Trong bài báo này, chúng tôi phân tích chính xác hiệu năng xác suất dừng của mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cụm sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao NOMA. Trong mô hình nghiên cứu, nút nguồn và các nút chuyển tiếp trung gian sử dụng NOMA để gửi cùng lúc 02 dữ liệu đến 02 nút đích khác nhau. Hơn nữa, để nâng cao độ tin cậy của việc truyền dữ liệu tại mỗi chặng, bài báo áp dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp DF (Decode and Forward) và chọn lựa nút chuyển tiếp tốt nhất tại mỗi cụm. Trong quá trình chuyển tiếp, nếu một nút chuyển tiếp chỉ có thể giải mã thành công một dữ liệu, nút này chỉ gửi dữ liệu giải mã thành công đến nút kế tiếp. Ở chặng cuối cùng, các nút đích được trang bị nhiều ănten, và sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa SC (Selection Combining) để giải mã dữ liệu. Bài báo này đưa ra công thức dạng tường minh tính xác suất dừng OP (Outage Probability) tại các nút đích trên kênh truyền Nakagami-m, dưới sự ảnh hưởng của khiếm khuyết phần cứng. Chúng tôi cũng thực hiện mô phỏng Monte Carlo để kiểm chứng các kết quả phân tích lý thuyết.
Phạm Minh Quang, Trần Trung Duy PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DẠNG CỤM SỬ DỤNG KỸ THUẬT NOMA DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG TRÊN KÊNH NAKAGAMI-M Phạm Minh Quang1, Trần Trung Duy1,* Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Cơ Sở Tại Thành Phố Hồ Chí Minh *Tác giả liên hệ: trantrungduy@ptithcm.edu.vn Tóm tắt: Trong báo này, chúng tơi phân tích xác hiệu xác suất dừng mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cụm sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao NOMA Trong mơ hình nghiên cứu, nút nguồn nút chuyển tiếp trung gian sử dụng NOMA để gửi lúc 02 liệu đến 02 nút đích khác Hơn nữa, để nâng cao độ tin cậy việc truyền liệu chặng, báo áp dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp DF (Decode and Forward) chọn lựa nút chuyển tiếp tốt cụm Trong trình chuyển tiếp, nút chuyển tiếp giải mã thành cơng liệu, nút gửi liệu giải mã thành công đến nút Ở chặng cuối cùng, nút đích trang bị nhiều ănten, sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa SC (Selection Combining) để giải mã liệu Bài báo đưa cơng thức dạng tường minh tính xác suất dừng OP (Outage Probability) nút đích kênh truyền Nakagami-m, ảnh hưởng khiếm khuyết phần cứng Chúng thực mô Monte Carlo để kiểm chứng kết phân tích lý thuyết Từ khóa: Chuyển tiếp đa chặng, mạng cụm, đa truy nhập phi trực giao (NOMA), phần cứng khơng hồn hảo, xác suất dừng I MỞ ĐẦU Ngày nay, mạng cảm biến vô tuyến WSN (Wireless Sensor Networks) ngày phổ biến cung cấp nhiều tiện lợi hoạt động người Các đặc điểm mạng WSN [1]-[3] bao gồm: i) khả tự cấu hình truyền thơng thiết bị cảm biến; ii) thiết bị cảm biến bị giới hạn kích thước, lượng, khả lưu trữ xử lý; iii) sử dụng chuyển tiếp để gửi liệu trạm xử lý trung tâm sink, home station Để đạt hiệu lượng cao, mạng WSN tổ chức theo dạng cụm, cụm có nút chủ cụm đóng vai trị điều khiển trung tâm Một mơ hình dạng cụm hiệu WSN mạng LEACH (LowEnergy Adaptive Clustering Hierarchy) [4]-[7] Các cơng trình [4]-[5] cho thấy mơ hình LEACH kéo dài thời gian sống (lifetime) cho mạng WSN, hiệu việc truyền thông thiết bị cảm biến Các cơng trình [6]-[7] đề xuất mơ hình chuyển tiếp đa chặng mạng LEACH, nhằm đạt bảo mật thông tin lớp vật lý Kỹ thuật chuyển tiếp có vai trị quan trọng mạng WSN, giúp mở rộng vùng phủ, tiết kiệm lượng cho sensor, đạt độ tin cậy cao thông qua việc truyền liệu khoảng cách ngắn Tuy nhiên, nhược điểm chuyển tiếp thời gian trễ lớn tốc độ truyền liệu (hay thông lượng mạng, hiệu sử dụng phổ tần, độ lợi ghép kênh) thấp Thật vậy, số chặng nguồn đích tăng thời gian trễ tăng theo Nếu số chặng M, tốc độ liệu đạt mơ hình chuyển tiếp đa chặng thông thường [8]-[12] 1/M (một liệu gửi M chặng) Mặc dù, cơng trình [10]-[12] đề xuất mơ hình chuyển tiếp phân tập, chẳng hạn MIMO, chuyển tiếp công tác đa chặng mô hình chọn đường tốt nhất, nhiên, đề xuất cải thiện độ tin cậy độ lợi phân tập, chưa cải thiện tốc độ liệu Kỹ thuật chuyển tiếp song công đề xuất [13]-[16] giúp cải thiện tốc độ liệu Trong kỹ thuật này, nút chuyển tiếp trang bị với 02 ănten để đồng thời nhận truyền tín hiệu khác Do đó, chuyển tiếp song công đạt gấp đôi tốc độ truyền liệu, so với chuyển tiếp bán song công Tuy nhiên, việc triển khai nhiều ănten lên thiết bị cảm biến, việc quản lý can nhiễu chuyển tiếp đa chặng song cơng [13]-[14], [17]-[18] tốn phức tạp cho mạng WSN Những năm gần đây, nhà nghiên cứu dành quan tâm lớn đến kỹ thuật đa truy nhập phi trực giao NOMA NOMA đánh giá kỹ thuật tiềm cho mạng thông tin vô tuyến hệ Sử dụng NOMA, máy phát ghép nhiều tín hiệu khác nhau, gửi đồng thời tín hiệu đến máy thu [19]-[22] Mỗi máy thu sử dụng kỹ thuật khử can thoa SIC (Successive Interference Cancellation) để lấy tín hiệu mong muốn Theo đó, tín hiệu giải mã trước tín hiệu phân bổ với cơng suất phát lớn Sau giải mã xong tín hiệu, máy thu loại bỏ thành phần chứa tín hiệu khỏi tín hiệu tổng nhận được, tiến hành giải mã tín hiệu Với PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DẠNG CỤM SỬ DỤNG KỸ THUẬT NOMA DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG TRÊN KÊNH NAKAGAMI-M cách thức này, máy phát gửi nhiều liệu khác đến máy thu, tần số mã Vì vậy, tốc độ liệu sử dụng NOMA tăng gấp nhiều lần, so với kỹ thuật đa truy nhập trực giao thông thường TDMA CDMA Trong cơng trình này, chúng tơi đề xuất áp dụng NOMA vào mạng chuyển tiếp đa chặng để nâng cao tốc độ liệu cho mạng WSN dạng cụm hay mạng LEACH Trong mơ hình đề xuất, nút nguồn nút chuyển tiếp trung gian sử dụng NOMA để gửi 02 liệu đồng thời đến hai nút đích Tuy nhiên, nút chuyển tiếp giải mã 01 liệu nút chuyển tiếp liệu giải mã thành công đến chặng Với mục đích nâng cao chất lượng kênh truyền chặng, đề xuất phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp tốt cụm Ở chặng cuối, nút đích sử dụng kỹ thuật kết hợp SC để giải mã tín hiệu nhận Chúng xem xét ảnh hưởng nhiễu gây khiếm khuyết phần cứng (Hardware impairments) thiết bị cảm biến [23]-[27] Cho đến nay, mơ hình chuyển tiếp đa chặng mạng cụm mơ hình sử dụng NOMA nghiên cứu nhiều tài liệu Tuy nhiên, hai hướng nghiên cứu cách riêng rẽ Cụ thể, hầu hết nghiên cứu gần mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cụm [6]-[7], [28]-[30] chưa xét đến việc áp dụng NOMA để cải thiện tốc độ liệu Mặt khác, hầu hết nghiên cứu gần NOMA mạng chuyển tiếp chủ yếu tập trung vào mơ hình chuyển tiếp hai chặng [21], [31]-[34] Khác với cơng trình trước đây, báo xét trường hợp nút nguồn cách xa nút đích, việc truyền liệu phải thông qua nhiều chặng Khi xem xét mạng WSN, mơ hình chuyển tiếp đa chặng phổ biến khoảng cách giới hạn công suất phát thiết bị cảm biến Hơn nữa, việc sử dụng NOMA vào mạng chuyển tiếp đa chặng nâng cao tốc độ liệu cho mạng WSN Theo hiểu biết tốt chúng tơi, có cơng trình [35]-[37] nghiên cứu mơ hình kết hợp NOMA mạng chuyển tiếp đa chặng Cụ thể, tác giả cơng trình [35] kết hợp chuyển tiếp đa chặng NOMA, đồng thời khảo sát ảnh hưởng khiếm khuyết phần cứng lên hiệu xác suất dừng thông lượng mạng kênh truyền Nakagami-m Khác với [35], tác giả tài liệu [36] nghiên cứu kỹ thuật thu thập lượng vơ tuyến, máy phát phải thu thập lượng từ trạm phát sóng vơ tuyến đặt mạng, sử dụng nguồn lượng để truyền liệu Hơn nữa, tài liệu [36] phân tích thơng lượng mơ hình đề xuất Tài liệu [37] nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng NOMA thu thập lượng vô tuyến Các tác giả [37] đề xuất phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp tốt chặng để nâng cao chất lượng kênh truyền Hơn nữa, tài liệu [37] nghiên cứu mô hình bảo mật lớp vật lý với xuất nút nghe Dưới đây, chúng tơi tóm tắt điểm khác biệt báo cơng trình liên quan [35]-[37]: - Khác với cơng trình [35]-[36], chúng tơi đề xuất mơ hình chuyển tiếp liệu sử dụng NOMA, từ nút nguồn đến 02 nút đích khác Thật vậy, cơng trình [35]-[36], nút nguồn sử dụng NOMA để gửi liệu đến nút đích Hơn nữa, mơ hình chúng tơi nghiên cứu kỹ thuật chọn lựa nút chuyển tiếp tốt chặng, trang bị nhiều ănten cho nút đích nhằm nâng cao độ tin cậy việc truyền liệu - Khác với cơng trình [37], nút đích báo trang bị nhiều ănten sử dụng kỹ thuật kết hợp SC Hơn nữa, phân tích hiệu mơ hình đề xuất kênh truyền tổng quát Nakagami-m, với ảnh hưởng khiếm khuyết phần cứng Thật vậy, cơng trình [28] xem xét kênh fading Rayleigh không đánh giá tác động phần cứng khơng hồn hảo lên chất lượng dịch vụ mơ hình - Cuối cùng, điểm khác biệt báo cơng trình kể việc đánh giá xác suất dừng nút đích Cụ thể, tác giả [35]-[37] chưa quan tâm đến điều kiện ràng buộc giải mã tín hiệu chặng Như đề cập trên, báo xét đến trường hợp nút chuyển tiếp giải mã thành cơng tín hiệu, chuyển tiếp tín hiệu đến chặng Tiếp đến, chúng tơi tóm tắt đóng góp báo sau: - Đầu tiên, đề xuất mơ hình áp dụng NOMA vào mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cụm để đạt tốc độ liệu tăng gấp đơi, so với mơ hình chuyển tiếp đa chặng thông thường (không sử dụng NOMA) Hơn nữa, kỹ thuật chuyển tiếp DF sử dụng chặng để loại bỏ nhiễu cộng nút chuyển tiếp, tránh tích lũy nhiễu kỹ thuật chuyển tiếp AF - Thứ hai, đề xuất phương pháp chọn lựa nút chuyển tiếp tốt cụm (dựa vào độ lợi kênh tức thời cụm liền kề), kỹ thuật kết hợp chọn lựa SC nút đích để nâng cao độ tin cậy việc truyền liệu tất chặng - Thứ ba, khảo sát ảnh hưởng nhiễu gây khiếm khuyết phần cứng lên hiệu mơ hình đề xuất Thật vậy, báo nghiên cứu mạng WSN, đó, phần cứng thiết bị cảm biến thường rẻ tiền chịu tác động đáng kể nhiễu gây không cân I/Q, nhiễu pha, khuếch đại khơng tuyến tính, v.v [23]-[27] Như trình cơng bố [23]-[25] nhóm tác giả E Bjornson, nhiễu phần cứng khơng hồn hảo mơ hình hóa theo phân phối Gauss đến từ tác động tổng hợp khiếm khuyết phần cứng khác thiết bị khiếm khuyết phần cứng máy phát máy thu độc lập thống kê Giá trị mức khiếm khuyết phần cứng thường nằm khoảng [0, 0.03] - Kế tiếp, đưa biểu thức dạng tường minh tính xác xác suất dừng OP nút đích kênh truyền Nakagami-m Các biểu thức xác suất dừng kiểm chứng xác thông qua mô Monte Carlo - Cuối cùng, chúng tơi phân tích ảnh hưởng thơng số hệ thống lên hiệu xác suất dừng mô hình đề