báo cáo bài tập lớn hệ thống viễn thông đề tài điều chế sóng mang không trực giao noma

So sánh với kỹ thuật OFDMA, NOMA có những hiệu quả đáng mong chờ, mànổi bật trong số đó là tăng hiệu suất sử dụng phổ spectrum efficiency.. Trong bài báo cáo này sẽchủ yếu tập trung vào

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

HỆ THỐNG VIỄN THÔNG

Đề tài:

ĐIỀU CHẾ SÓNG MANG KHÔNG TRỰC GIAO

NOMA

PHẠM MINH HÙNG - 20192886

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT i

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1 CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG 3

2.1 Mã hóa chồng chất – Superposition Coding 3 2.2 Triệt nhiễu nối tiếp – Successive Interference Cancellation 4 2.3 Mô hình hệ thống 5

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 8 CHƯƠNG 4 CÁC VẤN ĐỀ TRONG TRIỂN KHAI 10

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 2.1 Mã hóa SC (a) chòm sao user 1 (c) chòm sao user 2 (c) chòm sao

mã hóa chồng chất 3

Hình 2.2 Giải mã SC tại phía thu 5

Hình 2.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn NOMA và OMA 2User 6

Hình 3.1 Tỉ lệ lỗi bit NOMA và OMA sử dụng điều chế BPSK 8

Hình 3.2 Dung lượng kênh NOMA và OMA 9

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Bên cạnh phương thức đa truy nhập trực giao truyền thống – Orthogonal multiple access (OMA) mà nổi bật là kỹ thuật đa truy nhập trực giao phân chia theo tần số – Orthogonal frequency division multiple access (OFDMA), phương thức đa truy nhập phi trực giao – Non-orthogonal multiple access (NOMA) là một trong những kỹ thuật

đa truy nhập có nhiều tiềm năng tăng cường hiệu quả hoạt động cho mạng di động thế

hệ mới So sánh với kỹ thuật OFDMA, NOMA có những hiệu quả đáng mong chờ, mà nổi bật trong số đó là tăng hiệu suất sử dụng phổ (spectrum efficiency) Có nhiều kỹ thuật NOMA, bao gồm miền năng lượng và miền mã hóa Trong bài báo cáo này sẽ chủ yếu tập trung vào kỹ thuật NOMA trong miền công suất, sử dụng kỹ thuật mã hóa chồng chất – Superposition coding (SC) ở phía phát và kỹ thuật triệt nhiễu nối tiếp – Successive interference cancellation (SIC) ở phía thu của hệ thông Nhiều nghiên cứu

đã chỉ ra rằng kỹ thuật NOMA có thể sử dụng hiệu quả giúp tăng tốc độ truy cập của người dùng trong mạng di động thế hệ thứ 5 (5G) Do đó, chúng em quyết định nghiên cứu và khảo sát về nguyên lý hoạt động, hiệu quả sử dụng và các tiềm năng của kỹ thuật này Bên cạnh đó, báo cáo sẽ cho biết về hiệu năng của kỹ thuật và lợi ích so với kỹ thuật OMA truyền thống

Index Terms—Đa truy nhập phi trực giao (NOMA), đa truy nhập trực giao (OMA), 5G, Multiple Access (MA), Implementation Issues

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

Từ các hệ thống thoại tương tự, cho đến các dịch vụ internet tốc độ cao hiện nay, mỗi thời kỳ phát triển của mạng di động đều có những yêu cầu cụ thể được đặt ra phù hợp với nền tảng và trình độ công nghệ vào thời điểm đó Hiện nay, mạng điện thoại di động đã phát triển tới thế hệ thứ 5 (5G) với mục tiêu đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong cả công nghiệp sản xuất và nhu cầu cá nhân Tốc độ truy cập và trễ điểm tới điểm (end to end latency) sẽ là những thay đổi chính trong mạng di động thế hệ mới Với sự phát triển nhanh chóng của mạng Internet di động và Internet vạn vật, các ứng dụng đòi hỏi tốc độ ngày càng cao Cụ thể với tiêu chuẩn mới của mạng 5G, tốc độ truy cập ở lớp network nên vào khoảng 10 – 20 Gbps (nhanh gấp 10 lần tốc độ tối đa của 4G), tốc độ người dùng ở mức 1 Gbps (gấp 100 lần 4G) Độ trễ điểm điểm cũng rất thấp: 1 mili-giây giúp phục vụ các hệ thống công nghiệp, xe tự hành, v v

