Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận văn bao gồm các điểm cơ bản sau:
• Xây dựng mô hình hệ thống đa truy cập không trực giao NOMA tại nút chuyển tiếp trong hệ thống vô tuyến nhận thức 2 người dùng.
• Áp dụng mô hình mạng học sâu DNN trong việc dự đoán xác suất dừng nhằm nâng cao hiệu năng của hệ thống.
• Xây dựng chương trình mô phỏng để đánh giá hiệu năng của hệ thống vô tuyến nhận thức NOMA 2 người dùng.
Các nghiên cứu liên quan
Gần đây có nhiều bài báo công bố về công nghệ NOMA như mô hình ứng dụng D2D tại nút chuyển tiếp trong hệ thống MOMA để tăng cường khả năng chuyến tiếp tín hiệu đến người dùng vùng biên cell trong vùng có điều kiện kênh truyền kém [4], hay tại nút chuyển tiếp ứng dụng D2D để tăng cường dung lượng của hệ thống trong pha chuyển tiếp thứ hai [5] Tăng cường tổng tốc độ truyền và mở rộng vùng phủ sóng với [6] và một nghiên cứu khác trong đề xuất thuật toán tìm kiếm tối ưu trong việc cải thiện hiệu suất năng lượng cho các người dùng D2D [7].
Hệ thống vô tuyến nhận thức NOMA với nút chuyển tiếp và nút đích có nhiều anten [8] Mô hình can nhiễu đồng kênh và sự ảnh hưởng của nhiễu nhiệt lên hiệu suất hệ thống trong [9] với nút chuyển tiếp thực hiện giải mã sau đó mã hóa chuyến tiếp tín hiệu đến người dùng, hay với nút chuyển tiếp khuếch đại [10] Xác suất lỗi
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU TỔNG QUAN bit với nút chuyển tiếp khuếch đại tối ưu [11] và xác suất dừng với khử can nhiễu SIC không hoàn hảo trong [12], hay lý thuyết về phân chia phổ tài nguyên tối ưu trong [13].
Bên cạnh đó việc nghiên cứu ứng dụng mạng học sâu vào các mô hình truyền thông cũng đang là xu thế nghiên cứu mới hiện nay điển hình là một số nghiên cứu: đánh giá hiệu suất bằng mạng học sâu mô hình truyền thông gói ngắn trong mạng IoT nhận thức được hỗ trợ không dây [14], ứng dụng mạng học sâu DNN cho việc quản lý tài nguyên trong mạng đa truy cập không trực giao NOMA [15], hay phân tích hiệu suất và đánh giá bằng DNN trong việc tăng cường độ bảo mật vật lý của các hệ thống NOMA bằng cách sử dụng gây nhiễu và lựa chọn người dùng [16].
Đối tượng và pham vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ thực hiện luận văn, mô hình hệ thống được xây dựng dựa trên kỹ thuật đa truy cập không trực giao NOMA kết hợp nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) trong hệ thống vô tuyến nhận thức phục vụ 2 người dùng Đồng thời nghiên cứu áp dụng mô hình mạng học sâu DNN nhằm đánh giá hiệu năng của hệ thống.
Các kết quả thu được từ quá trình tính toán và mô phỏng ngoài việc phục vụ cho việc nghiên cứu và đánh giá sâu hơn về các kỹ thuật như NOMA, mạng vô tuyến nhận thức, mạng DNN, nó còn mang giá trị tham khảo để có thể xây dựng hệ thống trong thực tế Tuy nhiên, để áp dụng vào thực tế còn phụ thuộc vào nhiều yêu cầu về nền tảng kỹ thuật, công nghệ, điều kiện thời gian, đáp ứng công nghiệp, và điều kiện kinh tế - xã hội.
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn trong luận văn là áp dụng lý thuyết đã được nghiên cứu, kiểm chứng trong các tài liệu khoa học được công bố bởi các tổ chức uy tín để xây dựng mô hình, công thức tính toán Kết quả sẽ được mô phỏng bằng phần mềm MATLAB trên máy tính và trên tensoflow phiên bản 2.1.0 với Python3.7.9 kết hơp Keras 2.3.1 cùng với công cụ hỗ trợ tối ưu hóa độ chính xác Adam optimize, để đánh giá tính khả thi của mô hình đã xây dựng và đưa ra các hướng phát triển trong tương lai.
