Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)

Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)

-

Đặng Minh Thái

NÂNG CAO TỐC ĐỘ TRUYỀN DẪN TRONG MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO DƯỚI SỰ ẢNH

HƯỞNG CỦA SUY HAO PHẦN CỨNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông

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 chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

TP.HCM, ngày 14 tháng 11 năm 2017

Học viên thực hiện luận văn

Đặng Minh Thái

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS Trần Trung Duy đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận văn Thầy đã trang bị cho em những kiến thức vô cùng quý báu để em có thể vững tin bước tiếp trên con đường của mình

Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính Viễn Thông cơ sở tại TP.HCM đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức quan trọng trong suốt thời gian học tập tại Học Viện

Bên cạnh đó em xin cảm ơn các quý anh chị và các bạn khóa cao học

2014-2017 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học

TP.HCM, ngày 14 tháng 11 năm 2017 Học viên thực hiện luận văn

Đặng Minh Thái

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH SÁCH HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG 3

1.1 Mạng vô tuyến chuyển tiếp 3

1.1.1 Giới thiệu 3

1.2 Mạng chuyển tiếp đa chặng 5

1.3 Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) 6

1.3.1 Giới thiệu 6

1.3.2 NOMA đường xuống 6

1.3.3 NOMA đường lên 7

1.4 Phần cứng không hoàn hảo 8

1.5 Tổng quan về đề tài và lý do chọn đề tài 8

1.6 Các nghiên cứu liên quan 9

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HỆ THỐNG 10

2.1 Mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (MHTT) 10

2.2 Cải tiến mô hình chuyển tiếp truyền thống 11

2.2.1 Mô hình cải tiến 1 (MHCT1) 11

2.2.2 Mô hình cải tiến 2 (MHCT2) 14

2.2.3 Mô hình cải tiến 3 (MHCT3) 18

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG 21

3.1 Mô hình kênh truyền 21

3.2 Xác suất dừng (Outage Probability (OP)) 22

3.2.1 Mô hình MHTT 23

3.2.2 Mô hình MHCT1 24

3.2.3 Mô hình MHCT2 26

3.2.4 Mô hình MHCT3 32

3.3 Thông lượng mạng (Throughput (TP)) 34

3.3.1 Mô hình MHTT 35

3.3.2 Mô hình MHCT1 35

3.3.3 Mô hình MHCT2 36

3.3.4 Mô hình MHCT3 37

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 38

4.1 Mô phỏng Monte Carlo 38

4.1.1 Xác suất dừng (OP) Error! Bookmark not defined 4.1.2 Thông lượng (TP) 43

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN 49

5.1 Các kết quả đạt được của luận văn 49

5.2 Hướng phát triển luận văn 50

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

CDF Cumulative Distribution

Function

Hàm phân bố tích lũy

CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh truyền

PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất

OP Secrecy Outage Probability Xác suất dừng

SIC Successive Interference

Cancellation

Cơ chế loại bỏ nhiễu một cách tuần

tự SNR Signal to Noise Ratio Tỷ lệ tín hiện trên nhiễu

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình chuyển tiếp 3

Hình 1.2: Mạng chuyển tiếp đa chặng 5

Hình 1.3: Mô hình đường xuống NOMA với K người nhận 7

Hình 1.4: Mô hình đường lên NOMA với K người dùng 7

Hình 2.1: Mạng chuyển tiếp đa chặng truyền thống 10

Hình 2.2: Trong khe thời gian thứ ba: T gửi 2 x đến 1 T và 3 T gửi 0 x đến 1 T 14 1 Hình 2.3: Trong khe thời gian thứ tư: T gửi 3 x đến 1 T và 4 T gửi 1 x đến 2 T 15 2 Hình 2.4: Trong khe thời gian thứ năm: T gửi 4 x đến 1 T , 5 T gửi 2 x đến 2 T và 3 T 0 gửi x đến 3 T 16 1 Hình 2.5: Trong khe thời gian thứ ba: T gửi 2 z1 đến T , trong khi 3 T gửi 0 z2 đến 1 T 18

Hình 2.6: Trong khe thời gian thứ năm: T gửi dữ liệu 0 z z3 3  a Px1 5 a Px2 6 đến T , 1 T gửi 2 z2 đến T và 3 T gửi 4 z1 đến T 19 5 Hình 4.1: Xác suất dừng vẽ theo  (dB) khi a10.8, M  , D 0.757  , N 2, 0.08   và th 0.5 39

Hình 4.2: Xác suất dừng vẽ theo M khi a10.75,  10 (dB), D 0.5 , N1, 0.05   và th 0.5 40

Hình 4.3: Xác suất dừng vẽ theo M khi a10.7,   (dB), 5 D 1/ M , N1, 0.01   và th 0.25 41

