Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (tt)

23 191 1
Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (tt)

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Thông tin tài liệu

Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)

1 MỞ ĐẦU Gần đây, kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)) [1],[2] trở thành chủ đề “nóng”, thu hút quan tâm nhà nghiên cứu nước Đây kỹ thuật hiệu cải thiện đáng kể tốc độ truyền dẫn cho mạng thông tin vô tuyến Ý tưởng NOMA máy phát ghép tín hiệu khác cách tuyến tính lại với nhau, cách phân bổ công suất khác cho tín hiệu [1],[2] Rồi thì, tín hiệu truyền đồng thời đến máy thu Ở máy thu, tín hiệu giải mã Cụ thể, tín hiệu phân bổ với cơng suất phát lớn giải mã trước Sau giải mã xong tín hiệu đó, thiết bị thu loại bỏ tín hiệu từ tín hiệu tổng nhận được, tiến hành giải mã tín hiệu Tiến trình gọi khử giao thoa (Successive Interference Cancellation (SIC)) Kết máy thu đồng thời nhận lúc tín hiệu khác nhau, điều nâng cao đáng kể độ lợi ghép kênh (Multiplexing gain) cho hệ thống Do đó, đa truy nhập khơng trực giao (NOMA) xem ứng viên tiềm cho mạng thông tin vô tuyến hệ mới, lý mà học viên theo đuổi hướng nghiên Trong đề cương khoa học này, Học viên nghiên cứu giao thức chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relay protocol) [3],[4] sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao Chuyển tiếp đa chặng kỹ thuật hiệu nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho mạng thông tin vô tuyến, đặc biệt thiết bị hạn chế công suất phát lượng Tuy nhiên, nhược điểm chuyển tiếp đa chặng độ trễ lớn tốc độ truyền dẫn thấp Cụ thể, hệ thống chuyển tiếp đa chặng thông thường, nhiều khe thời gian sử dụng để truyền liệu từ nguồn đến đích [5],[6] Nếu tuyến nguồn đích có M chặng tốc độ truyền dẫn gói liệu / M khe thời gian Rõ ràng rằng, số chặng nguồn đích lớn tốc độ hệ thống thấp Kết luận: Học viên muốn nghiên cứu thiết kế số giao thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, nhằm kết hợp ưu điểm hai kỹ thuật này: nâng cao chất lượng truyền liệu hai cải thiện thông lượng cho hệ thống Hơn nữa, Học viên nghiên cứu cơng cụ tốn học mơ để đánh giá hiệu hoạt động mơ hình đề xuất tác động fading kênh truyền suy giảm phần cứng Cấu trúc nội dung luận văn bao gồm 05 chương, cụ thể sau: - Chương - 1: Lý Thuyết Tổng Quan - Chương - 2: Mơ Hình Hệ Thống - Chương - 3: Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống - Chương - 4: Kết Quả Mô Phỏng Và Lý Thuyết - Chương - 5: Kết Luận CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THƠNG ĐA CHẶNG 1.1 Mạng vơ tuyến chuyển tiếp 1.1.1 Giới thiệu S R1 R2 Rn-1 D Hình 1.1: Mơ hình chuyển tiếp 1.2 Mạng chuyển tiếp đa chặng Các nút chuyển tiếp T0 T1 T2 TM 1 Nguồn TM Đích Hình 1.2: Mạng chuyển tiếp đa chặng 1.3 Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) 1.3.1 Giới thiệu Ý tưởng NOMA máy phát ghép tín hiệu khác cách tuyến tính lại với