LÝ THUYẾT TỔNG QUAN 5
Kỹ thuật đa truy cập không trực giao (NOMA)
Trong lịch sử của truyền thông không dây, từ thế hệ đầu tiên (1G) đến thế hệ thứ 4 (4G), các mô hình đa truy cập được coi là chìa khóa công nghệ để phân biệt các hệ thống không dây khác nhau Các mô hình đa truy cập được biết đến như là đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA) cho 1G, đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA) hầu hết cho thế hệ thứ 2 (2G), đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) cho thế hệ thứ 3 (3G), và đa truy cập chia theo tần số trực giao (OFDM) cho thế hệ (4G) Trong các mô hình đa truy cập trực giao thông thường này, các người dùng khác nhau được phân bổ các nguồn tài nguyên trực giao nhau trong miền thời gian, tần số hoặc mã theo bậc để tránh hoặc làm giảm bớt khả năng gây nhiễu giữa các người dùng với nhau Trong trường hợp này, độ lợi ghép kênh có thể đạt được với khả năng kết hợp một cách hợp lý Tuy nhiên sự phát triển nhanh của các mạng di động có thể tăng lên 1000 lần lưu lượng vào năm 2021 cho mạng thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G) Do đó hiệu suất phổ tần trở thành một vấn đề thách thức khi mà lưu lượng dữ liệu ngày càng tăng Hơn nữa, do sự phát triển nhanh chóng của IoT (Internet of Things), nên cần phải cải tiến công nghệ truy cập nhằm hỗ trợ kết nối tối đa của người dùng hoặc các thiết bị để đáp ứng được yêu cầu cho độ trễ thấp, chi phí thiết bị thấp, và tương thích với các kiểu dịch vụ khác nhau Để đáp ứng được những yêu cầu này, nâng cao công nghệ là điều cần thiết Một vài ứng viên tiềm năng cho mạng thế hệ thứ 5 (5G), chẳng hạn như kỹ thuật massive MIMO [17], truyền thông sóng millimeter [18], và kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA). Trong luận văn này, học viên chú trọng đến kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA), kỹ thuật này được chọn là đặc trưng cho mạng 5G và được mong chờ giúp cho thông lượng của hệ thống tăng lên cao hơn và kết nối được nhiều người dùng hơn NOMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ nguồn tài nguyên như là thời gian và tần số trong cùng lớp không gian giống nhau thông qua miền ghép kênh mới, đó là miền công suất.
2.1.2 Mô tả hoạt động Để làm rõ hơn cách thức hoạt động của mô hình đa truy nhập không trực giao (NOMA), trong khuôn khổ của đề tài luận văn, học viên mô tả một kỹ thuật cơ bản đó là kỹ thuật NOMA đường xuống.
Như trong Hình 2.1, mô hình NOMA đường xuống bao gồm một trạm gốc (S), và hai thiết bị người dùng lần lượt là người dùng thứ nhất (D1) và người dùng thứ 2 (D2) Để đơn giản, ta chỉ xem xét các nút hoạt động chỉ có một ăng-ten Tổng băng thông chuẩn hóa trong hệ thống được giả sử bằng 1 Hz,S truyền tín hiệu đi là x, trong đóx=x1+x2vớix1vàx2lần lượt là tín hiệu của hai người dùng làD1vàD2với E{|x1| 2 } =P1và E{|x2| 2 }=P2 Tổng công suất phát của trạm gốc (S) làPT =P1+P2.
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Hình 2.1: Mô hình NOMA đường xuống
Tín hiệu nhận được tại hai người dùng như sau: yi =hix+ni (2.1) trong đói= {1,2},h i là hệ số kênh truyền giữaSvàD i ,n i là nhiễu cộng hay nhiễu Gauss của hệ thống. Mật độ phổ công suất nhiễu củan i làN 0,i Trong kỹ thuật NOMA đường xuống, tín hiệu được phát đi tạiS truyền tới hai người dùng đều làx Do đó sự phân tách tín hiệu tại phía các người dùng (Di), vớii={1,2} cần được thực hiện để mỗi người dùngDicó thể nhận biết được tín hiệu của chính nó Để thực hiện được điều này thì tại mỗiDicần phải sử dụng kỹ thuật khử can nhiễu tuần tự (SIC) Trong kỹ thuật này, dựa vào thông tin hệ số kênh truyền trước đó màSsẽ phân bổ các mức công suất khác nhau, nếu ở gần sẽ phân bổ mức công suất ít hơn và ở xa thì ngược lại Tiếp theo, người dùng sẽ tiến hành giải mã tín hiệu nào có hệ số kênh truyền yếu nhất, quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi giải mã được tín hiệu của chính nó Trong mô hình này, giả sử rằng h1vàh2lần lượt là hệ số kênh truyền củaD1vàD2, và|h1| 2
Vì vậy, tạiD1sử dụng phương thức khử can nhiễu tuần tự (SIC) như sau,D2không thực hiện việc hủy can nhiễu trước vì tín hiệu từStruyền tớiD1 trước, tạiD 1 tiến hành giải mã tín hiệux 2 củaD 2 trước và xem tín hiệu củaD 1 như là can nhiễu Vì vậy, tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng can nhiễu (SINR)γ 12 củax 2 tạiD 1 là γ12= P2|h1| 2
(2.2)Trong (2.2),P 2 là công suất được phân bổ choD 2 ,P 1 là công suất được phân bổ choD 1 ,|h 1 | 2 là độ lợi kênh truyền giữaSvàD1vàN0,1được định nghĩa là phương sai của nhiễu cộng tạiD1.
