THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2018 GVHD TS PHẠM NGỌC SƠN SVTH NGÔ ĐỨC TÀI S K L[.]
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THƠNG PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HƯỚNG XUỐNG CỦA ĐA TRUY CẬP KHÔNG TRỰC GIAO TRONG MẠNG HỢP TÁC GVHD: TS PHẠM NGỌC SƠN SVTH : NGƠ ĐỨC TÀI SKL009974 Tp Hồ Chí Minh, tháng 1/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ BỘ MƠN ĐIỆN TỬ VIỄN THƠNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HƯỚNG XUỐNG CỦA ĐA TRUY CẬP KHÔNG TRỰC GIAO TRONG MẠNG HỢP TÁC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG Sinh viên: NGÔ ĐỨC TÀI Mssv: 13141545 Hướng dẫn: TS PHẠM NGỌC SƠN i ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HƯỚNG XUỐNG CỦA ĐA TRUY CẬP KHÔNG TRỰC GIAO TRONG MẠNG HỢP TÁC NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - TRUYỀN THÔNG Sinh viên: NGƠ ĐỨC TÀI Mssv: 13141545 TP.HỒ CHÍ MINH – 1/2018 ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên người thực đề tài xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tạo mơi trường học tập tốt điều kiện thuận lợi để thực đề tài Người thực đề tài xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Phạm Ngọc Sơn, giảng viên Bộ môn Điện tử viễn thông trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, người tận tình trực tiếp hướng dẫn, bảo động viên tơi suốt q trình thực đề tài Tôi xin chân thành cảm ơn quý thầy cô trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh nói chung khoa Đào tạo chất lượng cao nói riêng tận tình dạy dỗ, truyền đạt cho tơi kiến thức sở chun ngành, giúp tơi có tảng kiến thức hoàn thành đề tài Người thực đề tài xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, ln tạo điều kiện, quan tâm, giúp đỡ, động viên tơi suốt q trình học tập hoàn thành dề tài Xin chân thành cảm ơn ! Tp Hồ Chí minh, ngày tháng Người thực đề tài Ngơ Đức Tài i năm TĨM TẮT Trong năm gần đây, NOMA thu hút nhiều ý nhà nghiên cứu để đáp ứng yêu cầu mạng 5G NOMA kỹ thuật truy cập vô tuyến đầy triển vọng để nâng cao hiệu suất hệ mạng tế bào Kỹ thuật đa truy cập phân thành hai loại đa truy cập trực giao (OMA) đa truy cập phi trực giao (NOMA) Đa truy cập trực giao cho phép bên nhận tách tín hiệu mong muốn từ tín hiệu khơng mong muốn cách sử dụng hàm Đa truy cập phi trực giao cho phép phân bố tần số cho nhiều user thời điểm cell đưa số cải tiến cải thiện hiệu suất phổ, tăng thông lượng cho user Trong đề tài nghiên cứu, tập trung phân tích, mơ xác suất dừng (OP) ii DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Mơ hình đường xuống với k user Hình 2.2 Hình vẽ minh hoạ mơ hình kênh Gaussian phân bố r(t) Hình 2.3 Fading Rayleigh thiết bị di động di chuyển (ở tần số 900Mhz) Hình 2.4 Hình vẽ minh hoạ mơ hình kênh Rician phân bố r(t) Hình 2.5 Mơ hình kênh AWGN Hình 3.1 Mơ hình hệ thống hợp tác NOMA đường xuống Hình 4.1 Lưu đồ chương trình Hình 4.2 Lưu đồ chương trình OP_SM Hình 4.3 Lưu đồ chương trình OP_LT Hình 4.4 Xác suất dừng với m = 1, m = 2, m = iii CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Giải thích AF DF Amplify and forward Decode and forward Khuếch đại chuyển tiếp Giải mã chuyển tiếp ADF Decode, Amplify and Forward Giải mã, khuếch đại chuyển tiếp MIMO Multi Input Multi Output Kỹ thuật sử dụng nhiều ăng-ten phát nhiều ăng-ten thu SNR QoS Signal-to-Noise Ratio Quality of Service Tỷ số tín hiệu nhiễu