xuất, đưa giải pháp thiết kế tối ưu hiệu Phần lại báo tổ chức sau: phần II trình bày ngun lý hoạt động mơ hình đề xuất Phần III đánh giá xác xác suất dừng mơ hình đề xuất Phạm Minh Quang, Trần Trung Duy ảnh hưởng khiếm khuyết phần cứng kênh truyền Nakagami-m Phần IV đưa kết mô Monte Carlo nhằm kiểm chứng phân tích lý thuyết đạt Cuối cùng, phần V đưa kết luận, giải pháp thiết kế, tối ưu mơ hình hướng phát triển báo II MƠ HÌNH HỆ THỐNG Trong cơng thức (2), nhiễu gây phần cứng khơng hồn hảo Tương tự tài liệu [23][27], XY có phân phối Gauss với giá trị trung bình 2 P | hXY |2 , với XY tổng mức phương sai XY khiếm khuyết phần cứng X Y nY (2) nhiễu Gauss có giá trị trung bình phương sai Y2 Để đơn giản mặt trình bày, ta giả sử XY Y2 giống tất liên kết X-Y, ký hiệu Y2 02 Ta ký hiệu độ lợi kênh XY | hXY |2 sau: XY | hXY |2 Trên kênh fading Nakagami-m, hàm mật độ xác suất (PDF) hàm phân phối tích lũy (CDF) XY viết sau: (xem tài liệu [35]) XY x m 1 exp x , XY mXY 1! mXY , XY x , x mXY mXY f XY x F XY HÌNH MƠ HÌNH HỆ THỐNG Như mơ tả Hình 1, nguồn T0 muốn gửi lúc hai liệu x1 x2 , đến hai nút đích TK 1 TK Do khoảng cách xa, nguồn T0 trực tiếp gửi liệu đến hai đích TK 1 TK , mà phải thông qua nút chuyển tiếp trung gian nằm cụm Khơng tính tổng quát, ta giả sử có tất K cụm trung gian, cụm thứ k có N k thành viên, ký hiệu R k , n , với K , N k , k 1, 2, , K , n 1, 2, , N k Ở cụm, nút cụm chọn để nhận liệu chuyển tiếp liệu đến chặng Ta ký hiệu nút chọn cụm thứ k Tk Hình Giả sử nút nguồn nút cụm có 01 ănten hoạt động chế độ bán song cơng Ngược lại, nút đích TK 1 TK trang bị với L1 L2 ănten, sử dụng kết hợp SC để giải mã tín hiệu nhận từ nút cụm chọn TK Sự truyền liệu nguồn nút đích thực thơng qua K 1 khe thời gian trực giao Xét truyền liệu nút phát X nút thu Y, với X,Y R k , n ,Tk , k 1, , K , n 1, 2, , N k (nút Y hai nút đích) Nếu nút X sử dụng NOMA, nút kết hợp hai liệu x1 x2 sau: x a1 Px1 a2 Px2 (1) Trong công thức (1), P công suất phát nút X, giả sử tất nút phát có cơng suất phát P Cũng công thức (1), a1 a2 hệ số phân bổ công suất tín hiệu x1 x2 Khơng tính tổng quát, giả sử tín hiệu x1 tín hiệu ưu tiên, ta có: a2 a1 1, a1 a2 Dưới ảnh hưởng phần cứng khơng hồn hảo, tín hiệu nhận Y là: y hXY x XY nY a1 PhXY x1 a2 PhXY x2 XY nY (2) XY (3) với hàm Gamma ,. hàm Gamma khơng hồn thành [38] Trong công thức (3), mXY hệ số Nakagami-m, mXY nhận giá trị nguyên dương XY mXY d XY , với d XY khoảng cách X Y, hệ số suy hao đường truyền [39] Theo nguyên lý hoạt động NOMA, máy thu giải mã liệu x1 , sau loại bỏ thành phần a1 PhXY x1 khỏi tín hiệu nhận để giải mã liệu x2 Do đó, tỷ số SNR (Signal-to-Noise Ratio) đạt theo x1 x2 là: NOMA XY, x a1 P XY a NOMA XY, x P XY a a1 XY XY , (4) a2 P XY a2 XY , P XY 02 XY (5) với P 02 Bây giờ, ta xét đến trường hợp nút phát X không sử dụng NOMA (ví dụ nút X có gửi liệu x1 ); nút X sử dụng tồn cơng suất phát P để gửi x1 đến Y Tín hiệu nhận Y trường hợp là: z PhXY x1 XY nY (6) Do đó, tỷ số SNR đạt cơng thức (6) là: Non-NOMA XY P XY XY P XY XY (7) Xét truyền liệu chặng thứ k, k K ; nút Tk 1 gửi liệu đến nút Tk Nhắc lại Tk 1 nút chọn cụm thứ k 1 Tk nút chọn cụm thứ k Tương tự, nút Tk chọn dựa vào độ lợi kênh nút Tk 1 nút thuộc cụm thứ k , để PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DẠNG CỤM SỬ DỤNG KỸ THUẬT NOMA DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG TRÊN KÊNH NAKAGAMI-M mà độ lợi kênh đạt Tk 1 Tk lớn Thật vậy, ta viết: Tk : Tk 1Tk max n 1,2, , N k Tk 1 R k ,n (8) Sử dụng hàm CDF công thức (3), ta đạt hàm CDF Tk 1Tk sau: F T k 1Tk max x Pr n 1,2, , N k Tk 1R k ,n mT T , T T x k 1 k k 1 k mTk 1Tk x đương, cụ thể d Tk 1R k ,n d Tk 1Tk k , n Do đó, ta có: TNOMA T ,x k 1 k a a1 Tk 1Tk Tk 1Tk a2 Tk 1Tk T k 1Tk 1 , (12) Tiếp theo, xét trường hợp nút Tk 1 nhận liệu x1 trước Trong trường hợp này, sử dụng công thức (7), tỷ số SNR đạt Tk để giải mã x1 là: k 1 k Tk 1Tk T k 1Tk 1 (13) Xét chặng cuối cùng, nút TK gửi liệu đến đích TK 1 TK Thật vậy, TK đạt x1 x2 , nút sử dụng NOMA để gửi đồng thời hai liệu đến TK 1 TK Tương tự (2), tín hiệu nhận ănten thu thứ u TK 1 ănten thu thứ v TK zTK 1 ,u a1 PhT K TK 1 x1 a2 PhT K TK 1 x2 TK TK 1 nTK 1 , (14) u u Bởi đích TK 1 trực tiếp giải mã liệu x1 mong muốn, tương tự (4) (11), tỷ số SNR nhận ănten thứ u nút đích TK 1 là: u TNOMA, T ,x a a1 T uK TK 1 TuKTK 1 , (16) với T K TK 1 | hT K TK 1 |2 u u Sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC), đích TK 1 chọn ănten đạt SNR lớn để giải mã liệu Do đó, tỷ số SNR đạt TK 1 là: NOMA,u TNOMA,SC T ,x max T T ,x K K 1 u 1,2 , L1 a K K 1 a1 Tmax K TK 1 Tmax 1 K TK 1 (17) , max T K TK 1 Tương tự (9), hàm CDF với Tmax K TK 1 u 1,2 , L1 u viết dạng sau: Tmax K TK 1 mT T , T T x K K 1 K K 1 F max x TK TK 1 mTK TK 1 (11) Hơn nữa, nút Tk giải mã hai liệu x1 x2 , nút sử dụng NOMA để gửi hai liệu đến chặng Nếu nút Tk giải mã x1 mà giải mã x2 , nút Tk gửi x1 đến chặng Tuy nhiên, Tk giải mã x1 (cũng không giải mã x2 ), x1 x2 không gửi đến chặng TNon-NOMA T v TK ănten thứ u TK 1 , TK ănten thứ v TK , u 1, 2, , L1 , v 1, 2, , L2 (10) Nếu Tk 1 đạt hai liệu x1 x2 chặng trước đó, Tk 1 