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Sau khi giải mã xong tín hiệu củaD2rồi,D1tiến hành trừ tín hiệux2củaD2ra và tiếp tục giải mã tín hiệu x1của chínhD1 Giả sử rằng việc khử can nhiễu tuần tự là hoàn hảo, ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu (γ1) củax1 tạiD1là γ1=P 1 |h1| 2
Giả sử quá trình giải mã các tín hiệux1vàx2tạiD1thành công, và trong quá trình truyền không xảy ra lỗi Dựa vào tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến,D1sẽ gửi một mã xác nhận để truyền tới các thiết bị khác để các thiết bị khác nhận được TạiD2(không sử dụng SIC), sau khi đã nhận tín hiệuxtừS, cùng với mã xác nhận củaD 1 gửi tới nên tỉ số tín hiệu trên nhiễu (γ 2 ) nhận được tạiD 2 là γ 2 = P 2 |h 2 | 2
Trong (2.4),|h2| 2 là độ lợi kênh truyền giữaSvàD2,N0,2được định nghĩa là phương sai của nhiễu Gauss tạiD2.
Phân bổ công suất khác nhau cho từng người dùng trong hệ thống truyền thông sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của họ, cũng như các kỹ thuật điều chế và mã hóa được sử dụng để truyền dữ liệu Người dùng đầu tiên, sau khi giải mã tín hiệu của mình, sẽ chuyển tiếp thông tin đó cho người dùng thứ hai Người dùng thứ hai sẽ coi tín hiệu của người dùng đầu tiên là nhiễu và loại bỏ nó trước khi giải mã tín hiệu của chính họ.
2.1.3 Khử can nhiễu tuần tự (SIC) Đầu tiên, T Cover đã đề xuất kỹ thuật SIC để giải mã thông tin chồng lên nhau ở mỗi máy thu [19] SIC có thể được hiểu là cách khai thác các thông số kỹ thuật về sự khác biệt về cường độ tín hiệu giữa các tín hiệu đáng quan tâm Ý tưởng cơ bản của SIC là tín hiệu người dùng được giải mã tuần tự Sau khi một tín hiệu người dùng được giải mã, nó sẽ bị trừ khỏi tín hiệu kết hợp trước khi tín hiệu người dùng tiếp theo được giải mã Khi SIC được áp dụng, một trong các tín hiệu người dùng được giải mã, coi tín hiệu của người dùng khác là can nhiễu, những tín hiệu sau đó được giải mã với lợi ích của tín hiệu trước đã bị loại bỏ.
Tuy nhiên, quá trình tiền xử lý để có thể áp dụng SIC là người dùng được đánh chỉ số theo tham số cường độ tín hiệu, với mục đích người nhận có thể giải mã tín hiệu mạnh hơn tín hiệu của mình trước: trừ tín hiệu kết hợp và tách tín hiệu yếu hơn khỏi dư lượng Lưu ý rằng, mỗi người dùng được giải mã và coi tín hiệu của người dùng khác là can nhiễu trong việc thu tín hiệu.
Tóm lại, quá trình cụ thể liên quan đến giải mã các thông điệp chồng lấn có thể được biểu diễn bằng toán học [20] (với giả sử số người dùng là hai và người dùng thứ hai gần BS hơn người dùng thứ nhất) như sau:
• Tại người dùng thứ nhất, dùng bộ giải mã một người dùng giải mã tin của người dùng thứ nhấtS1(n) bằng cách xử lý tin của người dùng thứ haiS2(n)như can nhiễu.