Chất lượng dịch vụ PDF Probability Density Function Hàm mật độ xác suất CDF Cumulative Distribution Function Hàm phân phối tích lũy HD Half duplex Bán song cơng FD Full duplex Song cơng LoS Light of Sight Tầm nhìn thẳng HDR Half duplex relay Bán song công chuyển tiếp FDR Full duplex relay Song công chuyển tiếp BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit SER Symbol Error Rate Tốc độ lỗi ký hiệu TSR Time switching-based relaying chuyển mạch thời gian PSR Power splitting-based relaying Kiến trúc chia công suất iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT ii DANH MỤC HÌNH iii CÁC TỪ VIẾT TẮT iv CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.3 NHIỆM VỤ VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 1.3.1 Nhiệm vụ 1.3.2 Giới hạn 1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.5 BỐ CỤC ĐỀ TÀI 10 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 11 2.1 TỔNG QUAN VỀ ĐA TRUY CẬP 11 2.1.1 CDMA 11 2.1.2 TDMA 15 2.1.3 FDMA 16 2.2 KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO 17 2.2.1 Nguyên tắc truyền nhận tín hiệu đa truy cập không trực giao hướng xuống 18 2.3 HỆ THỐNG KIẾN THỨC LIÊN QUAN 19 2.3.1 Xác suất dừng 19 2.3.2 Kênh Gaussian 19 2.3.3 Kênh Rayleigh Fading 20 2.3.4 Mơ hình kênh AWGN 21 2.3.5 Hàm phân phối xác suất tích lũy hàm mật độ xác suất biến ngẫu nhiên 23 v 2.3.7 Phương pháp loại bỏ giao thoa cách SIC (Successive Interference Cancellation) 24 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HỆ THỐNG 26 3.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG NOMA HƯỚNG XUỐNG TRONG MẠNG HỢP TÁC 26 3.2 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG 28 3.2.1 Xác suất dừng 28 3.2.2 Phân tích xác suất dừng 29 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 31 4.1 Thông số mô lưu đồ giải thuật 31 4.1.1 Các thông số mô phỏng: 31 4.1.2 Lưu đồ giải thuật 31 4.2 Kết đánh giá 36 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 37 5.1 Kết luận 37 5.2 Hướng phát triển 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO 38 vi vii nhận lặp lại phép trừ tìm thấy tín hiệu riêng UE nằm gần với BS loại bỏ tín hiệu UE xa Để hiểu rõ SIC, ta xét nguồn phát tín hiệu cho UE lúc có tần số băng thơng, UE tín hiệu nhận gồm tín hiệu trên, UE giải mã tín hiệu mạnh trước xem tín hiệu nhiễu Khi tín hiệu đầu giải mã thành cơng, bị loại trừ ra, lúc ta cịn tín hiệu 3, q trinh SIC lặp lại ta giải mã tín hiệu mong muốn 25 CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH HỆ THỐNG 3.1 MƠ HÌNH HỆ THỐNG NOMA HƯỚNG XUỐNG TRONG MẠNG HỢP TÁC Tất nút giả sử có 01 ănten hoạt động chế độ bán song cơng (half-duplex) Do đó, truyền liệu nguồn đích (hoặc thơng qua nút chuyển tiếp chọn) thực 01 khe thời gian 02 khe thời gian Ở khe thời gian thứ nhất, nút nguồn kết hợp 02 liệu xm xn lại gửi đến nút đích Bởi tính chất quảng bá kênh truyền, nút chuyển tiếp nhận liệu Theo kỹ thuật NOMA, liệu xm xn cộng cách tuyến tính dạng sau Xem xét kịch tế bào mạng hợp tác đường xuống thể hình 3.1 Một trạm sở S dự định truyền thông tin cho người dùng di động M với trợ giúp relay R, liên kết trực tiếp trạm gốc người sử dụng di động tồn Hình 3.1 Mơ hình hệ thống hợp tác NOMA đường xuống Chúng ta giả định tất nút thiết bị gồm ăng-ten hoạt động chế độ bán song cơng (HD) Để đơn giản hóa việc tính toán, hạn chế ý vào topo mạng thống nhất, nơi mà tất liên kết không dây