Đa truy nhập mã thưa SCMA trong 5g

VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI:Đa truy nhập mã thưa SCMA 5G Giảng viên hướng dẫn : Th.S ĐỖ ĐÌNH HƯNG Sinh viên thực : CHU VĂN SINH Lớp : K16 B Khóa học : 2013 – 2017 Hệ : ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hà nội, tháng năm 2017 VIỆN ĐẠI HỌC MỞ HÀ NỘI KHOA CN ĐIỆN TỬ - THÔNG TIN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc ĐỀ TÀI ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Họ tên: Chu Văn Sinh Lớp: K16B Khố: 2013 - 2017 Ngành đào tạo: Cơng nghệ Kỹ thuật điện tử, Truyền thông Hệ đào tạo: Đại học quy 1/ Tên đề tài ĐATN: Đa truy nhập mã thưa SCMA 5G 2/ Nội dung chính: 1/ Tổng quan hệ thống thơng tin di động từ hệ 1G đến hệ 5G đầy hứa hẹn với đặc điểm ưu vượt trội 2/Bộ mã SCMA với thiết kế nguyên lý tạo mã đặc trưng thơng số độ dài từ mã K, số phần tử khác từ mã N số lượng lớp J Cùng với đó, hoạt động hệ thống đa truy nhập sử dụng SCMA, q trình mã hóa giải mã 3/SCMA kỹ thuật đa truy nhập với nhiều đặc điểm ưu việt, hứa hẹn ứng cử viên đầy sáng giá áp dụng cho đa truy nhập mạng không dây 5G 4/ Ngày giao : 5/ Ngày nộp: TRƯỞNG KHOA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Điểm:……………(Bằng chữ:……………………………) Hà Nội, ngày……tháng…… năm 2017 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ThS Đỗ Đình Hưng NHẬN XÉT CỦA HỘI ĐỒNG CHẤM ĐIỂM ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… Điểm:……………(Bằng chữ:……………………………) Hà Nội, ngày……tháng…… năm 2017 GIẢNG VIÊN Đồ án tốt nghiệp Đại học Lời cảm ơn LỜI CẢM ƠN Hơn năm giảng đường Viện Đại Học Mở Hà Nội thân yêu, sinh viên chúng em nhận bảo, giúp đỡ tận tình Thầy Đặc biệt, sinh viên ngành Kỹ thuật Điện tử Viễn thông chúng em tìm hiểu, nghiên cứu, học hỏi, tiếp thu kiến thức hướng dẫn tận tâm Thầy cô Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới Thầy cô giáo tận tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt bốn năm qua Với vốn kiến thức đươc tiếp thu q trình học khơng tảng cho q trình nghiên cứu đồ án tốt nghiệp mà hành trang quý báu để chúng em tự tin xây dựng nghiệp đường chọn Đặc biệt, em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Th.S ĐỖ ĐÌNH HƯNG, người tận tình giúp đỡ, trực tiếp bảo, hướng dẫn em suốt q trình làm đồ án, giúp em hồn thành đồ án tốt nghiệp Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè đặc biệt thành viên thuộc tập thể lớp K16 Cảm ơn bạn ln động viên, đóng góp ý kiến giúp đỡ em trình học tập, nghiên cứu hoàn thành đồ án tốt nghiệp Cuối cùng, em xin chúc q Thầy gia đình dồi sức khỏe, thành công nghiệp trồng người đầy cao quý Chúc bạn sinh viên phấn đấu thành công! Em xin chân thành cảm ơn! Svth: Chu Văn Sinh – K16B II Đồ án tốt nghiệp Đại học Mục lục MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU v DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT vi LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I TỔNG QUAN HỆ THỐNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1 Các hệ thống thông tin di động tiền 5G .3 1.1.1 Hệ thống thông tin di động hệ thứ 1.1.1.1 Lịch sử phát triển 1.1.1.2 Đặc điểm công nghệ 1.1.