Hình 4.4: Xác suất dừng vẽ theo D khi a10.8, P  (dB), 5 M  , 4 N4,  0 và th 1.25 42

Hình 4.5: Thông lượng vẽ theo  (dB) khi a10.8, D 0.75 , M  , 5 N 3,0.08

  và th 0.5 43 Hình 4.6: Thông lượng vẽ theo  (dB) khi a10.8, D 0.75 , M  , 5 N 1,0.08

  và th 0.5 44 Hình 4.7: Thông lượng vẽ theo N khi a1 0.75, D 0.4 , M  , 4   và 0 th 2 45 Hình 4.8: Thông lượng vẽ theo M khi a10.7, D 1/ M , N 1, 10 (dB), 0.05

  và th 0.5 46 Hình 4.9: Thông lượng vẽ theo  khi a10.65, M 4, N1,  20 (dB),

1/ 4

D và th 1 47 Hình 4.10: Thông lượng vẽ theo a khi 1  0.1, M  , 5 N 1,  15 (dB),

0.25

D và th  47 1

MỞ ĐẦU

Gần đây, kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)) [1],[2] đã trở thành một chủ đề “nóng”, thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Đây là kỹ thuật hiệu quả cải thiện đáng kể tốc độ truyền dẫn cho các mạng thông tin vô tuyến Ý tưởng cơ bản của NOMA đó

là máy phát ghép các tín hiệu khác nhau một cách tuyến tính lại với nhau, bằng cách phân bổ công suất khác nhau cho từng tín hiệu [1],[2] Rồi thì, các tín hiệu này được truyền đồng thời đến máy thu Ở máy thu, các tín hiệu lần lượt được giải mã Cụ thể, tín hiệu nào được phân bổ với công suất phát lớn hơn sẽ được giải mã trước Sau khi giải mã xong tín hiệu nào đó, thiết bị thu loại bỏ tín hiệu này từ tín hiệu tổng nhận được, rồi tiến hành giải mã các tín hiệu tiếp theo Tiến trình này được gọi là khử giao thoa tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)) Kết quả là máy thu có thể đồng thời nhận được cùng một lúc các tín hiệu khác nhau, điều này nâng cao đáng kể

độ lợi ghép kênh (Multiplexing gain) cho hệ thống Do đó, đa truy nhập không trực giao (NOMA) được xem như là một ứng viên tiềm năng cho các mạng thông tin vô tuyến thế hệ mới, và đây cũng chính là lý do mà học viên theo đuổi hướng nghiên này

Trong đề cương khoa học này, Học viên nghiên cứu các giao thức chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relay protocol) [3],[4] sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao Chuyển tiếp đa chặng là một kỹ thuật hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho các mạng thông tin vô tuyến, đặc biệt đối với các thiết bị hạn chế về công suất phát và năng lượng Tuy nhiên, nhược điểm của chuyển tiếp đa chặng đó là độ trễ lớn và hơn nữa là tốc độ truyền dẫn thấp Cụ thể, trong hệ thống chuyển tiếp đa chặng thông thường, nhiều khe thời gian được sử dụng chỉ để truyền một dữ liệu từ nguồn đến đích [5],[6] Nếu một tuyến giữa nguồn và đích có M chặng thì tốc độ truyền dẫn sẽ là 1 gói dữ liệu / M khe thời gian Rõ ràng rằng, một khi số chặng giữa nguồn và đích càng lớn thì tốc độ của hệ thống càng thấp

Kết luận: Học viên muốn nghiên cứu và thiết kế một số giao thức chuyển tiếp

đa chặng mới sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, nhằm kết hợp các ưu điểm của hai kỹ thuật này: một là nâng cao chất lượng truyền dữ liệu và hai là cải thiện thông lượng cho hệ thống Hơn nữa, Học viên cũng nghiên cứu các công cụ toán học và mô phỏng để đánh giá hiệu năng hoạt động của các mô hình đề xuất dưới

sự tác động của fading kênh truyền và suy giảm phần cứng

Cấu trúc nội dung luận văn bao gồm 05 chương, cụ thể như sau:

- Chương - 1: Lý Thuyết Tổng Quan

- Chương - 2: Mô Hình Hệ Thống

- Chương - 3: Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống

- Chương - 4: Kết Quả Mô Phỏng Và Lý Thuyết

- Chương - 5: Kết Luận

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG

ĐA CHẶNG

1.1 Mạng vô tuyến chuyển tiếp

1.1.1 Giới thiệu

Hiện nay, mạng vô tuyến ngày càng phát triển mạnh và nhu cầu người dùng

đi động có xu hướng tăng theo Thiết bị không dây gần như chiếm lĩnh thị trường, thiết bị có dây đang dần được thay thế Vấn đề kết nối mạng vô tuyến được đặt lên hàng đầu, nhưng do khả năng phủ sóng của các thiết bị còn hạn chế và hiệu suất chưa cao với mô hình truyền thông đơn chặng truyền thống

