Đang tải... (xem toàn văn)
Khảo sát phương thức đa truy cập phi trực giao NOMA với hệ thống 2 người dùng (users) và base station theo 2 cơ chế đường xuống (downlink) và đường lên (uplink) thông qua xác suất dừng hệ thống, dung lượng trung bình hệ thống.
TRƢỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ NGUYỄN THÀNH NAM KHẢO SÁT PHƢƠNG THỨC ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO TRONG MẠNG 5G ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CHUYÊN NGÀNH ĐIỆN TỬ – VIỄN THÔNG ĐÀ NẴNG: NĂM 2022 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: KHẢO SÁT PHƢƠNG THỨC ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO TRONG MẠNG 5G CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN TỬ - VIỄN THƠNG GVHD : PGS.TS Hà Đắc Bình SVTH : Nguyễn Thành Nam LỚP : K24EVT MSSV : 24212205150 NIÊN KHÓA: 2018-2023 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Hà Đắc Bình giúp em nhiều trình thực đồ án Trong trình thực đồ án, giúp đỡ tận tình thầy Hà Đắc Bình em tiếp thu nhiều kiến thức quý báu giúp em nhiều trình học tập làm việc tương lai Em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, tập thể bạn bè học chuyên ngành Điện tử - Viễn thông, Đại học Duy Tân đặc biệt thầy Trương Văn Trương ủng hộ, động viên em trình thực đồ án Trong trình thực đồ án em chưa có nhiều kinh nghiệm nên khơng tránh khỏi sai sót Mong nhận góp ý thầy (cơ) để hồn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn giúp đỡ quý thầy (cô) q trình thực để em hồn thành tốt đồ án Sinh viên thực Nguyễn Thành Nam NHẬN XÉT GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN Đà Nẵng, ngày……, tháng……, năm 2022 Giảng viên hướng dẫn PGS.TS.Hà Đắc Bình LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tổng quát lại kết trình nghiên cứu em Các số liệu, hình ảnh, thơng tin đồ án trung thực, em tìm hiểu, tham khảo từ nhiều nguồn tư liệu Đồ án không chép đồ án có từ trước Nếu phát có gian lận em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung đề tài Trường đại học Duy Tân khơng liên quan đến vi phạm tác quyền, quyền em gây q trình thực (nếu có) Đà Nẵng, ngày……, tháng… , năm 2022 Người cam đoan Nguyễn Thành Nam MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 1.2 1.3 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu, đối tƣợng, phạm vi đề tài Nội dung kế hoạch thực CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI .4 1.1 Tổng quan mạng thông tin di động .4 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.2 Mạng 2G Mạng 3G Mạng 4G Mạng 5G .6 1.2.1 Mạng 5G 1.2.2 Các yêu cầu mạng 5G 1.2.3 Ứng dụng mạng 5G 1.2.4 Những thách thức q trình thƣơng mại hóa 5G 10 1.3 Đa truy cập mạng thông tin di động 11 1.3.1 Đa truy cập phân chia theo tần số - FDMA 12 1.3.2 Đa truy cập phân chia theo thời gian – TDMA 15 1.3.3 Đa truy cập phân chia theo mã - CDMA 17 1.4 Giới thiệu kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA 20 1.4.1 Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA 21 1.4.2 Nguyên tắc truyền nhận tín hiệu .21 TỔNG KẾT CHƢƠNG .24 CHƢƠNG 2: ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG NOMA 25 2.1 Tìm hiểu kênh truyền khơng dây 25 2.1.1 Khái niệm kênh truyền không dây 25 2.1.2 Biến ngẫu nhiên 26 2.1.3 Các hàm biến ngẫu nhiên 26 2.1.4 Một số mơ hình kênh truyền 27 2.2 Mơ hình hệ thống .29 2.2.1 Đề xuất mơ hình 29 2.2.2 Phƣơng thức hoạt động hệ thống .29 2.3 Xác suất dừng hệ thống 32 2.3.1 Xác suất dừng hệ thống đƣờng xuống(downlink) .33 