Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (tt)

Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (Luận văn thạc sĩ)Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (Luận văn thạc sĩ)Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (Luận văn thạc sĩ)Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (Luận văn thạc sĩ)Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (Luận văn thạc sĩ)Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (Luận văn thạc sĩ)Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (Luận văn thạc sĩ)Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (Luận văn thạc sĩ)Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (Luận văn thạc sĩ)

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG - HOÀNG THANH HỊA PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP CỘNG TÁC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO NOMA Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG Mã số: 60.52.02.08 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2017 Luận văn hồn thành tại: HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ QUỐC CƯỜNG Phản biện 1: …………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng Vào lúc: ngày tháng .năm Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Thư viện Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng MỞ ĐẦU Truyền thông liên lạc nhu cầu thiết yếu xã hội phát triển nào, truyền thơng vơ tuyến đóng vai trò quan trọng Trong suốt 20 năm gần đây, truyền thơng vơ tuyến có bước phát triển vượt bậc dự đốn tiếp tục phát triển Với triển khai dịch vụ truyền thông di động, ứng dụng truyền hình di động, chứng kiến nhu cầu ngày tăng tốc độ liệu hệ thống di động tế bào hệ thứ 3, (3G, 4G) điều tạo nên xu hướng tiến lên hệ Trong thập niên gần đây, truyền thông cộng tác (cooperative communication) trở thành chủ đề bật nghiên cứu ứng dụng, nhằm tăng cường hiệu truyền liệu hệ thống giao tiếp vô tuyến Khái niệm truyền thông cộng tác thiết bị đầu cuối chia sẻ antenna để tạo thành chuỗi antenna ảo Điều giúp mạng truyền thông cộng tác có đạt bậc phân tập cao mà không cần phải trang bị nhiều antenna thiết bị đầu cuối Một hệ thống chuyển tiếp cộng tác (CRS) thu hút ý lớn nhằm mục đích khai thác đa dạng khơng gian Trong CRS với mạng chuyển tiếp bán song cơng, phía đích nhận kết hợp hai độc lập tín hiệu liệu truyền từ nguồn thông qua kênh trực tiếp chuyển tiếp hai khe truyền dẫn, cải thiện chất lượng thu tín hiệu Tuy nhiên, truyền dẫn chuyển tiếp cộng tác giới hạn hiệu suất phổ tần hệ thống truyền lặp lại Đa truy nhập không trực giao (NOMA) nguyên tắc khác với kỹ thuật đa truy nhập trực giao thông thường, NOMA nhiều người dùng khuyến khích truyền tải lúc, mã tần số, với mức lượng khác Đặc biệt, NOMA phân bổ lượng cho người dùng có điều kiện kênh tốt hơn, người dùng giải mã thơng tin riêng họ cách áp dụng hủy bỏ can thiệp liên tiếp Do người dùng biết thông điệp dành cho người dùng khác Luận văn tập trung nghiên cứu, mô kiểm chứng hai vấn đề thực tế là: So sánh hiệu hệ thống mạng chuyển tiếp cộng tác CRS dùng NOMA mạng CRS thông thường điều kiện khác thơng số kênh