sau khi giải mã xong tín hiệu x của 2 D tại 2 D , theo giao thức SIC thì tiến 1

hành trừ tín hiệu này ra và tiếp tục giải mã tín hiệu x của 1 D Tỉ số tín hiệu trên 1

nhiễu của x nhận được tại 1 D dựa vào công thức (2.9) là 1

1 1

1

2 2 2 1 2 2

SR RD SRD