sử dụng NOMA để gửi đồng thời x1 x2 đến Tk Sử dụng kết đạt công thức (4) (5), ta viết công thức SNR dùng để giải mã x1 x2 là: k 1 k u K K 1 nút cụm gần nhau, khoảng cách nút Tk 1 đến nút cụm thứ k gần tương Tk 1R k ,n Tk 1Tk , k , n v với hT K TK 1 hT KTK 2 hệ số kênh truyền Nakagami-m Trong công thức (9), để đơn giản cho việc ký hiệu, ta giả sử mTk 1R k ,n mTk 1Tk , k , n Hơn nữa, TNOMA T ,x v (9) Nk zTK 2 ,v a1 PhT KTK 2 x1 a2 PhT KTK 2 x2 TK TK 2 nTK 2 , (15) L1 (18) Đối với đích TK , nút phải giải mã liệu x1 trước, sau tiến hành SIC để giải mã x2 Một lần nữa, sử dụng cơng thức (4) (5), ta có tỷ số SNR ănten thứ v nút đích TK , giải mã x1 x2 ; là: NOMA,v TK TK ,x1 a v TNOMA, T ,x K K 2 a1 T vKTK 2 T vKTK 2 a2 T vKTK 2 T v T K K 2 v v 1 , , (19) (20) với TK TK 2 | hTK TK 2 | Giống đích TK 1 , đích TK áp dụng kỹ thuật kết hợp SC, tỷ số SNR tín hiệu x1 x2 tính sau: TNOMA,SC T ,x K K 2 TNOMA,SC T ,x K K 2 a a1 Tmax K TK 2 Tmax 1 K TK a2 Tmax K TK TmaxT K K 2 , , (21) (22) Phạm Minh Quang, Trần Trung Duy max T KTK 2 Tương tự, hàm CDF với Tmax K TK 2 v 1,2 , L2 TmaxT K K 2 v a2 th k , x1 , x2 Do đó, hệ số phân là: F max TK TK 2 mT T , T T x K K 2 K K 2 x mTK TK 2 chia công suất a1 a2 cần thiết kế, để mà: L2 (23) Ta xét đến trường hợp thứ hai, nút TK giải mã liệu x1 từ nút TK 1 Do đó, nút TK gửi x1 đến đích TK 1 , trường hợp này, đích TK không nhận liệu mong muốn Tương tự, tỷ số SNR đạt TK 1 để giải mã liệu x1 , sau thực kỹ thuật kết hợp chọn lựa, là: TNon-NOMA,SC T K K 1 Từ công thức (28), ta thấy a1 a2 th max TK TK 1 max TK TK 1 1 (24) th a1 a2 th a1 th th (30) a2 th a2 a1 Trong cơng thức (30), ta cần có điều kiện: CTQk1Tk (25) log TQ,SC , K TK 1 K 1 log TNOMA,SC , K TK , xi K 1 (26) (32) max , , với th th , 2 (33) a1 a2 th a2 th Như thảo luận [40], giá trị a1 phải đủ lớn so với giá trị a2 (để SNR x1 chặng đủ lớn) Vì vậy, tương tự [40], ta có thiết kế sau: (27) th or 1 2 th a1 (34) Do đó, ta viết lại cơng thức (32) dạng: III ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG Trong báo này, đánh giá xác suất dừng (OP) hai nút đích Đầu tiên, giả sử liệu giải mã thành công dung lượng kênh tức thời lớn ngưỡng xác định, ký hiệu Cth Ngược lại, dung lượng kênh tức thời nhỏ Cth , liệu khơng thể giải mã hay thiết bị thu bị dừng Thật vậy, xác suất mà nút cụm Tk k 1, 2, , K giải mã thành công x1 x2 từ Tk 1 đưa sau: NOMA k , x , x Pr CTNOMA T , x Cth , CT T , x C th Pr Tk1 ,Tk max 1 , 2 1 với i=1,2 k 1 ,Tk Ở chặng cuối cùng, dung lượng kênh tức thời đạt TK 1 TK là: CTNOMA,SC K TK , xi th , Tk 1 ,Tk a1 a2 th Pr th T ,T k 1 k a2 th F T Q NOMA,Non-NOMA CTQ,SC K TK 1 k ,x ,x k 1, 2, , K log TQk 1Tk , K 1 (31) th Giả sử điều kiện (30) (31) thỏa mãn, ta viết lại công thức (28) dạng sau: Tiếp đến, ta xây dựng cơng thức tính dung lượng kênh tức thời đạt chặng Bởi truyền liệu nút nguồn nút đích thực qua K 1 khe thời gian trực giao, dung lượng kênh đạt hai nút cụm liền kề Tk 1 Tk tính sau: th 2 t 1 t t 1 t kNOMA , x , x F (28) a1 Tk 1Tk a2 Tk 1Tk Pr th , th , a2 T T Tk 1Tk k 1 k th ^ K 1 Cth (29) (35) Tiếp theo, ta xét xác suất nút Tk giải mã thành công x1 giải mã x2 từ nút Tk 1 Tương tự, ta tính được: NOMA kNOMA Pr CTNOMA T , x C th , CT T , x Cth ,x ,x t 1 t F T t 1 t 2 F Tk 1 ,Tk 1 (36) Tương tự, xác suất nút Tk không giải mã x1 tính sau: kNOMA Pr CTNOMA T , x C th ,x t 1 t với 2 Thay CDF (9) vào (35), ta công thức tính xác kNOMA , x1 , x2 k 1 ,Tk Tk 1 ,Tk F T k 1 ,Tk 1 (37) PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DẠNG CỤM SỬ DỤNG KỸ THUẬT NOMA DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG TRÊN KÊNH NAKAGAMI-M Trong trường hợp nút Tk 1 gửi liệu x1 đến nút Tk , sử dụng công thức (13), xác suất Tk giải mã không thành công liệu x1 là: Pr CTNon-NOMA Cth kNon-NOMA T ,x k 1 k th Pr Tk1Tk 1 th F T T 3 , (38) k 1 k với 3 th 1 th (39) Do đó, xác suất nút Tk giải mã thành công liệu x1 trường hợp là: F kNon-NOMA ,x Tk 1Tk 3 (40) Bây giờ, xét truyền liệu chặng cuối cùng; trường hợp TK sử dụng NOMA để gửi lúc 02 liệu x1 x2 đến nút đích, xác suất dừng đích TK 1 TK là: Pr CTNOMA,SC Cth Pr TmaxT 1 KNOMA T 1, x K K 1 F max TK TK 1 NOMA K 1, x2 Pr C Pr C K K 1 1 , NOMA,SC TK TK , x1 Cth NOMA,SC TK TK , x1 Cth , CTNOMA,SC Cth K TK 2 , x2 NOMA,SC TK TK , x2 Cth Pr Pr C F max TK TK 2 (41) max TK TK (42) Lần lượt thay hàm CDF công thức (18) (23) vào (40) (41), ta đạt biểu thức KNOMA xác cho KNOMA 1, x 1, x Trong trường hợp nút TK gửi liệu x1 đến đích TK 1 , xác suất dừng đích TK 1 trường hợp tính sau: Pr CTNon-NOMA,SC Cth KNon-NOMA T 1, x Pr F max K K 1 max TK TK 1 TK TK 1 3 Theo phân tích trên, xác suất dừng đích TK 1 xây dựng sau: Cth OPTK 1 Pr CTNOMA T1 , x1 NOMA NOMA u 1 Pr CTt 1Tt , x1 Cth , CTt 1Tt , x2 Cth t 1 w1 Pr C NOMA C , C NOMA C Tw1Tw , x1 th Tw1Tw , x2 th K u 1 Pr CTNon-NOMA Cth Pr CTNon-NOMA Cth r 1Tr , x1 u 1Tu , x1 u 2 r w1 u 1 Pr CTNOMA Cth , CTNOMA Cth q 1Tq , x1 q 1Tq , x2 q 1 Pr CTNOMA Cth u 1Tu , x1 w 1 NOMA NOMA Pr CTt 1Tt , x1 Cth , CTt 1Tt , x2 Cth t 1 w 1 NOMA NOMA Pr CTw1Tw , x1 Cth , CTw1Tw , x2 Cth w 1 K (43) 3 A.1 Xác suất dừng đích TK 1 Trước hết, việc truyền