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ 1.1.2.1 Lịch sử phát triển 1.1.2.2 Đặc điểm công nghệ 1.1.2.3 Những ưu nhược điểm 2G so với 1G 1.1.3 Hệ thống thông tin di động hệ thứ 1.1.3.1 Lịch sử phát triển 1.1.3.2 Đặc điểm công nghệ 1.1.3.3 Ưu điểm công nghệ W-CDMA so với GSM 1.1.3.4 Thế hệ 3.5G 1.1.4 Hệ thống thông tin di động hệ thứ 1.1.4.1 Lịch sử phát triển 1.1.4.2 Đặc điểm công nghệ 10 1.2 Hệ thống thông tin di động hệ thứ 11 1.2.1 Kiến trúc tổng quan mạng 5G 12 Svth: Chu Văn Sinh – K16B ii Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục thuật ngữ từ viết tắt 1.2.2 Yêu cầu khả 5G 13 1.2.2.1 Năng lượng hệ thống lớn 13 1.2.2.3 Trễ truyền dẫn thấp 14 1.2.2.4 Độ tin cậy khả dụng siêu cao 14 1.2.5 Các thành phần công nghệ 5G 17 1.2.5.5 Truyền dẫn đa an ten 19 1.3 Kết luận chương 20 CHƯƠNG 21 CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP THEO MÃ THƯA SCMA .21 2.1 Khái niệm SCMA 21 2.1.1 Các phương pháp đa truy nhập có hệ thống thông tin di động 21 2.1.2 Đa truy nhập theo mã thưa SCMA 21 2.2 Hoạt động hệ thống SCMA 22 2.2.1 Mã hóa SCMA 23 2.3.1 Giải mã SCMA 25 CHƯƠNG 27 ỨNG DỤNG SCMA TRONG 5G 27 3.1 Đường lên truy nhập cạnh tranh dựa SCMA 27 3.1.1 Tổng quan truy nhập cạnh tranh dựa SCMA 27 3.1.1.1 Hạn chế công nghệ LTE 27 3.1.1.2 Tổng quan truy nhập cạnh tranh dựa SCMA 28 3.1.2 Mơ hình hệ thống 29 3.1.2.1 Truyền dẫn tách tín hiệu đa truy nhập SCMA 29 3.1.2.2 Khả mở rộng SCMA cho kết nối số lượng lớn 30 3.1.3 Tài nguyên truy nhập cạnh tranh dựa SCMA 31 3.1.4 Mô kết số 32 3.1.4.1 Mơ hình mơ hệ thống 32 Svth: Chu Văn Sinh – K16B iii Đồ án tốt nghiệp Đại học 3.1.4.2 Danh mục thuật ngữ từ viết tắt Hiệu hệ thống 33 3.2 SCMA sử dụng cho đa truy nhập đường xuống 5G .36 3.2.1 Tổng quan hệ thống 36 3.2.1.1 Hệ thống đường xuống SCMA 36 3.2.1.2 Sự tương đương MIMO chuỗi thưa tuyến tính 36 3.2.2 Các thuật toán sử dụng đường xuống MU-SCMA 38 3.2.2.1 Ghép cặp người dùng để tối đa tổng tốc độ truyền dẫn 38 3.2.2.2 Điều chỉnh tốc độ phương pháp tách sóng 39 3.2.3 3.3 Kết mô hệ thống 41 Kết luận chương 42 KẾT LUẬN 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO .44 Svth: Chu Văn Sinh – K16B iv Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục hình vẽ bảng biểu DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ BẢNG BIỂU Hình 1: Kiến trúc tổng quan mạng 5G 12 Hình 2: Phân loại MTC .15 Hình 3: Phổ sử dụng cho 5G .16 Hình 1: Hệ thống SCMA 22 Hình 2: Tạo mã SCMA với K=4, N=2, J=6 24 Hình 3: Quá trình mã hóa SCMA 25 Hình 4: Quá trình giải mã SCMA 26 Hình 3: Q trình mã hóa SCMA 25 Hình 4: Quá trình giải mã SCMA 26 Hình 1: Bảng mã SCMA cho trường hợp K-4, N=2, J=6 31 Hình 2: Đơn vị tài nguyên CTU 31 Hình 3: Ánh xạ CTU 32 Hình 4: Tỉ lệ rớt gói hệ thống SCMA OFDMA .34 Hình 5: Khả hỗ trợ người dùng tích cực ngưỡng hệ thống cho trước SCMA