Trong các hệ thống 5G sẽ có sự gia tăng đột biến của số lượng các thiết bị kết nối vào mạng do nhu cầu về IoT với lượng thiết bị vô cùng lớn Từ đó việc sử dụng các kỹ thuật đa truy nhập phù hợp là vô cùng cần thiết để đảm bảo kết nối của các thiết bị đầu cuối tới mạng lõi Sử dụng kỹ thuật đa truy cập một cách hợp lý là một nền tảng quan trọng để đạt tới dung lượng mạng yêu cầu Các kỹ thuật đa truy nhập (Multiple access – MA) đã phát triển qua từng thời kỳ với việc sử dụng FDMA trong 1G với việc điều tần tương tự Trong mạng 2G GSM, TDMA được sử dụng Sau đó CDMA được phát triển

và ứng dụng trong mạng di động 3G và OFDMA được sử dụng cho mạng di động thế hệ thứ 4

Các kỹ thuật đa truy nhập hiện thời được chia thành hai hướng, đó là đa truy nhập trực giao (OMA) và đa truy nhập phi trực giao (NOMA) Kỹ thuật trực giao giúp các thiết bị tránh hoàn toàn khỏi việc bị can nhiễu từ các tín hiệu bên ngoài, tín hiệu của mỗi người dùng sẽ được sắp xếp trực giao với nhau TDMA, OFDMA là những kỹ thuật điển hình của đa truy nhập trực giao Trong OFDMA sử dụng kỹ thuật phân chia tần số trực giao, mỗi người dùng sẽ được phân cho các sóng mang con (sub-carrier) được sắp xếp trực giao với nhau Ngược lại với OMA, NOMA cho phép nhiều người dùng được truy cập cùng một tần số vào cùng một thời điểm trong cùng một tế bào Kỹ thuật này mang lại nhiều lợi ích bao gồm việc tăng hiệu suất sử dụng phổ (SE), thông lượng ở rìa tế bào

ổn định, không yêu cầu trạng thái kênh truyền (CSI) và trễ lan truyền thấp Các kỹ thuật NOMA được chia thành hai hướng tiếp cận chính là NOMA miền công suất và NOMA miền mã hóa [1] Bài nghiên cứu này sẽ tập trung vào NOMA miền công suất, sử dụng

mã hóa chồng chất (SC) ở phía phát, qua kênh truyền nhiễu trắng (AWGN) và kênh mô phỏng Rayleigh Ở phía thu sử dụng thuật toán SIC để phát hiện và xử lý được tín hiệu

mong muốn.

Hiện nay, OMA đã được sử dụng thực thế cho các mạng 5G được triển khai và cho hiệu quả tốt Tuy nhiên, mạng 5G đòi hòi nhiều hơn thế, do đó các nhà khoa học cần tiếp tục phát triển và nghiên cứu công nghệ NOMA cho những sự cải thiện về hiệu suất trong trương lai Trong một vài năm qua, NOMA đã thu hút sự chú ý của nhiều nhà khoa học để áp dụng vào trong điều kiện sử dụng thực tế giúp nâng cao hiệu suất mạng đạt tới các tiêu chuẩn lý thuyết của 5G Trong đó có nhiều xu hướng như sử dụng mạng tương

hỗ (cooperative communications), MIMO, mạng lặp (relay networks) sử dụng NOMA Tuy nhiên, việc thực sự đưa vào sử dụng vẫn còn ở phía trước Trong phần II, chúng em

sẽ phân tích về các mô hình hệ thống và nguyên lý hoạt động của NOMA, phần III bao gồm kết quả mô phỏng và so sánh kết quả với đa truy nhập OMA Phần IV sẽ nói về các thách thức khiến NOMA chưa thể ứng dụng vào thực tế Phần cuối cùng sẽ là kết luận cho bài nghiên cứu này

