Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (tt)

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)

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), 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), 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 đi 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

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 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 1.1 Giới thiệu

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

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

1.2 Các nghiên cứu liên quan

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

1.3.1 Giới thiệu

Trạm gốc

Tần số Công suất

Người dùng thứ hai không có SIC

Người dùng thứ nhất với SIC

nhất  D1 và người dùng thứ 2  D2 S truyền tín hiệu đi là x , trong đó

0,1

P h N

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

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

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

1.4 Các kỹ thuật chuyển tiếp

Nút nguồn Nút đích

RD h

SD h

SR h

S

R

D

Nút chuyển tiếp

Hình 1.3: Mô hình chuyển tiếp hợp tác

1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)

1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)

1.5 Các kỹ thuật NOMA hợp tác

1.5.1 Giới thiệu

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 Chính vì vậy, kỹ thuật NOMA cũng cần phải có sự hợp tác tại nút người dùng 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

nhánh khác nhau trước đó rồi tiến hành đưa vào xử lý

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

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

1.6.3 Kỹ thuật kết hợp cân bằng (EGC)

Tỉ số SNR đầu ra trong phương pháp EGC thỏa điều kiện công suất

nhiễu trên các nhánh như nhau

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 Mô hình hệ thống

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  D1 và nút đích thứ hai  D2 Mỗi thiết 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 1

dụng hai kỹ thuật kết hợp khác nhau, đó là kỹ 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

Trong khe thời gian thứ nhất, tín hiệu nhận được tại D là 1

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

với một đại lượng  là

Tại khe thời gian thứ 2, nút R sau khi đã khuếch đại tín hiệu nhận

được như ở công thức (2.4) thì tiếp tục truyền đến D và 1 D 2

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

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

với tín hiệu nhận được từ S truyền tới trong khe thời gian thứ nhất ở

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

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

1

SD

y và y SR như trong hai công thức (2.1) và (2.2) Sau đó, tại D sử dụng giao thức khử 1

nhiễu tuần tự (SIC) dựa vào 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 SR

từ S sẽ được khuếch đại thành x R với độ khuếch đại là  như trong

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 R

tới D và 1 D với tín hiệu nhận được lần lượt là 2

lần nữa để giải mã được tín hiệu của D Tại 1 D , sau khi giải mã thành 1

công tín hiệu của D từ 1 R tới thì tiếp tục sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) để chọn ra được tín hiệu tốt nhất

2.1.2 Xét tỉ số tín hiệu trên nhiễu và giao thoa

2.1.2.1 SNR của mô hình đề xuất theo kỹ thuật MRC

Ta có SNR của x tại 2 D từ công thức (2.11) được cho như sau 1

2

.1

1 1 1

1

2 2 2

SD SD

2 1 0

SD SD

P h N

Ở khe thời gian thứ hai, ta có SNR của x tại 2 D theo (2.9) là 1

1 12

2 2 2 2

1

2 2 2 1 2 2

2 2

2 2 2 2

2.2 Phân tích hiệu năng của hệ thống

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

th

D

N P

 

 

2

1 1

1

2 1

1

2 1

2 2

1

T RD

2 2

0 2

,

th R

N P

2 2

2 2

1Pr

R

R R

2 2 2

2 2

SD

T SD

N P







Xấp xỉ giá trị của SNR ở chế độ cao với

2 2 2

2 2

R RD RD

P h N

Ta có hàm CDF và PDF của biến ngẫu nhiên h SR2 là

 2

 Thay hai kết quả ở (2.56) và (2.60) vào (2.55), ta có kết quả như sau:

Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại D là 2

2

D

 được tính tương tự như trong kỹ thuật MRC nên biểu thức Pr D2 th2 có kết quả như ở

2 1

1 2 1

Biểu thức tiệm cận của xác suất dừng theo kỹ thuật MRC, ta có kết

quả như sau:

0

H MRC

T

P P

 

 Đánh giá bậc phân tập của hệ thống

0

H MRC 0

OPlimlog1

Chương 3 - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ 3.1 Mô phỏng Monte – Carlo

Trong Chương 3, các kết quả mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab, sử dụng phương pháp Monte – Carlo để kiểm chứng các kết quả phân tích ở Chương 2

3.2 Kết quả đạt được

Trong luận văn này, các vòng tròn, hình tam giác, hình sao, hình vuông biểu thị cho mô phỏng Monte – Carlo, các đường nét liền biểu thị cho kết quả xấp xỉ lý thuyết và các đường nét đứt biểu thị cho kết quả tiệm cận Các tham số được ký hiệu như sau: SNR(dB) là tỉ số tín hiệu trên nhiễu được tính theo giá trị dB, OPđược định nghĩa là xác suất dừng của hệ thống, R1

