Đồ án tốt nghiệp. cơ chế đa truy cập phi trực giao trong mạng 5G

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG I.Giới thiệu chung 1.Lịch sử đời phát triển Ở cuối kỷ thứ 19 Marconi thông tin vô tuyến liên lạc cự ly xa, máy phát máy thu có khả liên lạc di động với Nhưng thời người ta liên lạc chủ yếu điện báo Morse Trong năm 1895, hệ thống thông tin liên lạc không dây hệ thống phát triển nhanh thông tin liên lạc thời xưa Nó sử dụng dịch vụ băng thông rộng di động Các khái niệm hệ thống di động phát triển nhà nghiên cứu Phòng thí nghiệm AT & T Bell để giải vấn đề công suất hệ thống thông tin di động đầu Trái ngược với thông tin di động: Đầu tiên hệ thống, mà có trạm trung tâm (BS) bao phủ toàn vùng phủ sóng khu vực, hệ thống tế bào phân chia vùng phủ sóng vào tế bào không chồng chéo hoạt động với BS riêng Bằng cách khai thác thực tế sức mạnh tín hiệu truyền với khoảng cách, tần số tương tự tái sử dụng tiểu tế bào mà không cần giới thiệu nhiễu liên cell nặng.như hệ quả, khả làm tăng đáng kể việc sử dụng gói phổ tần số Đến năm 1928 sở cảnh sát Bayone – Mỹ bắt đầu triển khai mạng vô tuyến truyền Do mạng vô tuyến truyền nên máy di động tốn nguồn cồng kềnh đặt ô tô để liên lạc trạmgốc BS trung tâm Chất lượng liên lạc lại đặc điểm địa hình truyền sóng di động phức tạp mà máy gồm 10 đèn điện tử thực chức tối thiểu Hệ thống điện thoại cố định phát triển nhanh hình thành mạng PSTN ( Public Switching Telephone Network) song suốt thời gian dài vô tuyến di động không phát triển hạn chế công nghệ Mạng PSTN bao gồm đường dây điện thoại, cáp quang, truyền dẫn vi ba liên kết, mạng di động, vệ tinh thông tin liên lạc, dây cáp điện thoại đáy biển, tất kết nối với trung tâm chuyển mạch, cho phép hầu hết máy điện thoại để liên lạc với Ban đầu mạng lưới đường dây cố định tương tự hệ thống thoại Mạng PSTN gần hoàn toàn kỹ thuật số mạng lõi bao gồm điện thoại di động mạng khác, điện thoại cố định Trong năm 1947 Bell Labs cho ý tưởng mạng điện thoại di động tế bào: Các máy động tự chuyển vùng từ vùng tế bào sang vùng tế bào khác Các tế bào thiết kế nhằm phủ kín vùng phủ sóng ( vùng địa lý cung cấp dịch vụ di động), kết nối thành mạng thông qua chuyển mạch tổng đài động bố trí trung tâm vùng Những người sử dụng di động di chuyển vùng phủ sóng trạm gốc (Base station) Nhưng ý tưởng Bell Labs không sử dụng hạn chế mặt công nghệ Năm 1979 mạng di động tế bào đưa vào sử dụng Mỹ phát triển nhanh doanh thu thu lớnvà tính thuận tiện việc sử dụng Mạng động tế bào đời nhờ tiến kỹ thuật về: - Có hệ thống chuyển mạch tự động với tốc độ chuyển mạch lớn, dung lương cao - Sử dụng kỹ thuật vi mạch : VLSI đời ( Very Large Scale Integrated Circuit) tích hợp linh kiện từ hàng trăm ngàn đến 10 transistor máy điện thoại di động Do giải khó khăn việc truyền sóng di động Hệ thống thông tin di động tế bào số hay gọi hệ thống thông tin di động (Mobile Systems) hệ thống thông tinliên lạc truy cập với nhiều điểm khác (access point or base stations) vùng tế bào hay gọi Cell Cell (tế bào hay ô): đơn vị sở mạng mà trạm MS ( trạm di động) tiến hành việc trao đổi thông tin với mạng thông qua trạm thu phát gốc BTS (Base Transceiver Stations) Hình 1.1 Cấu trúc mạng tế bào Phân loại hệ thống thông tin di động 2.1 Phân loại theo đặc tính tín hiệu - Analog: Thế hệ 1,thoại điều tần analog, tín hiệu điều khiển số hóa toàn - Digital: Thế hệ cao hơn, thoại, điều khiển số hóa Ngoài dịch vụ thoại có khả phục vụ dịch vụ khác truyền số liệu, 2.2 Phân loại theo cấu trúc hệ thống - Các mạng vô tuyến tế bào: Cung cấp cac dịch vụ diện rộng với khả lưu động (roaming) toàn cầu (liên mạng) - Vô tuyến viễn thông không dây (CT: Cordless Telecome) cung cấp dịch vụ diện hẹp, giải pháp kỹ thuật đơn giản, khả roaming - Vành vô tuyến địa phương (WLL: Wireless Local Loop): Cung cấp dịch vụ điện thoại vô tuyến với chất lương điện thoại cố định cho vành đai quanh tram gốc, khả roaming Mục đích nhằm cung cấp dịch vụ điện thoại cho vùng mật độ dân cư thấp, mạng lưới điện thoại cố định chưa phát triển 2.3 Phân loại theo phương thức đa truy nhập vô tuyến a.Đa truy nhập phân chia theo tần số FDMA Mỗi thuê bao truy nhập mạng tần số, băng tần chung W chia thành N kênh vô tuyến Mỗi thuê bao truy nhập liên lạc kênh liên lạc kênh suốt thời gian liên lạc +Ưu điểm: yêu cầu đồng không cao, thiết bị đơn giản +Nhược điểm: - Thiết bị tram gốc cồng kềnh có kênh (tần số sóng mang kênh con) trạm gốc phải có nhiêu máy thu phát - Cần phải đảm bảo khoảng cách bảo vệ kênh bị sóng mang chiếm nhằm mục đích phòng ngừa không hoàn thiện lọc dao động Các máy thu đường lên đường xuống chọn sóng mang cần thiết theo tần số phù hợp Như để đảm bảo FDMA tốt tần số phải phân chia quy hoạch thống toàn giới b Đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA Các phổ mà quy định cho liên lạc thông tin di động chia thành dải tần liên lạc, dải tần liên lạc dùng chung cho N kênh liên lạc Trong kênh liên lạc khe thời gian chu kỳ khung Các thuê bao dùng chung tần số song luân phiên thời gian, thuê bao định cho khe thời gian cấu trúc khung +Ưu điểm: -Trạm gốc đơn giản với tần số cần máy thu phát phục vụ nhiều người truy nhập phân biệt thời gian - Các tín hiệu thuê bao truyền dẫn số -Giảm nhiễu giao thoa +Nhược điểm: -Yêu cầu đồng ngặt nghèo - Loại máy điện thoại di động mà dùng kỹ thuật số TDMA phức tạp loại máy điện thoại di động dùng kỹ thuật FDMA Hệ thống xử lý số tín hiệu MS tương tự có khả xử lý không 106 lệnh giây, MS số TDMA phải có khả xử lý 50x106/s c Đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Các thuê bao dùng chung tần số suốt thời gian liên lạc CDMA phân biệt nhờ kỹ thuật mã trải phổ khác nhau, nhờ không gây nhiễu lẫn nhau.Những thiết bị mà người sử dụng phân biệt với nhờ dùng mã đặc trưng, riêng biệt không trùng với +Ưu điểm: -Hiệu sử dụng phổ cao, có khả chuyển vùng miền đơn giản kế hoạch phân bổ tần số - Khả chống nhiễu bảo mật cao, thiết bị trạm gốc đơn giản (1 máy thu phát) - Dải tần tín hiệu hoạt động rộng hàng MHz - Những kỹ thuật trải phổ hệ thống truy nhập cho phép tín hiệu vô tuyến sử dụng có cường độ trường hiệu FDMA, TDMA +Nhược điểm: - Yêu cầu đồng điều khiển công suất ngặt nghèo, chênh lệch công suất thu trạm gốc từ máy di động tế bào phải nhỏ 1dB, trái lại số kênh phục vụ -Kỹ thuật trải phổ phức tạp Hình 1.2 Các công nghệ đa truy nhập 2.4 Phân loại theo phương thức song song + FDD (Frequecy Divition Duplex: Song công phân chia theo tần số) Nó đượcthu phát đồng thời tần số khác nhau, phát tần số thu tần số Băng tần công tác gồm dải tần dành cho đường lên up-link từ MS tới BS