liệu đến đích TK 1 không thành công (hay bị dừng) truyền liệu chặng không thành công Gọi u chặng mà truyền liệu x1 chặng khơng thành cơng, u 1, 2, , K Hơn nữa, truyền liệu x1 (u-1) chặng trước phải thành công Ta nhận thấy truyền liệu x1 chặng liên quan đến Pr CTNOMA Cth , CTNOMA Cth q 1Tq , x1 q 1Tq , x2 q 1 (44) K Cth Pr CTNon-NOMA,SC Cth Pr CTNon-NOMA r 1Tr , x1 K TK 1 , x1 r w1 K 2 Gọi w chặng mà giải mã liệu x2 khơng thành cơng, w 1, 2, , u Thật vậy, w = u, tức hai liệu x1 x2 giải mã thành công (u-1) chặng trước Trong trường hợp w < u, hai liệu x1 x2 giải mã thành công từ chặng thứ đến chặng thứ (w-1), từ chặng thứ (w+1) đến chặng thứ u, có liệu x1 gửi 2 truyền liệu x2 Theo đó, x2 giải mã thành cơng chặng liền trước đó, chặng u này, nút phát phải sử dụng kỹ thuật NOMA để gửi hai liệu đến nút Ngược lại, chặng liền trước đó, có liệu x1 giải mã thành cơng, nút phát chặng thứ u dùng tất công suất phát để gửi liệu x1 đến nút Pr CTNOMA,SC Cth K TK 1 , x1 Sử dụng kết đạt từ (35), (36), (37), (39)(42), xác suất dừng đích TK 1 tính xác theo công thức sau: OPTK 1 1,NOMA x u 1 w1 NOMA NOMA u 1 Non-NOMA Non-NOMA t , x1 , x2 w, x1 , x2 r , x1 u , x1 K w 1 t 1 r w1 u 1 NOMA NOMA u 2 q , x , x u , x1 q 1 NOMA Non-NOMA Non-NOMA tNOMA , x1 , x2 w, x1 , x2 r , x1 K 1, x1 w 1 t 1 r w1 K NOMA NOMA q , x1 , x2 K 1, x q 1 K w 1 K A.2 Xác suất dừng đích TK (45) Phạm Minh Quang, Trần Trung Duy Ta quan sát rằng, liệu x2 đến đích TK truyền chặng thứ u không thành công, u 1, 2, , K Hơn nữa, liệu x2 bị rơi chặng thứ u, điều có nghĩa giải mã liệu x2 (u-1) chặng trước phải thành công, giải mã liệu x1 (u-1) chặng trước phải thành cơng Xét dừng liệu x2 chặng thứ u, ta thấy xác suất dừng tổng xác suất dừng hai trường hợp: i) nút Tu giải mã x1 vậy, Tu khơng giải mã x2 , ii) nút Tu giải mã x1 không giải mã x2 Từ lập luận trên, xác suất dừng đích TK xây dựng công thức (46) bên dưới: NOMA T0 T1 , x1 OPTK 2 Pr C NOMA T0 T1 , x1 Cth Pr C NOMA T0 T1 , x2 Cth , C Cth NOMA NOMA K Pr CT T , x Cth , CT T , x Cth w 1 w w 1 w w u 2 NOMA NOMA Pr CTu 1Tu , x1 Cth Pr CTu 1Tu , x1 Cth , CTNOMA Cth u 1Tu , x2 K Cth , CTNOMA Cth Pr CTNOMA w 1Tw , x1 w 1Tw , x2 w1 u 1 Pr CTNOMA,SC Cth Pr CTNOMA,SC Cth , CTNOMA,SC Cth K TK , x1 K TK , x1 K TK , x2 (46) Sử dụng kết đạt từ (35), (36), (37), (39)(42), xác suất dừng đích TK tính xác theo công thức sau: OPT K 2 1,NOMA 1,NOMA x x ,x 1 u 1 NOMA wNOMA uNOMA , x1 , x2 u , x1 , x1 , x2 u w 1 K (47) quả, hệ số suy hao đường truyền cố định 3, kết mô Monte Carlo ký hiệu Sim, kết phân tích lý thuyết ký hiệu Theory Tất kết cho thấy kết mô lý thuyết trùng với nhau, điều kiểm chứng tính đắn cơng thức (45) (47) Hình vẽ xác suất dừng (OP) hai nút đích TK 1 TK theo (dB) Trong Hình 2, số cụm trung gian (K) 3, số nút cụm N1 2, N N Hệ số kênh Nakagami-m chặng thiết lập sau: mT0T1 1.5, mT1T2 mT2T3 1.75 , hệ số kênh Nakagami-m TK hai nút đích là: mTK TK 1 mTK TK 2 1.5 Số ănten nút đích L1 2, L2 3, hệ số phân bổ công suất a1 0.8, mức khiếm khuyết phần cứng 0.01 Hình cho ta thấy xác suất dừng hai nút đích giảm giá trị tăng (bởi cơng suất phát nút tăng tăng) Hình cho thấy xác suất dừng OP hai đích giảm mạnh ngưỡng dừng Cth giảm từ 0.5 xuống 0.25 Đặc biệt hơn, Cth 0.5 , xác suất dừng đích TK thấp xác suất dừng đích TK 1 Mặt khác, Cth 0.25 , xác suất dừng đích TK thấp đích TK 1 lớn dB Ngun nhân số ănten đích TK lớn số ănten đích TK 1 , đích TK đạt độ lợi phân tập lớn OP đích TK giảm nhanh tăng Một nguyên nhân khác, kênh truyền TK TK tốt TK TK 1 , cụ thể hệ số kênh truyền mTK TK 2 1.5 mTK TK 1 , tương ứng K NOMA NOMA wNOMA , x1 , x2 K 1, x1 K 1, x2 w1 IV KẾT QUẢ Trong phần IV này, kết mô Monte Carlo thực để kiểm chứng công thức xác suất dừng OPT OPT (xem (45) (47)) Trong K 2 OP K 1 mô Monte Carlo, thực từ 106 đến 107 phép thử để kết mô hội tụ kết lý thuyết Cụ thể, phép thử, độ lợi kênh Nakagami-m hai nút X Y, X,Y R k , n ,Tk , k 1, , K , n 1, 2, , N k , mô sau: XY =gamrnd mXY ,1/d XY /mXY , (48) đó, gamrnd() hàm Matlab tạo biến ngẫu nhiên có phân phối Gamma Ta xét mặt phẳng khơng gian hai chiều Oxy, nút nguồn T0 cố định vị trí (1,0), nút đích TK 1 cố định vị trí (1,0) nút đích TK cố định vị trí (1, 0.1) Tất nút cụm thứ k, k = 1, 2, … , K, có vị trí k ,0 Trong tất kết gần với tọa độ K 1 Hình Xác suất dừng vẽ theo (dB) với K , N k 2, 4,3 , mTk 1Tk 1.5, 2,1.75 , mTK TK 1 1, mTK TK 2 1.5, L1 2, L2 3, a1 0.8 0.01 Hình biểu xác suất dừng (OP) hai nút đích TK 1 TK theo (dB) với giá trị khác mức PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DẠNG CỤM SỬ DỤNG KỸ THUẬT NOMA DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG TRÊN KÊNH NAKAGAMI-M khiếm khuyết phần cứng Các thơng số cịn lại đưa bên Hình Hình cho thấy xác suất dừng OP nút đích giảm mức suy hao phần cứng giảm Ta lưu ý , phần cứng thiết bị hoàn hảo Khác với Hình 2, OP nút đích TK 1 ln nhỏ OP nút đích TK Hơn nữa, giá trị lớn, OP hai nút đích song song với Điều có nghĩa độ lợi phân tập đạt nút đích Cũng Hình 3, số nút cụm thứ hai thiết lập 1, truyền liệu chặng có độ lợi phân tập thấp Theo giao thức giải mã chuyển tiếp DF, độ lợi phân tập thấp