đề tài nghiên cứu kỹ thuật đa truy cập phi trực giao cho mạng 5g

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MỤC LỤC NỘI DUNG ● MỤC LỤC ● DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ● DANH MỤC HÌNH ẢNH ● LỜI MỞ ĐẦU ● CHƯƠNG TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 1.1.Kiến trúc hệ thống thông tin di động 5G 1.1.1 Kiến trúc mạng 5G E2E 1.1.2 Kiến trúc cắt mạng 1.1.3 Chức mạng vEPC 1.1.4 NFV MANO (Quản lý Điều phối) 1.1.5 Thiết kế kiến trúc mạng di động 5G 1.1.6 Kiến trúc 5G dựa NGMN Envision 1.2.Các thông số kỹ thuật yêu cầu hệ 1.3.Bảo mật mạng 5G 1.4.Hiệu suất mạng 5G 1.5.Kỹ thuật điều chế 5G 1.5.1 Điều chế khóa dịch pha (PSK) 1.5.2 Điều chế biên độ cầu phương (QAM) 1.6.Những thách thức trình phát tri ● CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT NOMA TRONG 5G 2.1.Đa truy cập phi trực giao (NOMA) 2.2.Nguyên lý hoạt động NOMA 2.2.1 NOMA cho đường xuống 2.2.2 NOMA cho đường lên 2.3.Đặc điểm NOMA 2.3.1 Sự cần thiết NOMA 5G 2.3.2 Những ưu điểm NOMA so với OMA 2.4.Ghép nối người dùng NOMA SVTH: Lê Văn Lĩnh i ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.4.1 Mơ hình tốn học 2.4.2 So sánh SC-NOMA TDMA 2.5 So sánh cơng suất NOMA với OM 2.5.1 Mơ hình hệ thống 2.5.2 Mơ hình tín hiệu cho NOMA 2.5.3 Mơ hình tín hiệu cho OMA ● CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ TỶ LỆ LỖI BIT VÀ PHÂN BỔ CÔNG SUẤT TRONG KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO 3.1 Mã hóa chồng chất 3.2 Loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) 3.3 sinh) Mô BER NOMA kên 3.3.1 Giả định mô 3.3.2 Mơ hình hệ thống 3.3.3 Mô matlab 3.4 Mô BER NOMA kên 3.4.1 Mơ hình hệ thống 3.4.2 Mơ hình tín hiệu 3.4.3 Mô Matlab 3.5 Phân bổ công suất NOMA 3.5.1 BER NOMA phân bổ công suất cố định 3.5.2 So sánh phân bổ công suất cố định công ● KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ● TÀI LIỆU THAM KHẢO ● PHỤ LỤC SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Cường ii ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt 3GPP 5G AWGN BS BTS D2D DL EDGE EE eMBB E2E SVTH: Lê Văn Lĩnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GPRS GSM LTE LTE-A M2M MIMO Massive MIMO mMTC NOMA OMA QoS RAN SVTH: Lê Văn Lĩnh ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP SCNOMA SIC SINR TDMA UE SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Cường v ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP DANH MỤC HÌNH ẢNH Số hiệu 1.1 Lộ trình phát triể 2.1 Mơ hình trạm H 2.2 Mơ hình dự kiến 2.3 Các kịch ứn 2.4 So sánh tốc độ c 2.5 Yêu cầu 2.6 Các băng tần mạ 2.7 Trạm thu phát só 3.1 Hoạt động m 3.2 So sánh phân UE 3.3 NOMA đường x 3.4 NOMA đường lê 3.5 3.6 4.1 4.2 4.3 So sánh dung lư AWGN Phân bổ công su NOMA OMA So sánh phổ tần So sánh thông lư đường xuống So sánh thông lư xứng đường xuố 4.4 SVTH: Lê Văn Lĩnh So sánh OFDMA ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP %NOMA capacity calculation C_noma_1 = log2(1 + pt(u)*a1.*g1./(pt(u)*a2.*g1 + pt(u)*a3.*g1 + no)); %User C_noma_2 = log2(1 + pt(u)*a2.*g2./(pt(u)*a3.*g1+no)); %User C_noma_3 = log2(1 + pt(u)*a3.