OFDMA 35 Hình 6: Độ lợi khả hỗ trợ số người dùng tích cực hệ thống SCMA so với hệ thống OFDMA 35 Hình 7: Dung lượng người dùng sau ghép cặp 40 Hình 8: Độ lợi lưu lượng hội tụ hệ thống sử dụng SCMA so với hệ thống sử dụng OFDMA 42 Bảng 1: Thông số mô hệ thống đường lên đa truy nhập cạnh tranh dựa SCMA 33 Bảng 2: Lưu lượng tốc độ hội tụ hệ thống sử dụng OFDMA, SCMA MU-SCMA 41 Svth: Chu Văn Sinh – K16B v Đồ án tốt nghiệp Đại học Danh mục thuật ngữ từ viết tắt DANH MỤC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT Hệ thống điện thoại di động tiên AMPS Advanced Mobile System BS Base Station Trạm gốc CDMA Code Division Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo mã European Conference of Postal CEPT and Telecommunications ad minstrations tiến Hội nghị quản lý bưu điện viễn thông Châu Âu CTU Contention Transmission Unit Đơn vị truyền dẫn cạnh tranh D2D Device – to – Device Thiết bị đến thiết bị ETSI FDD FDMA European Telecommunication Standards Institute Frequency Division Duplex Frequency Division Multiple Access Trụ sở chuẩn viễn thông Châu Âu Song công phân chia theo tần số Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Sửa lỗi trước FN Funtion Node Nút hàm High Speed Downlink Package Truy nhập gói đường xuống tốc Access độ cao HSDPA Svth: Chu Văn Sinh – K16B vi Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G Hình 1: Bảng mã SCMA cho trường hợp K-4, N=2, J=6 Từng cặp bit liệu đến (b1, b2) ánh xạ đến bảng từ mã SCMA, sau trải sóng mang Khối SCMA nhận tín hiệu người dùng tổng hợp từ khối SCMA xếp chồng từ bảng mã khác 3.1.3 Tài nguyên truy nhập cạnh tranh dựa SCMA Đơn vị tài nguyên sử dụng cho truy nhập cạnh tranh dựa SCMA gọi CTU (Contention Transmission Unit) CTU kết hợp tài nguyên thời gian, tài nguyên tần số, tài nguyên mã SCMA chuỗi hoa tiêu Có J bảng mã SCMA định nghĩa đơn vị tài nguyên-tần số Với bảng mã có chuỗi bit hoa tiêu riêng Như vậy, có tổng cộng LxJ chuỗi bit hoa tiêu sử dụng LxJ CTU miền thời gian-tần số Hình 3.2 minh họa CTU truy nhập cạnh tranh dựa SCMA: Hình 2: Đơn vị tài nguyên CTU Svth: Chu Văn Sinh – K16B Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G Nhiều đầu cuối chia sẻ bảng mã, tính truy nhập ngẫu nhiên, đầu cuối truyền dẫn thời điểm Mặc dù mã qua nhiều kênh vô tuyến khác nhau, máy thu phát dòng liệu chúng mang bảng mã giống nhau, cần đảm bảo chuỗi hoa tiêu gán khác Máy thu dự đoán kênh truyền dẫn khác dựa vào chuỗi hoa tiêu khác Do đó, thực tế, số lượng người dùng U thời điểm cụ thể điều chỉnh lớn J Các bảng mã tái sử dụng để tăng số người sử dụng hệ thống, hỗ trợ số lượng kết nối lớn 5G Xung đột xảy hai nhiều người dùng sử dụng chuỗi hoa tiêu vùng truy nhập cạnh tranh Các bảng mã SCMA xếp chồng lên đơn vị tài nguyên miền thời gian, tần số tạo thành CTU Các UE ánh xạ đến CTU dựa theo luật ánh xạ truy nhập vào mạng Quá trình thể hình 3.3: Hình 3: Ánh xạ CTU 3.1.4 Mơ kết số 3.1.4.1 Mơ hình mơ hệ thống Hệ thống mô xây dựng để phân tích