nhau, cách phân bổ cơng suất khác cho tín hiệu [5],[9] Rồi thì, tín hiệu truyền đồng thời đến máy thu Ở máy thu, tín hiệu giải mã Cụ thể, tín hiệu phân bổ với công suất phát lớn giải mã trước Sau giải mã xong tín hiệu đó, thiết bị thu loại bỏ tín hiệu từ tín hiệu tổng nhận được, tiến hành giải mã tín hiệu Tiến trình gọi khử giao thoa (Successive Interference Cancellation (SIC)) 1.3.2 NOMA đường xuống Hình 1.3: Mơ hình đường xuống NOMA với K người nhận 1.3.3 NOMA đường lên Hình 1.4: Mơ hình đường lên NOMA với K người dùng 1.4 Phần cứng khơng hồn hảo Cho đến nay, hầu hết nghiên cứu chưa xét đến ảnh hưởng suy hao phần cứng (hardware impairments) lên hiệu mạng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật NOMA Trong thực tế, phần cứng thiết bị, đặc biệt thiết bị rẻ tiền, không hoàn hảo [10],[13] nhiễu gây từ nhiễu pha, khơng cân I/Q, khơng tuyến tính khuếch đại, v.v Do đó, đưa nhiễu phần cứng gây vào đánh giá hiệu cho kết gần với thực tế 1.5 Tổng quan đề tài lý chọn đề tài Nội dung luận văn nghiên cứu thiết kế số giao thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, nhằm kết hợp ưu điểm hai kỹ thuật này: nâng cao chất lượng truyền liệu hai cải thiện hiệu phổ tần cho hệ thống 1.6 Các nghiên cứu liên quan Theo hiểu biết tốt Học viên, hầu hết nghiên cứu đa truy nhập không trực giao tập trung vào mạng truyền trực tiếp chuyển tiếp hai chặng [14],[16] Khơng cơng trình [14],[16], giao thức đề xuất cải thiện tốc độ truyền dẫn Trong thực tế, phần cứng thiết bị, đặc biệt thiết bị rẻ tiền, khơng hồn hảo nhiễu gây từ nhiễu pha, không cân I/Q, không tuyến tính khuếch đại, v.v 6 CHƯƠNG - MƠ HÌNH HỆ THỐNG 2.1 Mơ hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (MHTT) Các nút chuyển tiếp T0 T2 T1 TM 1 Nguồn TM Đích Hình 2.1: Mạng chuyển tiếp đa chặng truyền thống Cụ thể, có tất M chặng nguồn đích hiệu sử dụng phổ tần mơ hình M (1 liệu / M khe thời gian) 2.2 Cải tiến mơ hình chuyển tiếp truyền thống 2.2.1 Mơ hình cải tiến (MHCT1) Để cải thiện tốc độ, luận văn đề xuất mơ hình sử dụng truyền thơng NOMA cho chặng nguồn đích Một cách tổng quát, xét truyền liệu khe thời gian thứ nút Tm1 gửi tín hiệu z1 đạt để giải mã tín hiệu  mx  x1 đến nút Tm Tm , m  1, 2, , M Tỷ số SNR là: a1m1,m m1,m  a2m1,m  , Tỷ số SNR đạt cho việc giải mã tín hiệu sau: m, (2.1) x2 tính  mx  a2 m1,m m1,m  (2.2) Bởi nút phát MHCT1 gửi lúc hai liệu chặng nên hiệu phổ mô hình là: M (2 gói liệu / M khe thời gian), gấp đôi hiệu phổ mơ hình chuyển tiếp truyền thống (MHTT) 2.2.2 Mơ hình cải tiến (MHCT2) Để nâng cao hiệu sử dụng phổ tần, ta sử dụng kỹ thuật khử giao thoa (SIC) Luận văn đề xuất kỹ thuật cải tiến (đặt tên MHCT2) sau: T0 x2 x1 x1 T1 T2 T3 Hình 2.2: Trong khe thời gian thứ ba: T0 gửi x1 đến x2 T0 T2 T1 gửi x2 đến gửi x1 đến T3 T4 T1 x1 Hình 2.3: Trong khe thời gian thứ tư: T1 T2 T2 x1 T3 T3 T4 gửi x1 đến x3 T0 T1 x2 T2 x2 x1 T3 Hình 2.4: Trong khe thời gian thứ năm: T2 gửi x2 đến T3 T0 gửi