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

Như đã đề cập tới bên trên, NOMA chủ yếu dựa trên việc sử dụng kỹ thuật mã hóa chồng chất SC ở phía phát và kỹ thuật triệt nhiễu nối tiếp SIC ở phía thu Trên thực tế,

cả hai kỹ thuật này đều không mới, nhưng việc sử dụng chúng đưa kỹ thuật NOMA trở thành hiện thực Sau đây sẽ là những giới thiệu vắn tắt về hai kỹ thuật trên

2.1 Mã hóa chồng chất – Superposition Coding

Mã hóa chồng chất đã được ra đời từ năm 1972 bởi T Cover [2] Ý tưởng của kỹ thuật này là việc truyền dữ liệu cùng lúc tới nhiều người dùng sử dụng một nguồn phát duy nhất Tức là, SC sẽ mã hóa thông tin gửi tới trạm thu 1 với trạng thái kênh kém hơn chồng lên thông tin gửi tới trạm thu 2 với trạng thái kênh tốt hơn Như vậy, dữ liệu của

cả hai sẽ được gửi đi một cách đồng thời Ở thời kỳ đầu được đưa ra, SC vẫn chỉ tồn tại trên lý thuyết, những nghiên cứu về kỹ thuật này vẫn tiếp tục phát triển để đưa kỹ thuật này vào thực tế Trong đó, nghiên cứu của S Vanka cùng đồng sự [3] đã giới thiệu một

số phương pháp sử dụng SC trên thực nghiệm mang lại hiệu quả

Với ví dụ cho trường hợp 2 người dùng, trạm phát sẽ mã hóa dữ liệu được truyền của cả hai Hình 1 thể hiện sơ đồ chòm sao tín hiệu của người dùng, ở đây sử dụng điều chế pha nhị phân (QPSK), trong đó tín hiệu sau điều chế của người dùng thứ nhất với công suất mạnh hơn được chồng lên bởi tín hiệu của người dùng thứ hai sử dụng công suất yếu hơn Cuối cùng, ta sẽ thu được tín hiệu sau mã hóa như sau

X (n) = pPβ1 1S n( ) +pPβ2 2S n( ) (2.1) trong đó,βibiểu diễn tỉ lệ trên tổng công suất phát P được chia cho user i,β1+β2= 1

Hình 2.1 Mã hóa SC (a) chòm sao user 1 (c) chòm sao user 2 (c) chòm sao mã hóa chồng chất

2.2 Triệt nhiễu nối tiếp – Successive Interference Cancellation

Để giải mã được tín hiệu đã được chồng chất ở phía thu, Cover cũng cung cấp kỹ thuật SIC [2] Ý tưởng của SIC là việc để một user được giải mã trước, thường là những user có tín hiệu tốt Sau khi dữ liệu của một user được giải mã, nó bị trừ đi khỏi tín hiệu nhận được trước khi user tiếp theo giải mã Như vậy, những user phía sau sẽ không bị ảnh hưởng bởi các tín hiệu mạnh hơn đó Khi một tín hiệu được giải mã trước, nó sẽ coi ảnh hưởng của tín hiệu còn lại do mã hóa chồng chất là nhiễu, sau đó các user tiếp theo

sẽ giải mã với tín hiệu thu được đã bị trừ phần tín hiệu chồng chất trước đi Trước khi

sử dụng SIC, các user sẽ được sắp xếp theo thứ tự dựa theo cường độ tín hiệu của chúng, sao cho những tín hiệu mạnh hơn sẽ được giải mã trước, triệt tiêu khỏi tín hiệu chồng chất SC, từ đó cô lập tín hiệu yếu hơn từ phần còn lại Hình 2 mô tả quá trình giải mãi tín hiệu đã được mã hóa chồng chất ở phía phát Quá trình giải mã được tiến hành như sau:

1 Ở user 1, bản tin S1(n)được giải mã từ tín hiệu Y1(n)bằng cách coiS2(n)là nhiễu