Do đó, các nhà nghiên cứu đã không ngừng phát triển để cải thiện mô hình truyền thông trực tiếp truyền thống thành mô hình chuyển tiếp (relay), nhằm mở rộng vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu thông qua sự truyền/nhận ở những khoảng cách ngắn, giảm công suất phát khi so sánh với việc truyền trực tiếp giữa nguồn và đích (xem hình vẽ 1.1)

Hình 1.1: Mô hình chuyển tiếp

Mạng vô tuyến chuyển tiếp [1],[2] được sử dụng phổ biến để giảm bớt ảnh hưởng của hiện tượng fading và tăng cường khả năng bao phủ Mạng chuyển tiếp là một mạng lưới thường được sử dụng trong mạng không dây, nơi mà nút nguồn và nút đích kết nối với nhau bằng các nút chuyển tiếp trung gian Trong một mạng lưới như vậy thì nút ngồn và đích không thế kết nối trược tiếp với nhau được bởi vì khoảng cách giữa chúng lớn hơn phạm vi truyền Do đó cần thêm nút trung gian để chuyển tiếp

Một mạng chuyển tiếp cơ bản bao gồm ba thành phần chính là :

- Nút ngồn : nút này là nút gửi dữ liệu mong muốn đến nút đích

- Nút chuyển tiếp : một hoặc nhiều nút chuyển tiếp có nhiệm vụ chuyền tiếp dữ liệu từ nút nguồn gửi tới Chúng chuyền tiếp dữ liệu thông qua các nút chuyển tiếp khác để tới được nút đích Nút chuyển tiếp có thể dùng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify-and-forward (AF)) hoặc giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward (DF)) [1]

- Nút đích : là nút mà nguồn muốn truyền dữ liệu tới

Trong mạng chuyển tiếp thì dữ liệu được truyền đi tuần tự theo mỗi chặng Như đã nêu ở trên thì nút chuyển tiếp sẽ sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF) Trong kỹ thuật AF, mỗi nút chuyển tiếp sẽ nhận dữ liệu từ các nút chuyển tiếp hoặc từ nút ngồn, sau đó khuếch đại tín hiệu nhận được (trong đó có cả nhiễu) và gửi tín hiệu đã khuếch đại đi tới nút chuyển tiếp tiếp theo hoặc nút đích Ta thấy được với kỹ thuật AF thì tín hiệu sẽ luôn được gửi đi và bảo đảm rằng nút đích sẽ nhận được tín hiệu Tuy nhiên tín hiệu nhận được ở nút đích

và các nút chuyển tiếp khác sẽ không được bảo đảm bởi vì khi khuếch đại tín hiệu cũng đồng nghĩa với việc khuếch đại nhiễu, và nhiễu có thể được tích lũy thêm khi tín hiệu được chuyền đi qua nhiều chặng Đối với kỹ thuật DF, nút chuyển tiếp sẽ nhận tín hiệu từ nguồn hoặc các nút chuyển tiếp khác, sau đó tại mỗi nút chuyển tiếp

sẽ giải mã tín hiệu nhận được từ nút trước đó và gửi tín hiệu đã giải mã tới nút tiếp theo Do đó tín hiệu nhận được ở nút đích sẽ bảo đảm được chất lượng và khắc phục được việc tích lũy nhiễu của kỹ thuật AF Tuy nhiên trong kỹ thuật DF nếu một nút nào đó trên đường truyền bị mất dữ liệu hoặc giải mã không thành công thì nút đích

sẽ không nhận được dữ liệu Hay nút đích chỉ nhận được dữ liệu nếu dữ liệu trên tất

cả các chặng được truyền đi thành công Trong luận văn thì kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) sẽ được áp dụng cho các mạng chuyển tiếp đa chặng

1.2 Mạng chuyển tiếp đa chặng

Mạng chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relay networks) [2],[4] là một sự kết hợp của các liên kết ngắn trung gian để có thể mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa máy phát và máy thu Trong mạng chuyển tiếp đa chặng nhiều nút chuyển tiếp được sử dụng để gửi dữ liệu (xem hình 1.2)

0

Các nút chuyển tiếp

Hình 1.2: Mạng chuyển tiếp đa chặng

Ưu điểm của mạng chuyển tiếp đa chặng:

- Giảm tổng công suất phát

- Tăng dung lượng hệ thống

- Tăng lưu lượng kênh truyền và cân bằng tải

- Giảm hiệu ứng nút cổ chai

- Mở rộng vùng phủ song cho hệ thống

- Cải thiện độ tin cậy định tuyến

Tuy nhiên, mạng chuyển tiếp đa chặng cũng có những nhược điểm sau:

- Tăng thời gian trễ (càng nhiều chặng thì thời gian trễ càng tăng)

- Hiệu quả phổ tần mạng thấp (1 dữ liệu / số chặng)

- Hệ thống phức tạp (xử lý tín hiệu ở các nút chuyển tiếp)

- Bảo mật kém

- Sẽ không hiệu quả nếu khu vực có mật độ các nút chuyển tiếp nhỏ

1.3 Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA)

1.3.1 Giới thiệu

Gần đây, kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)) [5],[8] đã trở thành một chủ đề “nóng”, thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước Đây là kỹ thuật hiệu quả cải thiện đáng kể tốc độ truyền dẫn cho các mạng thông tin vô tuyến Ý tưởng cơ bản của NOMA đó

là máy phát ghép các tín hiệu khác nhau một cách tuyến tính lại với nhau, bằng cách phân bổ công suất khác nhau cho từng tín hiệu [5],[9] Rồi thì, các tín hiệu này được truyền đồng thời đến máy thu Ở máy thu, các tín hiệu lần lượt được giải mã Cụ thể, tín hiệu nào được phân bổ với công suất phát lớn hơn sẽ được giải mã trước Sau khi giải mã xong tín hiệu nào đó, thiết bị thu loại bỏ tín hiệu này từ tín hiệu tổng nhận được, rồi tiến hành giải mã các tín hiệu tiếp theo Tiến trình này được gọi là khử giao thoa tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)) Kết quả là máy thu có thể đồng thời nhận được cùng một lúc các tín hiệu khác nhau, điều này nâng cao đáng kể

độ lợi ghép kênh (Multiplexing gain) cho hệ thống Do đó, đa truy nhập không trực giao (NOMA) được xem như là một ứng viên tiềm năng cho các mạng thông tin vô tuyến thế hệ mới

1.3.2 NOMA đường xuống

Trong mô hình NOMA đường xuống, trạm cơ sở BS sẽ truyền thông tin cho người sử dụng dịch vụ của mình Mỗi thiết bị người dùng (UE) sử dụng kỹ thuật SIC

để phát hiện tín hiệu riêng của họ Hình 1.3 cho thấy một trạm gốc BS và K của người dùng UE sử dụng SIC Trong mạng, giả sử UE gần nhất với BS, và UE1 Klà xa nhất

Vấn đề đặt ra là BS quyết định phân bổ công suất như thế nào giữa các thông tin truyền đi, điều này rất quan trọng đối với kỹ thuật khử nhiễu tuần tự (SIC) Trong

mô hình này, công suất lớn được phân bổ cho UE nằm xa BS nhất UEK và công suất nhỏ dành cho UE gần BS nhất UE1 Trong mạng, tất cả các UE đều nhận được cùng một tín hiệu mang thông tin cho tất cả người dùng Mỗi UE sẽ giải mã tín hiệu

mạnh nhất trước, và sau đó trừ đi tín hiệu giải mã từ tín hiệu nhận được Phương pháp SIC sẽ được sử dụng và lặp lại cho đến khi một UE tìm thấy tín hiệu riêng của nó

UE nằm gần với BS có thể loại bỏ tín hiệu của UE xa

Hình 1.3: Mô hình đường xuống NOMA với K người nhận

1.3.3 NOMA đường lên

Hình 1.4: Mô hình đường lên NOMA với K người dùng

Trong đường lên, các UE có thể một lần nữa tối ưu hóa các quyền truyền tải theo vị trí của chúng như trong đường xuống Tuy nhiên, ở đây chúng ta giả định rằng người dùng được phân bố tốt trong phạm vi phủ sóng của tế bào, và mức năng lượng thu được từ những người dùng khác nhau đã được phân tách tốt Giả thiết này là tự nhiên hơn từ quan điểm thực tế, vì việc tối ưu hóa công suất đòi hỏi sự kết nối giữa tất cả các UE có thể khó thực hiện

1.4 Phần cứng không hoàn hảo

Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu vẫn chưa xét đến sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (hardware impairments) lên hiệu năng của các mạng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật NOMA Trong thực tế, phần cứng của các thiết bị, đặc biệt là các thiết

bị rẻ tiền, là không hoàn hảo [10],[13] bởi nhiễu gây ra từ sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q, sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại, v.v Do đó, đưa nhiễu do phần cứng gây ra vào đánh giá hiệu năng sẽ cho những kết quả gần với thực tế hơn 1.5 Tổng quan về đề tài và lý do chọn đề tài