2.3.2 Xác suất dừng hệ thống đƣờng lên (uplink) 34 2.4 Dung lƣợng trung bình hệ thống .34 2.4.1 2.4.2 Dung lƣợng trung bình hệ thống đƣờng xuống(downlink) 35 Dung lƣợng trung bình hệ thống đƣờng lên (uplink) .36 TỔNG KẾT CHƢƠNG .37 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 38 3.1 Mô tả công cụ mô 38 3.2 Phƣơng pháp mô Monte Carlo .38 3.2.1 Các sở phƣơng pháp Monte Carlo 39 3.2.2 Thành phần phƣơng pháp Monte Carlo 40 3.3 Thử nghiệm thảo luận 40 3.3.1 Đánh giá kết phân tích xác suất dừng hệ thống đƣờng xuống (downlink) 40 3.3.2 Đánh giá kết phân tích xác suất dừng hệ thống đƣờng lên (uplink) .45 3.3.3 Đánh giá kết phân tích dung lƣợng trung bình đƣờng xuống (downlink) 49 3.3.4 Đánh giá kết phân tích dung lƣợng trung bình đƣờng lên (uplink) .53 TỔNG KẾT CHƢƠNG .55 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 58 DANH MỤC HÌNH ẢNH, HÌNH VẼ Hình 1: Mạng di động qua hệ .7 Hình 2: Trạm HAPS ngồi khơng gian Hình 3: Các hệ thống đa truy cập 12 Hình 4: FDMA nhiều giao thoa lân cận 13 Hình 5: Phân bổ tần số phương pháp FDMA/FDD 13 Hình 6: Phân bổ tần số phương pháp FDMA/TDD 15 Hình 7: Nguyên lý TDMA .16 Hình 8: Các phương pháp truy cập – a) TDMA/FDD ; b) TDMA/TDD 17 Hình 9: Nguyên lý CDMA/FDD .18 Hình 10: Sự khác TDD FDD 18 Hình 11: Vùng phủ sóng trạm gốc vơ tuyến tổ ong: a) phủ sóng vơ hướng; b) phủ sóng có hướng 20 Hình 12: Mơ NOMA đường lên 22 Hình 13: Mơ NOMA đường xuống 23 Hình 1: Hàm CDF - PDF phân bố Rayleigh 27 Hình 2: Hàm CDF – PDF phân bố Nakagami - m 28 Hình 3: Mơ hình NOMA đường xuống 29 Hình 4: Mơ hình NOMA đường lên 31 Hình 1: Giao diện phần mềm Matlab 38 Hình 2: Khảo sát Pout theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE1 đến BS 41 Hình 3: Khảo sát Pout theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE2 đến BS 42 Hình 4: Khảo sát Pout theo cơng suất phát khoảng cách UE1 đến BS 43 Hình 5: Khảo sát Pout theo công suất phát khoảng cách UE2 đến BS 44 Hình 6: Khảo sát Pout theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE2 đến BS 45 Hình 7: Khảo sát Pout theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE1 đến BS 46 Hình 8: Khảo sát Pout theo cơng suất phát khoảng cách UE2 đến BS 47 Hình 9: Khảo sát Pout theo công suất phát khoảng cách UE1 đến BS 48 Hình 10: Khảo sát dung lượng theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE1 đến BS 49 Hình 11: Khảo sát dung lượng theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE2 đến BS 50 Hình 12: Khảo sát dung lượng theo công suất phát khoảng cách UE1 đến BS 51 Hình 13: Khảo sát dung lượng theo công suất phát khoảng cách UE2 đến BS 52 Hình 14: Mô dung lượng theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE2 đến BS 53 Hình 15: Mơ dung lượng theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE1 đến BS 54 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt AWGN Additive white Gaussian noise Nhiễu trắng Gauss cộng tính BS Base station Trạm gốc CDF Cumulative distribution function Hàm phân phối tích lũy OP Outage Probability Xác suất dừng hệ thống PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất SNR Signal-to-Noise Ratio Tỉ số cơng suất tín hiệu cơng suất nhiễu SINR Signal to Interference plus Noise Ratio Tỉ số cơng suất tín hiệu can nhiễu SIC Successive Interference Cancellation Loại bỏ can nhiễu Ký hiệu C E . Ý nghĩa Dung lượng trung bình Phép toán kỳ vọng biến ngẫu nhiên Độ lớn giá trị F(.) Hàm phân phối tích lũy f(.) Hàm mật độ xác suất h Hệ số kênh truyền n0 Nhiễu trắng cộng N Công suất nhiễu OP Xác suất dừng hệ thống SNR Tỉ số tín hiệu nhiễu 45 - Và lưu ý khoảng cách từ người dùng đến BS phải hợp lý để hiệu hệ thống ổn định 3.3.2 Đánh giá kết phân tích xác suất dừng hệ thống đƣờng lên (uplink) Hình 3.6 khảo sát xác suất dừng hệ thống theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE2 Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: - Đường cong mô tả Pout cho thấy công suất phát lớn xác suất dừng hệ thống giảm - Khi ta tăng công suất phát từ 6dB đến 10dB từ 8dB đến 13dB xác suất dừng giảm 0.1 hệ số phân bổ công suất cho user 0.9 0.75 - Hệ số phân bổ cơng suất giảm công suất phải lớn dẫn đến xác suất dừng giảm hiệu - Kết lý thuyết mơ trùng Hình 6: Khảo sát Pout theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE2 đến BS Hình 3.7 khảo sát xác suất dừng hệ thống theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE1 Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: 46 - Đường cong mô tả Pout cho thấy công suất phát lớn xác suất dừng hệ thống giảm - Khi ta tăng công suất phát từ 5dB đến 10dB xác suất dừng giảm 0.4 0.3 hệ số phân bổ công suất cho user 0.25 0.1 - Kết lý thuyết mơ trùng Hình 7: Khảo sát Pout theo công suất phát hệ số phân bổ cơng suất UE1 đến BS Hình 3.8 khảo sát xác suất dừng hệ thống theo khoảng cách công suất phát UE2 đến BS Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: - Đường cong mơ tả Pout cho ta thấy tăng khoảng cách xác suất dừng tăng công suất lớn xác suất dừng nhỏ - Khi ta tăng khoản cách từ đến 7,5(km) xác suất dừng tăng lên 0.1 công suất phát 20dB 30dB - Và tăng khoảng cách từ đến 7(km) xác suất dừng tăng lên 0.1 công suất phát 10dB - Kết lý thuyết mơ trùng 47 Hình 8: Khảo sát Pout theo công suất phát khoảng cách UE2 đến BS Hình 3.9 khảo sát xác suất dừng hệ thống theo khoảng cách công suất phát UE1 đến BS Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: - Đường cong mơ tả Pout cho ta thấy tăng khoảng cách xác suất dừng tăng cơng suất lớn xác suất dừng nhỏ - Khi tăng khoảng cách từ 2.5 đến 5.5(km) đến 4(km) xác suất dừng tăng lên 0.1 công suất phát 20dB 10dB - Kết lý thuyết mô trùng 48 Hình 9: Khảo sát Pout theo cơng suất phát khoảng cách UE1 đến BS Kết từ hình 3.6, 3.7, 3.8 3.9 cho thấy: - Khi công suất phát từ người dùng đến BS tăng xác suất dừng giảm cơng suất lớn BS dễ bắt tín hiểu từ người dùng hiệu hệ thống cải thiện - Khi khoảng cách từ người dùng đến BS lớn xác suất dừng tăng xa tín hiệu truyền đến BS yếu dẫn đến hệ thống không tốt Khuyến cáo kết luận: - Công suất phát tín hiệu từ người dùng đến BS ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu hệ thống Với công suất phát lớn xác suất dừng hệ thống giảm khoảng cách từ người dùng đến BS lớn xác suất dừng tăng - Một lưu ý với mức công suất phát lớn (>25dB), OP đạt giá trị bão hịa Vì q trình thiết kế hệ thống, cần cân nhắc công suất phát để đảm bảo hiệu hệ thống với chi phí lượng phù hợp - Và lưu ý phải điều chỉnh khoảng cách công suất phát để hiệu hệ thống đạt cách hiệu 49 3.3.3 Đánh giá kết phân tích dung lƣợng trung bình đƣờng xuống (downlink) Hình 3.10 khảo sát dung lượng trung bình hệ thống theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE1 đường xuống Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: - Đường cong mô tả dung lượng trung bình hệ thống cho thấy cơng suất phát tăng dung lượng hệ thống tăng hệ số phân bổ công suất cao dung lượng hệ thống thấp - Khi ta tăng công