truyền, tỷ số tín hiệu nhiễu SNR hệ số phân bổ công suất Đồng thời, luận văn tính tốn đề xuất chương trình phân bổ lượng tối ưu để hệ thống CRS dùng NOMA có hiệu tốt Luận văn chia làm chương cụ thể sau: Chương - Tổng quan mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng NOMA Chương - Phân tích dung lượng mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng NOMA Chương - Mô đánh giá kết Chương - Kết luận hướng phát triển đề tài 5 Chương - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN TIẾP CỘNG TÁC SỬ DỤNG NOMA 1.1 Các khái niệm liên quan 1.1.1 Dung lượng kênh truyền Khái niệm “dung lượng” kênh truyền khái niệm lý thuyết truyền tin đại lượng vật lý đồng thời đại lượng toán học (có đơn vị bit) Đại lượng cho phép xác định tốc độ truyền tối đa kênh truyền không dây với xác suất sai số cho phép 1.1.2 Dung lượng kênh truyền Rayleigh Fading 1.1.2.1 Dung lượng kênh tức thời  P h2  C  log (1   )  log 1   N   (1.5) 1.1.2.2 Dung lượng kênh trung bình Đối với kênh truyền Rayleigh fading, dung lượng kênh phải tính theo ý nghĩa dung lượng kênh trung bình, kênh truyền Rayleigh fading, giá trị thay đổi theo thời gian Khi dung lượng kênh trung bình cho thấy dung lượng trung bình tốt mơi trường fading C  E C  E log (1   )  e ln(2)  N0 P   N0  E1    P  (1.6) 1.2 Tổng quan mạng chuyển tiếp cộng tác 1.2.1 Giới thiệu truyền thông cộng tác 1.2.2 Các giao thức hoạt động nút chuyển tiếp Khi nút chuyển tiếp tiếp nhận thông tin từ nút nguồn, chúng tiếp nhận xử lý trước truyền đến nút đích Các kỹ thuật hay cách thức hoạt động nút chuyển tiếp gọi kỹ thuật chuyển tiếp Hai kỹ thuật chuyển tiếp phổ biến thường sử dụng nhiều hệ thống truyền thông họp tác kỹ thuật chuyển tiếp cố định (fixed relaying) kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi (adaptive relaying) 1.2.2.1 Kỹ thuật giải mã chuyển tiếp (DF) Kỹ thuật chuyển tiếp biết đến kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo, thực phương thức xử lý số tín hiệu Ở mơ hình này, nút chuyển tiếp hoạt động trạm lặp (repeater) thông minh giải mã/ giải điều chế tín hiệu nhận từ nút nguồn khe thời gian truyền thứ hay pha truyền thứ Quá trình loại bỏ diện nhiễu 1.2.2.2 Kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (AF) Với mơ hình sử dụng kỹ thuật này, nút chuyển tiếp đơn giản khuếch đại nhận từ nút nguồn Quá trình khuếch đại tương ứng với biến đổi tuyến tính xảy nút chuyển tiếp AF gọi mơ hình chuyển tiếp khơng tái tạo thực phương thức xử lý tương tự cho tín hiệu 1.2.2.3 Kỹ thuật nén chuyển tiếp Sự khác kỹ thuật nén chuyển tiếp (Compress and Forward- CF) với AF DF trình truyền thơng tin nút nguồn nút đích, nút chuyển tiếp truyền tin nhận Nút chuyển tiếp truyền tin lượng tử hóa nén từ tin ban đầu nhận từ nút nguồn Khi nút đích khơi phục thơng tin cách kết hợp tin nhận từ nút nguồn phần thông tin lượng tử hóa nén từ nút chuyển tiếp 1.2.2.4 Kỹ thuật chuyển tiếp tăng cường Trong chế độ chuyển tiếp tăng cường (incremental relaying), giả sử có kênh phản hồi từ nút đích tới nút chuyển tiếp Nút đích gửi tin xác nhận tới nút chuyển tiếp nhận thơng tin xác từ nút nguồn pha truyền thứ nhất, nút chuyển tiếp khơng cần truyền thơng tin Giao thức có hiệu suất sử dụng phổ tốt so với giao thức trình bày nút chuyển tiếp khơng phải ln tham gia vào q trình truyền việc xảy pha truyền thứ hai phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích Do chuyển tiếp tăng cường đạt độ lợi phân tập gấp hai lần 1.2.3 Kỹ thuật phân tập kết hợp 1.2.3.