ưu kỹ thuật truy nhập cạnh tranh dựa SCMA so với kỹ thuật truy nhập dựa OFDMA Các thông số hệ thống dựa mô tài liệu nghiên cứu [6] cho bảng 3.1: Svth: Chu Văn Sinh – K16B Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G Bảng 1: Thông số mô hệ thống đường lên đa truy nhập cạnh tranh dựa SCMA Thơng số Giá trị Kích thước mạng 19 ô, ô gồm phân đoạn ô Khoảng cách truyền dẫn 500m Kênh truyền Kênh pha đinh Rayleigh phẳng Cấu hình anten SIMO 1x2 Kỹ thuât điều chế mã QPSK sử dụng cho OFDMA; bảng mã K=4, N=2, J=6 hóa sử dụng cho SCMA Điều kiện kênh Lý tưởng Công suất phát tối đa 23dBm UE Hệ số điều khiển công suất α=1 Máy thu Máy thu MPA sử dụng cho SCMA, máy thu MMSE tuyến tính sử dụng cho OFDMA 3.1.4.2 Hiệu hệ thống Kỹ thuật truy nhập cạnh tranh đường lên dựa SCMA OFDMA đánh giá kỹ thuật để truyền dẫn gói tin nhỏ với yêu cầu nghiêm ngặt trễ truyền dẫn, khoảng 5ms Với yêu cầu nghiêm ngặt trễ vậy, việc truyền lại gói tin khơng phép Hình 3.4 thể tỉ lệ gói kỹ thuật truy nhập cạnh tranh đường lên dựa OFDMA SCMA Mất gói xác định gói tin bị lần truyền đầu tiên, khơng tính cho lần truyền lại Rõ ràng tỉ lệ gói sử dụng truy nhập cạnh tranh dựa SCMA thấp hơp so với sử dụng OFDMA Svth: Chu Văn Sinh – K16B 33 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G Hình 4: Tỉ lệ rớt gói hệ thống SCMA OFDMA Kết mơ cho thấy SCMA chứng minh ưu so với OFDMA việc hỗ trợ số lượng người dùng tích cực ngưỡng hệ thống Cụ thể, với ngưỡng hệ thống 2%, SCMA hỗ trợ 119 người dùng tích cực OFDMA hỗ trợ 42 người dùng Hình 3.5 thể số lượng người dùng tích cực hệ thống SCMA OFDMA với trường hợp ngưỡng hệ thống 2% 5% Svth: Chu Văn Sinh – K16B Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G Hình 5: Khả hỗ trợ người dùng tích cực ngưỡng hệ thống cho trước SCMA OFDMA Từ kết trên, đưa độ lợi khả hỗ trợ số lượng người dùng SCMA so với OFDMA với ngưỡng hệ thống Với ngưỡng hệ thống 2% độ lợi 2.83 với độ lợi 5% độ lợi tương ứng 2.74, cụ thể hình 3.6: Hình 6: Độ lợi khả hỗ trợ số người dùng tích cực hệ thống SCMA so với hệ thống OFDMA Svth: Chu Văn Sinh – K16B Đồ án tốt nghiệp Đại học 3.2 Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G SCMA sử dụng cho đa truy nhập đường xuống 5G MIMO đa người dùng MU-MIMO (Multi Users MIMO) biết đến kỹ thuật giúp chia sẻ nguồn tài nguyên thời gian-tần số công suất người dùng truy nhập đường xuống mạng không dây SCMA kỹ thuật đa truy nhập dựa mã hóa thưa với hiệu sử dụng phổ gần tối ưu Trong SCMA, bit liệu đến ánh xạ trực tiếp đến từ mã phức đa chiều chọn lựa từ bảng mã SCMA định nghĩa trước MU-SCMA kỹ thuật đề xuất đánh giá cao kỹ thuật giúp tăng hiệu mạng không dây, đặc biệt 5G 3.2.1 Tổng quan hệ thống 3.2.1.1 Hệ thống đường xuống SCMA Một giải mã SCMA bao gồm U người dùng, tương ứng Ju lớp, u=1,…,U Các từ mã SCMA mang K sóng mang OFDMA Trên đường xuống kênh SIMO, tín hiệu nhận của anten r người dùng u0 biểu diễn bởi: ‫ݕ‬௥௨బ = ݀݅ܽ݃ሺℎ௥௨బ ሻ ∑௎ ௨ୀଵ ට ௣ೠ ௃ೠ ೠ ∑௃௝ୀଵ ‫ݔ‬௝௨ + ݊௥௨బ (3.3) Với