được giả sử là tốc độ truyền dữ liệu yêu cầu tại D1, R2 là tốc độ truyền dữ liệu yêu cầu tại D2,  là hằng số tỉ lệ phân bổ công suất giữa nút R và nút

S, 1 là hằng số tỉ lệ phân bổ công suất cho D1 tại nút S, với điều kiện là

SD , SR, RD1 và RD2 trong trường hợp B- I được thiết lập lần lượt là

Trong Hình 3.2 vẽ giá trị OP để so sánh hai kỹ thuật khác nhau là MRC

và SC tại D1 Ta thấy rằng, sử dụng kỹ thuật MRC tốt hơn so với kỹ thuật

SC trong mô hình NOMA hợp tác

Hình 3.1: Kết quả mô phỏng giữa mô hình OMA hợp tác

và NOMA hợp tác

Hình 3.2: So sánh giữa hai kỹ thuật

Trong Hình 3.3 vẽ giá trị xác suất dừng giữa hai kỹ thuật MRC và SC trong toàn bộ hệ thống NOMA hợp tác là tương đương nhau

Hình 3.4 vẽ xác suất dừng cho các trường hợp A, B, C trong (2.54), các thông số cho trường hợp A, B, C trong Hình 3.4 giống như trong B – I, ngoại trừ khoảng cách từ RD1 trong trường hợp A là

Hình 3.3: So sánh giữa hai kỹ thuật MRC và SC

trong mô hình đề xuất ở trên

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

Trong Hình 3.5, khảo sát sự ảnh hưởng của vị trí đặt R của mô hình đề xuất Khi vị trí của nút R gần với D2 hơn so với S thì xác suất dừng của

hệ thống được cải thiện đáng kể Các thông số được thiết lập cho trường hợp B – II như sau: Khoảng cách từ SR và RD2 lần lượt là

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

Trong Hình 3.6 khảo sát ảnh hưởng của tham số R2lên hiệu năng của hệ thống Khi giá trị của R2càng lớn thì xác suất dừng của hệ thống càng tăng lên

Trong Hình 3.7, khi tỉ lệ phân bổ công suất khác nhau thì xác suất dừng của hệ thống cũng khác nhau Cụ thể, khi 1 tăng lên thì xác suất dừng cũng tăng theo

Trong Hình 3.8, khảo sát sự ảnh hưởng của tham số  lên hiệu năng của hệ thống Các thông số khác giống như trong trường hợp B – I

3.3 Kết luận và hướng phát triển đề tài

3.3.1 Kết luận

Trong luận văn này đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, cụ thể:

 Học viên đã xây dựng mô hình NOMA hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (AF) sử dụng hai kỹ thuật kết hợp khác nhau tại nút đích, đó là kỹ thuật MRC và kỹ thuật SC

 Phân tích xác suất dừng  OP của mô hình hệ thống

 So sánh giữa các mô hình và khảo sát các tham số trong mô hình đề xuất và kết luận ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống

Trong luận văn này, các kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng mô hình NOMA hợp tác là triển vọng hơn so với mô hình OMA hợp tác ở độ lợi kênh truyền

Bên cạnh đó, kết quả so sánh giữa kết quả mô phỏng và lý thuyết của

mô hình đề xuất khi sử dụng hai kỹ thuật khác nhau là MRC và SC là tương đương nhau, đặc biệt khi SNR càng cao thì hiệu năng của hai kỹ thuật này có kết quả giống nhau

Kết quả mô phỏng cũng xem xét sự ảnh hưởng của các tham số lên hệ thống Nếu thay đổi các tham số trong mô hình đề xuất thì hiệu năng của

hệ thống cũng bị ảnh hưởng đáng kể

Vì vậy, khi triển khai hệ thống NOMA hợp tác trong thực tế, ta cần tính toán chính xác các tham số hiệu năng, đặc biệt là hệ số phân bổ công suất cho người dùng để đảm bảo hệ thống hoạt động một cách tốt nhất

3.3.2 Hướng phát triển đề tài

Đề tài của luận văn có thể được phát triển như sau:

- Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến nên có thể thông tin truyền đi bị đánh cắp để phục vụ cho mục đích xấu, chính vì thế cần phải đưa thêm giải pháp bảo mật thông tin ở lớp vật lý nhằm bảo đảm thông tin truyền đi được an toàn

- Bên cạnh đó, xem xét mô hình ở nhiều dạng kênh truyền khác nhau

như kênh fading Rician, kênh fading Nakagami-m, v.v để kiểm

chứng hiệu năng tổng quát của mạng NOMA hợp tác

- Cần nghiên cứu thêm mô hình chuyển tiếp đa chặng nhằm nâng cao chất lượng của hệ thống