đường xuống down-link từ BS tới MS Đường lên dải tần thấp MS có công suất nhỏ hơn, thường di động có khả bị che khuất Khi với giải pháp tần thấp (bước sóng lớn hơn) khả bị che khuất giảm + TDD (Time Divition Duplex: Song công phân chia theo thời gian) Một tần số chia khe thời gian.Khung thời gian công tác chia đôi, nửa cho đường lên, nửa cho đường xuống II Một số hệ mạng di động Các hệ di động khác có bốn khía cạnh là: - Truy cập vô tuyến Tốc độ liệu Băng thông Cấu hình chuyển mạch Hình 1.3.Lộ trình phát triển hệ thống thông tin di động tế bào Thế hệ đời vào thập niên 80 mạng thông tin hệ 1G, mạng dùng tín hiệu tương tự (analog), băng thông khác từ 10 đến 30 Khz tùy thuộc vào loại hệ thống dịch vụ, dịch vụ chủ yếu thoại Tuy mạng chứa đựng nhiều khuyết điểm kỹ thuật đánh dấu đổi bước ngoặt quan trọng lịch sử truyền thông.Chính thế, để chứng kiến chuyển biến, thay đổi mạng thông tin di động khắp giới vào đầu năm 90 người ta người ta cho đời hệ thứ hai mạng 2G với băng thông số 200 MHz Mạng 2G phân làm loại: dựa tảng đa truy nhập phân chia theo thời gian TDMA dựa tảng đa truy nhập phân chia theo mã CDMA Để đánh dấu điểm mốc thời điểm bắt đầu mạng 2G đời công nghệ D-AMPS (hay IS-136) tảng TDMA áp dụng Mỹ Sau mạng CdmaOne (hay IS-95) tảng CDMA áp dụng phổ biến châu Mỹ phần châu Á Tiếp theo công nghệ mạng GSM dựa tảng TDMA đời châu Âu sau triển khai toàn giới Mạng 2G đem lại nhiều lợi ích cho người sử dụng, tiêu biểu khả di động,chất lượng thoại hình ảnh đen trắng.Tiếp nối mạng 2G mạng thông tin di động hệ di động thứ ba mạng 3G Sự cải tiến bật nhấtcủa mạng 3G dịch vụ so với hệ 2G khả đáp ứng truyền thông với chuyển mạch gói tốc độ cao với băng thông rộng MHz giúp cho việc triển khai dịch vụ truyền thông đa phương tiện với hình ảnh động Mạng 3G với mô hình mạng UMTS dựa kỹ thuật công nghệ WCDMA mạng CDMA2000 CDMA Theo nguyên lý dung lượng kênh truyền Shannon: C=B.log2(1+S/N) Trong đó: - C dung lượng kênh (bit/s) B băng thông hệ thống thông tin (Hz) S/N tỉ số công suất tín hiệu công suất tạp âm Theo chuẩn ITU tỉ số S/N tầm 12 dB 1.Hệ thống thông tin di động hệ 1G (First Generation) TE MT Um BTS MS BTS TE MT MS Um A-bis BSC NMC ADC OMC OMC PSTN A BTS MSC BS GMSC ISDN TE MT Um BTS MS BTS TE MT MS Um A-bis BSC BTS BS HLR VLR AUC EIR LA Hình 1.4 Cấu trúc mạng hệ thống GSM Trong đó: MS :Mobile Station (Trạm di động) MT :Mobile Termination(Đầu cuối di động) TE :Terminal Equipment (Thiết bị đầu cuối) Um :Giao diện vô tuyến trạm cố định trạm di động BS :Base Station(Trạm gốc cố định) BSS :Base Station Systerm (Hệ thống trạm gốc) BTS :Base Tranceiver Station (Trạm thu phát gốc) BSC :Base Station Controller (Đài điều khiển trạm gốc) MSC :Mobile Switching Centre (Trung tâm chuyển mạch di động) NMC :Network Management Centre (Trung tâm quản lý mạng) OMC :Operation Maintenace Centre (Trung tâm khai thác bảo trì) ADC :Administration Centre (Trung tâm quản trị điều phối) AUC :Authentication Centre(Trung tâm nhận thực thuê bao) EIR :Equipment Identity Register (Bộ ghi nhận thiết bị) HLR :Home Location Register (Bộ ghi định vị thường trú) VLR :Visistor Location Register (Bộ ghi định vị tạm trú) GMSC :Gateway MSC (Tổng đài cổng) PSTN :Public Switched Telephone Network (Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng) ISDN :Intergrated Service Digital Network (Mạng tích hợp số đa dịch vụ) LA : Location Area (Vùng định vị) Chức trạm: Trạm di động (Mobile Station):là thiết bị mà thuê bao sử dụng để truy nhập dịch vụ hệ thống MS có chức tạo kênh vật lý BS MS quản lý kênh, thu phát vô tuyến, mã hóa giải mã kênh, mã hóa giải mã tiếng nói,… Nó gồm thiết bị đầu cuối TE đầu cuối di động MT Trạm gốccố định (Base Station):có chức quản lý kênh vô tuyến bao gồm đặt kênh, giám sát chất lượng đường thông tin, phát tin quảng bá thông tin báo hiệu liên quan, điều khiển mức công suất điều khiển nhảy tần Trạm BS có chức khác mã hoá giải mã sửa lỗi, mã chuyển tiếng nói số phối hợp tốc độ số liệu, khởi đầu chuyển điều khiển HO nội tế bào kênh tốt mã tín hiệu báo hiệu số liệu Hệ thống trạm gốc (BSS- Base Station Systems): hệ thống bao gồm: - Trạm thu phát gốc (BTS – Base Tranceiver Station)là máy thu phát vô tuyến - sử dụng để phủ sóng cho tế bào Đài điều khiển trạm gốc (BSC – Base Station Controler) có nhiệm vụ thực chức kiểm soát BS điều khiển HO, điều khiển công suất Hai trạm kết nối với giao diện A-bis Tổng đài thông tin di động(MSC – Mobile Switching Centre): MSC kết nối tuyến với BS thông qua giao diện A Các chức MSC bao gồm : điều khiển gọi, lập tuyến gọi, thủ tục cần thiết để làm việc với mạng khác(như PSTN, ISDN), thủ tục liên quan tới quản lý trình di động trạm di động nhắn tin để thiết lập gọi, báo vị trí trình di động nhận thực nhằm chống truy nhập trái phép, thủ tục cần thiết để tiến hành chuyển điều khiển Trung tâm nhận thực (AUC – Authentication Centre): trung tâm nàylà đơn vị sở liệu mạng, cung cấp tham số mã mật nhận thực cần thiết để giúp cho đảm bảo tính riêng tư (mật) gọi nhận thực quyền truy nhập thuê bao tiến hành truy nhập mạng Bộ ghi định vi thường trú(HLR – Home Location Register): đơn vị sở liệu có chức dùng để quản lý thuê bao di động Bộ ghi số nhận diện thiết bị: Bộ ghi số nhận diện thiết bị nối tới MSC tuyến báo hiệu, sở liệu chứa thông tin liên quan đến thiết bị cho phép MSC nhận biết MS hỏng, bị lấy cắp hay gọi trộm Bộ ghi định vị tạm trú (VLR – Visistor Location Register): khối có chức theo dõi MS có vùng MSC hay không, kể MS hoạt động vùng HLR VLR sở liệu chứa thông tin MS hợp lệ có vùng tần số từ 1,25MHz đến 20 MHz Bằng việc áp dụng multipleinput nhiều đầu (MIMO), LTE-A hỗ trợ liệu cao Tỷ lệ mức Gbps Nguyên tắc truyền nhận tín hiệu chế đa truy cập trực giao II.1 Tín hiệu bên phát bên thu theo chế OFDMA Trong OFDMA, vấn đề đa truy nhập thực cách cung cấp cho người dùng phần số són g mang có sẵn Bằng cách ,OFDMA tương tự phương thức đa truy nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA); nhiên không cần thiết có dải phòng vệ lân cận rộng FDMA để tách biệt người dùng khác Hình 1.1 mô tả ví dụ bảng tần số thời gian OFDMA, có người dùng từ a đến g ng ười sử dụng phần xác định sóng mang phụ có sẵn,khác với người lại Hình 1.1 Ví dụ biểu đồ số thời gian OFDMA Trái ngược với phương thức truyền OFDM, OFDMA cho phép truy nhập nhiều nguời sử dụng băng thông sẵn có Mỗi người sử dụng ấn định tài nguyên thời gian,tần số cụ thể Như nguyên tắc bản,các kênh liệu kênh chia sẻ II.1.1 Hình 11: Cấp phát sóng mang cho OFDM OFDMA Các tham số OFDMA: Cấu trúc khung : có loại cấu trúc khung ,cấu trúc loại cho chế độ FDD, cấu trúc loại cho chế độ TDD II.1.2 Truyền liệu xuống Dữ liệu cấp phát tới UE theo khối tài nguyên, ví dụ, UE cấp phát bội số nguyên khối tài nguyên miền tần số Các khối tài nguyên không cần phải liền kề với nhau.Trong miền thời gian, định lập biểu bị biến dổi khoảng thời gian truyền 1ms Quyết định lập biểu thực trạm gốc (eNodeB) Các thuật toán lập biểu có tính đến tình trạng chất lượng liên kết vô tuyến người sử dụng khác nhau, tình trạng cản nhiễu tổng thể, chất lượng dịch vụ yêu cầu dịch vụ ưu tiên, v.v Hình 1.13 cho thấy ví dụ cho việc cấp phát liệu người dùng hướng xuống cho người sử dụng khác nhau( giả sử có UE ) Dữ liệu người dùng mang kênh chia sẻ đường xuống vật lý Về ng uyên tắc hệ thống OFDMA sử dụng băng hẹp, sóng mang trực giao với Trong LTE khoảng cách sóng mang 15kHz băng thông hệ thống Các sóng mang khác trực giao với Máy phát hệ thống OFDMA sử dụng khối IFFT để tạo tín hiệu Dữ liệu nguồn cung cấp tới chuyển đổi nối tiếp- song son g sau tiếp tục vào khối IFFT Mỗi đầu vào khối IFFT tương ứng biểu diễn đầu vào cho sóng mang riêng (hoặc thành phần tần số cụ thể tín hiệu miền thời gian )và điều chế độc lập với sóng mang khác Các kênh điều khiển hướng xuống - Kênh điều khiển đường xuống vật lý (PDCCH) : phục vụ cho nhiều mục đích Chủ yếu sử dụng để chuyển định lập lịch biểu tới UE riêng lẻ, tức có nhiệm vụ lập lịch biểu cho hướng lên hướng xuống PDCCH đặt ký hiệu OFDM khung Ðối với cấu trúc khung loại 2, PDCCH ánh xạ vào ký hiệu OFDM trường DwPTS - Một kênh thị dạng điều khiển vật lý (PCFICH) mang phần tử tài nguyên đặc trong ký hiệu OFDMA khung sử dụng để số lượng ký hiệu OFDM cho PDCCH (có t ể 1, 2, 3, ký hiệu ) PCFICH cần thiết tải PDCCH khác nhau, tùy thuộc vào số lượng người sử dụng ô dạng tín hiệu truyền PDCCH - Thông tin mang PDCCH gọi thông tin điều khiển đường xuống (DCI) Tùy thuộc vào mục đích thông điệp điều khiển, dạng khác DCI xác định Hình 1.13: Ghép kênh thời gian-tần số OFDMA II.1.3 Truyền liệu lên Việc truyền OFDMA phải chịu tỷ lệ công suất cao nhất-đến-trung bình cao, điều dẫn đến hệ tiêu cực việc thiết kế phát sóng nhúng UE Ðó là, truyền liệu từ UE đến mạng, cần có khuếch đại công suất để nâng tín hiệu đến lên mức đủ cao để mạng thu Bộ khuếch đại công suất thành phần tiêu thụ lượng lớn thiết bị, nên hiệu công suất cao tốt để làm tăng tuổi thọ pin máy 3GPP tìm phương án truyền dẫn khác cho hướng lên LTE SC-FDMA chọn kết hợp kỹ thuật với PAPR thấp hệ thống truyền dẫn sóng mang, GSM CDMA, với khả chống đa đường cấp phát tần số linh hoạt OFDMA Lập kế hoạch nguồn tài nguyên hướng lên thực eNodeB eNodeB cấp tài nguyên thời gian/tần số định cho UE UE thông báo dạng truyền tải mà sử dụng Các định lập lịch biểu dựa thông số QoS, tình trạng nhớ đệm UE, thông số chất lượng kênh đường lên, khả UE, đo đạc khoảng cách UE, …v.v Do nhu cầu băng tần bảo vệ người dùng khác tránh được, tương tự nhq nguyên lý đường xuống OFDMA Như hệ thống OFDMA, tiền tố vòng cung thêm vào theo định kỳ, sau ký hiệu tốc độ ký hiệu nhanh miền thời gian so với OFDMA,để cho việc truyền liệu ngan ngừa nhiễu liên ký tự để đơn giản hóa việc thiết kế máy thu Máy thu cần phải đối phó với nhiễu liên ký tự tiền tố vòng ngan cản nhiễu liên ký tự khối ký hiệu, nhiễu liên ký tự tiền tố vòng Do máy thu chạy cân cho