xju từ mã SCMA thứ j người dùng u mà ||xju||2=K ‫݌‬௨ tổng cơng suất truyền tải mối sóng mang người dùng u Công suất người sử dụng u lớp Ju Khi tổng công suất truyền tải P= ∑௎ ௨ୀଵ ‫݌‬u tổng số ௃ lớp J=∑௝ୀଵ ‫ܬ‬u Véc tơ kênh anten nhận thứ r người dùng u hru Vec tơ nhiễu người dùng u anten nhận r biểu thị nru SCMA điều chế khơng tuyến tính, việc mơ hình hóa phức tạp Thay vào đó, mơ hình chuỗi thưa tuyến tính sử dụng để mơ tả xây dựng thuật toán liên quan cho hệ thống MU-SCMA 3.2.1.2 Sự tương đương MIMO chuỗi thưa tuyến tính Một chuỗi thưa tuyến tính phiên đơn giản kí hiệu QAM, xju=sjuqju với sju véc tơ kí hiệu người dùng u mà ||sju||2=K qju kí hiệu QAM tương ứng Đặt Su= (s1u,…,sjuu) ma trận kí hiệu người dùng u, qu=( q1u,…,qjuu)T Khi cơng thức (3.3) viết lại thành: ‫ݕ‬௥௨బ = ℎ௥௨బ ∑௎ ௨ୀଵ ට ௣ೠ ௃ೠ ܵ௨ ‫ݍ‬௨ + ݊௥௨బ Svth: Chu Văn Sinh – K16B (3.4) 36 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G Tổng hợp tín hiệu thu tất R anten, mơ hình chuỗi thưa tuyến tính biểu diễn hệ thống MIMO: ௉ ೠ ‫ݕ‬௨బ = ∑௎ ௨ୀଵ ට ‫ܪ‬௨బ௨ ‫ݍ‬௨ + ݊௨బ (3.5) ௃ೠ ் ் T ் ் T đó: ‫ݕ‬௨ =(‫ݕ‬ଵ௨,…, ‫ݕ‬ோ௨ ) , ݊௨ =(݊ଵ௨,…, ݊ோ௨ ) , ‫ܪ‬௨బ௨ = ℎ௨బ ⨂ܵ௨ , ℎ௨ = (ℎଵ௨ ,…,ℎோ௨ )T dấu ⨂ biểu thị cho phép Kronecker Bằng việc ghép J lớp K sóng mang con, hệ số tải hệ thống J/K Giả sử tất J lớp thuộc người dùng, nghĩa U=1, dung lượng hệ thống MIMO mở rộng biểu diễn công thức (3.6) với Rnn ma trận hiệp phương sai nhiễu n ௉ ିଵ ‫݃݋݈ = ܥ‬ଶ det (‫ܫ‬ோ௄ + ‫ ܪ‬ு ܴ௡௡ ‫)ܪ‬ (3.6) ௃ Khái nghiệm MIMO mở rộng dùng để cách tiếp cận với mục đích tránh giới hạn người dùng MU-MIMO Đa truy nhập với miền mã không trực giao kỹ thuật mở rộng sử dụng để ghép cặp nhiều người dùng nguồn tài nguyên thời gian-tần số chia sẻ Đây tốc độ kí hiệu (boud rate) hệ thống chuỗi trải phổ thưa đơn người sử dụng với vec tơ kênh, ma trận kí hiệu cơng suất cho trước lớp Kết cho điều chế QPSK, nhiên có sai lệch hệ thống có bậc điều chế cao Lợi ích SCMA bù phần lệch hiệu thông qua điều chế đa chiều Giả sử Rnn=N1IRK, (3.6) tương đương với ௉ ‫݃݋݈ = ܥ‬ଶ det (‫ܫ‬ோ௄ + ܰଵ ‫ ܪ‬ு ‫)ܪ‬ ௃ (3.7) ‫ ܪ‬ு ‫|| = ܪ‬h||2 (ܵ ு ܲܵ) (3.8) Thay (3.8) vào (3.7) ta được: ఊ ‫݃݋݈ = ܥ‬ଶ det (‫ܫ‬ோ௄ + ܵ ு ܲܵ) (3.9) γ := ||h||2 ௉ ேభ ௃ giá trị SNR tức thời người dùng Theo công thức (3.9), tốc độ hệ thống đơn người dùng phụ thuộc vào SNR số lượng lớp ma trận kí hiệu Svth: Chu Văn Sinh – K16B 37 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G 3.2.2 Các thuật toán sử dụng đường xuống MU-SCMA Trong MU-SCMA đường xuống, lớp truyền dẫn thuộc nhiều người dùng Vì vậy, nhiều thuật tốn áp dụng để hỗ trợ MU-SCMA Các người dùng ghép cặp lựa chọn từ tập hợp người dùng Tiêu chí lựa chọn cặp người dùng phương pháp tiếp cận tối ưu phần thông số thiết kế Tín hiệu cặp người dùng truyền tải từ anten với ràng buộc tổng cơng suất Do đó, cơng suất chia cho người dùng khác dựa vào điều kiện kênh truyền người dùng Dựa theo cơng suất gán, tốc độ người dùng điều chỉnh để phù hợp với tốc độ lỗi chất lượng kênh truyền theo yêu cầu Kích thước