Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA trong mạng 5g

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG ---oo0oo--- HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Đề tài: Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA trong mạng 5G A survey of Non-Orth

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -oo0oo -

HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ

Đề tài: Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA trong mạng 5G

A survey of Non-Orthogonal Multiple Access for 5G

L ớp : K35DTCH

Gi ảng viên hướng dẫn: PGS TS BÙI THỊ MINH TÚ

M ỤC LỤC

I T ổng quan về sự phát triển của các kỹ thuật đa truy cập 3

II K ỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA 3

1 Nguyên lý cơ bản 3

2 So sánh dung lượng kênh truyền của hệ thống OMA và NOMA 4

2.1 Kênh truyền có nhiễu AWGN 4

2.2 Kênh truyền fading 5

3 Ưu điểm của kỹ thuật đa truy cập NOMA so với OMA 5

4 Các phương thức thực thi kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA 6

4.1 K ỹ thuật NOMA miền công suất 6

4.2 K ỹ thuật NOMA miền mã 8

5 So sánh các k ỹ thuật thực thi NOMA 10

III Hướng nghiên cứu đề xuất 10

I T ổng quan về sự phát triển của các kỹ thuật đa truy cập

Ngày nay với sự phát triển như vũ bão của khoa học kỹ thuật trong thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 với các xu hướng công nghệ như IoT, Big Data, AI, … thì nhu cầu truyền thông với tốc độ dữ liệu cao là rất quan trọng Để đáp ứng được với xu thế

đó thì thông tin di động phải có những bước chuyển mình về mặt công nghệ là tất yếu

thể hiện qua sự phát triển của hệ thống thông tin liên lạc 1G cho đến 4G/LTE và 4G/LTE-A tạo bước đệm để triển khai công nghệ truyền thông 5G

H1 Các k ỹ thuật đa truy cập trong thông tin di động

Hình 1 minh họa cho các kỹ thuật đa truy cập trực giao (OMA) được triển khai

tại các nhà mạng viễn thông cho tới nay, để phát triển thông tin di động 5G thì kỹ thuật

đa truy cập phi trực giao NOMA hứa hẹn sẽ nâng hiệu quả sử dụng tài nguyên vô tuyến phục vụ cho truyền thông băng rộng trong tương lai

1 Nguyên lý cơ bản

Đối với các kỹ thuật đa truy cập OMA, các user sẽ được cấp phát tài nguyên trựa giao về mặt tần số, thời gian, mã hoặc kết hợp giữa tần số và thời gian do đó về lý thuyết sẽ không có nhiễu giữa các user trong hệ thống OMA tuy nhiên số lượng user

sẽ bị giới hạn tùy thuộc vào tài nguyên khả dụng của hệ thống Đây chính là hạn chế làm cho các kỹ thuật OMA không còn thích hợp cho thông tin di động yêu cầu số lượng kết nối lớn như 5G

Đặc trưng nổi bật nhất của kỹ thuật đa truy cập NOMA là hỗ trợ số lượng user lớn hơn số lượng khe tài nguyên trực giao nhờ việc cấp phát tài nguyên phi trực giao (non-orthogonal)

Kỹ thuật NOMA về cơ bản chia thành 2 loại:

 Kỹ thuật NOMA miền công suất (Power-domain NOMA): với kỹ thuật này, các user khác nhau sẽ dùng chung tài nguyên thời gian – tần số - mã nhưng được cấp phát các mức công suất khác nhau dựa vào chất lượng kênh truyền Tại phía máy thu

 Kỹ thuật NOMA miền mã (Code-domain NOMA): kỹ thuật này tương tự kỹ

thuật CDMA hoặc CDMA đa sóng mang MC-CDMA (MultiCarrier-CDMA)

với sự khác biệt cơ bản là sử dụng các chuỗi mật độ thấp hoặc các chuỗi phi trực giao có độ tương quan thấp

2 So sánh dung lượng kênh truyền của hệ thống OMA và NOMA

2.1 Kênh truyền có nhiễu AWGN

Theo lý thuyết thông tin, dung lượng các kênh đa truy cập của hệ thống sử dụng

kỹ thuật OMA và NOMA với sự xuất hiện của nhiễu AWGN tuân theo công thức (1)

Hướng uplink của kênh AWGN hỗ trợ K user, dung lượng của các kênh đa truy cập là:

1

log 1

K

i K

i i

i

P

N W







 (1)

với băng thông W, P i là công suất phát và N0 là mật độ phổ công suất của nhiễu Gaussian

Hình 2 cho thấy dung lượng kênh truyền của hệ thống sử dụng kỹ thuật OMA kém tối ưu hơn so với kỹ thuật NOMA trừ một số điểm nhất định