chặng độ lợi phân tập tồn trình Đây lý đường OP có độ dốc lớn Hơn nữa, liệu đích TK 1 ưu tiên giải mã trước, phân bổ với công suất phát lớn hơn, nên OP TK 1 thấp TK Hình Xác suất dừng vẽ theo (dB) với K , N k 4, 4 , 0.03, L1 2, L2 2, a1 0.8 Cth 0.5 Để mô tả tác động hệ số kênh Nakagami-m lên giá trị OP, Hình 4, ta giả sử tất hệ số kênh nhau: mTk1Tk mTK TK 1 mTK TK 2 m k Ta thấy giá trị m ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng dịch vụ mạng, giá trị OP nút đích giảm mạnh giá trị m tăng Ở đây, lưu ý m hệ thống hoạt động kênh fading Rayleigh, OP kênh truyền lớn Hình cho ta thấy đích TK 1 ln đạt giá trị OP nhỏ đích TK thơng số số lượng ănten hệ số kênh Nakagami-m giống Trong Hình 5, tất kênh truyền kênh fading Rayleigh mTk 1Tk mTK TK 1 mTK TK 2 1 k , số lượng nút cụm nhau: N k N k Như ta thấy, OP nút đích giảm số lượng nút cụm tăng Trong Hình 5, số lượng ănten nút đích TK gấp đôi số lượng ănten TK 1 L2 2L1 , nhiên OP đích TK lớn OP hệ số phân chia công suất a1 thiết lập 0.9 ( a2 0.1 ) Thật vậy, a1 lớn a2 nhỏ, điều có nghĩa mức cơng suất phân bổ cho tín hiệu TK giảm, dẫn đến OP TK tăng Ta thấy OP đích TK nằm khoảng từ -10dB đến -2 dB Tuy nhiên, giá trị lớn, OP đích TK giảm nhanh OP đích TK 1 đích TK trang bị nhiều ănten Điều có nghĩa đích TK đạt độ lợi phân tập lớn đích TK 1 Hình Xác suất dừng vẽ theo (dB) với K , N k 3,1 , mTk 1Tk 2.3,1.8 , mTK TK 1 1.5, OP OP mTK TK 2 2, L1 2, L2 3, a1 0.75 Cth 0.5 Hình Xác suất dừng vẽ theo (dB) với K , mTk 1Tk mTK TK 1 mTK TK 2 1 k , L2 4, a1 0.9 Cth 0.5 0.02, L1 2, Phạm Minh Quang, Trần Trung Duy Hình khảo sát ảnh hưởng số chặng (hay số cụm trung gian) lên giá trị OP hai nút đích Để thấy rõ tác động số chặng, tham số hệ thống cố định sau: mTk 1Tk mTK TK 1 mTK TK 2 1.75, OP N k k Trước bàn luận kết quả, ta có nhận xét số chặng lớn khoảng cách cụm kề ngắn kênh truyền cụm kề tốt Tuy nhiên, số chặng lớn thời gian truyền dành cho khe thời gian lại giảm theo tỷ lệ 1/(K+1), nên tốc độ truyền liệu giảm theo Do đó, quan sát OP đích TK 1 , ta thấy K=2 giá trị xác suất dừng thấp nhất, K=4, OP lại lớn Kết cho thấy việc sử dụng chuyển tiếp nâng cao hiệu cho hệ thống Tuy nhiên, số chặng lớn chuyển tiếp khơng cịn hiệu Tiếp đến, quan sát nút đích TK , ta thấy OP đạt giá trị thấp với K=3, lớn với K=1 Hình Xác suất dừng vẽ mTk 1Tk mTK TK 1 mTK TK 2 1.75 k , (dB) với N k k , theo Hình Xác suất dừng vẽ theo với 7.5 (dB), K 2, mTk 1Tk mTK TK 1 mTK TK 2 1 k , N k k , L1 2, L2 Cth 0.5 Hình đánh giá ảnh hưởng mức khiếm khuyết phần cứng lên giá trị OP TK 1 TK Như quan sát, ta thấy xác suất dừng tăng tăng Ngoài ra, Hình xem xét hai trường hợp: a1 0.75 a1 0.85 Ta thấy OP đích TK 1 trường hợp a1 0.75 lớn trường hợp a1 0.85 Tuy nhiên, OP đích TK a1 0.75 lại nhỏ trường hợp a1 0.85 Do đó, ta thấy a1 0.75 , độ chênh lệch giá trị OP nút đích TK 1 TK thấp hơn, so với trường hợp a1 0.85 Ta lưu ý độ chênh lệch hiệu hai nút đích nên nhỏ tốt Hơn nữa, Hình thể giá trị xác suất dừng trung bình (average OP) hai nút đích hai trường hợp a1 0.75 a1 0.85 Như ta thấy, giá trị OP trung bình hai nút đích a1 0.75 nhỏ nhiều, so sánh với trường hợp a1 0.85 Để thấy rõ tác động hệ số phân bổ công suất a1 a2 lên xác suất dừng OP nút đích, Hình biểu diễn OP hàm a1 Ta thấy OP nút đích TK 1 giảm a1 tăng, tín hiệu TK 1 phân bổ với công suất lớn Ở chiều ngược lại, OP nút đích TK tăng a1 tăng Quan sát từ Hình 8, ta thấy giá trị a1 lớn độ lệch hiệu hai nút đích lớn theo Trong Hình 8, OP hai đích TK 1 TK gần a1 0.73 Hơn nữa, giá trị OP trung bình thấp a1 0.75 OP 0.02, L1 2, L2 4, a1 0.85 Cth 0.5 Hình Xác suất dừng vẽ theo a1 với (dB), K 2, mTk 1Tk mTK TK 1 mTK TK 2 1.5 k , N k k , L1 2, L2 , Cth 0.5 PHÂN TÍCH XÁC SUẤT DỪNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG DẠNG CỤM SỬ DỤNG KỸ THUẬT NOMA DƯỚI SỰ TÁC ĐỘNG CỦA KHIẾM KHUYẾT PHẦN CỨNG TRÊN KÊNH NAKAGAMI-M V KẾT LUẬN Bài báo đề xuất đánh giá xác xác suất dừng nút đích mạng chuyển tiếp đa chặng dạng cụm sử dụng NOMA Các kết cho thấy tác động đáng kể khiếm khuyết phần cứng số chặng lên giá trị OP Hiệu mơ hình đề xuất tốt kênh truyền nút tốt hơn, số lượng nút chuyển tiếp cụm nhiều hơn, số ănten nút đích cao Các kết cho thấy hệ số phân bổ công suất có tác động đáng kể lên hiệu OP nút đích Việc phân bổ cơng suất hợp lý đảm bảo công hiệu nút đích, giảm xác suất dừng trung bình Trong tương lai, chúng tơi phát triển báo theo hướng phân tích hiệu khác tỷ lệ lỗi bit, dung lượng kênh trung bình, cho mơ hình tổng qt có nhiều nút đích LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Cơ Sở Tại Thành Phố Hồ Chí Minh với mã số đề tài 02-HV-2021-RD_VT2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] G Han, H Xu, T Q Duong, J Jiang, and T Hara, “Localization Algorithms of Wireless Sensor Networks: A Survey," Telecommunication Systems, vol 52, no 4, pp 24192436, Apr 2013 [2] G Han, J Jiang, C Zhang, T Q Duong, M Guizani and G K Karagiannidis, "A Survey on Mobile Anchor Node Assisted Localization in Wireless Sensor Networks," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol 18, no 3, pp 22202243, third quarter 2016 [3] H Yetgin, K