bảng mã, tốc độ mã hóa số lớp thơng số dùng để điều chỉnh tốc độ người dùng ghép cặp 3.2.2.1 Ghép cặp người dùng để tối đa tổng tốc độ truyền dẫn ௉ Giả sử có tập hợp người dùng với SINR tức thời γu = ||hu|| , u =1,…,U ேೠ tốc độ trung bình Ru Khi khơng ghép cặp, lập lịch công tỉ lệ tối đa tốc độ đánh trọng số biểu diễn bởi: ‫ = ∗ݑ‬max௨ ௥ೠ (3.10) ோೠ Với ‫ݎ‬௨ xác định dựa CQI, ví dụ với OFDMA ‫ݎ‬௨ = log2(1+ߛ௨ ) Mục đích ghép cặp người dùng để làm tối đa tốc độ truyền dẫn tổng hệ thống.Giả dụ có người dùng, tốc độ truyền dẫn tổngsẽ là: ‫ݑ‬ଵ∗ , ‫ݑ‬ଶ∗ = max௨భ,௨మ ௥෦ ೠభ + ௥෦ ೠమ (3.11) ோೠభ ோೠమ Với ‫ݎ‬෦ ௨భ tốc độ chỉnh người dùng ‫ݑ‬ଵ điều chỉnh sau ghép cặp Tỉ lệ điều chỉnh người dùng phụ thuộc vào người dùng ghép cặp cách phân chia cơng suất Thuật tốn greedy sử dụng để làm giảm phức tạp việc ghép cặp Đối với cách tiếp cận theo thuật toán greedy này, người dùng lựa chọn dựa theo tiêu chuẩn lựa chọn người dùng theo công thức (3.10) sau người dùng khác ghép đôi với người dùng lựa chọn Các bước lựa chọn người dùng để ghép cặp xác định: ‫ݑ‬ଵ∗ = max௨ ௥ೠ ோೠ Svth: Chu Văn Sinh – K16B (3.12) 38 Đồ án tốt nghiệp Đại học ‫ݑ‬ଶ∗ = max௨#௨భ∗ | ௥̃ ೠ∗ భ ோ ೠ∗ భ + Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G ௥෦ ೠమ (3.13) ோೠమ Kết ghép cặp người dùng có giá trị điều kiện sau đảm bảo: ௥̃ ೠ∗ భ ோ ೠ∗ భ + ௥̃ ೠ∗ మ > ௥̃ ೠ∗ భ (3.13) ோೠ∗ ோೠ∗ మ భ 3.2.2.2 Điều chỉnh tốc độ phương pháp tách sóng Giả sử U=2, ‫݌‬ଵ =αP, ‫݌‬ଶ = (1-α)P, cơng thức (3.5) viết lại thành: ‫ݕ‬௨ = ට ఈ௉ ௃భ ‫ܪ‬௨ଵ ‫ݍ‬ଵ + ට (ଵିఈ)௉ ௃మ ‫ܪ‬௨ଶ ‫ݍ‬ଶ + ݊௨ (3.14) Với α thuộc khoảng (0,1) hệ số chia sẻ công suất Khơng tính tổng qt, giả sử γ1>γ2 Cơng thức mơ hình hóa kênh MIMO quảng bá Trong vài trường hợp, điều kiện γ1>γ2 không cần thiết dẫn đến người dùng giải mã liệu người dùng đạt tốc độ liệu cao Nhằm mục đíchđơn giản hóa nghiên cứu, mơ hình chuyển đổi sang mơ hình Tín hiệu người dùng xử lý nhiễu người dùng 2, nhiễu tương đương mơ tả theo: ܴଶ ≈ (ܰଶ + ߙܲ|| ℎଶ ||ଶ )I(3.15) Với tương đương trên, người dùng tự giải mã liệu người dùng hồn tồn tự giải mã chúng Các thuật toán trước hết phát triển cho OFDMA sau mở rộng áp dụng cho SCMA Với OFDMA, cơng thức (3.14) viết lại thành: ‫ݕ‬௨ = ℎ௨ √ߙܲ‫ݍ‬ଵ + ℎ௨ ඥ(1 − ߙ )ܲ‫ݍ‬ଶ + ݊௨ (3.16) Do γ1>γ2, kênh OFDMA đường xuống, người dùng đạt tốc độ cao so sánh với người dùng với tốc độ tức thời thấp a Tách sóng người dùng có chất lượng kênh tốt Hình 3.7 biểu diễn vùng dung lượng người dùng người dùng người dùng ghép cặp Svth: Chu Văn Sinh – K16B 39 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G Hình 7: Dung lượng người dùng sau ghép cặp Dung lượng người dùng thể hình đường liền nét đậm Một máy tách sóng lý tưởng sử dụng người dùng nếu: ‫ݎ‬෥ଵ +‫ݎ‬෥ଶ ≤ logଶ (ߛଵ + 1ሻ(3.17) Tương đương: ‫ݎ‬ ෦ଶ ≤ log2(1+ߛ෤2@1) (3.18) Và: ‫ݎ‬ ෦ଵ ≤ log2(1+ߛ෤ 1) (3.19) Theo (3.14), với u=1 ߛ෤ 2@1 biểu thị cho SINR hiệu dụng máy tách sóng đơn người dùng người dùng người dùng coi tín hiệu người dùng nhiễu, thì: ߛ෤2@1= ሺଵିఈሻఊభ ሺଵାఈሻఊమ (3.20) Giả sử