hiển thị tần số không chọn lọc Rayleigh thêm nhiễu Gaussian trắng (AWGN) Hệ số kênh phức S R biểu diễn hSR ~ 0, SR , hệ số kênh phức R Dk biểu thị hRDk ~ 0, RD , kênh phức hệ số 26 S Dk biểu 0, SD Khơng làm tính tổng qt, ta giả sử kênh người hSDk ~ dùng lệnh hSD 2 hSD2 hSDM Xem xét user thứ m user thứ n, m < n, ghép nối để thực NOMA Công suất phát S R ký hiệu PS PR , tương ứng Chúng ta sử dụng lược đồ AF thông thường cho hệ thống hợp tác NOMA hướng xuống Hai giai đoạn liên tiếp tham gia để hồn thành việc trao đổi thơng tin Trong giai đoạn đầu, trạm sở S phát sóng xS , R , Dm , Dn lắng nghe xS kết điều chế mã hoá hai người dùng biểu diễn cơng thức: xS am PS xm an PS xn , với am an , am an hệ số phân bổ hiệu suất am an Các tín hiệu nhận R , Dm , Dn cho bởi: R hSR xS nR hSR am PS xm an PS xn nR D hSD xS nD hSD m m m m D hSD xS nD hSD n n n n am PS xm an PS xn nDm , (3.2) am PS xm an PS xn nDn , (3.3) C 0, R nDi Với nR , (3.1) C 0, Di , i m , n biểu thị AWGN Trong giai đoạn thứ hai, R phát sóng R sau nhân với độ lợi khuếch đại G PR / PS hSR R Do đó, tín hiệu thu Dm Dn biểu diễn sau: RD GhRD hSR am PS xm an PS xn GhRDm nR nRDm , (3.4) RD GhRD hSR am PS xm an PS xn GhRDn nR nRDn , (3.5) m m n n Với nRD n C 0, RD , i m , n biểu thị AWGN Với tổn hao chung, ta giả sử R D RD , PS PR P xác định P / để biểu diễn hệ số SNR Do đó, giai đoạn đầu tiên, tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SINR) Dm cho SD m am hSDm 2 an hSDm , (3.6) 27 SIC thực Dn User thứ n phát thông điệp user thứ m sau loại bỏ thơng báo từ quan sát SINR tức thời cho user thứ n để phát thông điệp người sử dụng thứ cho SR mn am hSDn an hSDn , (3.7) SINR tức thời Dn cho SD an hSD , n (3.8) n Trong giai đoạn thứ hai, SINR tức thời người dùng thứ liên quan đến liên kết R Dm biểu diễn RD m am hRDm an hRDm 2 hSR 2 hSR hRDm hSR 2 1 , (3.9) SINR tức thời Dn cho người sử dụng thứ n để phát thông điệp người sử dụng thứ m SINR tức thời người thứ n liên quan đến liên kết R Dn biểu diễn sau RD m n am hRDn an hRDm 2 hSR 2 hSR hRDn hSR 2 1 , (3.10) RD n an hRDn hRD n 2 hSR hSR 2 1 , (3.11) Cuối cùng, thiết bị đầu cuối xử lý tín hiệu nhận trình truyền hai pha cách sử dụng lựa chọn kết hợp 3.2 PHÂN TÍCH HIỆU NĂNG HỆ THỐNG 3.2.1 Xác suất dừng Trong phần này, xem xét SINR mục tiêu hai user xác định chất lượng dịch vụ user (QoS), có nghĩa user có mục tiêu đặt trước SINR, th i , i m , n Trong trường hợp này, điều quan trọng phải kiểm tra xác suất hai user ghép nối 28 3.2.2 Phân tích xác suất dừng Từ mơ tả chương trình phần cuối cùng, xác suất lỗi xảy việc truyền trực tiếp chuyển tiếp relay khơng thành cơng Do đó, xác suất bị gián đoạn user mth thể sau [1] n Pout Pr max SDm , RDm th m Pr SDm th m Pr RDm th m , (3.12) Với trợ giúp thuật toán thống kê, pdf hSD cho công m thức (3.9) f hSDm x M! f x M m ! m 1! hSD Fh x SD m 1 M m 1 F x hSD , M! m1 m 1 M m ! m 1! SD k 0 k (3.13) 1 e x M m k 1 / SD k Trong công thức tiếp theo, Pr SD th m Pr RDm th m đạt m Pr SDm th m a h m SDm Pr th m a h 1 n SDm th m hSDm a am an th m M! m 1 m 1 M m ! m 1! SD k 0 k 1 k e x M m k 1 / SD , (3.14) dx m 1 k 1 k 0 k m 1 M! M m ! m 1! SD M m k 1 / SD 1 e M m k 1 Lưu ý bước a thu cách giả sử điều kiện sau giữ 29 am , an th m (3.15) Khi điều kiện không thỏa mãn, xác suất lỗi user luôn Pr RDm th m 2 a h h m RDm SR Pr th m 2 2 an hRDm hSR hRDm hSR 1 h , h h f x Pr hRDm Pr hSR