suất phát từ 5dB đến 10dB từ 5dB đến 11dB dung lượng trung bình hệ thống tăng lên hệ số phân bổ công suất 0.45 0.3 - Kết mơ phịng lý thuyết trùng khớp với Hình 10: Khảo sát dung lượng theo cơng suất phát hệ số phân bổ công suất UE1 đến BS Hình 3.11 khảo sát dung lượng trung bình hệ thống theo cơng suất phát UE2 đường xuống Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: 50 - Đường cong mô tả dung lượng hệ thống cho ta thấy cơng suất phát tăng dung lượng hệ thống tăng hệ số phân bổ cơng suất cao dung lượng hệ thống thấp - Khi tăng công suất phát từ 3dB đến 12dB từ 0dB đến 16dB cơng suất phát tăng lên 1(bps) hệ số phân bổ công suất 0.15 0.3 - Kết mô lý thuyết trùng khớp Hình 11: Khảo sát dung lượng theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE2 đến BS Hình 3.12 khảo sát dung lượng trung bình hệ thống theo cơng suất phát khoảng cách UE1 đường xuống Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: - Đường cong mơ tả dung lượng trung bình hệ thống cho thấy khoảng cách từ user đến BS tăng dung lượng hệ thống giảm hệ số phân bổ cơng suất cao dung lượng hệ thống cao - Khi ta tăng khoảng cách từ đến 5(km) từ đến 4(km) xác dung lượng trung bình giảm 1(bps) công suất phát 20dB 30dB 51 - Kết lý thuyết mô trùng khớp với Hình 12: Khảo sát dung lượng theo công suất phát khoảng cách UE1 đến BS Hình 3.13 khảo sát dung lượng trung bình hệ thống theo công suất phát khoảng cách UE2 đường xuống Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: - Đường cong mơ tả dung lượng trung bình hệ thống cho thấy khoảng cách từ user đến BS tăng dung lượng hệ thống giảm hệ số phân bổ công suất cao dung lượng hệ thống cao - Khi ta tăng khoảng cách từ đến 7.6(km) từ đến 6.8(km) dung lượng trung bình hệ thống giảm 0.1 tương ứng với công suất phát 10dB 20dB - Kết mô lý thuyết trùng khớp 52 Hình 13: Khảo sát dung lượng theo cơng suất phát khoảng cách UE2 đến BS Từ kết hình 3.10, 3.11, 3.12, 3.13 cho thấy: - Khi công suất phát từ user đến BS tăng dung lượng hệ thống tăng Mà dung lượng hệ thống lớn tài nguyên truyền tải tốt Dẫn đến hiệu hệ thống hoạt động tốt - Và tăng khoảng cách lớn dẫn đến hiệu dung lượng hệ thống giảm khoảng cách xa truyền tín hiệu yếu khiến cho hệ thống khơng hiệu Khuyến cáo kết luận: - Cơng suất phát tín hiệu cho BS khoảng cách từ user đến BS ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu hệ thống Cơng suất phát tăng dung lượng hệ thống tăng công suất phát giảm dung lượng trung bình hệ thống tăng - Lưu ý UE2 mức công suất lớn (>30dB) dung lượng đạt giá trị bão hịa Vì thiết kế hệ thống thực tế cần điều chỉnh mức cơng suất phù hợp để có hiệu tốt cho hệ thống 53 - Và lưu ý điều chỉnh khoảng cách phù hợp với công suất phát để hiệu hệ thống hiệu 3.3.4 Đánh giá kết phân tích dung lƣợng trung bình đƣờng lên (uplink) Hình 3.14 mơ dung lượng trung bình hệ thống theo công suất phát hệ số phân bổ cơng suất UE2 đường lên Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: - Đường cong mô tả dung lượng theo công suất phát hệ số phân bổ công suất, tăng cuông suất phát tăng hệ số phân bổ cơng suất dẫn đến dung lượng trung bình hệ thống tăng Hình 14: Mô dung lượng theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE2 đến BS Hình 3.15 mơ dung lượng trung bình hệ thống theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE1 đường lên Dựa vào hình vẽ ta nhận xét: 54 - Đường cong mô tả dung lượng theo công suất phát hệ số phân bổ công suất, tăng cuông suất phát tăng hệ số phân bổ cơng suất dẫn đến dung lượng trung bình hệ thống tăng Hình 15: Mô dung lượng theo công suất phát hệ số phân bổ công suất UE1 đến BS 55 TỔNG KẾT CHƢƠNG Từ tính tốn biểu thức dạng tường minh xác suất dừng hệ thống, dung lượng trung bình hệ thống theo mơ trình bày Em thực mơ đánh giá hiệu hệ thống với công suất phát trạm dành cho user, từ đưa kết luận kiến nghị, giải pháp phù hợp với mơ hình thực tế 56 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI Kết luận: Trong báo cáo em đề xuất mô hình khảo sát mơ hình hệ thống theo phương thức đa truy cập phi trực giao NOMA, em thu kết sau: - Đưa biểu thức tốn học cho thơng số xác suất dừng, dung lượng trung bình hệ thống để đánh giá hiệu hoạt động hệ thống - Mô kết phân tích phần mềm MATLAB để kiểm chứng tính trùng khớp với biểu thức tốn học đưa - Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến hiệu hệ thống Mặc dù cố gắng hồn thiện đề tài cịn số vấn đề chưa giải : - Dung lượng trung bình đường lên, việc tính tốn lý thuyết chưa trùng với mơ - Mơ hình cịn hạn chế người dùng Hướng phát triển: Hướng phát triển tiềm nghiên cứu phân tích đánh giá hiệu hệ thống thơng tin vô tuyến ứng dụng kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) với số lượng người dùng lớn hơn, kết hợp kỹ thuật đa truy cập phi trực giao anten đa ngõ vào, mạng chuyển tiếp đa chặn sử dụng NOMA cải thiện lớp bảo mật vật lý mạng vô tuyến 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS TS Võ Nguyễn Quốc Bảo (2020), Mô hệ thống truyền thông, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] A Goldsmith (2005), Wireless communications, New York: Cambridge University Press, Cambridge [3] A Jeffrey, D Zwillinger, Table of Interrals, Series, and Products, Seventh edition [3] N T Thảo, N H Tú, H N Minh, Đ D Tân, T Q Phúc (2021), Đánh giá hiệu NOMA thơng tin vơ tuyến, Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65(08/2021) [4] Y Saito, A Benjebbour, Y Kishiyama and T Nakamura (2015), System-Level Performance of Downlink Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) under Various Environments, 2015 IEEE 81st Vehicular Technology Conference (VTC Spring) [5] Z Ding, X Lei, G K Karagiannidis, R Schober, J Yuan and V Bhargava (2017), A survey on non-orthogonal multiple access for 5G networks: Research challenges and future trends, IEEE J Sel Areas Commun [6] H Đ Bình, L Đ Nguyên (2017), Đánh giá hiệu chế đa truy cập phi trực giao NOMA cho đường lên mạng 5G, Hội nghị lần thứ Điện, Điện tử viễn thơng Tự động hóa 10/2017, Đại học Duy Tân [7] Nguyễn Hải Âu (2021), Đề xuất giải pháp tăng cường khả bảo mật mạng không dây hệ tiếp theo, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Duy Tân 58 PHỤ LỤC Ở phần em cung cấp chi tiết tính tốn cho (2.26) C2 B log (1 g2 2 g 2 a2 e ) dg g 2 a1 2 Đặt a1 P1 , a2 P2 , g x xP 1 xP2 2 C2 log e dx 2 xP 1 B x xP1 1 xP2 P2 dx du xP1 1 xP1 1 xP2 ln xP1 Đặt u log dv e x 2 dx v 2e x 2 x xP1 1 xP2 2 uv vdu log 2e 0 xP1 0 2 P2 x 2 P2 ln e dx ln xP 1 xP 1 xP 2 x P2 2 dx 2e 0 xP1 1 xP1 1 xP2 ln e x 2 2 P2 e ln 0 P1 P1 P2 dx xP1 1 P2 xP1 1 xP2 P2 x 2 x P1 P2 P1 dx e 2 dx xP1 1 P2 xP1 1 xP2 P2 x x P P P P 2 e 2 dx e 2 dx ln P2 xP1 P2 xP1 1 xP2 A B x A e 2 dx xP1 Đặt t xP1 dt P1dx t 1 P12 A e 1 dt tP1 dt dx P1 59 A e P12 P1 1 e t P12 t dt Tương tự với B ta được: B P1 P2 2 e P1 P2 t P1 P2 2 1 e t dt t t P P P P P P e B 2 P2 e e e C2 dt dt 2 ln P2 t P2 t P P P12 2 BP2 e e C2 Ei ( ) Ei ( ) ln P2 P12 P2 P1 P2 2