Từ các khái niệm tổng quan về các khái niệm đa truy nhập phi trực giao NOMA, chuyển tiếp đa chặng và phần cứng không hoàn hảo, luận văn này sẽ nghiên cứu các giao thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao với sự tác động của nhiễu phần cứng Lý do luận văn nghiên cứu đề tài này là bởi vì chuyển tiếp đa chặng thông thường, nhiều khe thời gian được sử dụng chỉ để truyền một dữ liệu từ nguồn đến đích Nếu một tuyến giữa nguồn và đích có M chặng thì tốc độ truyền dẫn sẽ là 1 gói dữ liệu / M khe thời gian Rõ ràng rằng, một khi số chặng giữa nguồn và đích càng lớn thì tốc độ của hệ thống càng thấp

Do đó, nội dung của luận văn là nghiên cứu và thiết kế một số giao thức chuyển tiếp đa chặng mới sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, nhằm kết hợp các

ưu điểm của hai kỹ thuật này: một là nâng cao chất lượng truyền dữ liệu và hai là cải thiện hiệu quả phổ tần cho hệ thống

1.6 Các nghiên cứu liên quan

Theo sự hiểu biết tốt nhất của Học viên, hầu hết các nghiên cứu về đa truy nhập không trực giao đều tập trung vào các mạng truyền trực tiếp hoặc chuyển tiếp hai chặng [14],[16] Cụ thể, các tác giả của công trình đề xuất các phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp nhằm giảm xác suất dừng cho các hệ thống chuyển tiếp hai chặng

sử dụng công nghệ NOMA

Trong luận văn này, một số giao thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật

đa truy cập không trực giao để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu cho mạng sẽ được nghiên cứu Cụ thể, luận văn đầu tiên cải tiến kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng thông thường sử dụng phương pháp khử giao thoa tuần tự (SIC) để nâng cao hiệu quả phổ tần hay thông lượng mạng Từ ý tưởng vừa áp dụng, luận văn sẽ đưa ra một giải pháp mới sử dụng đa truy cập không trực giao trên từng chặng một để đạt được tốc độ truyền cao hơn phương pháp vừa được cải tiến Không như các công trình [14],[16], các giao thức đề xuất sẽ cải thiện tốc độ truyền dẫn cho các mạng như mạng cảm biến, mạng ad-hoc, trong đó các thiết bị là rẻ tiền, công suất phát thấp và phải sử dụng truyền thông đa chặng để truyền tải dữ liệu

Mặc khác, do hầu hết các nghiên cứu trước đây vẫn chưa xét đến sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng lên hiệu năng của các mạng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật NOMA Trong thực tế, phần cứng của các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị rẻ tiền, là không hoàn hảo bởi nhiễu gây ra từ sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q, sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại, v.v Do đó, đưa nhiễu do phần cứng gây ra vào việc đánh giá hiệu năng sẽ cho những kết quả gần với thực tế hơn và cũng chính là lý do luận văn nghiên cứu về sự ảnh hưởng này

Hình 2.1: Mạng chuyển tiếp đa chặng truyền thống

Sử dụng lại Hình 1.2, Hình 2.1 miêu tả một mạng chuyển tiếp đa chặng truyền thống (đặt tên MHTT) Trong mô hình này, nút nguồn T muốn gửi dữ liệu đến nút 0đích TM thông qua (M-1) nút trung gian, lần lượt được ký hiệu là T ,T , ,T1 2 M1 Giả

sử tất cả các nút đều chỉ được trang bị với 01 anten phát và hoạt động theo chế độ bán song công (half-duplex) Do đó, sự truyền dữ liệu giữa nguồn và đích được thực hiện trên M khe thời gian trực giao [17],[18] Giả sử các nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward (DF)) để chuyển tiếp dữ liệu [19],[21] Trong kỹ thuật này, nút chuyển tiếp sẽ phải giải mã thành công dữ liệu, sau đó mã hoá lại dữ liệu và gửi đến nút tiếp theo Kỹ thuật chuyển tiếp DF có ưu điểm là sẽ loại

bỏ nhiễu tại mỗi chặng, do đó nâng cao độ tin cậy của việc truyền dữ liệu Tuy nhiên, nếu ở một chặng nào đó, dữ liệu không được giải mã thành công thì dữ liệu xem như không thể chuyển tiếp đến những chặng kế tiếp Nói tóm lại, để việc truyền dữ liệu thành công thì sự truyền dữ liệu trên tất cả các chặng đều phải thành công Mạng chuyển tiếp như trên thường được sử dụng cho các mạng mà trong đó các thiết bị giới hạn về công suất phát Việc truyền thông trên những chặng nhỏ vừa đảm bảo chất lượng truyền tin vừa có thể tiết kiệm được năng lượng Tuy nhiên, nhược điểm của