T K Cheung, M El-Hajjar and L Hanzo, “A Survey of Network Lifetime Maximization Techniques in Wireless Sensor Networks,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol.19, no 2, pp 828 - 854, Jan 2017 [4] S K Singh, P Kumar and J P Singh, “A Survey on Successors of LEACH Protocol,” IEEE Access, vol 5, pp 4298 – 4328, Feb 2017 [5] Hassan El Alami and Abdellah Najid, “ECH: An Enhanced Clustering Hierarchy Approach to Maximize Lifetime of Wireless Sensor Networks,” IEEE Access, vol 7, pp 107142107153, Aug 2019 [6] H D Hung, T T Duy, M Voznak, "Secrecy Outage Performance of Multi-hop LEACH Networks using Power Beacon Aided Cooperative Jamming with Jammer Selection Methods," AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol 124, ID 153357, pp 1-25, Sept 2020 [7] N T Anh, N C Minh, T T Duy, T Hanh and H D Hai, "Reliability-Security Analysis for Harvest-to-Jam based Multihop Cluster MIMO Networks Using Cooperative Jamming Methods Under Impact of Hardware Impairments," EAI Transactions on Industrial Networks and Intelligent Systems, vol 8, no 28, pp 1-14, Sept 2021 [8] G Farhadi and N C Beaulieu, "On the Performance Of Amplify-and-Forward Cooperative Systems With Fixed Gain Relays," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 7, no 5, pp 1851-1856, May 2008 [9] H V Khuong and P C Sofotasios, “Exact bit-error-rate analysis of underlay decode-and-forward multi-hop cognitive networks with estimation errors,” IET Communications, vol 7, no 18, pp 2122-2132, Dec 2013 [10] F S Al-Qahtani, R M Radaydeh, S Hessien, T Q Duong and H Alnuweiri, "Underlay Cognitive Multihop MIMO Networks With and Without Receive Interference Cancellation," IEEE Transactions on Communications, vol 65, no 4, pp 14771493, April 2017 [11] P M Nam, T T Duy, P V Ca, P N Son, N H An, "Outage Performance of Power Beacon-Aided Multi-Hop Cooperative Cognitive Radio Protocol Under Constraint of Interference and Hardware Noises," Electronics MDPI, vol 9, no 6, pp 1-19, Jun 2020 [12] T T Duy, P T D Ngoc, T T Phuong, "Performance Enhancement for Multihop Cognitive DF and AF Relaying Protocols under Joint Impact of Interference and Hardware Noises: NOMA for Primary Network and Best-Path Selection for Secondary Network," Wireless Communications and Mobile Computing, vol 2021, ID 8861725, pp 1-15, Apr 2021 [13] X Qin, H Zeng, X Yuan, B Jalaian, Y T Hou, W Lou, and S F Midkiff, “Impact of Full Duplex Scheduling on End-toEnd Throughput in Multi-hop Wireless Networks,” IEEE Transactions on Mobile Computing, vol 16, no 1, pp 158-171, Jan 2017 [14] F Tian, X Chen, K W S Liu, X Yuan and Z Yang, “On Full Duplex Scheduling For Energy Efficiency Maximization in Multi-hop Wireless Setworks,” IEEE Access vol 6, no 1, pp 2604–2614, Dec 2017 [15] P N Son and T T Duy, "Performance Analysis of Underlay Cooperative Cognitive Full-duplex Networks with Energy-Harvesting Relay," Computer Communications, vol 122, pp 9-19, Jun 2018 [16] K Choi, "Capacity Gain of Full Duplex Self-Backhauling and Opportunistic Full Duplex Self-Backhauling," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 70, no 3, pp 22722282, Mar 2021 [17] S Atapattu, N Ross, Y Jing, Y He and J S Evans, "Physical-Layer Security in Full-Duplex Multi-Hop Multi-User Wireless Network With Relay Selection," in IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 18, no 2, pp 1216-1232, Feb 2019 [18] W Chang and C Wu, "High-Speed Concurrent Transmission Scheme for Full Duplex Multi-Hop Relay Assisted mmWave WPAN Networks," IEEE Access, vol 7, pp 162192162205, 2019 [19] X Liang, Y Wu, D W K Ng, Y Zuo, S Jin, and H Zhu, "Outage Performance for Cooperative NOMA Transmission with an AF Relay," IEEE Communications Letters, vol 21, no 11, pp 2428-2431, Nov 2017 [20] X Yue, Y Liu, S Kang, and A Nallanathan, "Performance Analysis of NOMA With Fixed Gain Relaying Over Nakagamim Fading Channels," IEEE Access, vol 5, pp 5445-5454, 2017 [21] V L Nguyen, H D Binh, T D Dung and Y Lee, “Enhancing Physical Layer Security for Cooperative NonOrthogonal Multiple Access Networks with Artificial Noise,” EAI Transactions on Industrial Networks and Intelligent Systems, vol 6, no 20, pp 1–11, 2019 [22] K Cao, B Wang, H Ding, L Lv, J Tian and F Gong, "On the Security Enhancement of Uplink NOMA Systems With Jammer Selection," IEEE Transactions on Communications, vol 68, no 9, pp 5747–5763, Sept 2020 [23] E Bjornson, J Hoydis, M Kountouris, and M Debbah, "Hardware Impairments in Large-Scale MISO Systems: Energy Efficiency, Estimation, and Capacity Limits," in proc of Digital Signal Processing (DSP), 2013 18th International Conference on, 2013, pp 1-6 [24] E Bjornson, M Matthaiou, and M Debbah, "A New Look at Dual-Hop Relaying: Performance Limits with Hardware Impairments," IEEE Transactions on Communications, vol 61, no 11, pp 4512-4525, Nov 2013 [25] E Bjornson, J Hoydis, M Kountouris, and M Debbah, "Massive MIMO Systems With Non-Ideal Hardware: Energy Efficiency, Estimation, and Capacity Limits," IEEE Transactions on Information Theory, vol 60, no 11, pp 7112-7139, Nov 2014 Phạm Minh