khối ký hiệu đạt tiền tố vòng mà ngăn chặn lan truyền nh iễu liên ký tự sau II.2 Ưu nhược điểm đa truy cập trực giao a Ưu điểm: + Tăng hiệu sử dụng băng thông + Bền vững với fading chọn lọc tần số ký hiệu có băng thông hẹp nên sóng mang phụ chịu fading phẳng + Chống nhiễu liên ký hiệu ISI chu kỳ ký hiệu dài với việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho ký hiệu OFDMA + Sự phức tạp máy phát máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT IFFT + Có thể truyền liệu tốc độ cao b Khuyết điểm: + Nhạy với offset tần số - Chỉ cần sai lệch nhỏ làm tính trực giao sóng mang phụ Vì OFDMA nhạy với hiệu ứng dịch tần Dopler - Các sóng mang phụ thật trực giao máy phát máy thu sử dụng tập tần số Vì vậy, máy thu phải ước lượng hiệu chỉnh offset tần số sóng mang tín hiệu thu + Tại máy thu, khó khăn việc định vị trí định thời tối ưu để giảm ảnh hưởng ICI ISI + Tỷ số công suất đỉnh công suất trung bình PAPR (Peak to Average Power Ratio) lớn tín hiệu OFDMA tổng N thành phần điều chế tần số khác Khi thành phần đồng pha, chúng tạo ngõ tín hiệu có biên độ lớn Ngược lại, chúng ngược pha, chúng lại triệt tiêu làm ngõ Chính vậy, PAPR hệ thống OFDMA lớn III Đa truy cập Phi trực giao Giới thiệu đa truy cập phi trực giao Đa truy nhập phi trực giao (Noma) công nghệ cho phép cần thiết cho mạng không dây 5G để đáp ứng nhu cầu không đồng độ trễ thấp, độ tin cậy cao, kết nối lớn, thông lượng cao Ý tưởng Noma để phục vụ cho nhiều người sử dụng tài nguyên băng thông tương tự, chẳng hạn khe thời gian, sóng mang con, mã lan rộng Khái niệm Noma tạo thành khuôn khổ chung, nơi mà gần đề xuất phương án đa truy 5G, Noma miền điện, mã thưa thớt đa truy nhập (SCMA), ghép kênh phân chia bit, đa người dùng chia sẻ truy cập (Musa), xen kẽ phân chia đa truy nhập (IDMA) , phân vùng mạng đa truy nhập (LPMA), phân chia mô hình đa truy nhập (PDMA) xem trường hợp đặc biệt Các nghiên cứu gần chứng minh Noma có tiềm áp dụng tình khác 5G, bao gồm thông tin liên lạc máy để máy Internet of Things Do hiệu quang phổ vượt trội, Noma đưa vào 3GPP LTE Advanced gần đây, tên "Multi-User Chồng truyền" Vấn đề đặc biệt cung cấp diễn đàn cho nghiên cứu đổi công nghệ Noma ứng dụng họ, thu hẹp khoảng cách lý thuyết thực hành thiết kế 5G nhiều truy cập tác giả tiềm mời nộp thảo ban đầu chủ đề bao gồm, không giới hạn Nguyên tắc truyền nhận tín hiệu đa truy cập phi trực giao 2.1 Đường truyền xuống SIC: Successive Interference Cancellation: Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp Trong tiểu mục này, mô tả nguyên tắc đường truyền xuống lợi ích tiềm năng, mong đợi chi tiết so sánh NOMA với OMA Để đơn giản, giả định hai người sử dụng máy phát ăng ten thu Các hệ thống truyền dẫn chung băng thông giả định vô tuyến điện Hình thấy so sánh việc sử dụng phổ tần Noma OMA đường truyền xuống Trong đường truyền xuống, trạm phát tín hiệu cho người sử dụng i( i= 1, 2) , Si, E[|s|2] = 1, với công suất truyền Pi, tổng số Pi tổng số Ptổng Trong Noma, s1 s2 chồng chất mã hóa sau : x = + S2 Các tín hiệu nhận người sử dụng biểu diễn như: Yi = H i x + Wi, Trong hi hệ số kênh truyền biễu diễn dưỡi dạng số phức người dùng i trạm gốc Wi nhiễu Gaussian bên thu bao gồm nhiễu liên tế bào người sử dụng i người nhận Hình 1: So sánh việc sử dụng phổ tần đường xuống