người dùng hồn tồn giải mã người dùng 1, sau trình loại bỏ nhiễu thành cơng SIC (Successive Interference Cancellation), tín hiệu thucủa người dùng rút gọn lại ‫ݕ‬ଵ = ℎଵ √ߙܲ‫ݍ‬ଵ + ݊ଵ Trong trường hợp này, người dùng giải mã điều kiện (3.19) thỏa mãn, đó: ‫ݕ‬ ෥ ଵ = ߙߛଵ (3.21) b Tách sóng người dùng có chất lượng kênh Do người dùng có chất lượng kênh hơn, khơng có khả phát người dùng người dùng có tốc độ cao Do đó, người dùng khơng có Svth: Chu Văn Sinh – K16B Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G lựa chọn khác ngồi việc coi tín hiệu người dùng nhiễu Mặt khác, lực người dùng để phát người dùng không cần thiết người dùng tự phát liệu Kết là, tốc độ người dùng yêu cầu nghiêm ngặt cần phải đáp ứng ÁP dụng công thức (16) với trường hợp u=2, SINR cho máy tách sóng đơn người dùng người dùng biểu diễn bởi: ‫ݕ‬ ෥ଶ = (ଵିఈ)ఊమ (ଵାఈ)ఊమ (3.22) Do đó, tín hiệu người dùng tách máy tách sóng đơn người dùng người dùng khi: ‫ݎ‬ ෦ଶ ≤ log2(1+ߛ෤2) (3.23) 3.2.3 Kết mô hệ thống Mô tài liệu nghiên cứu [7] tiến hành để xác định lợi ích SCMA MU-SCMA đường xuống mạng không dây 5G Mô đưa vào sử dụng bảng mã SCMA với độ dài từ mã K=4, số phần tử khác không N=2 số lượng lớp J=6 Kết mô so sánh lưu lượng tốc độ hội tụ mạng hệ thống OFDMA với SCMA MU-SCMA biểu diễn bảng sau: Bảng 2: Lưu lượng tốc độ hội tụ hệ thống sử dụng OFDMA, SCMA MU-SCMA Lưu lượng Tốc độ hội tụ [Mb/s] [Kb/s] OFDMA 18.6 574.7 SCMA 19.6 621.8 MU-SCMA 24.0 779.7 Phương pháp truy nhập Rõ ràng, MU-SCMA cho giá trị lưu lượng tốc độ hội tụ mạng cao hẳn so với công nghệ truy nhập OFDMA Ngồi ra, mơ độ lợi lưu lượng tính hội tụ SCMA MU-SCMA so với OFDMA Chi tiết thể qua lưu đồ hình 3.8: Svth: Chu Văn Sinh – K16B 41 Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G Hình 8: Độ lợi lưu lượng hội tụ hệ thống sử dụng SCMA so với hệ thống sử dụng OFDMA Ta thấy, SCMA cho 5% độ lợi lưu lượng 8% độ lợi hội tụ so với OFDMA Đối với trường hợp sử dụng kỹ thuật MU-SCMA, giá trị 28% 36% tương ứng Các kết áp dụng cho người dùng với tốc độ 3km/h cao 3.3 Kết luận chương SCMA kỹ thuật đa truy nhập với nhiều đặc điểm ưu việt, hứa hẹn ứng cử viên đầy sáng giá áp dụng cho đa truy nhập mạng không dây 5G Các thơng số SCMA điều chỉnh để đáp ứng yêu cầu cao truy nhập 5G, cung cấp mức tải lưu lượng khác nhau, hỗ trợ số lượng kết nối cực lớn 5G SCMA tảng đường lên đa truy nhập cạnh tranh người dùng 5G Truy nhập cạnh tranh dựa SCMA đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt trễ truyền dẫn số lượng kết nối mạng Các kết mô SCMA cung cấp số lượng kết nối lớn 2.8 lần so với OFDMA điều kiện lưu lượng trễ Do đó, SCMA đánh giá công nghệ tảng tuyệt vời việc giải vấn đề tồn đọng đường lên đa truy nhập cạnh tranh dựa OFDMA MU-SCMA coi kỹ thuật giúp sử dụng hiệu phổ đường xuống mạng không dây 5G sử dụng đa truy nhập không trực giao SCMA Bằng việc đưa vào khái niệm chuỗi thưa tuyến tính chế ghép cặp người dùng, MU- Svth: Chu Văn Sinh – K16B Đồ án tốt nghiệp Đại học Chương 