mô hình này đó chính là thời gian trì hoãn (delay time) lớn Ta dễ thấy rằng nếu càng

sử dụng nhiều nút chuyển tiếp, thì thời gian trì hoãn sẽ càng lớn

Hơn nữa, như đã đề cập ở trên, việc chỉ gửi một dữ liệu từ nguồn đến đích

thông qua nhiều khe thời gian trực gian cũng sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ tần

của hệ thống Cụ thể, nếu có tất cả M chặng giữa nguồn và đích thì hiệu quả sử dụng

phổ tần của mô hình này là 1

M (1 dữ liệu / M khe thời gian) Ta có thể thấy rằng, khi số lượng chặng (hay số lượng khe thời gian) tăng, hiệu quả phổ đạt được của mô

hình chuyển tiếp đa chặng này càng thấp

2.2 Cải tiến mô hình chuyển tiếp truyền thống

2.2.1 Mô hình cải tiến 1 (MHCT1)

Để cải thiện tốc độ, luận văn đề xuất mô hình sử dụng truyền thông NOMA

cho mỗi chặng giữa nguồn và đích Quá trình truyền dữ liệu trong mô hình cải tiến 1

(MHCT1) được miêu tả như bên dưới:

Ở khe thời gian thứ nhất, nút nguồn T sẽ gửi dữ liệu 0 z1 đến nút T , ở đây 1

đây a1a2 và a1a21 Ở đây, P giả sử là công suất phát của tất cả các nút bao

gồm nút nguồn và các nút chuyển tiếp

Dưới sự tác động của fading kênh truyền và khiếm khuyết phần cứng, tín hiệu

-

0

,T ,1 t

 là nhiễu gây ra do sự khiếm khuyết phần cứng tại nút phát T 0

-

0

,T ,2 t

 là nhiễu gây ra do sự khiếm khuyết phần cứng tại nút phát T 0

-

1

,T r

 là nhiễu gây ra do phần cứng không hoàn hảo tại nút thu T 1

 và

0

,T ,2 t

 sẽ được mô hình hoá bằng phân

bố Gauss với trung bình bằng 0 và phương sai lần lượt là

0

2 ,T 1

t a P

 và 0

2 ,T 2

Áp dụng kỹ thuật khử nhiễu tuần tự (SIC: Successive Interference Cancellation), nút T tiến hành giải mã tín hiệu 1 x trước vì 1 x được phân công công 1suất phát lớn hơn x Tỷ số SNR đối với 2 x (xem 1 x là nhiễu) được đưa ra như sau: 2

0 1 1

  là độ lợi kênh truyền giữa hai nút T và 0 T 1

-

0 1

2 2 ,T ,T

t r

   là tổng mức suy hao đường truyền ở tại đầu phát và đầu thu Để thuận tiện cho việc phân tích và biểu diễn, ta giả sử rằng tổng mức suy hao đường truyền ở tại hai máy phát và thu bất kỳ đều bằng 

-  P N/ 0 là tỷ số SNR phát (transmit SNR)

Sau khi T giải mã thành công tín hiệu 1 x1, nút này sẽ khử thành phần

2 2 0,1 1

0,1

.1

Một cách tổng quát, xét sự truyền dữ liệu ở khe thời gian thứ m , ở đây nút

1

Tm sẽ gửi tín hiệu z1 đến nút Tm, m1,2, , M Tương tự như công thức (2.3), tỷ

số SNR đạt được để giải mã tín hiệu x tại T1 m là:

1, 2 1,

,1

m m x

m

m m m m

aa

h  là hệ số kênh truyền giữa hai nút Tm1 vàTm

Rồi thì, tương tự như công thức (2.5), tỷ số SNR đạt được cho việc giải mã tín hiệu x2 sẽ được tính như sau:

2 2 1,

1,

.1

m m x

Chú ý: Trong luận văn này, ta giả sử rằng nếu nút nhận Tm chỉ có thể giải mã

1

x mà không giải mã được x2, nút này sẽ không gửi dữ liệu x1 đến chặng tiếp theo Điều này có nghĩa là các nút chuyển tiếp chỉ gửi liền một lúc 02 dữ liệu và sẽ không gửi riêng rẻ từng dữ liệu một

Bởi vì các nút phát trong MHCT1 gửi cùng lúc hai dữ liệu trên mỗi chặng nên hiệu quả phổ của mô hình này sẽ là: 2

M (2 gói dữ liệu / M khe thời gian), gấp đôi hiệu quả phổ của mô hình chuyển tiếp truyền thống (MHTT)

2.2.2 Mô hình cải tiến 2 (MHCT2)

Để nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng phổ tần, ta có thể sử dụng kỹ thuật khử giao thoa tuần tự (SIC) Luận văn sẽ đề xuất một kỹ thuật cải tiến (đặt tên là MHCT2) như sau:

Ở khe thời gian thứ nhất, nguồn T gửi dữ liệu 0 x đến 1 T Nút 1 T sau khi giải 1

mã được x sẽ mã hoá lại và gửi dữ liệu đến 1 T ở khe thời gian thứ hai Đến khe thời 2gian thứ ba, nút T sau khi giải mã thành công 2 x sẽ gửi dữ liệu đến 1 T Cùng lúc 3

đó, nút nguồn T gửi dữ liệu 0 x đến 2 T Như được mô tả trong hình vẽ 3, nút 1 T sẽ 1nhận đồng thời hai tín hiệu x và 1 x 2

0

Hình 2.2: Trong khe thời gian thứ ba: T2 gửi x1 đến T3 và T0 gửi x1 đến T 1

Tín hiệu nhận được tại T trong khe thời gian thứ ba là: 1

Bởi vì nút T đã giải mã thành công 1 x trong khe thời gian thứ nhất nên nút 1này có thể lưu trữ x trong bộ đệm Hơn thế nữa, ta có thể giả sử rằng nút 1 T có thể 1ước lượng chính xác hệ số kênh truyền

2 1

T ,T

h Do đó, nút T sẽ loại bỏ được thành 1phần giao thoa

1

(3) T

y trong công thức số (2.7) để giải mã x 2

Tỷ số SNR nhận được tại T để giải mã 1 x là: 2

2 0,1 1

0,1

.1

Theo Hình 2.3, nút T sẽ nhận đồng thời hai tín hiệu 2 x và 1 x Tương tự 2như trên, T sẽ khử thành phần liên quan đến 2 x trước rồi mới tiến hành giải mã 1 x 2

Tương tự như công thức (2.10), sau khi khử giao thoa, tỷ số SNR nhận được tại T để giải mã 2 x là: 2

2 1,2 2

1,2

.1

4

3,4 1,4

.1

Ta sẽ tiếp tục với khe thời gian thứ năm: nút nguồn T bắt đầu gửi dữ liệu mới 0

 x đến 3 T , 1 T gửi dữ liệu 4 x đến 1 T và 5 T gửi dữ liệu 2 x đến 2 T Cũng vậy, các 3nút T và 1 T sẽ sử dụng phương pháp SIC để khử nhiễu trước rồi thực hiện giải mã 3các dữ liệu mong muốn

0

Hình 2.4: Trong khe thời gian thứ năm: T4 gửi x1 đến T5, T2 gửi x2 đến T3

và T0 gửi x3 đến T 1Tương tự như trên, tỷ số SNR đạt được tại T , 1 T và 3 T để giải mã 5 x , 3 x và 2

1

x lần lượt là:

3 0,1 1

0,1

,1

Tiến trình này cứ tiếp tục cho đến khi các dữ liệu được gửi đến đích Ta xét một tín hiệu x uu 1, 2,3, 4,  bất kỳ được gửi từ nguồn đến đích Dựa vào các công thức đưa ra ở trên, ta có thể quy nạp tỷ số SNR đạt được ở chặng thứ m

m

 sẽ xuất hiện hai thành phần giao thoa đồng kênh, đó là 2,5 và 0,5, như đã thể hiện trong công thức (2.17)

Bây giờ, ta xét đến yếu tố hiệu quả sử dụng phổ tần: ta thấy rằng nút đích TM

có thể nhận được dữ liệu x ở khe thời gian thứ M, dữ liệu 1 x ở khe thời gian thứ 2M+2 Một cách tổng quát, nút đích TM nhận được dữ liệu x ở khe thời gian thứ u

là 1 gói dữ liệu / 2 khe thời gian

Mặc dù MHCT2 nâng cao đáng kể hiệu quả sử dụng phổ, tuy nhiên ta thấy rằng, tỷ số SNR của dữ liệu ở các nút gần đích sẽ chịu rất nhiều giao thoa đồng kênh,

gây nên bởi các nút ở phía trước Hơn nữa, phương pháp này cũng yêu cầu các nút lưu trữ một lượng lớn các dữ liệu để tiến hành khử nhiễu gây ra từ các nút ở phía sau 2.2.3 Mô hình cải tiến 3 (MHCT3)

Để có thể đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn nữa, kỹ thuật NOMA có thể được áp dụng để truyền dữ liệu trên mỗi chặng như trong MHCT1 Có thể nói, MHCT3 là sự kết hợp giữa MHCT1 và MHCT2 Thật vậy, nút nguồn T sẽ gửi một 0lúc hai dữ liệu đến T Thật vật, ở khe thời gian thứ nhất, nút nguồn 1 T sẽ kết hợp hai 0

dữ liệu x và 1 x , để tạo thành dữ liệu 2 z1  a Px1 1 a Px2 2 , rồi gửi z1 đến nút T1 Trong đó, các hệ số phân chia công suất a và 1 a đã được định nghĩa như bên dưới 2công thức (2.1)