*g2/no); %User C_noma_sum(u) = mean(C_noma_1 + C_noma_2 + C_noma_3); %OMA capacity calculation C_oma_1 C_oma_2 C_oma_3 C_oma_sum(u) = mean(C_oma_1 + C_oma_2 + C_oma_3); %Sum capacity of OMA end SNR = Pt - No; figure; plot(SNR,C_noma_sum,'linewidth',2); hold on; grid on; plot(SNR,C_oma_sum,'linewidth',2) xlabel('SNR (dB)'); ylabel('Achievable rate (bps/Hz)'); legend('NOMA','OMA'); title('Capacity of NOMA vs OMA'); ylim([0 max(C_noma_sum)+1]); Mô BER NOMA kênh AWGN (Nhiễu Gausse trắng cộng sinh) clc; clear variables; close all; SNR = 0:30; snr = db2pow(SNR); %SNR range in dB %SNR range in linear scale %Tao chuoi nhi phan co dai N N = 10^5; x1 = randi([0 1],1,N); x2 = randi([0 1],1,N); %Du lieu bit cua user %Du lieu bit cua user SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Cường 73 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP %Dieu che BPSK(Pha nhi phan)cho du lieu dc tao o tren xmod1 = 2*x1 - 1; xmod2 = 2*x2 - 1; %Thiet lap so cong suat cho cac user a1 = 0.75; a2 = 0.25; %Thuc hien ma hoa chong chat x = sqrt(a1)*xmod1 + sqrt(a2)*xmod2; %sqrt Ham khai can %Them AWGN vào x(Truyen x qua kenh AWGN) for u = 1:length(snr) y1 = awgn(x,SNR(u),'measured'); %T/h cua user bi tac dong boi AWGN y2 = awgn(x,SNR(u),'measured'); %T/h cua user bi tac dong boi AWGN %AT USER %Direct decoding of x from y1 x1_hat = ones(1,N); %just a buffer x1_hat(y1 < 0) = 0; %AT USER %Direct decoding of x from y2 x11_est = ones(1,N); %just a buffer x11_est(y2 < 0) = 0; %Estimate user 1's signal first x11_est(x11_est == 0) = -1; %Remodulate user 1's signal %Subtract rem = y2 - sqrt(a1)*x11_est; % T/h dang o dang d/che BPSK %Decode x2 from rem x2_hat = zeros(1,N); x2_hat(rem>0) = 1; %Estimate ber1(u) = so bit ber2(u) = end %plot BER curves semilogy(SNR, semilogy(SNR, SVTH: Lê Văn Lĩnh 74 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP legend('User \alpha_1 = 0.75','User \alpha_2 = 0.25'); xlabel('SNR (dB)'); ylabel('BER'); title('BER graph for NOMA in AWGN channel'); Dung lượng xác suất ngừng hoạt động clc; clear variables; close all; N = 10^5; d1 station (BS) a1 = 1000; d2 = 0.75; a2 eta = 4; %Generate rayleigh fading coefficient for both users h1 = sqrt(d1^-eta)*(randn(1,N)+1i*randn(1,N))/sq h2 = sqrt(d2^-eta)*(randn(1,N)+1i*randn(1,N))/sq g1 = (abs(h1)).^2; g2 = (abs(h2)).^2; Pt = 0:2:40; pt = (10^-3)*10.^(Pt/10); scale BW = 10^6; No = -174 + 10*log10(BW); no = (10^-3)*10.^(No/10); p = length(Pt); p1 = zeros(1,length(Pt)); p2 = zeros(1,length(Pt)); rate1 = 1; rate2 = 2; %Target rate of users in bps/Hz for u = 1:p %Calculate SNRs gamma_1 = a1*pt(u)*g1./(a2*pt(u)*g1+no); gamma_12 = a1*pt(u)*g2./(a2*pt(u)*g2+no); gamma_2 = a2*pt(u)*g2/no; %Calculate achievable rates R1 = log2(1+gamma_1); R12 = log2(1+gamma_12); SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Cường 75 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP R2 = log2(1+gamma_2); %Find average of achievable rates R1_av(u) = mean(R1); R12_av(u) = mean(R12); R2_av(u) = mean(R2); %Check for outage for k = 1:N if R1(k) < rate1 p1(u) = p1(u)+1; end if (R12(k) < rate1)||(R2(k) < rate2) p2(u) = p2(u)+1; end end end pout1 = p1/N; pout2 = p2/N; figure; semilogy(Pt, pout1, 'linewidth', 1.5); hold on; grid on; semilogy(Pt, pout2, 'linewidth', 1.5); xlabel('Transmit power (dBm)'); ylabel('Outage probability'); legend('User (far user)','User (near user)'); figure; plot(Pt, R1_av, 'linewidth', 1.5); hold on; grid on; plot(Pt, R12_av, 'linewidth', 1.5); plot(Pt, R2_av, 'linewidth', 1.5); xlabel('Transmit power (dBm)'); ylabel('Achievable capacity (bps/Hz)'); legend('R_1','R_{12}','R_2') Mô BER NOMA kênh Rayleigh clc; clear variables; close all; N = 10^6; d1 station (BS) a1 = 1000; d2 = 0.75; a2 eta = 4; SVTH: Lê Văn Lĩnh 76 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP %Generate rayleigh fading coefficient for both users h1 = sqrt(d1^-eta)*(randn(1,N)+1i*randn(1,N))/sqrt(2); h2 = sqrt(d2^-eta)*(randn(1,N)+1i*randn(1,N))/sqrt(2); g1 = (abs(h1)).^2; g2 = (abs(h2)).^2; Pt = 0:2:40; pt = (10^-3)*10.^(Pt/10); scale BW = 10^6; No = -174 + 10*log10(BW); no = (10^-3)*10.^(No/10); %Generate noise samples for both users w1 = sqrt(no)*(randn(1,N)+1i*randn(1,N))/sqrt(2); w2 = sqrt(no)*(randn(1,N)+1i*randn(1,N))/sqrt(2); %Generate random binary data for two users data1 = randi([0 1],1,N); %Data bits of user data2 = randi([0 1],1,N); %Data bits of user %Do BPSK modulation of data x1 = 2*data1 - 1; x2 = 2*data2 - 1; p = length(Pt); for u = 1:p %Do superposition coding x = sqrt(pt(u))*(sqrt(a1)*x1 + sqrt(a2)*x2); %Received signals y1 = h1.*x + w1; %So phuc h1 * x + w1 y2 = h2.*x + w2; %Equalize eq1 = y1./h1; %So phuc y1 * x + w1 eq2 = y2./h2; %AT USER -%Direct decoding of x1 from y1 x1_hat = zeros(1,N); x1_hat(eq1>0) = 1; %Compare decoded x1_hat with data1 to estimate BER ber1(u) = biterr(data1,x1_hat)/N; % -SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Cường 77 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP %AT USER %Direct decoding of x1 from y2 x12_hat = ones(1,N); x12_hat(eq20) = 1; ber2(u) = biterr(x2_hat, data2)/N; % gam_a = 2*((sqrt(a1*pt(u))sqrt(a2*pt(u)))^2)*mean(g1)/no; gam_b = 2*((sqrt(a1*pt(u)) +sqrt(a2*pt(u)))^2)*mean(g1)/no; ber_th1(u) = 0.25*(2 - sqrt(gam_a/(2+gam_a)) - sqrt(gam_b/(2+gam_b))); gam_c = 2*a2*pt(u)*mean(g2)/no; gam_d = 2*((sqrt(a2) + sqrt(a1))^2)*pt(u)*mean(g2)/no; gam_e = 2*((sqrt(a2) + 2*sqrt(a1))^2)*pt(u)*mean(g2)/no; gam_f = 2*((-sqrt(a2) + sqrt(a1))^2)*pt(u)*mean(g2)/no; gam_g = 2*((-sqrt(a2) + 2*sqrt(a1))^2)*pt(u)*mean(g2)/no; gc = (1 - sqrt(gam_c/(2+gam_c))); gd = (1-sqrt(gam_d/(2+gam_d))); ge = (1-sqrt(gam_e/(2+gam_e))); gf = (1-sqrt(gam_f/(2+gam_f))); gg = (1-sqrt(gam_g/(2+gam_g))); ber_th2(u) = 0.5*gc - 0.25*gd + 0.25*(ge+gf-gg); gamma1(u) = a1*pt(u)*mean(g1)/(a2*pt(u)*mean(g1) + no); %gamma = SNR gamma2(u) = a2*pt(u)*mean(g2)/no; end semilogy(Pt, ber1,'r', 'linewidth',1.5); hold on; grid on; semilogy(Pt, ber2,'b', 'linewidth',1.5); semilogy(Pt, ber_th1, '*r','linewidth',1.5); SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Cường 78 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP semilogy(Pt, ber_th2, '*b','linewidth',1.5); xlabel('Transmit power (P in dBm)'); ylabel('BER'); legend('Sim User 1/Far user','Sim User 2/Near user','Theo User 1/Far user','Theo User 2/Near user'); BER NOMA phân bổ công suất cố định clc; clear variables; N = 5*10^5; Pt = [40 20]; No = -114; pt = (10^-3)*db2pow(Pt); no = (10^-3)*db2pow(No); a1 = 0:0.01:1; a2 = - a1; d1 = 1000; d2 = 500; eta = 4; h1 = sqrt(d1^-eta)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N))/sqrt(2); h2 = sqrt(d2^-eta)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N))/sqrt(2); g1 = (abs(h1)).^2; g2 = (abs(h2)).^2; %Generate noise samples for both users w1 = sqrt(no)*(randn(1,N)+1i*randn(1,N))/sqrt(2); w2 = sqrt(no)*(randn(1,N)+1i*randn(1,N))/sqrt(2); data1 = randi([0 1],1,N); data2 = randi([0 1],1,N); x1 = 2*data1 - 1; x2 = 2*data2 - 1; for v=1:2 for u = 1:length(a1) x = sqrt(pt(v))*(sqrt(a1(u))*x1 + sqrt(a2(u))*x2); y1 = x.*h1 + w1; y2 = x.*h2 + w2; %Equalize eq1 = eq2 = SVTH: Lê Văn Lĩnh 79 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP %AT USER -%Direct decoding of x1 from y1 x1_hat = zeros(1,N); x1_hat(eq1>0) = 1; %Compare decoded x1_hat with data1 to estimate BER ber1(u) = biterr(data1,x1_hat)/N; % -%AT USER %Direct decoding of x1 from y2 x12_hat = ones(1,N); x12_hat(eq20) = 1; ber2(u) = biterr(x2_hat, data2)/N; % end if v==1 semilogy(a1, ber1,'-r', 'linewidth',1.5); hold on; grid on; semilogy(a1, ber2,'-b', 'linewidth',1.5); xlabel('\alpha_1'); ylabel('BER'); end if v==2 semilogy(a1, ber1,' r', 'linewidth',1.5); hold on; grid on; semilogy(a1, ber2,' b', 'linewidth',1.5); xlabel('\alpha_1'); ylabel('BER'); end end legend('Far user p = 40','Near user p = 40','Far user p = 20','Near user p = 20'); SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Cường 80 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP So sánh phân bổ công suất cố định công clc; clear variables; close all; N = 10^5; Pt = 30; pt = (10^-3)*db2pow(Pt); scale) No = -114; no = (10^-3)*db2pow(No); scale) r = 0.5:0.5:10; range (R*) df = 1000; dn = 500; eta = 4; p1 = zeros(1,length(r)); p2 = zeros(1,length(r)); pa1 = zeros(1,length(r)); pa2 = zeros(1,length(r)); af = 0.75; an = 0.25; hf = sqrt(df^-eta)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N))/sqrt(2); hn = sqrt(dn^-eta)*(randn(1,N) + 1i*randn(1,N))/sqrt(2); g1 = (abs(hf)).^2; g2 = (abs(hn)).^2; for u = 1:length(r) user %BASIC FAIR PA% pt*g1)./(pt*g1*(1+epsilon))); % % %IMPROVED FAIR PA% aaf = epsilon*(no + pt*g1)./(pt*g1*(1+epsilon)); SVTH: Lê Văn Lĩnh GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Cường 81 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP % % aaf(aaf>1) = 0; aan = - aaf; gamma_f = pt*af*g1./(pt*g1*an + no); gamma_nf = pt*af*g2./(pt*g2*an + no); gamma_n = pt*g2*an/no; gamm_f = pt*aaf.*g1./(pt*g1.*aan + no); gamm_nf = pt*aaf.*g2./(pt*g2.*aan + no); gamm_n = pt*g2.*aan/no; Cf = log2(1 + gamma_f); Cnf = log2(1 + gamma_nf); Cn = log2(1 + gamma_n); Ca_f = log2(1 + gamm_f); Ca_nf = log2(1 + gamm_nf); Ca_n = log2(1 + gamm_n); for k = 1:N if Cf(k) < r(u) p1(u) = p1(u) + 1; end if (Cnf(k)