Quang, Trần Trung Duy [26] Y Xu, H Xie and R Q Hu, "Max-Min Beamforming Design for Heterogeneous Networks With Hardware Impairments," IEEE Communications Letters, vol 25, no 4, pp 1328-1332, Apr 2021 [27] S A Mohajeran and G A Hodtani, "Power Allocation for Wireless Sensor Networks in the Presence of Non-Gaussian Noise and Hardware Impairments Using Distance-Related Bounds," IEEE Sensors Letters, vol 5, no 4, pp 1-4, Apr 2021 [28] H K Boddapati, M R Bhatnagar, S Prakriya, “Performance Analysis of Cluster-Based Multi-Hop Underlay CRNs Using Max-Link-Selection Protocol,” IEEE Transactions on Cognitive Communications and Networking, vol 4, no 1, pp 15-29, Mar 2018 [29] H K Boddapati, M R Bhatnagar, S Prakriya, “Performance of Incremental Relaying Protocols for Cooperative Multihop CRNs,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 67, no 7, pp 6006 - 6022, Jul 2018 [30] C T Dung, T M Hoang, N N Thang, M Tran and P T Tran, “Secrecy Performance of Multi-User Multi-hop Clusterbased Network With Joint Relay and Jammer Selection Under Imperfect Channel State Information,” Performance Evaluation, vol 147, ID: 102193, May 2021 [31] P Padidar, P Ho, Y Ji and W Duan, "A Deep Study on Layered Multi-Relay Non-Orthogonal Amplify-Forward Networks," IEEE Transactions on Wireless Communications, vol 19, no 1, pp 354-366, Jan 2020 [32] A Rauniyar, P E Engelstad and O N Østerbø, "On the Performance of Bidirectional NOMA-SWIPT Enabled IoT Relay Networks," IEEE Sensors Journal, vol 21, no 2, pp 2299-2315, Jan 2021 [33] P N Son, T T Duy, "A New Approach for Two-Way Relaying Networks: Improving Performance by Successive Interference Cancellation, Digital Network Coding and Opportunistic Relay Selection," Wireless Networks, vol 26, no 2, pp 1315-1329, Feb 2020 [34] M Shen, Z Huang, X Lei and L Fan, "BER Analysis of NOMA With Max-Min Relay Selection," China Communications, vol 18, no 7, pp 172-182, Jul 2021 [35] P T Tin, N V Hien, M Voznak and L Sevcik, "Performance Comparison Between NOMA and OMA Relaying Protocols in Multi-Hop Networks over Nakagami-m Fading Channels under Impact of Hardware Impairments," in Proc of 2019 IEEE/ACM 23rd International Symposium on Distributed Simulation and Real Time Applications (DS-RT), 2019, pp 1-4 [36] P T Tin, P M Nam, T T Duy, T T Phuong, N K Tam and M Voznak, "Throughput Analysis of Power Beacon-Aided Multi-hop Relaying Networks Employing Non-Orthogonal Multiple Access With Hardware Impairments," in Proc of the 5th International Conference on Advanced Engineering – Theory and Applications, Ostrava, Czech Republic, 2018 [37] V N Vo, C So-In, D Tran and H Tran, "Optimal System Performance in Multihop Energy Harvesting WSNs Using Cooperative NOMA and Friendly Jammers," IEEE Access, vol 7, pp 125494–125510, 2019 [38] I S Gradshteyn, I M Ryzhik Table of integrals, series, and products Academic press, 2014 [39] J N Laneman, D N C Tse and G W Wornell, "Cooperative Diversity in Wireless Networks: Efficient Protocols and Outage Behavior," IEEE Transactions on Information Theory, vol 50, no 12, pp 3062-3080, Dec 2004 [40] D T Hung, T T Duy, T T Phuong, D Q Trinh, T Hanh, "Performance Comparison between Fountain CodesBased Secure MIMO Protocols with and without Using NonOrthogonal Multiple Access," Entropy MDPI, vol 21, no 10, (928), Oct 2019 OUTAGE PERFORMANCE ANALYSIS FOR MULTI-HOP CLUSTER NETWORKS USING NOMA UNDER IMPACT OF HARDWARE IMPERFECTION OVER NAKAGAMI-M FADING CHANNELS Abstract: In this paper, we analyze outage probability of cluster-based multi-hop relaying networks using NonOrthogonal Multiple Access (NOMA) In the proposed protocol, the source and relay nodes use NOMA to send two data to two intended destinations at the same time For enhancing reliability of the data transmission at each hop; decode-and-forward technique and relay selection are employed In addition, the destinations are equipped with multiple antennas, and employ selection combining (SC) to decode the received signals at the last hop This paper exactly evaluates OP at the destinations over Nakagami-m fading channels, under impact of hardware impairments This paper also performs Monte-Carlo simulation to verify the theoretical results Keywords: multi-hop relaying, cluster network, nonorthogonal multiple access, hardware impairments, outage probability Phạm Minh Quang nhận cử nhân thạc sĩ Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh vào năm 2007 năm 2012 ThS Quang công tác Khoa Viễn thông thuộc Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng sở TP Hồ Chí Minh Hướng nghiên cứu quan tâm bao gồm: thông tin vô tuyến, kỹ thuật thu thập lượng vơ tuyến, phân tích hiệu mạng vô tuyến Email:phamminhquang@ptithcm.edu.vn Trần Trung Duy nhận Kỹ sư Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh vào năm 2007, Tiến sĩ vào năm 2013 Đại học Ulsan, Hàn Quốc TS Trần Trung Duy cơng tác Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng sở TP Hồ Chí Minh Hướng nghiên cứu quan tâm bao gồm: truyền thông cộng tác, vô tuyến nhận thức, NOMA, Mã Fountain Email:trantrungduy@ptithcm.edu.vn