• Tại người dùng thứ hai, thực hiện các bước sau để khôi phục tuần tự tin của mình từ tín hiệu nhận được
− Giải mã tin của người dùng thứ nhấtS1(n)bằng cách sử dụng bộ giải mã một người dùng.
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
P α1h2S1(n)từ tín hiệu nhận đượcY2(n): γ 1 =P 1 |h 1 | 2
(2.5) vớiPlà công suất máy phát,α1là hệ số phân bổ năng lượng cho người dùng thứi,hilà hệ số kênh truyền giữa BS và người dùng thứi.
− Giải mã tin của người dùng thứ haiS 2 (n)bằng cách áp dụng bộ giải mã một người dùng còn lại trênY 2 0 (n)
Bài toán tổng quát đa người dùng được phân tích và trình bày trong [21] có thể được phát biểu như sau: Giả sử tất cả người dùng đều được trang bị kỹ thuật SIC,h m là hệ số kênh từ BS đến người dùng thứm. Để không mất tính tổng quát, tác giả đã giả sử|h 2 1 | ≤ ≤ |h 2 M | Rõ ràng,h m tỉ lệ nghịch với khoảng cách do hm= √ g m
1+d α m Có nghĩa là, người dùng thứmnằm gần BS hơn người dùng thứivớii < m Có thể vẽ lại mô hình như Hình 2.2, sắp xếp các người dùng nằm trên cùng đường thẳng để dễ xét:
Hình 2.2: Mô hình NOMA đường xuống nhiều người dùng
Vô tuyến nhận thức (CR)
Vô tuyến nhận thức (VNRC) là mô hình kỹ thuật mới cho phép thiết bị nhận thức được thực thể xung quanh, nhạy bén với các thay đổi trong môi trường và có thể tương tác thích ứng với môi trường, nhờ đó có thể tự cấu hình mạng hoặc sắp xếp lại VNRC là khái niệm hoàn toàn mới đối với các nghiên cứu tại Việt Nam Hiện nay, có nhiều định nghĩa khác nhau về VNRC.
Theo [22] vô tuyến nhận thức là một hệ thống có khả năng nhận biết môi trường xung quanh và điều chỉnh các các tham số hoạt động của nó để tối ưu hoá hệ thống dưới dạng: tối đa băng thông, giảm can nhiễu, truy nhập phổ tần động. Định nghĩa do giáo sư Simon Hayskin - cha đẻ của vô tuyến nhận thức [23]: vô tuyến nhận thức là một hệ thống truyền thông không dây thông minh có khả nhận biết được môi trường xung quanh và từ môi trường nó sẽ thích nghi với sự thay đổi của môi trường bằng cách thay đổi các thông số tương ứng (công suất truyền, tần số sóng mang, phương pháp điều chế) trong thời gian thực với hai vấn đề chính: i) truyền thông với độ tin cậy cao bất cứ khi nào và bất cứ nơi đâu và ii) sử dụng hiệu quả phổ vô tuyến
Theo IEEE: Vô tuyến nhận thức là hệ thống phát/nhận tần số vô tuyến mà được thiết kế để thông minh phát hiện một khoảng phổ đang sử dụng hay không, và nhảy (hoặc thoát khỏi nếu cần thiết) rất nhanh qua một khoảng phổ tạm thời không sử dụng khác, nhằm không gây nhiễu cho các hệ thống được cấp phép khác.
2.2.2 Kiến trúc vật lý của vô tuyến nhận thức
Bộ phận chính của hệ thống thu phát vô tuyến nhận thức gồm hai phần là phần cao tần (RF front end), như trình bày ở Hình 2.4, và phần xử lý băng gốc (baseband processing unit) Hai bộ phận đều có thể được tái cấu hình thông qua đường điều khiển (control) nhằm thích nghi với các điều kiện thay đổi liên tục của môi trường. Phần xử lí băng gốc tương tự như các hệ thống thu phát bình thường Ưu điểm nổi trội của phần đầu cao tần
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN trong hệ thống vô tuyến nhận thức là khả năng nhận biết rộng, có thể điều chỉnh đến bất cứ phần nào trong dải phổ rộng lớn Hơn nữa phần cao tần có thể đo lường các thông tin phổ từ môi trường để phục vụ cho chức năng nhận biết phổ.
