NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG hợp tác HAI CHIỀU DÙNG NOMA và lựa CHỌNCHUYỂN TIẾP

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 57 , 2022 NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU DÙNG NOMA VÀ LỰA CHỌN CHUYỂN TIẾP TRẦN ĐÌNH HƯNG, VÕ MINH HẢO, NGUYỄN THÀNH LUÂN, PHÙ TRẦN TÍN, ĐÀO THỊ THU THỦY* Khoa Công nghệ Điện tử, Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh *Tác giả liên hệ: daothithuthuy@iuh.edu.vn DOIs: https://doi.org/ 10.46242/jstiuh.v57i03.4389 Tóm tắt Nhằm nâng cao hiệu truyền thông hợp tác, phương pháp lựa chọn chuyển tiếp sử dụng mang lại hiệu đáng kể Trong báo này, nghiên cứu phương pháp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp cho cụm chuyển tiếp mạng hợp tác hai chiều kết hợp với giao thức đa truy cập phi trực giao (NOMA) với chế triệt can nhiễu (SIC) Mơ hình khảo sát gồm hai người dùng điều kiện mơi trường truyền có suy hao nhiều fading chướng ngại vật nên đường trực tiếp, q trình truyền thơng tin thực thông qua cụm thiết bị chuyển tiếp hoạt động chế độ bán song công (HD), gọi giao thức HD-CNOMA Bài báo thảo luận phân tích xác suất dừng với phương pháp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp với độ lợi lớn Bên cạnh đó, hiệu hệ thống khảo sát theo tỉ lệ tín hiệu nhiễu (SNR) Cuối cùng, biểu thức toán học kiểm chứng phương pháp mô Monte-Carlo sử dụng phần mềm Matlab Từ khóa lựa chọn nút chuyển tiếp, xác suất dừng, đa truy cập phi trực giao, chuyển tiếp hai chiều, giải mã chuyển tiếp GIỚI THIỆU Với phát triển nhanh chóng mạng truyền thơng khơng dây, nghiên cứu phân tập hợp tác thu hút ý đáng kể Nó cho phép cải thiện hiệu độ tin cậy mạng không dây cách để thiết bị chuyển tiếp trợ giúp cho nhiệm vụ truyền nhận liệu Đây cách hiệu để giảm tác động fading lên kênh truyền không dây Các kỹ thuật lựa chọn thiết bị chuyển tiếp từ mà nhiều quan tâm nghiên cứu [1, 2] Có nhiều kỹ thuật lựa chọn thiết bị chuyển tiếp khác chọn bán phần (partial) [3], chọn toàn phần (full) chọn ngẫu nhiêu (random) Đối với phương pháp chọn toàn phần, thiết bị chuyển tiếp chọn thơng số đường truyền tín hiệu thiết bị chuyển tiếp nguồn đường lên đường xuống lớn Các thơng số độ lợi kênh truyền hay tỉ lệ tín hiệu nhiễu với chọn tồn phần tiềm nâng cao hiệu hệ thống lớn Khác với chọn toàn phần, chọn bán phần triển khai chọn thiết bị chuyển tiếp với thông số cho bên đường lên đường xuống, với phương pháp bỏ qua kênh truyền tốt bên cịn lại q trình xử lý tín hiệu đơn giản giúp tăng tốc độ xử lý so với phương pháp chọn toàn phần Đa truy cập kỹ thuật cho phép nhiều người dùng chia sẻ thông tin kênh truyền cách hiệu Đa truy cập dựa chế đa truy cập trực giao (OMA) đa truy cập phi trực giao (NOMA) NOMA xem kỹ thuật truy nhập vô tuyến với hiệu truyền dẫn đầy hứa hẹn cho truyền thông di động hệ sau, công nghệ cần thiết cho mạng không đồng độ trễ thấp, độ tin cậy cao, kết nối lớn thông lượng cao [4-6] Trong NOMA, thiết bị có khả chuyển lúc nhiều tín hiệu khác đến nhiều người dùng Tính chất quảng bá NOMA giúp nâng cao tốc độ truyền dẫn liệu hệ thống Điểm khác biệt NOMA phục vụ nhiều thiết bị người dùng khối tài nguyên (có thể thời gian, tần số hay mã) phân bổ công suất khác dựa theo điều kiện kênh truyền khác Nguyên tắc phân bổ công suất cao cho thiết bị có điều kiện kênh truyền yếu (hay xa nguồn) công suất thấp cho thiết bị người dùng có điều kiện kênh truyền tốt (hay gần nguồn) để