Mật độ lượng quang phổ Wi N0,i Trong Noma đường truyền xuống, trình SIC thực máy thu sử dụng thiết bị đầu cuối Thứ tự tối ưu giải mã theo SIC đường xuống khác so với đường lên Thứ tự tối ưu để giải mã đường xuống theo thứ tự độ lợi kênh tăng bình thường nhiễu cộng với liên nhiễu tế bào điện, |hi|2/N0 Dựa chuỗi này, người sử dụng giải mã cách xác loại bỏ can thiệp từ tín hiệu người khác sử dụng để giải mã SIC trình người sử dụng đến trước Điều tốc độ truyền tải người dùng J điều khiển để giải mã cách xác vào người sử dụng J nhận, giải mã người khác với : |hi|2/N0,i > |hj|2/N0,j Đặc biệt hơn, chế đa truy cập phi trực dao dàng cho người dùng với |h1| / N0,1 > | h2 |2/N0,2 , người dùng thứ không thực hủy bỏ chen ngang thứ tự truy cập xuất phát theo thứ tự mật mã đọc; đó, người sử dụng nhận mã S2 trừ yếu tố từ tín hiệu nhận Y người truy cập trước giải mã tín hiệu riêng Vì vậy, thông lượng người dùng i Ri, biểu diễn là: Theo định lý Shannon R1 = log2 (1 + p1| h1|2 / N0,1); R2 = log2 (1 + p2 | h2 |2 / (p1 | h2 |2 + N0,2)) Mặt khác, đường lên chế truy cập trức dao với băng rộng β (0 ≤β ≤ 1) H z giao cho người sử dụng băng rộng trì 1-βHz người sử dụng 2, Ri biểu diễn như: R1 = βlog2 (1 + p1| h1 |2 / βN0,1) R2 = (1-β) log2 (1 + p2 | h2 |2 / (1-β) N0,2) Hình (a) (b) cho thấy thông lượng (khả truyền) cho chế hoạt động với kênh đối xứng bất đối xứng tương ứng Trong kênh đối xứng, tỷ lệ tín hiệu nhiễu (SNR), ptotal | hi |2 / N0, i, hai người dùng chúng khác kênh bất đối xứng Hình 2a: Kênh đối xứng Hình 2b: Kênh bất đối xứng Trong Hình (a), hai ptotal | h1| / N0,1 ptotal | h2 | / N0,2 thiết lập 10dB Trong Hình (b), ptotal | h1 | / N0,1 ptotal | h2 | / N0,2 thiết lập 20 0dB Trong chế kênh đối xứng, vùng thông lượng cho chế đa truy cập trực dao chế đa truy cập phi trực dao với SIC giống hệt Trong chế kênh không đối xứng, tổng thông lượng tối đa đạt tất lượng chuyển giao (và băng rộng) khuếch tán cho người sử dụng lượng chuyển giao đạt kết hợp hai phương án truy cập đa phương Tuy nhiên, vùng thông lượng NOMA với SIC rộng nhiều so với vùng thông lượng OMA chế kênh không đối xứng Ví dụ, muốn R2 0.8b /s R1 đạt cho NOMA với SIC cao khoảng lần so với R1 cho OMA Điều thông lượng người sử dụng với tổng P total | h1 | / N0,1 hạn chế băng thông với người sử dụng cho phép người sử dụng sử dụng toàn băng thông bị khuếch tán lượng nhỏ lượng chuyển giao chia sẻ lượng với người sử dụng Do đó, người sử dụng truyền lượng nhỏ sóng nhiễu, p1|h2 |2, tới người sử dụng Ngược lại, OMA khuếch tán phần đáng kể băng thông tới người sử dụng để tăng thông lượng OMA, điều gây giảm thông lượng người sử dụng bị giới hạn băng rộng Vì vậy, đường xuống di động nơi mà vị trí cảu kênh khác người dùng hiệu ứng gần-xa, NOMA có tiềm để cải thiện cân suất hệ thống tính cân người sử dụng so với OMA 2.2 Đường truyền lên Trong đường truyền lên, người sử dụng i truyền tín hiệu S i, với Pi lượng truyền tải Hình cho thấy cách sử dụng quang phổ NOMA OMA đường lên Đối với người dùng đường lên Noma, tín hiệu nhận nguồn biểu diễn y = p1.h1.s1 + √p2.h2.s2 + w w kỳ hạn biễu thị nhiễu Gaussian bao gồm sóng nhiễu giao thức Mật độ lượng quang phổ w N Trong NOMA, s1 s2 truyền cách sử dụng tần số giao thoa với Trong đường lên, SIC thực máy thu nguồn Hình Quang phổ sử dụng