Hình 2.4: Sơ đồ khối phần vô tuyến của hệ thống vô tuyến nhận thức
Chức năng cụ thể của các khối trong RF Front-End như sau:
• Bộ lọc cao tần (RF Filter): Có tác dụng chọn lọc được khoảng băng thông mong muốn bằng cách cho tín hiệu qua bộ lọc thông dải.
Bộ khuếch đại nhiễu thấp (LNA) có nhiệm vụ loại bỏ nhiễu tần số ảnh, khuếch đại nhiễu thấp tín hiệu ngõ vào của máy thu tới mức cần thiết để đổi tần, giúp tăng độ nhạy cho máy thu Cấu tạo điển hình của LNA gồm một đến ba tầng khuếch đại tuyến tính, có khả năng điều hưởng chọn lọc tần số băng thông tín hiệu mong muốn Nguyên lý hoạt động của LNA là khuếch đại tín hiệu mong muốn đồng thời giảm tín hiệu nhiễu, góp phần cải thiện hiệu suất của máy thu.
• Bộ trộn tần (MIXER): Tại bộ đổi tần thì tín hiệu thu được từ máy thu sẽ được trộn với tần số gốc được phát ra và chuyển tới dải băng gốc hay tần số trung tâm.
• Bộ VCO (Voltage controlled oscillator): Được biết đến như là bộ điều chỉnh tần số bằng điện áp, có tác dụng như bộ khóa pha giúp tần số ra ổn định.
• Bộ lọc lựa chọn tần số (Channel selection filter): Được dùng để chọn kênh mong muốn đồng thời loại bỏ kênh kế cận.
• Bộ điều khiển độ lợi tự động (AGC - Automatic gain control): Là hệ thống hồi tiếp điều chỉnh độ lợi máy thu dựa vào biên độ tín hiệu thu đồng thời mở rộng dải động, cho phép ta tăng hoặc giảm độ khuếch đại khi tín hiệu thu yếu hay mạnh bằng cách thay đổi điện áp phân cực.
• Bộ vòng khóa pha (PLL - Phase locked loop): Là hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu hồi tiếp được dùng để khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số và pha của tín hiệu vào.
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
2.2.3 Chức năng vô tuyến nhận thức
Hệ thống vô tuyến nhận thức có các chức năng chính đó là:
Nhận dạng phổ trong viễn thông là quá trình xác định các phần không sử dụng của phổ tần số, được gọi là các khoảng phổ trống Bằng cách sử dụng kỹ thuật này, các người dùng thứ cấp (SU) có thể phát hiện ra những khoảng tần số này và tận dụng chúng để truyền tín hiệu của riêng mình mà không gây nhiễu cho các hệ thống vô tuyến chính được gọi là người dùng chính (PU).
Quản lý phổ: bao gồm hai chức năng nhỏ là phân tích phổ và quyết định phổ Trong hệ thống vô tuyến nhận thức, người dùng thứ cấp sẽ phải quyết định khoảng phổ nào đáp ứng tốt nhất yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) trong những khoảng phổ trống Chia theo chức năng, quản lý phổ bao gồm:
• Phân tích phổ: tính toán ước lượng dung lượng phổ và chất lượng những hố phổ tốt nhất Một trong những nhiệm vụ quan trọng của chức năng phân tích phổ là tính toán ước lượng dung lượng phổ Tuy nhiên, ngoài dung lượng phổ ra còn cần phải lưu ý đến các yếu tố khác như thời gian trễ, tốc độ lỗi liên kết và thời gian chiếm giữ, cũng ảnh hưởng đến chất lượng dịch vụ Hơn nữa trong quá trình tính toán ước lượng phổ còn phải cân nhắc đến nhiễu xuyên kênh và suy hao Suy hao sẽ gia tăng khi tần số hoạt động tăng.
Vì vậy, nếu công suất truyền của người dùng CR vẫn không đổi thì khoảng truyền của nó sẽ giảm ở tần số cao hơn, nhưng nếu tăng công suất truyền để bù suy hao thì kết quả là sẽ gây nhiễu cho người dùng khác. Cho đến nay, việc phân tích phổ và mô hình hóa của phổ trong hệ thống CR vẫn đang được phát triển. Tuy nhiên, để tìm ra được một khoảng phổ thích hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau, đòi hỏi còn phải nghiên cứu nhiều về các dải phổ và kết nối tất cả các thông số đặc trưng của nó để đưa ra quyết định hợp lý Một phương pháp ước lượng dung lượng phổ được đề cập là dựa vào băng thông và công suất truyền cho phép Theo đó, dung lượng phổ sẽ được tính như sau:
(2.6) trong đó B là băng thông, S là công suất tín hiệu nhận từ người dùng CR, N là công suất nhiễu của bộ nhận và I là công suất nhiễu xuyên kênh tại bộ nhận CR gây bởi sự truyền dẫn của các PU.