đảm bảo tính cơng thiết bị người dùng Tại thiết bị thu sử dụng kỹ thuật triệt can nhiễu SIC để giải mã tín hiệu [7] © 2022 Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG… Để thúc đẩy hiệu sử dụng phổ cải thiện hiệu suất truyền tải cho mạng hai chiều [8], báo chúng tơi đề xuất mơ hình mạng hợp tác hai chiều gồm hai người dùng cụm chuyển tiếp sử dụng hai khe thời gian với phương pháp chọn thiết bị chuyển tiếp bán phần dựa vào độ lợi kênh truyền người dùng gần thiết bị chuyển tiếp tương ứng lớn nhất, kết hợp với kỹ thuật NOMA Trong khe thời gian thứ hai người dùng truyền tín hiệu đến cụm thiết bị chuyển tiếp Một thiết bị chuyển tiếp chọn thiết bị chuyển tiếp sử dụng SIC để giải mã tín hiệu nhận được, sau dùng mã hóa xếp chồng để tạo tín hiệu truyền tín hiệu đến hai người dùng khe thời gian thứ hai Sử dụng hai khe thời gian trao đổi liệu kết hợp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp làm tăng hiệu suất sử dụng băng thông giảm ảnh hưởng fading lên tín hiệu dẫn đến giảm xác suất dừng Xác suất dừng hệ thống phân tích biểu diễn dạng biểu thức đóng xác để đánh giá hiệu hệ thống kiểm chứng phương pháp mô Monte-Carlo Một số ký hiệu toán học báo: fx(.) Fx(.) tương ứng hàm mật độ xác suất (PDF) hàm phân phối tích lũy (CDF) biến ngẫu nhiên X; Pr(.) hàm xác suất PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Mơ hình hệ thống giả định Mơ hình mạng hai chiều đề xuất gồm nguồn S1 , S2 giao tiếp với qua cụm gồm N thiết bị chuyển tiếp ( Ri với  i  N ) hình Các nguồn thiết bị chuyển tiếp hoạt động chế độ bán song công Đường truyền trực tiếp S1 , S2 giả sử khơng tồn tín hiệu suy yếu mạnh trở ngại vật lý [9] liên kết thiết lập thơng qua thiết bị chuyển tiếp [10] Tại khe thời gian, có thiết bị chuyển tiếp Rb ( Rb  Ri ) chọn để hỗ trợ cho việc truyền liệu nguồn d1 , d khoảng cách chuẩn hóa nguồn S1 , S2 cụm thiết bị chuyển tiếp, đồng thời giả sử S1 gần cụm thiết bị chuyển tiếp S tức d1  d2 Hình 1: Mơ hình hệ thống HD-CNOMA 2.2 Phân tích mơ hình hệ thống Chúng giả sử kênh truyền thiết bị mơ hình fading Rayleigh với hS1Ri , hRi S1 , hS2 Ri , hRi S2 hệ số kênh truyền tương ứng với liên kết S1  Ri , Ri  S1 , S2  Ri , Ri  S2 Độ lợi kênh truyền 46 Tác giả: Trần Đình Hưng Cộng tương ứng hS1Ri 2 , hRi S1 , hS2 Ri , hRi S2 biến ngẫu nhiên phân phối theo hàm mũ với k (k  S1Ri , Ri S1, S1Ri , Ri S2 ) giá trị trung bình giả sử S1Ri  Ri S1  1  d1 x  S2 Ri  Ri S2  2  d2 CDF F hk  x  1 e  x Ωk  Ωk (với  hệ số mũ suy hao đường truyền) có PDF f  x   , e hk k Trên kênh truyền S1  Ri , Rb chọn thiết bị chuyển tiếp có độ lợi lớn nên CDF tương ứng: N x    Ω   (1) F  x   F  x  1 e hS1Rb hS1Ri   i 1   x1 , x2 tương ứng tín hiệu truyền S1 , S2 Giả sử công suất truyền nguồn thiết bị chuyển tiếp P Trong khe thời gian thứ S1 S truyền đồng thời tín hiệu x1 x2 với cơng suất P đến thiết bị N chuyển tiếp Tín hiệu nhận thiết bị chuyển tiếp biểu diễn công thức: yr  PhS1Ri x1  PhS2 Ri x2  nr (2) nr nhiễu Gauss trắng (AWGN) với giá trị trung bình phương sai N Thiết bị chuyển tiếp Rb chọn giải mã tín hiệu nhận tín hiệu nhận dựa theo nguyên lý SIC, Rb giải mã tín hiệu x1 truyền từ nguồn gần nên có độ lợi lớn trước xem tín hiệu x2 nhiễu Ta có SNR thiết bị chuyển tiếp cho giải mã x1 là:  Sx11Rb |d1 d2  hS1Rb  (3) hRb S2   P định nghĩa tỉ lệ cơng suất tín hiệu nhiễu Sau giải mã x1 loại bỏ N0 thành phần chứa x1 công thức (2), Rb giải mã tín hiệu x2 với