Pr hRDm 1 y y 1 e RDm RDm RDm hRDm x / SR e dxdy SR 1 2 y / RD 1 y / y SR e e dy RD 1/ SR 1/ RD b (3.16) 4 1 4 1 K , SR RD SR RD bước b thu với trợ giúp công thức (3.10) K1 hàm Bessel sửa đổi lần thứ Bằng cách thay công thức (3.14) (3.16) vào công thức (3.12), biểu thức dạng đóng cho xác suất bị gián đoạn user mth viết sau 30 M! m1 m 1 k k 1 M m ! m 1! SD k 0 m Pout M m k 1 / SD 1 e M m k 1 4 1 4 1 1/ 1/ 1 e SR RD K1 SR RD SR RD CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 4.1 Thơng số mô lưu đồ giải thuật 4.1.1 Các thông số mô phỏng: SD = 1, RD 1 d M = 4, am / , an 1/ th m = dB, d = 0.5, = 4.1.2 Lưu đồ giải thuật 31 (3.17) Bắt đầu Gán giá trị ban đầu cho biến Khởi tạo mảng SNR_DB KK = KK ≤ Length(SNR_DB) SAI ĐÚNG Bit_frame(ii) = x 10^4 ii + OP_LT OP_SM Kết thúc Hình 4.1 Lưu đồ chương trình 32 Bắt đầu SNR_DB,Bit_frame, OhmSDm,OhmSR,FIG Gán giá trị ban đầu cho biến KK = KK ≤ length(SNR_DB) SAI ĐÚNG Bit_num = Bit_num ≤ Bit_frame(KK) SAI ĐÚNG hSDm, hRDm, hSR Bit_num + KK + Vẽ đồ thị Kết thúc Hình 4.2 Lưu đồ chương trình OP_SM 33 Bắt đầu SNR_DB,Bit_frame OhmSDm,OhmSR,FIG KK = KK ≤ length(SNR_DB) SAI ĐÚNG Bit_num = Bit_num ≤ Bit_frame(kk) SAI ĐÚNG K=0 K≤m-1 SAI ĐÚNG Tính SE1(kk) K+1 Tính Pout Bit_num + KK + Vẽ đồ thị Kết thúc Hình 4.3 Lưu đồ chương trình OP_LT 34 Hình 4.4 Xác suất dừng với m = 1, m = 2, m = - 35 4.2 Kết đánh giá Từ kết trên, rút số nhận xét cho mơ hình đa truy cập không trực giao mạng hợp tác sau: - Các kết phân tích lý thuyết trùng với nhau, điều minh chứng phân tích mơ luận văn xác - Xác suất dừng liên kết trực tiếp tốt truyền chuyển tiếp qua nút chuyển tiếp 36 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Trong luận văn hoàn thành mục tiêu đề ra, cụ thể: Nghiên cứu hiệu mạng vô tuyến nhận thức dạng ảnh hưởng giao thoa định mức fading kênh truyền Sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA) để nâng cao thông lượng cho mạng khảo sát Sử dụng truyền thông cộng tác tăng cường nhằm nâng cao độ lợi phân tập chất lượng dịch vụ cho mạng vô tuyến nhận thức Đưa biểu thức tốn học đánh giá thơng số hiệu mạng xác suất dừng thông lượng mạng Tiến hành mơ để kiểm chứng tính xác biểu thức tốn học 5.2 Hướng phát triển Mơ hình đề xuất phát triển mơ hình có nhiều người dùng sơ cấp Mơ hình đề xuất phát triển mơ hình mà nút trang bị với nhiều ănten 37 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jinjin Men, Jianhua Ge, Performance analysis of non-orthogonal multiple access in downlink cooperative network - Russell W Burns IET, 2015 [2] Nguyễn Văn Đức, “Lý thuyết kênh truyền vô tuyến”, NXB Khoa học kỹ thuật, 2006 [3] Trần Xuân Nam MÔ PHỎNG MẠCH VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN VÔ TUYẾN SỬ DỤNGNG MATLAB [4] Nguyễn Đức Nhân, “Bài giảng mô hệ thống truyền thông”, Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, Hà Nội, 2014 [5] Nguyễn Tạ Thái, “Đánh giá ảnh hưởng kênh Fading tới điều chế không gian” Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội, 2017 [6] Nguyễn Phạm Anh Dũng, “Lý thuyết trải phổ đa truy nhập vơ tuyến”, Học viện cơng nghệ Bưu Chính Viễn Thông , Hà Nội, 2006 [7] Nguyễn Đại Thắng, “Nghiên cứu đánh giá hiệu mơ hình truyền thơng cộng tác tăng cường mạng vô tuyến nhận thức dạng với đa truy nhập không trực giao” Luận văn thạc sĩ kỹ thuật, Học viện công nghệ Bưu Chính Viễn Thơng, thành phố Hồ Chí Minh, 2017 38 S K L 0