Trong hệ thống mạng CR dựa vào OFDM, dung lượng phổ có thể được ước lượng theo công thức sau:
Các kỹ thuật chuyển tiếp
2.3.1 Giới thiệu Đặc trưng của mạng đa truy nhập không trực giao (NOMA) là các mạng tế bào nhỏ, khi đó với mật độ người dùng nhiều thì xảy ra hiện tượng sẽ có một số người dùng bị mất liên lạc với trạm gốc do bị che chắn hoặc can nhiễu từ các thiết bị điện tử khác hoặc di chuyển xa hơn vùng phủ sóng Mặc dù kỹ thuật này sử dụng phương thức ghép kênh theo miền mới là miền công suất để đảm bảo cho các thiết bị ở xa với sự phân bổ công suất nhiều hơn để dễ dàng kết nối hơn Chính vì vậy, để giải quyết vấn đề này thì cần phải có các thiết bị chuyển tiếp nhằm đảm bảo chất lượng của hệ thống mà đặc trưng của các nút chuyển tiếp (node relay) là tiếp nhận, xử lý và truyền các tín hiệu mang thông tin Có nhiều mô hình kênh chuyển tiếp khác nhau như mô hình kênh chuyển tiếp đơn giản và mô hình kênh chuyển tiếp hợp tác Trong mô hình kênh chuyển tiếp đơn giản, nút chuyển tiếp có nhiệm vụ là trợ giúp cho các đường truyền trực tiếp giữa nút nguồn và nút đích Tuy nhiên, mô hình nút chuyển tiếp trong truyền thông hợp tác đã được mở rộng hơn Cụ thể, nút chuyển tiếp này là những đầu cuối cố định và bản thân nó không chứa thông tin, hoặc có thể là những đầu cuối vừa có chức năng phát thông tin của chính nó, vừa có chức năng như một đầu cuối để truyền thông tin tới các đầu cuối khác để kết hợp các tín hiệu lại với nhau và cuối cùng chọn ra được tín hiệu tốt nhất.
Trong hai loại hình nút chuyển tiếp trên, chuyển tiếp hợp tác đóng vai trò quan trọng hơn do nút thực hiện chuyển tiếp là cố định Bên cạnh đó, khi thực hiện chức năng chuyển tiếp thì nút chuyển tiếp có các bước xử lý
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Hình 2.9: Mô hình chuyển tiếp đơn giản
Hình 2.10: Mô hình chuyển tiếp hợp tác dữ liệu được chuyển tới, chính vì vậy sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn Từ đó nảy sinh ra các vấn đề như hao hụt năng lượng hoặc chuyển tiếp sai thông tin Vì thế, tại mỗi nút chuyển tiếp cần thực hiện các kỹ thuật để đảm bảo được chất lượng của tín hiệu chuyển tiếp như: Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (Decode–and–Forward, viết tắt là DF) Hoặc kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify–and–Forward, viết tắt là AF) Trong bài luận văn này đề xuất mô hình sử dụng NOMA hợp tác kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF) tại nút chuyển tiếp (relay). Trong kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF), nút chuyển tiếp hoạt động như sau: Khi tín hiệu từ nút nguồn được truyền tới nút chuyển tiếp thì nút này sẽ tiến hành xử lý tín hiệu bằng cách giải điều chế tín hiệu từ nút nguồn ở pha truyền thứ nhất Sau đó tín hiệu được điều chế lại và truyền tới nút đích ở pha truyền tiếp theo.
2.3.2 Kỹ thuật NOMA hợp tác DF
Trong NOMA hợp tác sử dụng kỹ thuật Decode-and-Forward (DF) với mô hình một nút nguồn (S), một nút chuyển tiếp (R) và một nút đích (D) Trong khe thời gian đầu, nút nguồn truyền tín hiệu đến nút chuyển tiếp và nút đích, tại nút chuyển tiếp tín hiệu được giải mã và tái tạo Ở khe thời gian thứ hai, nút chuyển tiếp truyền tín hiệu đến nút đích Nút đích kết hợp các tín hiệu từ nút nguồn và nút chuyển tiếp, sử dụng kỹ thuật Successive Interference Cancellation (SIC) để khôi phục tín hiệu gốc cho từng nút đích.
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA MẠNG VÔ TUYẾN NHẬN THỨC
2.1 Kỹ thuật đa truy cập không trực giao (NOMA)
Trong lịch sử truyền thông không dây, các mô hình đa truy cập đóng vai trò quan trọng trong việc phân biệt các hệ thống Các mô hình như FDMA (1G), TDMA (2G), CDMA (3G), OFDM (4G) phân bổ nguồn lực theo không gian, thời gian hoặc mã để tránh nhiễu Tuy nhiên, lưu lượng dữ liệu tăng đột biến ở mạng 5G làm bộc lộ vấn đề hiệu suất phổ tần Để khắc phục, các kỹ thuật như NOMA đã xuất hiện, cho phép nhiều người dùng chia sẻ thời gian và tần số cùng lúc trong miền ghép kênh công suất, hứa hẹn tăng thông lượng hệ thống và kết nối nhiều người dùng hơn.
2.1.2 Mô tả hoạt động Để làm rõ hơn cách thức hoạt động của mô hình đa truy nhập không trực giao (NOMA), trong khuôn khổ của đề tài luận văn, học viên mô tả một kỹ thuật cơ bản đó là kỹ thuật NOMA đường xuống.
Như trong Hình 2.1, mô hình NOMA đường xuống bao gồm một trạm gốc (S), và hai thiết bị người dùng lần lượt là người dùng thứ nhất (D1) và người dùng thứ 2 (D2) Để đơn giản, ta chỉ xem xét các nút hoạt động chỉ có một ăng-ten Tổng băng thông chuẩn hóa trong hệ thống được giả sử bằng 1 Hz,S truyền tín hiệu đi là x, trong đóx=x1+x2vớix1vàx2lần lượt là tín hiệu của hai người dùng làD1vàD2với E{|x1| 2 } =P1và E{|x2| 2 }=P2 Tổng công suất phát của trạm gốc (S) làPT =P1+P2.
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Hình 2.1: Mô hình NOMA đường xuống
Tín hiệu nhận được tại hai người dùng như sau: yi =hix+ni (2.1) trong đói= {1,2},h i là hệ số kênh truyền giữaSvàD i ,n i là nhiễu cộng hay nhiễu Gauss của hệ thống. Mật độ phổ công suất nhiễu củan i làN 0,i Trong kỹ thuật NOMA đường xuống, tín hiệu được phát đi tạiS truyền tới hai người dùng đều làx Do đó sự phân tách tín hiệu tại phía các người dùng (Di), vớii={1,2} cần được thực hiện để mỗi người dùngDicó thể nhận biết được tín hiệu của chính nó Để thực hiện được điều này thì tại mỗiDicần phải sử dụng kỹ thuật khử can nhiễu tuần tự (SIC) Trong kỹ thuật này, dựa vào thông tin hệ số kênh truyền trước đó màSsẽ phân bổ các mức công suất khác nhau, nếu ở gần sẽ phân bổ mức công suất ít hơn và ở xa thì ngược lại Tiếp theo, người dùng sẽ tiến hành giải mã tín hiệu nào có hệ số kênh truyền yếu nhất, quá trình này cứ tiếp tục cho đến khi giải mã được tín hiệu của chính nó Trong mô hình này, giả sử rằng h1vàh2lần lượt là hệ số kênh truyền củaD1vàD2, và|h1| 2
Vì vậy, tạiD1sử dụng phương thức khử can nhiễu tuần tự (SIC) như sau,D2không thực hiện việc hủy can nhiễu trước vì tín hiệu từStruyền tớiD1 trước, tạiD 1 tiến hành giải mã tín hiệux 2 củaD 2 trước và xem tín hiệu củaD 1 như là can nhiễu Vì vậy, tỷ số tín hiệu trên nhiễu cộng can nhiễu (SINR)γ 12 củax 2 tạiD 1 là γ12= P2|h1| 2
(2.2)Trong (2.2),P 2 là công suất được phân bổ choD 2 ,P 1 là công suất được phân bổ choD 1 ,|h 1 | 2 là độ lợi kênh truyền giữaSvàD1vàN0,1được định nghĩa là phương sai của nhiễu cộng tạiD1.