so sánh đường lên SIC, người nhận giải mã s1 s2 hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu tiên, người nhận giải mã s1, s2 coi nhiễu Gaussian Một người nhận giải mã cách xác s1, loại trừ yếu tố s từ kết tập nhận tín hiệu y sau giải mã s2 Bởi có nhiễu qua máy thu Gaussian hệ thống, thông lượn tối đa đạt cho người sử dụng giống giới hạn người dùng Như vậy, thông lượng người dùng i, Ri, biểu diễn là: R1 = log2 (1 + p1|h1 |2 / (p2 | h2 | + N0)) R2 = log2 (1 + p2 | h2 |2 / N0) Nếu tín hiệu giải mã ngược lại, Ri trở thành R1 = log2 (1 + p1 | h1 | / N0) R2 = log2 (1 + p2 | h2 | / (p1 | h1 | + N0)) Lưu ý hai công thức trên, tín hiệu giải mã SIC, tổng thông lượng, R1 + R2, giống log2 (1 + (p1 | h1 | + p2 | h2 | 2) / N0), tổng thông lượng đạt kênh truy cập đa phương đường lên Mặt khác, đường lên OMA với băng thông βHz giao cho người sử dụng băng thông lại, 1- βHz giao cho người sử dụng 2, Ri biểu diễn R1 = βlog2 (1 + p1| h1 |2 / βN0) R2 = (1-β) log2 (1 + p2 | h2 |2 / (1-β) N0) Hình (a) (b) cho thấy khu vực thông lượng (năng suất) cho chế với kênh truyền đối xứng không đối xứng tương ứng Trong Hình (a), p | h1 | / N0 p2 | h2 | / N0 thiết lập với 10dB Trong Hình (b), p | h1 | / N0 p2| h2 |2/N0 thiết lập 20 0dB NOMA với SIC đạt điểm A cách giải mã tín hiệu cho người sử dụng trước Điểm B đạt tín hiệu cho người sử dụng giải mã Các cặp thông lượng đoạn thẳng AB đạt tổng thông lượng tối đa Trong kênh đối xứng, khu vực thông lượng OMA xác tiểu hệ thống kênh xứng cho NOMA SIC, Hình 4: khu vực thông lượng (năng suất) đường lên OMA đạt tổng thông lượng tối đa điểm Vào thời điểm đó, thông lượng hai người sử dụng Tuy nhiên, kênh không đối xứng, OMA đạt tổng thông lượng tối đa, thông lượng người dùng không cân xứng Sử dụng OMA thông lượng R2 0.067b/s , xấp xỉ 1/15 thông lượng đơn Điều OMA phải khuếch tán hầu hết băng thông dành riêng cho người sử dụng điều kiện kênh tốt để đạt tổng thông lượng tối đa Nếu muốn đạt R2 0.8b/s để cải thiện cân sử dụng OMA, R1 phải giảm mạnh xuống đến khoảng 3.70b/s chuyển giao băng thông bị giảm phần lớn Mặt khác, NOMA với SIC đạt R2 1.0, thông lượng người dùng đạt tổng thông lượng tối đa (tại điểm A) Với phân tích trên, hy vọng đường lên đường xuống giao thức, NOMA có tiềm để mang lại cân xứng suất hệ thống cân giữ người dùng so với OMA Ưu nhược điểm chế đa truy cập phi trực giao • Ưu điểm: - Tốc độ truyền tín hiệu nhanh nhiều so với 4G - Mạng 5G không sử dụng trạm sở mặt đất 4G mà sử dụng II.3 trạm HAPS - Mạng 5G không gặp vấn đề phủ sóng - Tối ưu phần cứng - Tiết kiệm lượng 4G - Bổ sung thêm nhiều tính cho phần cứng - Ứng dụng nhiều lính vực truyền hình , viễn thông - ứng dụng vào lính vực xe - chăm sóc sức khỏe từ xa - ứng dụng để hội họp, hội nghị từ xa • Nhược điểm: - Băng tần chưa sẵn sàng - Công nghệ đạt tới mức đưa 5G vào sử dụng chưa - Cức phí 5G với nhà mạng - Các điện thoại phải thay đổi chíp 5G giá bán điện thoại có tăng không KẾT LUẬN CHƯƠNG III Kết thúc chương thấy cách thức truyền nhận thông tin vô tuyển 5G Chương thấy rõ chế đa truy cập phi trực giao phức tạp khả thi vượt trội so với chế đa truy cập trực giao Từ ưu nhược điểm đa truy cập trực giao đa truy cập phi trực giao ta thấy có nhiều lợi ích mà chế mang lại từ áp dụng nhiều lích vực truyền thông khác tương lai