2 User 2 tiến hành các bước như sau để tiến hành khôi phục bản tin từ tín hiệu nhận được Y2( )n

•Giải mã bản tin của user 1 S1( )n

•Triệt tiêu tín hiệupPβ1h S2 1(n)từ tín hiệu nhận đượcY2( )n

Y′

2(n) = Y2(n) −pPβ1 2h S1(n) (2.2) với h2là chanel gain tại user 2

•Giải mã bản tin của user thứ 2 S2(n)từ tín hiệu nhận Y′

2(n)

Hình 2.2 Giải mã SC tại phía thu

2.3 Mô hình hệ thống

Xét trong hệ thống di động đơn tế bào với một trạm phát (BS) và N user phía thu

Ui, i ∈ N = 1 2, , , Ntất cả các thiết bị đều chỉ có 1 anten Hệ thống có thể hoạt động tương tự ngay cả trong đường truyền uplink và downlink, nhưng ở đây chúng ta sẽ chỉ xét với downlink Trạm BS sẽ gửi dữ liệu tới tất cả các người dùng một cách đồng thời, với tổng công suất phát là P Coi kênh truyền là độc lập và được mô hình hóa bằng mô hình fading Rayleigh cùng với nhiễu Gaussian (AWGN) Các kênh truyền sẽ được sắp xếp theo thứ tự tăng dần về độ lợi như sau:0 ≤ |h1| ≤ |h2|2≤ ≤ |hn|2, đồng nghĩa với việc user thứ i Uisẽ có kênh truyền mạnh thứ i trong số các user NOMA cho phép gửi dữ liệu đồng thời tới tất cả các user sử dụng toàn bộ băng thông (BW) để truyền, sử dụng SC ở phía BS và giải mã SIC ở phía các user BS sẽ sử dụng SC để mã hóa dữ liệu chồng chất cho N user đồng thời, mỗi user sẽ được phân phát một tỉ lệ công suất phát βi

ứng với user U(i) trên tổng công suất phát Như vậy, công suất được cấp cho user thứ i là

Pi= βiP Ở phía thu, user thứ i có thể giải mã được tín hiệu của các user phía trước nó, tức là Uicó thể giải mã tín hiệu của các Umvới m < i Các tín hiệu này sau đó sẽ được khử đi khỏi tín hiệu nhận được sau đó giải mã tín hiệu của chính nó Khi đó, các thành phần tín hiệu của các user phía xa hơn Un, với n > i, sẽ được coi là nhiễu Tín hiệu nhận được tại user thứ i có thể được biểu diễn như sau:

Ở đây, x = ∑

i=1

p

PβiSilà tín hiệu chồng chất được mã hóa và truyền đi bởi BS,

Silà dữ liệu đã được điều chế của user thứ i vàwilà nhiễu trắng ở userUivới mean = 0, phương saiσn Trong trường hợp tín hiệu được giải mã hoàn hảo bằng SIC, data rate của Ui với hệ thống có BW = 1 Hz có thể được tính bởi:

Ri= log2(1 + βiP|hi|

2

P|hi|2∑k= +i 1Nβk+ σn ) (2.4)

Hình 2.3 Mô hình hệ thống truyền dẫn NOMA và OMA 2User

Hình 3 biểu diễn một mô hình NOMA sử dụng hai user,đồng thời cũng biểu diễn

mô hình sử dụng OMA trong trường hợp này Đối chiếu sang trường hợp của OMA, cụ

R1= αlog2(1 +P1 1|h |

R1= (1 − α)log2(1 +P2|h2|

2

Dễ dàng nhận thấy từ (5) và (6) rằng thông lượng của hệ thống NOMA được kiểm soát bởi tỉ lệ công suất được phân bổ cho mỗi user, P1/P2 Nếu xét trong cùng một hệ kênh truyền ứng với mỗi user 1 và 2, có thể thấy R1 và R2 được tính bởi (5) và (6) cho

ra kết quả cao hơn đáng kể so với trong trường hợp sử dụng OMA ở công thức (7) và (8) Khi đó, data rate có thể đạt được trong trường hợp NOMA vượt ra ngoài vùng bao phủ tối đa của OMA Do vậy, có thể nhận xét rằng NOMA phù hợp cho việc tăng cường dung lượng kênh cho hệ thống, và là một kỹ thuật tiềm năng cho các hệ thống mạng không dây trong tương lai