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
Sau khi giải mã xong tín hiệu củaD2rồi,D1tiến hành trừ tín hiệux2củaD2ra và tiếp tục giải mã tín hiệu x1của chínhD1 Giả sử rằng việc khử can nhiễu tuần tự là hoàn hảo, ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu (γ1) củax1 tạiD1là γ1=P 1 |h1| 2
Giả sử quá trình giải mã các tín hiệux1vàx2tạiD1thành công, và trong quá trình truyền không xảy ra lỗi Dựa vào tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến,D1sẽ gửi một mã xác nhận để truyền tới các thiết bị khác để các thiết bị khác nhận được TạiD2(không sử dụng SIC), sau khi đã nhận tín hiệuxtừS, cùng với mã xác nhận củaD 1 gửi tới nên tỉ số tín hiệu trên nhiễu (γ 2 ) nhận được tạiD 2 là γ 2 = P 2 |h 2 | 2
Trong (2.4),|h2| 2 là độ lợi kênh truyền giữaSvàD2,N0,2được định nghĩa là phương sai của nhiễu Gauss tạiD2.
Từ hai phương trình (2.3) và (2.4), sự phân bổ công suất khác nhau ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của người dùng Mô hình điều chế và mã hóa sử dụng ảnh hưởng đến lượng dữ liệu truyền đi của mỗi người dùng Sau khi giải mã tín hiệu của mình, người dùng D1 sẽ thông báo cho D2 Khi đó, D2 sẽ coi tín hiệu của D1 là nhiễu và loại bỏ, sau đó giải mã tín hiệu của chính nó.
2.1.3 Khử can nhiễu tuần tự (SIC) Đầu tiên, T Cover đã đề xuất kỹ thuật SIC để giải mã thông tin chồng lên nhau ở mỗi máy thu [19] SIC có thể được hiểu là cách khai thác các thông số kỹ thuật về sự khác biệt về cường độ tín hiệu giữa các tín hiệu đáng quan tâm Ý tưởng cơ bản của SIC là tín hiệu người dùng được giải mã tuần tự Sau khi một tín hiệu người dùng được giải mã, nó sẽ bị trừ khỏi tín hiệu kết hợp trước khi tín hiệu người dùng tiếp theo được giải mã Khi SIC được áp dụng, một trong các tín hiệu người dùng được giải mã, coi tín hiệu của người dùng khác là can nhiễu, những tín hiệu sau đó được giải mã với lợi ích của tín hiệu trước đã bị loại bỏ.
Tuy nhiên, quá trình tiền xử lý để có thể áp dụng SIC là người dùng được đánh chỉ số theo tham số cường độ tín hiệu, với mục đích người nhận có thể giải mã tín hiệu mạnh hơn tín hiệu của mình trước: trừ tín hiệu kết hợp và tách tín hiệu yếu hơn khỏi dư lượng Lưu ý rằng, mỗi người dùng được giải mã và coi tín hiệu của người dùng khác là can nhiễu trong việc thu tín hiệu.
Cụ thể, quá trình giải mã các thông điệp chồng lấn được mô tả bằng toán học như sau [20]: Giả sử có hai người dùng, người dùng thứ hai gần trạm gốc (BS) hơn người dùng thứ nhất.
• Tại người dùng thứ nhất, dùng bộ giải mã một người dùng giải mã tin của người dùng thứ nhấtS1(n) bằng cách xử lý tin của người dùng thứ haiS2(n)như can nhiễu.
• Tại người dùng thứ hai, thực hiện các bước sau để khôi phục tuần tự tin của mình từ tín hiệu nhận được
− Giải mã tin của người dùng thứ nhấtS1(n)bằng cách sử dụng bộ giải mã một người dùng.
CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
P α1h2S1(n)từ tín hiệu nhận đượcY2(n): γ 1 =P 1 |h 1 | 2
(2.5) vớiPlà công suất máy phát,α1là hệ số phân bổ năng lượng cho người dùng thứi,hilà hệ số kênh truyền giữa BS và người dùng thứi.
− Giải mã tin của người dùng thứ haiS 2 (n)bằng cách áp dụng bộ giải mã một người dùng còn lại trênY 2 0 (n)
Bài toán tổng quát đa người dùng được phân tích và trình bày trong [21] có thể được phát biểu như sau: Giả sử tất cả người dùng đều được trang bị kỹ thuật SIC,h m là hệ số kênh từ BS đến người dùng thứm. Để không mất tính tổng quát, tác giả đã giả sử|h 2 1 | ≤ ≤ |h 2 M | Rõ ràng,h m tỉ lệ nghịch với khoảng cách do hm= √ g m
Người dùng thứ $i$ nằm gần bác sĩ BS hơn người dùng thứ $j$ nếu $1+d_i