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC) Kỹ thuật phân tập SC hoạt động ngun tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR) tốt số tất tín hiệu nhận từ nhánh khác đưa vào xử lý 1.2.3.2 Kỹ thuật kết hợp tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combining: MRC) Kỹ thuật sử dụng tín hiệu thu từ tất nhánh để đưa vào xử lý Trong kỹ thuật MRC, SNR ngõ kết hợp tổng SNR nhánh thành phần SNR tín hiệu thu tăng tuyến tính theo số nhánh phân tập 1.2.3.2 Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân (Equal-gain Combining: EGC) Về chất EGC giống MRC, sử dụng tất tín hiệu thu nhánh để đưa vào xử lý, nhiên, tỉ số SNR đầu phương pháp EGC thoả điều kiện công suất nhiễu nhánh Tuy nhiên, hiệu kỹ thuật thấy khơng cao kỹ thuật MRC EGC dễ thực thi thực tế kỹ thuật MRC 1.2.4 Ưu nhược điểm truyền thông cộng tác 1.2.4.1 Ưu điểm Đạt độ lợi phân tập kết hợp: - Giảm thiểu công suất truyền cần thiết 8 - Nâng cao dung lượng kênh Shanon - Nâng cao độ tin cậy truyền dẫn, vùng phủ sóng mạng Cân chất lượng dịch vụ QoS Tiết kiệm sở hạ tầng xây dựng mạng Truyền thơng cộng tác giải pháp giảm thiểu chi phí xây dựng, cung cấp dịch vụ mạng nhiều trường hợp 1.2.4.2 Nhược điểm − Sử dụng truyền thông cộng tác tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến so với truyền trực tiếp − Một hệ thống truyền thơng cộng tác đòi hỏi yêu cầu cao điều khiển truy nhập, đồng bộ, lập lịch, biện pháp bảo mật − Trễ bước xử lý nút chuyển tiếp rõ ràng khơng có lợi − Việc lập lịch phức tạp 1.3 Tổng quan công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA) 1.3.1 Khái niệm đa truy nhập 1.3.2 So sánh OMA NOMA 1.3.2.1 Đa truy nhập trực giao (Orthogonal Multiple Access-OMA) 1.3.2.2 Đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access -NOMA) Đa truy nhập không 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, mã không gian thời gian hay, sóng mang NOMA đề nghị phương pháp đa truy nhập mới, bổ sung thêm miền miền cơng suất, mà trước chưa sử dụng với 2G, 3G hệ thống 4G 1.3.3 Mơ hình hệ thống NOMA Hình 1.7 Mơ hình NOMA với SIC bên nhận 1.3.3.1 Đường truyền lên NOMA Trong đường truyền lên, người sử dụng thứ i truyền tín hiệu s i , với Pi lượng truyền tải cho tín hiệu s i Giả sử có người dùng NOMA, tín hiệu nhận nguồn biểu diễn là: y  h1 P1 s  h2 P2 s  n (1.9) 1.3.3.2 Đường truyền xuống NOMA Để đơn giản, giả định hai người sử dụng máy phát ăng ten thu Trong đường truyền xuống, trạm phát tín hiệu cho người sử dụng thứ i ( i = 1, 2) , si , E  s   , với công suất truyền Pi , tổng số Pi tổng công suất truyền máy phát Trong NOMA, s1 s chồng chất mã hóa sau: x  P1 s1  P2 s2 , (1.14) đó, tín hiệu nhận người dùng thứ i là: yi  hi x  ni , (1.15) 1.4 Tổng quan mạng truyền thông cộng tác sử dụng NOMA Chương - PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP CỘNG TÁC SỬ DỤNG NOMA 2.1 Mô hình hệ thống 10 Chúng ta xem xét mạng CRS đơn giản bao gồm nguồn (S), mạng chuyển tiếp bán song cơng (R), đích (D), nơi mà giả định tất liên kết (tức S  D , S  R liên kết R  D ) có sẵn Hình 2.1 Mơ hình hệ thống Các tín hiệu nhận chuyển tiếp đích đến khe thời gian biểu diễn tương ứng: rSR  hSR ( a1Pt s1  a2 Pt s2 )  nSR (2.1) rSD  hSD ( a1Pt s1  a2 Pt s2 )  nSD (2.2) Tỷ số tín hiệu nhiễu SNR nhận cho tín hiệu s1 s2 chuyển tiếp thu tương ứng: I  SR   SR  | hSR |2 a1 Pt | hSR |2 a2 Pt   (2.3) | hSR |2 a2 Pt (2.4) 2 Mặt khác, đích đến xử lý tín hiệu s2 nhiễu để có tín hiệu s1 từ (2.2) Sau đó, SNR nhận cho tín hiệu s1 đích đến thu sau: 11  SD  | hSD |2 a1Pt | hSD |2 a2 Pt   (2.5) Trong khe thời gian thứ hai, có chuyển tiếp truyền tín hiệu giải mã s2 với nguồn Pt đến đích Giả sử chuyển tiếp hồn tồn giải mã tín hiệu s2 , tín hiệu thu đích khe thời gian thứ hai biểu diễn bằng: rRD  hRD Pt s2  nRD (2.6) Trong 𝑛𝑅𝐷 nhiễu Gaussian trắng với độ sai lệch  , SNR nhận cho tín hiệu s2 (2.6) thu là:  RD  | hRD |2 Pt 2 (2.7) Kết là, CRS sử dụng NOMA, đích đến có hai tín hiệu liệu s1 s2 hai khe thời gian, khơng giống CRS thơng thường, đích nhận tín hiệu liệu đơn hai khe thời gian 2.2 Phân tích dung lượng mạng Cho SD | hSD |2 , SR | hSR |2 , RD | hRD |2  Pt /  , ρ SNR truyền đạt Kể từ tín hiệu 𝑠1 nên giải mã điểm đến chuyển tiếp cho SIC, tốc độ đạt gắn liền với tín hiệu 𝑠1 thu sử dụng (2.3) (2.5) là: I min{log (1   SD ),log (1   SR )} 1  log (1  min{SD , SR } )  log (1+min{SD , SR } a2 ) 2 Cs1  (2.10) Theo mơ hình cho ban đầu ta có a1   a2 Dựa vào thực tế dung lượng từ đầu cuối đến đầu cuối giải mã chuyển tiếp 12 định liên Error! kết yếu Reference nhất, sử source dụng not công thức found Error! Reference source not found., dung lượng đạt liên quan đến tín hiệu 𝑠2 thu bằng: min{log (1   SR ),log (1   RD )} Cs2  = log (1  min{SR  a2 , RD }) (2.12) Từ (2.10) (2.12), tổng tốc độ thu CRS sử dụng NOMA sau là: C pro  Cs1  Cs2 (2.13) min{SR  a2 , SD } , sử dụng chức min{SD , SR } Y Đặt X hàm mật độ xác suất (PDF), hàm phân phối tích lũy (CDF) X Y FY ( y )   e  y( tương  SR  a2   SD  ứng ) cho FX ( x)   e  x(  SD   SR ) Lấy đạo hàm 𝐹𝑋 (x) 𝐹𝑌 (y), hàm PDF X Y tính là:  1   1   x  SD  SR  f X ( x)    e   SD  SR   (2.14)   1   y  SR  a2   RD   fY ( y )    e   SR  a2  RD   1 (2.15) Sử dụng (10), (11), (12), tổng tốc độ trung bình thu bằng:  {log (1  x  )  log (1  x  a2 )}f X ( x)dx 1   {log (1  y )}fY ( y ) dy C pro   (2.16) 13  1 1     SD   SR    1  e Ei         2ln      SD  SR     1      SR   a2   SD e    e  SR  a2    1  Ei      a    SR    SD     SD   (2.25)  1  Ei       SR  a2  RD   Sử dụng xấp xỉ Ei (x)  Ec  ln( x) [3, eq.(8.212.1)] e x   x cho x nhỏ, Trong Ec biểu thị số Euler, biểu thức tiệm cận Error! Reference source not found có chuyển hóa là: C pro    1    log e          Ec  ln      ln      ln        a     a  SR   SR   RD     SR    SD   SD  1 log e a   log   Ec  log    2   RD   SR (2.26) Từ công thức (2.26), ta thấy tổng dung lượng trung bình CRS sử dụng NOMA 𝑎2 giảm xuống    Trong ý 0