giá trị SNR là: Trong đó,    Sx22 Rb   hS2 Rb (4) Tiếp theo Rb dùng mã hóa xếp chồng tạo tín hiệu xr kết tổng hợp hai tín hiệu x1 x2 truyền trở lại hai nguồn với hệ số phân bổ cơng suất a1 , a2 cho hai tín hiệu x1 , x2 với a1  a2  Để đảm bảo công S1 S , công suất cao phân bổ cho người dùng xa trường hợp S nên a1  a2 Tín hiệu nhận S j  j  1,  biểu diễn công thức: yS j  PhRb S j   a1 x1  a2 x2  nS j (5) Tại S theo nguyên lý giải mã SIC, tín hiệu x1 giải mã x2 coi nhiễu, SNR nhận thiết bị chuyển tiếp cho giải mã x1 là:  Rb S2 |d1 d2  a1 hRb S2 2 a2  hRb S2  (6) 47 NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG… Tại S1 theo nguyên lý giải mã SIC, tín hiệu x1 giải mã x2 coi nhiễu Sau giải mã x2 cách loại bỏ tín hiệu x1 vừa giải mã SNR nhận S1 tín hiệu x1 x2 biểu diễn sau:  Rx1b S1|d1 d2  a1 hRb S1 (7) a2  hRb S1   Rxb2 S1|d1 d2  a2  hRb S1 (8) 2.3 Phân tích xác suất dừng hệ thống Trong phần này, chúng tơi tìm biểu thức xác suất dừng hệ thống Chúng giả sử thiết bị chuyển tiếp nguồn giải mã thành cơng tín hiệu nhận SNR chúng lớn giá trị ngưỡng  th [3, 11] 2.3.1 Xác suất dừng đường truyền tín hiệu từ nguồn S1 đến S2: S1  Rb  S2 Xác suất truyền thành công mô tả sau: thiết bị chuyển tiếp phát giải mã thành công tín hiệu x1 sau S phát giải mã thành công x1 Pr ( S1Rb|d1d2   th ,  RbS2 |d1d2   th ) Ngược lại hệ thống xảy tượng dừng hoạt động Ta có xác suất dừng cho đường truyền S1  Rb  S2 với d1  d biểu diễn: OPS2|d d   Pr( S1 Rb |d1 d2   th ,  Rb S2 |d1 d2   th ) (9) Thay giá trị SNR công thức (3) (6) vào (9), ta có: OPS2|d d 2  h 2   a h  S1Rb Rb S2      Pr   th  Pr   th  2     hRb S2   a2  hRb S2         Pr  hS1Rb   Đặt T1  Pr  hS1Rb        Pr  h  th hRb S2      Rb S2  (10)   th  (  a1   a2 th )  2    th   th hRb S2    T2  Pr  hRb S2     (a1  a2 th )    Với PDF CDF xác định, ta tính được: N T1   1  q 0 q  th q q CN (1) e 1 q    th  th q q N   CN (1) e 1 2  ( a1  a2 th )   e      1 T2   q 0 1  q th 2     0 Vậy 48 (11) 1  q th 2      khi (a1  a2 th )  (a1  a2 th )  (12) Tác giả: Trần Đình Hưng Cộng OPS2|d  d   (T1  T2 )  q th   q q N   CN (1) e 1      1   q 0 1  q th 2    1      (  a th a  )   e 2 th   (a1  a2 th )  (13) (a1  a2 th )  2.3.2 Xác suất dừng đường truyền tín hiệu từ nguồn S2 đến S1: S2  Rb  S1 Xác suất truyền thành công đường truyền tín hiệu từ nguồn S2 đến S1 mô tả sau Thiết bị chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật SIC giải mã thành cơng tín hiệu x1 giải mã thành cơng tín hiệu x2 đồng thời nguồn S1 giải mã thành công x1 x2 Ta có xác suất dừng cho đường truyền sau:    OPS1|d d   Pr  Sx11Rb   th ,  Sx22 Rb   th  Pr  Rx1b S1   th ,  Rxb2 S1   th  (14) Thay giá trị SNR công thức (3), (4), (7) (8) vào (14), ta có:  h   S R b  OPS1|d d   Pr   th ,  hRb S2   th     h  1  Rb S2   a h  Rb S1   Pr   th , a2  hRb S1   th    a h 1  Rb S1  2       Pr  hS1Rb  th hRb S2   , hRb S2  th       2      Pr  hRb S1  th a2  hRb S1  , hRb S1  th  a1 a2       Đặt T3  Pr  hS1Rb    (15)    2  th   hRb S2   , hRb S2  th      2     T4  Pr  hRb S1  th a2  hRb S1  , hRb S1  th  a1 a2     Với PDF CDF xác định, ta tính được:  q1 th   th T3  e   th 2   1e   th 2  CNq (1)q e 1    q  q 0 th N  q1 th     th  th c N     CNq (1)q e 1 2  1 1  e 1  1  T4   1  q th 2  q 0     0 (16)       (a1  a2 th )  (a1  a2 th )  (17) Vậy 49 NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG… OPS1|d d   (T3  T4 )  q1 th     th  c q q N  th    