x3 x1 T4 T4 đến gửi T5 x1 đến T5 , T1 Tiến trình tiếp tục liệu gửi đến đích Ta xét tín hiệu xu  u  1, 2,3, 4,  gửi từ nguồn đến đích Dựa vào cơng thức đưa trên, ta quy nạp tỷ số SNR đạt chặng thứ m  m  1, 2, , M   mx  u để giải mã tín hiệu xu là: m1,m  L m   m1,m     m 2l 1,m    l 1  (2.3) Nếu số lượng gói gửi đủ lớn u   hiệu phổ đạt là:   u lim   u  M   u  1    (2.4) Cơng thức (2.4) cho thấy MHCT2 đạt hiệu phổ tối đa gói liệu / khe thời gian 2.2.3 Mơ hình cải tiến (MHCT3) Để đạt tốc độ truyền dẫn cao nữa, kỹ thuật NOMA áp dụng để truyền liệu chặng MHCT1 Có thể nói, MHCT3 kết hợp MHCT1 MHCT2 9 z2 T0 z1 T1 z1 T2 Hình 2.5: Trong khe thời gian thứ ba: T0 T0 z3 z2 T1 gửi z2 T2 đến z2 T2 Hình 2.6: Trong khe thời gian thứ năm:  z3 z3  a1 Px5  a2 P x6 gửi  z1 đến T1 , T2 đến T5 Tương tự trên, ta xét tín hiệu , hai tín hiệu tín hiệu zu x2 u 1 x2u gửi z1 đến T3 , T1 z1 T3 T3 gửi z1 T4 T5 T0 gửi liệu z2 đến T3 T4 zu  a1Px2u 1  a2 Px2u cộng tuyến tính với để tạo thành để gửi chặng Xét tỷ số SNR đạt nút thu Tm  m  1, 2, , M  Đối với tín hiệu SNR đạt Tm để giải mã tín hiệu x2 u 1 x2u x2 u 1 , tín hiệu giải mã trước, tỷ số để giải mã tín hiệu đưa dạng sau: 10  mx u 1  a1m1,m  L  m  m1,m  a2m1,m     m 2l 1,m    l 1  (2.5) Đối với tín hiệu x2u , sau khử thành phần liên quan đến tín hiệu x2 u 1 , tỷ số SNR đạt nút thu Tm  mx u 1  để giải mã tín hiệu là: a2 m1,m  L m  m1,m     m 2l 1,m    l 1  (2.6) Hiệu phổ mà MHCT3 đạt đích nhận tín hiệu tổng hợp zu là: 2u M   u  1 (2.7) Rõ ràng rằng, số lượng liệu gửi đủ lớn hiệu phổ tần tối đa MHCT3 gói liệu / khe thời gian 12 CHƯƠNG - MƠ HÌNH HỆ THỐNG 3.1 Mơ hình kênh truyền Trong luận văn này, giả sử kênh truyền hai nút kênh fading Nakagami-m Thật vậy, Ta Nakagami-m hai nút kênh truyền  a ,b | hT ,T |2 a b hTa ,Tb hệ số kênh truyền fading Tb , a, b  0,1, 2, , M  , độ lợi có hàm phân phối tích luỹ (CDF) sau (xem [25]): Fa ,b  x     ma ,b , ma ,b a ,b x    ma ,b  , (3.1) Khi ma,b  N số nguyên dương hàm CDF Fa ,b  x  biểu diễn dạng sau (xem [25]): N 1 Fa ,b  x    exp   N a ,b x    N  a ,b t! t 0 t xt , (3.2) Hơn nữa, tham số đặc trưng a ,b mơ hình hàm khoảng cách [26]-[27]: a ,b  d a,b , với  hệ số suy hao đường truyền, cách vật lý hai nút Ta Tb (3.3) d a ,b khoảng 13 3.2 Xác suất dừng (Outage Probability (OP)) 3.2.1 Mơ hình MHTT Từ cơng thức (3.2), ta có xác suất dừng mơ hình MHTT sau: OPMHTT   PMHTT t t    N 1  N u 1,u           exp   N u 1,u       t 0 t!    u 1    M (3.4) 3.2.2 Mơ hình MHCT1 Trên kênh truyền fading Rayleigh viết lại như: M    OPMHCT1    exp   m1,m max   m1   (3.5) 3.2.3 Mơ hình MHCT2 Trên kênh truyền Nakagami-m viết lại sau: t t t  t  N1  N1          0,1     1,2       OPMHCT2 1 exp 0,1   exp     1,2      t0 t!         t0 t!             m1,m   exp       M   t  N1 t L m N v  m1,m   Ct  k  v 1! al,k m3    kv  tv   t 0 v0 l 1 k1 t!  k 1!  