Như trong MHCT1, nút T áp dụng kỹ thuật NOMA để giải mã tín hiệu 1 x1trước rồi sau đó tiến hành giải mã x sau Tương tự như vậy, tín hiệu 2 z1 sẽ lần lượt được gửi qua từng chặng để đến đích Ví dụ: trong khe thời gian thứ hai, nút T sẽ 1gửi dữ liệu tổng hợp z1 đến nút T 2

Bây giờ, ta sẽ áp dụng MHCT2 Thật vậy, trong khe thời gian thứ ba, nút T 2

sẽ gửi dữ liệuz1 đến T , trong khi nguồn bắt đầu gửi dữ liệu tổng hợp mới 3

và x4, tương tự như đã làm ở khe thời gian thứ nhất Tiến trình này cứ tiếp tục thực hiện, cụ thể cứ ở các khe thời gian lẻ nút nguồn sẽ phát một cặp dữ liệu mới (xem ví

dụ sự truyền dữ liệu ở khe thời gian thứ 5 trong Hình 2.5) Cụ thể, ở khe thời gian này, T gửi dữ liệu tổng hợp mới 0 z z3  3   a Px1 5  a Px2 6 đến T , 1 T chuyển tiếp 2

dữ liệu z2 đến T , trong khi 3 T gửi 4 z1 đến T Trong hình vẽ này, kỹ thuật khử 5giao thoa sẽ được áp dụng tại các nút T và 1 T Hơn nữa, nút 3 T sẽ phải chịu giao 5thoa đồng kênh gây ra bởi các nút T và 0 T 2



hiệu x2u1 và x được cộng tuyến tính với nhau để tạo thành tín hiệu 2u zu để gửi trên các chặng Xét các tỷ số SNR đạt được tại nút thu Tmm1,2, ,M để giải mã các tín hiệu x2u1 và x 2u

Đối với tín hiệu x2u1, bởi vì tín hiệu này được giải mã trước, tỷ số SNR đạt được tại Tm để giải mã tín hiệu này có thể đưa ra dưới dạng sau:

Đối với thông số hiệu quả phổ tần: bởi vì các nút chuyển tiếp truyền hai dữ liệu cùng một lúc đến các nút kế tiếp nên thông lượng của mô hình này sẽ gấp đôi thông lượng của MHCT2 Cụ thể, hiệu quả phổ mà MHCT3 đạt được khi đích nhận được tín hiệu tổng hợp zu là:

CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG

3.1 Mô hình kênh truyền

Trong luận văn này, giả sử kênh truyền giữa hai nút bất kỳ là kênh fading Nakagami-m Thật vậy, nếu T ,T

, , ,

Để đơn giản cho việc phân tích và mô tả, ta giả sử rằng hệ số

Namagami-m của tất cả các liên kết là bằng nhau và bằng N:

a b

m  N a b (3.3) Trong thực tế, các giá trị ma b, trên các liên kết có thể khác nhau Tuy nhiên, những kết quả phân tích trong luận văn này hoàn toàn có thể mở rộng cho các trường hợp mà các giá trị ma b, khác nhau

Hàm Gamma  ma b , trong công thức (3.1) được định nghĩa như sau:

Rayleigh, và hàm CDF và PDF của a b, cũng lần lượt đưa ra như sau:

F x    x f x   x (3.7) với exp là hàm mũ, và    là tham số đặc trưng của một biến ngẫu nhiên a b,

có phân phối mũ Cụ thể, a b, bằng 1 chia cho giá trị trung bình của a b, : a b, 1/a b,

Khi ma b,  là một số nguyên dương thì hàm CDF N Fa b,  x có thể biểu diễn dưới dạng sau (xem [25]):

,

1 , ,

a b

a b t

, , ,

a b da b

  (3.9) với  là hệ số suy hao đường truyền, trong khi d là khoảng cách vật lý a b,giữa hai nút Ta và Tb

3.2 Xác suất dừng (Outage Probability (OP))

Việc so sánh hiệu năng xác suất dừng giữa các mô hình có thể không công bằng vì trong mô hình MHTT chỉ có 01 tín hiệu được gửi đi, trong khi MHCT1 và MHCT2 có tới hai tín hiệu được gửi đi Hơn nữa, công suất phát dành cho các tín hiệu cũng khác nhau và tín hiệu trong MHCT1, MHCT2 và MHCT3 chịu ảnh hưởng của giao thoa đồng kênh nhưng tín hiệu trong MHTT không chịu ảnh hưởng