C (1) e 1 1  e 2  1 1  1  N  1  q th 2  q 0     1   th   Với c  max  , th    a  a   a   th      (a1  a2 th )     (a1  a2 th )  (18) MÔ PHỎNG CÔNG THỨC VÀ NHẬN XÉT Trong phần này, thực mô phần mềm Matlab để kiểm chứng kết phân tích xác suất dừng hai nguồn hệ thống HD CNOMA Trong tất phân tích chúng tơi chọn SNR ngưỡng  th  hệ số mũ suy hao đường truyền   Hình 2: Xác suất dừng hệ thống theo  với số thiết bị chuyển tiếp khác Hình biểu diễn xác suất dừng hai nguồn theo  với thông số chọn sau d1  0.4 , d2   d1 , a1  0.7 , a2   a1 số thiết bị chuyển tiếp N  1,5,10 Các kết cho thấy, thứ xác suất dừng hai hệ thống xấp xỉ dù khoảng cách hai nguồn đến cụm thiết bị chuyển tiếp khác nhau, kết có cách phân bổ hệ số công suất thiết bị chuyển nguyên lý NOMA tạo công cho hai người sử dụng Bên cạnh xác suất dừng hai nguồn giảm mạnh  tăng vùng  nhỏ 0dB đến khoảng 10dB, 20dB 30dB ứng với số lượng thiết bị chuyển tiếp N  1,5,10 tương ứng, sau rơi vào giá trị bão hòa giá trị  lớn Ta thấy hiệu hệ thống tăng tỉ lệ thuận với số lượng thiết bị chuyển tiếp, hệ thống có sử dụng nhiều thiết bị chuyển tiếp tốt hẳn so với hệ thống sử dụng thiết bị chuyển tiếp Cuối kết lý thuyết hoàn tồn trùng với kết mơ 50 Tác giả: Trần Đình Hưng Cộng Hình 3: Xác suất dừng theo  với khoảng cách hệ số công suất thay đổi Hình biểu diễn xác suất dừng hai nguồn theo  với thay đổi giá trị khoảng cách d1  0.3,0.4 , d2   d1 , thay đổi hệ số công suất tương ứng a1  0.7,0.6 , a2   a1 , với số thiết bị chuyển tiếp N  Kết mô cho thấy phân bổ hệ số công suất hợp lý thiết bị chuyển khoảng cách thiết bị chuyển tiếp hai nguồn (khoảng cách lớn tín hiệu truyền với cơng suất lớn ngược lại) ta thu xác suất dừng hai nguồn xấp xỉ tạo tính cơng cho người sử dụng dẫn đến cải thiện hiệu hệ thống KẾT LUẬN Bài báo nghiên cứu việc áp dụng NOMA phương pháp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp mạng hợp tác hai chiều với kênh truyền Rayleigh Các kết phân tích xác suất dừng hoạt động hệ thống cung cấp biểu thức dạng đóng kiểm chứng mơ Monte Carlo Các kết tính tốn, mơ cho thấy hệ mạng hợp tác hai chiều sử dụng NOMA giúp giảm số khe thời gian truyền dẫn đến tăng hiệu hệ thống so với mạng hợp tác hai chiều thơng thường Bên cạnh phương pháp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp giúp giảm xác suất dừng hoạt động hệ thống so với trường hợp sử dụng thiết bị chuyển tiếp hỗ trợ truyền liệu Cuối việc phân bổ công suất thiết bị chuyển tiếp cách lựa chọn hệ số cơng suất thích hợp tùy theo khoảng cách thiết bị chuyển tiếp hai người dùng tạo tính cơng cho người dùng xa giúp tăng hiệu mạng hợp tác hai chiều TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I Krikidis, H A Suraweera, P J Smith, and C Yuen, "Full-duplex relay selection for amplify-and-forward cooperative networks," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 11, no 12, pp 4381-4393, 2012 [2] Z Ding, H Dai, and H V Poor, "Relay for cooperative NOMA," IEEE Wireless Communications Letters, vol 5, no 4, pp 416-419, 2016 [3] S Lee, D B da Costa, and T Q Duong, "Outage probability of non-orthogonal multiple access schemes with partial relay selection," 2016 IEEE 27th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), IEEE, 2016, pp 1-6 [4] K M Rabie, B Adebisi, E H Yousif, H Gacanin, and A M Tonello, "A comparison between orthogonal and non-orthogonal multiple access in cooperative relaying power line communication systems," IEEE access, vol 5, pp 10118-10129, 2017 [5] Y Liu, Z Qin, M Elkashlan, Z Ding, A Nallanathan, and L Hanzo, "Non-orthogonal multiple access for 5G and beyond," Proceedings of the IEEE, vol 105, no 12, pp 2347-2381, 2017 51 NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG… [6] T.