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 (tt)

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)

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

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)) 1.3.2 NOMA đường xuống

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

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

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]

Không như các công trình [14],[16], các giao thức đề xuất sẽ cải thiện tốc độ truyền dẫn

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

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (MHTT)

0

Các nút chuyển tiếp

Hình 2.1: Mạng chuyển tiếp đa chặng truyền 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)

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

Một cách tổng quát, xét sự truyền dữ liệu ở khe thời gian thứ m, ở đây nút Tm1 sẽ gửi tín hiệu z1 đến nút Tm, m  1, 2, , M Tỷ số SNR đạt được để giải mã tín hiệu x1 tại Tm là:

, 1

2 2 1,

1,

1

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:

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  1, 2, , M  để giải mã tín hiệu xu sẽ là:

 1,

1

1

Công thức (2.4) cho thấy rằng MHCT2 có thể đạt được hiệu quả phổ

tối đa là 1 gói dữ liệu / 2 khe thời gian

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

z đến T 5

Tương tự như trên, ta xét tín hiệu zu  a Px1 2u1 a Px2 2u

, ở đây hai tín hiệu x2u1 và x2u được cộng tuyến tính với nhau để tạo thành tín hiệu 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 x2u

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:

Rõ ràng rằng, khi số lượng dữ liệu gửi đủ lớn thì hiệu quả phổ tần

tối đa của MHCT3 sẽ là 1 gói dữ liệu / 1 khe thời gian

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

có thể biểu diễn dưới dạng sau (xem [25]):

,

1 , ,

a b

a b t

hàm của khoảng cách như trong [26]-[27]:

, , ,

a b da b

  (3.3) với  là hệ số suy hao đường truyền, trong khi da b, là khoảng

cách vật lý giữa hai nút Ta và Tb

3.2 Xác suất dừng (Outage Probability (OP))

0 1

P

NN

Trên kênh truyền fading Rayleigh sẽ được viết lại như:

MHCT1

1, max 1

Trên kênh truyền Nakagami-m sẽ được viết lại như sau:

Bởi vì mô hình MHCT1 tăng tốc độ mạng lên gấp đôi khi so với mô

hình MHTT, thông lượng mạng của mô hình này được tính như sau:

Khi tất cả các kênh truyền đều là kênh fading Rayleigh, ta có:

1, th

Mô hình MHCT2 có thể đạt được tốc độ 1/2, do đó, thông lượng của

mô hình này được viết như sau:

Với kênh truyền fading Rayleigh, ta đạt được:

 

 

2 1, th

Mô hình MHCT3 khi kênh truyền là kênh fading Rayleigh thì

Ở đây, ta lưu ý rằng: mô hình MHCT3 có thể đạt được tốc độ 1 gói

dữ liệu trên 1 khe thời gian Ta có thể thấy rằng, để đạt được tốc độ truyền

cao hơn, hệ thống có thể phải chịu mức can nhiễu lớn hơn hoặc phải sử dụng

những kỹ thuật khử nhiễu phức tạp (như SIC)

CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Mô phỏng Monte Carlo

tác động của nhiễu (nhiễu đồng kênh hay nhiễu gây ra do sự kết hợp các dữ liệu khác nhau)

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

Nhìn vào hình 4.2, ta thấy rằng mô hình MHCT3 có giá trị xác suất dừng lớn hơn rất nhiều khi so sánh với các mô hình còn lại Hơn nữa, khi tăng số lượng chặng ta thấy rằng OP của tất cả các mô hình đều tăng

Hình 4.3: Xác suất dừng vẽ theo M khi a1 0.7,   5

(dB), D 1/ M  , N  1,   0.01 và th  0.25

Nhìn vào hình 4.3, ta thấy xác suất dừng của hai mô hình MHTT

và MHCT1 giảm khi tăng số chặng Nguyên nhân là vì khi tăng số chặng, khoảng cách giữa hai nút gần nhau sẽ giảm và vì thế việc truyền dữ liệu sẽ

4.1.2 Thông lượng (TP)

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

Hình 4.6: Thông lượng vẽ theo  (dB) khi a1 0.8,

Hình 4.8: Thông lượng vẽ theo M khi a1 0.7, D 1/ M  ,

1,

N    10 (dB),   0.05 và th  0.5

Nhìn vào hình 4.8, ta thấy rằng thông lượng của tất cả mô hình đều suy giảm khi tăng số chặng giữa nguồn và đích

Hình 4.9: Thông lượng vẽ theo  khi a1 0.65, M  4, N  1,

Hình 4.10 khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số phân chia công suất a1

lên thông lượng TP của MHCT1 và MHCT3

CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN 5.1 Các kết quả đạt được của luận văn

Trong luận văn, Học viên đã trình bày tổng quan các khái niệm về mạng chuyển tiếp đa chặng, về kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA), về suy hao phần cứng (Hardware Impairments), cũng như đã khảo sát các nghiên cứu liên quan đến luận văn

Kế tiếp, Học viên tiến hành mô phỏng và phân tích lý thuyết đánh giá hiệu năng xác suất dừng và thông lượng mạng cho các mô hình trên kênh truyền fading Nakagami-m Hơn nữa, các công thức toán cũng được kiểm chứng sự chính xác thông qua mô phỏng Monte Carlo Các kết quả cho thấy rằng, các mô hình cải tiến trong luận văn đạt được thông lượng cao hơn đáng

kể khi so với mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống Tuy nhiên, các mô hình cải tiến chịu giá trị xác suất dừng lớn hơn mô hình truyền thống, bởi vì

sự tác động của nhiễu đồng kênh và nhiễu gây ra do quá trình kết hợp các dữ liệu trong NOMA Hơn nữa, các thông số hệ thống như số chặng giữa nguồn

và đích, mức suy hao phần cứng, khoảng cách giữa các nút kề nhau, hệ số phân chia công suất cũng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của hệ thống Đối với những mô hình sử dụng NOMA, hệ thống chỉ chịu được mức suy hao phần cứng thấp hơn so với các mô hình còn lại Các kết quả cũng cho thấy rằng, để nâng cao thông lượng cho các mô hình cải tiến, ta cần trang bị những thiết bị tốt hơn (giảm mức suy hao phần cứng) và thiết kế hệ số phân chia công suất hợp lý hơn

5.2 Hướng phát triển luận văn

Luận văn có thể phát triển theo những hướng như sau:

- Khảo sát những kênh truyền tổng quát hơn như kênh fading Nakagami-m (với hệ số Nakagami là số thực), Rician, …

- Nghiên cứu các mô hình chuyển tiếp đa chặng sử dụng MIMO hoặc chọn lựa nút chuyển tiếp trên mỗi chặng

- Nghiên cứu kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng sử dụng các nút chuyển tiếp song công (full-duplex)

- Nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng lượng sóng vô tuyến, ở đây, các nút chuyển tiếp phải thu thập năng lượng bên ngoài để phục vụ cho việc chuyển tiếp