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Sử dụng mô hình NOMA với giả lập sử dụng 2 user như bên trên, kênh truyền theo phân bố Rayleigh và nhiễu trắng Phần này sẽ cung cấp một số kết quả mô phỏng cho 1

số trường hợp sử dụng NOMA Kết quả mô phỏng sẽ cho thấy được tỉ lệ lỗi bit (BER) của hệ thống sử dụng NOMA, trong một vài trường hợp khác nhau, đồng thời so sánh với kết quả mô phỏng sử dụng hệ thống OMA trong cùng điều kiện để so sánh

Hình 3.1 Tỉ lệ lỗi bit NOMA và OMA sử dụng điều chế BPSK

Hình 4 mô tả tỉ lệ lỗi bit của một hệ thống truyền dẫn NOMA so sánh với OMA,

số lượng user N = 2, sử dụng điều chế QPSK, tỉ lệ công suất phát của user mạnh hơn so

Hình 3.2 Dung lượng kênh NOMA và OMA

Hình 5 cho thấy dung lượng kênh của hai phương pháp, ở vùng SNR thấp, NOMA thể hiện kém hơn so với OMA, tuy nhiên ở ngưỡng SNR cao hơn, kỹ thuật phi trực giao

đã vượt lên trên và chiếm ưu thế về mặt dung lượng

CHƯƠNG 4 CÁC VẤN ĐỀ TRONG TRIỂN KHAI

Mặc dù có nhiều điểm lợi so với các phương pháp OMA đang được sử dụng, theo L.Hanzo cùng đồng sự [4], các mặt lợi của NOMA có thể kể tới:

•Hiệu quả sử dụng băng thông cao,

•Độ cân bằng khi cung cấp tài nguyên cho các user,

•Đáp ứng số lượng thiết bị lớn,

•Khả năng tương thích với các công nghệ khác cao

•Độ phức tạp thuật toán không quá cao

Tuy nhiên, vẫn còn các vấn đề khiến NOMA chưa thể được đưa vào triển khai trên thực tế, cụ thể như sau:

•Độ phức tạp giải mã: Việc giải mã SIC khiến cho thiết bị thu phải giải mã ra được tín hiệu của các người dùng khác trước khi chiết tách ra được dữ liệu của mình, do

đó độ phức tạp sẽ cao hơn, đặc biệt khi số người dùng cao

•Lỗi lan truyền: Việc giải mã liên tiếp như vậy có rủi ro rằng khi tín hiệu của một người dùng bị giải mã sai thì các người dùng khác sẽ phải chịu ảnh hưởng tương tự làm giảm chất lượng tín hiệu đi rất nhiều

•Thuật toán phân chia công suất: Làm sao để có thể phân chia công suất đến điểm phù hợp để đạt được hiệu quả lớn nhất cũng là một bài toán cần giải quyết Các thuật toán tìm kiếm lần lượt có thể tiêu tốn rất nhiều thời gian và đòi hỏi khả năng tính toán

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] S.M Riazul Islam, Nurilla Avazov, Octavia A Dobre, and Kyung-Sup Kwa,

"Power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) in 5G systems: potentials and challenges" IEEE Communications Surveys and Tutorials (Volume: 19, Issue: 2, Sec-ondquarter 2017)

[2] Thomas Cover, "Broadcast channels", IEEE Transactions on Information The-ory ( Volume: 18, Issue: 1, Jan 1972)

[3] S Vanka, S Srinivasa, Z Gong, P Vizi, K Stamatiou and M Haenggi, "Su-perposition Coding strategies: design and experimental evaluation", IEEE Transactions

on Wiresless Communication, VOL 11, NO 7, JULY 201

[4] Yuanwei Liu; Zhijin Qin; Maged Elkashlan; Zhiguo Ding; Arumugam Nal-lanathan; Lajos Hanzo, "Nonorthogonal multiple access for 5G and beyond", Proceed-ings of the IEEE (Volume: 105, Issue: 12, Dec 2017)