-T T Dao and P N Son, "Uplink non-orthogonal multiple access protocol in two-way relaying networks: realistic operation and performance analysis," 2020 7th NAFOSTED Conference on Information and Computer Science (NICS), Ho Chi Minh City, Vietnam, IEEE, 2020, pp 399-404 [7] Z Ding, R Schober, and H V Poor, "Unveiling the Importance of SIC in NOMA Systems," IEEE Communications Letters, vol 24, no 11, pp 2373-2377, 2020 [8] A Nosratinia, T E Hunter, and A Hedayat, "Cooperative communication in wireless networks," IEEE communications Magazine, vol 42, no 10, pp 74-80, 2004 [9] D B da Costa and S Aissa, "Performance analysis of relay selection techniques with clustered fixed-gain relays," IEEE Signal processing letters, vol 17, no 2, pp 201-204, 2009 [10] X Yue, Y Liu, S Kang, A Nallanathan, and Z Ding, "Exploiting full/half-duplex user relaying in NOMA systems," IEEE Transactions on Communications, vol 66, no 2, pp 560-575, 2017 [11] H Sun, Q Wang, R Q Hu, and Y Qian, "Outage probability study in a NOMA relay system," 2017 IEEE Wireless Communications and Networking Conference (WCNC), IEEE, 2017, pp 1-6 ENHANCING THE TWO-WAY COOPERATIVE NETWORK PERFORMANCE USING NOMA AND RELAY SELECTION TRAN DINH HUNG, VO MINH HAO, NGUYEN THANH LUAN, PHU TRAN TIN, THU-THUY THI DAO* Faculty of Electronics Technology, Industrial University of Ho Chi Minh City *Corresponding:daothithuthuy@iuh.edu.vn Abstract To enhance network performance in cooperative communication, the relay selection methods have been used with significant effects In this paper, we study two-way relay networks using the partial relay selection and non-orthogonal multiple access protocol (NOMA) with successive interference cancellation (SIC) In the paper, the investigated model includes two end-users in a transmission condition with high loss due to fading or obstacles so there is no direct transmistion line between them, their connectivity is only performed through a cluster of decode-forward (DF) relay in haft duplex mode (HD) We discuss and analyze the outage probability of system by selecting a relay with the greatest gain Next, system performance is surveyed according to signal to noise ratio (SNR) Finally, mathematical expressions in the paper are verified by Monte-Carlo simulation method using Matlab Key works relay selection, outage probability, non-orthogonal multiple access, two-way relay network, decode-and-forward Ngày gửi bài: 29/04/2021 Ngày chấp nhận đăng:01/10/2021 52 ...NÂNG CAO HIỆU NĂNG MẠNG… Để thúc đẩy hiệu sử dụng phổ cải thiện hiệu suất truyền tải cho mạng hai chiều [8], báo chúng tơi đề xuất mơ hình mạng hợp tác hai chiều gồm hai người dùng cụm... hệ mạng hợp tác hai chiều sử dụng NOMA giúp giảm số khe thời gian truyền dẫn đến tăng hiệu hệ thống so với mạng hợp tác hai chiều thông thường Bên cạnh phương pháp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp. .. xếp chồng để tạo tín hiệu truyền tín hiệu đến hai người dùng khe thời gian thứ hai Sử dụng hai khe thời gian trao đổi liệu kết hợp lựa chọn thiết bị chuyển tiếp làm tăng hiệu suất sử dụng băng