m 2l1,m m1,m      (3.6) 14 3.2.4 Mơ hình MHCT3 Khi tất kênh truyền fading Rayleigh, rút gọn dạng sau: OPMHCT3   PMHCT3         exp  0,1 max   exp  1,2 max        m 2l 1,m max       exp  m1,m    l 1 m 2l 1,m  m1,m max  m 3 L m M (3.7) 3.3 Thông lượng mạng (Throughput (TP)) 3.3.1 Mơ hình MHTT Thơng lượng TP mơ hình MHTT tốc độ yêu cầu Rth  log 1   th  định nghĩa sau (xem [28]-[29]): TPMHTT  Rth PMHTT M (3.8) Khi kênh truyền kênh fading Rayleigh TPMHTT  N  1 , ta có: Rth   M  exp   m1,m  M P  m1 (3.9) 3.3.2 Mơ hình MHCT1 Bởi mơ hình MHCT1 tăng tốc độ mạng lên gấp so với mô hình MHTT, thơng lượng mạng mơ hình tính sau: 15 Khi tất kênh truyền kênh fading Rayleigh, ta có: TPMHCT1     Rth M exp   m1,m  max   M m1    (3.10) 3.3.3 Mơ hình MHCT2 Mơ hình MHCT2 đạt tốc độ 1/2, đó, thơng lượng mơ hình viết sau: Với kênh truyền fading Rayleigh, ta đạt được: TPMHCT2  Rth   M    L m m 2l1, m  exp 0,1 1,2  expm1,m     m3    l1 m 2l1, m m1,m    (3.11) 3.3.4 Mơ hình MHCT3 Mơ hình MHCT3 kênh truyền kênh fading Rayleigh       TPMHCT3  Rth  exp  0,1 max   exp  1,2 max        M m 2l 1,m       exp  m1,m max         m 3 l 1 m 1, m max m  2l 1,m L m (3.11) Ở đây, ta lưu ý rằng: mơ hình MHCT3 đạt tốc độ gói liệu khe thời gian Ta thấy rằng, để đạt tốc độ truyền cao hơn, hệ thống phải chịu mức can nhiễu lớn phải sử dụng kỹ thuật khử nhiễu phức tạp (như SIC) 16 CHƯƠNG - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 4.1 Mô Monte Carlo 4.1.1 Xác suất dừng (OP) Hình 4.1: Xác suất dừng vẽ theo  (dB) a1  0.8 , M  , D  0.75 , N  2,   0.08  th  0.5 Nhìn vào hình 4.1, ta thấy xác suất dừng tất mơ hình giảm tăng giá trị  Tuy nhiên, xác suất dừng mơ hình MHTT thấp tín hiệu nhận chặng khơng bị 17 tác động nhiễu (nhiễu đồng kênh hay nhiễu gây kết hợp liệu khác nhau) Hình 4.2: Xác suất dừng vẽ theo (dB), M a1  0.75 ,   10 D  0.5 , N  1,   0.05  th  0.5 Nhìn vào hình 4.2, ta thấy mơ hình MHCT3 có giá trị xác suất dừng lớn nhiều so sánh với mô hình lại Hơn nữa, tăng số lượng chặng ta thấy OP tất mơ hình tăng 18 Hình 4.3: Xác suất dừng vẽ theo (dB), M a1  0.7 ,   D  1/ M , N  1,   0.01  th  0.25 Nhìn vào hình 4.3, ta thấy xác suất dừng hai mơ hình MHTT MHCT1 giảm tăng số chặng Nguyên nhân tăng số chặng, khoảng cách hai nút gần giảm việc truyền liệu ổn định a1  0.8 , P  Hình 4.4: Xác suất dừng vẽ theo D M  , N  4,    th  1.25 (dB), Hình vẽ cho ta thấy OP tất mơ hình tăng khoảng cách hai nút kề tăng 19 4.1.2 Thơng lượng (TP) Hình 4.5: Thơng lượng vẽ theo  (dB) a1  0.8 , D  0.75 , M  , N  3,   0.08  th  0.5 20 Hình 4.6: Thông lượng vẽ theo  (dB) a1  0.8 , D  0.75 , M  , N  1,   0.08  th  0.5 Nhìn vào hình vẽ, ta thấy thơng lượng mơ hình hai hình 4.5 4.6 tăng Hình 4.7: Thơng lượng vẽ theo M  4,    tăng N a1  0.75 , D  0.4 ,  th  Nhìn vào hình 4.7, ta thấy rằng, hầu hết trường hợp, thông lượng mơ hình tăng lên giá trị N tăng (hay chất lượng kênh truyền tốt hơn) 21 Hình 4.8: Thơng lượng vẽ theo M N  1,   10 (dB), a1  0.7 , D  1/ M ,   0.05  th  0.5 Nhìn vào hình 4.8, ta thấy thơng lượng tất mơ hình suy giảm tăng số chặng nguồn đích 22 Hình 4.9: Thơng lượng vẽ theo   20 (dB),  a1  0.65 , M  , N  1, D  1/  th  Hình 4.9 cho thấy ảnh hưởng suy hao phần cứng lên thông lượng mạng Ta thấy rằng, hai mơ hình sử dụng kỹ thuật NOMA MHCT1 MHCT3 chịu mức suy hao phần cứng thấp, mơ hình khơng sử dụng NOMA chịu mức suy hao phần cứng lớn Hình 4.10: Thơng lượng vẽ theo   15 (dB), a1   0.1 , M  , N  1, D  0.25  th  Hình 4.10 khảo sát ảnh hưởng hệ số phân chia công suất lên thông lượng TP MHCT1 MHCT3 a1 23 CHƯƠNG - KẾT LUẬN 5.1 Các kết đạt luận văn Trong luận văn, Học viên trình bày tổng quan khái niệm mạng chuyển tiếp đa chặng, kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA), suy hao phần cứng (Hardware Impairments), khảo sát nghiên cứu liên quan đến luận văn Kế tiếp, Học viên tiến hành mơ phân tích lý thuyết đánh giá hiệu xác suất dừng thơng lượng mạng cho mơ hình kênh truyền fading Nakagami-m Hơn nữa, cơng thức tốn kiểm chứng xác thơng qua mơ Monte Carlo Các kết cho thấy rằng, mơ hình cải tiến luận văn đạt thông lượng cao đáng kể so với mơ hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống Tuy nhiên, mơ hình cải tiến chịu giá trị xác suất dừng lớn mô hình truyền thống, tác động nhiễu đồng kênh nhiễu gây trình kết hợp liệu NOMA Hơn nữa, thông số hệ thống số chặng nguồn đích, mức suy hao phần cứng, khoảng cách nút kề nhau, hệ số phân chia công suất ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng hệ thống Đối với mơ hình sử dụng NOMA, hệ thống chịu mức suy hao phần cứng thấp so với mơ hình lại Các kết cho thấy rằng, để nâng cao thông lượng cho mơ hình cải tiến, ta cần trang bị thiết bị tốt (giảm mức suy hao phần cứng) thiết kế hệ số phân chia công suất hợp lý 24 5.2 Hướng phát triển luận văn Luận văn phát triển theo hướng sau: - Khảo sát kênh truyền tổng quát kênh fading Nakagami-m (với hệ số Nakagami số thực), Rician, … - Nghiên cứu mơ hình chuyển tiếp đa chặng sử dụng MIMO chọn lựa nút chuyển tiếp chặng - Nghiên cứu kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng sử dụng nút chuyển tiếp song công (full-duplex) - Nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập lượng sóng vơ tuyến, đây, nút chuyển tiếp phải thu thập lượng bên để phục vụ cho việc chuyển tiếp ... cứu đa truy nhập không trực giao tập trung vào mạng truy n trực tiếp chuyển tiếp hai chặng [14],[16] Không công trình [14],[16], giao thức đề xuất cải thiện tốc độ truy n dẫn Trong thực tế, phần. .. văn nghiên cứu thiết kế số giao thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, nhằm kết hợp ưu điểm hai kỹ thuật này: nâng cao chất lượng truy n liệu hai cải thiện hiệu... muốn nghiên cứu thiết kế số giao thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, nhằm kết hợp ưu điểm hai kỹ thuật này: nâng cao chất lượng truy n liệu hai cải thiện thông

Ngày đăng: 12/03/2018, 16:01

Từ khóa liên quan

Tài liệu cùng người dùng

  • Đang cập nhật ...

Tài liệu liên quan