H 2 So sánh dung lượng kênh truyền của hệ thống OMA và NOMA kênh truyền AWGN

hướng uplink với a) Kênh truyền đối xứng và b) Kênh truyền bất đối xứng

Hình 3 cho thấy đường biên tốc độ của kỹ thuật NOMA hoàn toàn vượt trội so với OMA trong kênh truyền bất đối xứng

H3 So sánh dung lượng kênh truyền của hệ thống OMA và NOMA kênh truyền AWGN hướng downlink với a) Kênh truyền đối xứng và b) Kênh truyền bất đối xứng

2.2 Kênh truy ền fading

Trong kênh truyền fading, dung lượng tổng ở hướng uplink với điều kiện thông tin kênh truyền CSI được biết tại máy thu được biểu diễn bởi công thức:

2 1 0

log 1

K

k ave k

sum

h P

N



 (2)

với điều kiện mỗi user có mức công suất trung bình bằng nhau và bằng P ave

3 Ưu điểm của kỹ thuật đa truy cập NOMA so với OMA

Nâng cao hiệu quả sử dụng phổ và tốc độ của các user ở biên cell (cell-edge throughput)

Hỗ trợ kết nối đồng thời số lượng user lớn do phương pháp cấp phát tài nguyên phi trực giao không bị hạn chế bởi tài nguyên trực giao khả dụng của hệ thống

Giảm độ trễ truyền dẫn và các thủ tục báo hiệu

Phản hồi về trạng thái kênh truyền CSI không cần nghiêm ngặt nếu sử dụng kỹ thuật NOMA miền công suất bởi vì phản hồi CSI từ user ở hướng uplink chỉ sử dụng cho việc cấp phát công suất hướng downlink

Tại phía máy phát, các tín hiệu từ các user khác nhau sẽ được chồng chập trực

tiếp lên nhau sau khi điều chế và mã hóa kênh, các user này sử dụng chung tài nguyên miền thời gian và miền tần số Tại phía máy thu tín hiệu được tách sóng bởi kỹ thuật

tách sóng đa người dùng MUD (MUtiuser Detection) như thuật toán khử nhiễu liên

tiếp SIC (Successive Interference Cancellation)

H4 K ỹ thuật NOMA miền công suất: a) NOMA sử dụng máy thu SIC b) NOMA trong

suất cấp phát cho K user là P, BS phát tín hiệu x i tới user thứ i với hệ số tỉ lệ công suất là p i, do đó, tổng tất cả các tín hiệu tại BS là:

1

K

i i i



 (3) Tín hiệu y i nhận được tại user thứ i là:

y i h x i v i (4) với h i là đáp ứng kênh truyền giữa BS và user thứ i, v i có mật độ công suất N i biểu diễn nhiễu Gaussian và nhiễu giữa các cell ICI (Inter Cell Interference)

Tại máy thu tách sóng đa người dùng MUD, thuật toán khử nhiễu liên tiếp SIC được sử dụng để khôi phục lại tín hiệu được phát đi Giả sử việc giải mã các tín hiệu là hoàn hảo thì tốc độ có thể đạt được của user thứ i là:

2

1

2

1

log 1 i i

j

p h





 



(5)

trong trường hợp 2 user như Hình 4a, giả sử đáp ứng kênh truyền được chuẩn hóa của user 2 thấp hơn so với user 1 2 2

h N  h N và p1 p2 User 2 sẽ tách tín hiệu của mình bằng cách xem tín hiệu của user 1 là nhiễu, user 1 đầu tiên sẽ tách tín hiệu của user 2 sau đó sẽ lấy tín hiệu tổng thu được trừ đi để khử nhiễu từ tín hiệu user 2 Băng thông truyền dẫn được chuẩn hóa 1Hz thì tốc độ dữ liệu của user 1 và user 2 là:

2

1 1

1

log 1 p h

R

N

   

(6)

2

log 1 p h

R

   



(7)

Nhờ vào việc điều chỉnh các hệ số cấp phát công suất, BS có thể điều chỉnh tốc độ dữ

liệu của các user Kỹ thuật NOMA tận dụng sự khác nhau về độ lợi kênh truyền giữa các user để khắc phục hiện tượng gần-xa trong thông tin di động do đó đạt được hiệu quả sử dụng phổ cao hơn so với OMA thể hiện ở dung lượng tổng kênh truyền và tốc

độ dữ liệu của các user ở biên cell cao hơn

1

K

i i i i



  (8) với p i và x i là công suất phát và tín hiệu phát đi từ user thứ i v có mật độ công suất 0

N là nhiễu Gaussian và nhiễu từ các cell khác phát tới Trạm gốc cũng sử dụng thuật toán SIC để khôi phục tín hiệu đã phát của các user khác nhau Tốc độ truyền dữ liệu

có thể đạt được ở hướng uplink của user thứ i là:

2

2 0

1

log 1 i i

j j

j i

p h

 

   (9)

Bài báo còn giới thiệu khái quát các hệ thống thông tin phức tạp hơn được tích hợp kỹ thuật NOMA như: hệ thống NOMA-MIMO, hệ thống thông tin hợp tác

C-NOMA (Cooperative C-NOMA), h ệ thống NOMA-CoMP (Coordinated Multi-Point), … 4.2 K ỹ thuật NOMA miền mã

Kỹ thuật NOMA miền mã lấy ý tưởng từ hệ thống CDMA cổ điển, các user sử dụng chung tài nguyên thời gian – tần số và được phân biệt với nhau nhờ các chuỗi trải phổ đặc trưng Sự khác biệt lớn nhất của NOMA miền mã so với CDMA là sử dụng các chuỗi trải phổ thưa hoặc các chuỗi phi trực giao có độ tương quan chéo thấp Bài báo trình bày dạng ban đầu của hệ thống NOMA dựa trên chuỗi trải phổ thưa LDS-CDMA Sau đó phát triển thành các hệ thống truyền dẫn đa sóng mang OFDM sử dụng LDS (LDS-OFDM) với ưu điểm như chống nhiễu xuyên ký tự ISI, hệ thống LDS-CDMA sử dụng thuật toán tách sóng MUD, hệ thống SCMA, MUSA, SAMA

Hệ thống LDS-CDMA được thiết kế để hạn chế lượng nhiễu đặt trên mỗi chip của hệ thống CDMA thông thường nhờ kỹ thuật trải mật độ thấp LDS Tất cả các ký tự phát đi được điều chế vào các chuỗi trải phổ thưa, dựa trên cách này, mỗi user sẽ sử dụng số lượng chip ít để trải dữ liệu như Hình 5 Do đó số lượng tín hiệu được chồng

chập tại mỗi chip sẽ nhỏ hơn số lượng user đang hoạt động, điều này giúp cho nhiễu

H5 Minh h ọa hệ thống LDS-CDMA: 6 user sử dụng 4 chip để truyền dẫn, giá trị

user-t ải chuẩn hóa là 150%

Tín hiệu nhận được tại chip thứ n trong hệ thống LDS-CMDA có thể biễu diễn dưới dạng:

      (10)

với là tập hợp các user có chuỗi trải phổ thưa tồn tại thành phần khác 0 tại chip thứ n,

có nghĩa là N n k | sn k,  0

Tại máy thu MUD sử dụng thuật toán MPA (Message Passing Algortihm) để ước lượng giá trị x đã được phát đi theo công thức:

 

 

~

ˆ arg max |

k k

k

a X x

x a





  (11)

ểu diễn đồ thị hệ số của thuật toán MPA

5 So sánh các k ỹ thuật thực thi NOMA

Các kỹ thuật thực thi NOMA được so sánh với nhau về độ phức tạp tính toán:

o NOMA miền công suất có độ phức tạp là  K

O X , với K là số lượng user và

X là số lượng phần tử của tập chòm sao tín hiệu X

o NOMA miền mã có độ phức tạp là  w

O X , với w là số lượng cực đại của các tín hiệu được chồng chập trên mỗi chip hoặc sóng mang phụ

Phân tích tốc độ về mặt lý thuyết có thể đạt được và các biên quá tải (overloading bound) của hệ thống sử dụng kỹ thuật NOMA miền mã LDS sau đó đưa

ra được biểu thức thể hiện mối quan hệ giữa tốc độ cực đại và các tham số LDS như độ thưa của chuỗi và hệ số quá tải

Nghiên cứu thiết kế tín hiệu tham chiếu (reference signal), kỹ thuật ước lượng kênh truyền, cơ chế phản hồi trạng thái kênh CSI để nâng cao hiệu năng của hệ thống NOMA khi nhiễu chéo giữa các user tăng

Đề xuất sử dụng linh hoạt giữa SU-MIMO và MU-MIMO trong hệ thống NOMA nhằm nâng cao dung lượng, các thuật toán làm giảm hiện tượng PAPR (Peak

to Average Power Ratio) trong hệ thống NOMA đa sóng mang

H7 K ỹ thuật đa truy cập định nghĩa bởi phần mềm SoDeMA

(near-far) không đáng kể như trường hợp sử dụng small cell thì kỹ thuật đa truy cập OMA tốt hơn so với NOMA Tuy nhiên khi số lượng kết nối lớn (massive connectivity) và có xuất hiện hiện thượng gần-xa như trường hợp sử dụng macro cell thì NOMA cho hiệu năng tốt hơn Do đó, cấu hình mạng thích nghi với điều kiện vô tuyến sẽ là một giải pháp kỹ thuật trong tương lai