3: Ứng dụng SCMA 5G SCMA giúp tăng hiệu hệ thống mạng bù phần lượng bị tăng bậc điều chế phương pháp điều chế sử dụng Ngồi ra, điều chỉnh tốc độ, cơng suất người dùng ghép cặp giúp việc giải mã người dùng không phức tạp, dẫn đến hiệu mạng tăng lên đáng kể Svth: Chu Văn Sinh – K16B 43 Đồ án tốt nghiệp Đại học Kết luận KẾT LUẬN Đa truy nhập theo mã thưa SCMA hướng cho công nghệ đa truy nhập hệ thống thông tin di động Với ưu vượt trội so với công nghệ đa truy nhập nay, SCMA trở thành ứng cử viên sáng giá cho công nghệ đa truy nhập tảng hệ di động tương lai 5G Bằng việc sử dụng mã có tính chất thưa, SCMA giảm đáng kể xung đột người dùng, giải tốn khó đặt hệ di động tương lai phải đáp ứng nhu cầu hàng tỷ người dùng mạng, với yêu cầu cao chất lượng dịch vụ, yêu cầu nghiêm ngặt trễ truyền dẫn… Hy vọng tương lai, với nghiên cứu phát triển sâu SCMA, giới bước sang kỉ nguyên công nghệ thông tin di động viễn thông, kỉ nguyên văn minh nhận loại Svth: Chu Văn Sinh – K16B 45 Đồ án tốt nghiệp Đại học Tài liệu tham khảo TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ericsson White paper Uen 284 23-3204 Rev C | April 2016 “5G radio access” [2] Huawei White Paper | April 2015 “5G: New Air Interface and Radio Access Virtualization” [3] ALTERA University Program “1st 5G Algorithm Innovation CompetitionSCMA” [4] IMT - 2020 Promotion Group White Paper 2015-02 “IMT-2020 (5G) Promotion Group White Paper on 5G Concept” [5] Mahmoud Taherzadeh, Hosein Nikopour, Alireza Bayesteh, and Hadi Baligh Ottawa Wireless R&D Centre Huawei Technologies Canada Co., LTD Ottawa, Ontario, Canada {mahmoud.taherzadeh, hosein.nikopour, alireza.bayesteh, hadi.baligh}@huawei.com“SCMA Codebook Design” [6] Kelvin Au, Liqing Zhang, Hosein Nikopour, Eric Yi, Alireza Bayesteh, Usa Vilaipornsawai, Jianglei Ma, and Peiying Zhu Huawei Technologies Canada Co., LTD Ottawa, Ontario, Canada {kelvin.au, liqing.zhang, hosein.nikopour, zhihang.yi, alireza.bayestech, usa.vilaipornsawai, jianglei.ma, peiying.zhu}@huawei.com“Uplink Contention Based SCMA for 5G Radio Access” [7] Hosein Nikopour, Eric Yi, Alireza Bayesteh, Kelvin Au, Mark Hawryluck, Hadi Baligh, and Jianglei Ma Huawei Technologies Canada Inc., Ottawa, Ontario, Canada {hosein.nikopour, zhihang.yi, alireza.bayesteh, kelvin.au, mark.hawryluck, hadi.baligh, jianglei.ma}@huawei.com“SCMA for Downlink Multiple Access of 5G Wireless Networks” Svth: Chu Văn Sinh – K16 44 ... pháp đa truy nhập có hệ thống thông tin di động 21 2.1.2 Đa truy nhập theo mã thưa SCMA 21 2.2 Hoạt động hệ thống SCMA 22 2.2.1 Mã hóa SCMA 23 2.3.1 Giải mã SCMA. .. đồ án tốt nghiệp Đa truy nhập theo mã thưa SCMA 5G Tuy với ưu điểm vượt trội, SCMA hứa hẹn ứng cử viên đầy tiềm công nghệ đa truy nhập sử dụng hệ thống thông tin di động 5G tương lai Đồ án... đến hệ 5G tương lai Đồng thời đề cập đến đặc điểm đặc trưng công nghệ đa truy nhập sử dụng hệ thống Chương 2:Công nghệ đa truy nhập theo mã thưa SCMA, trình bày nguyên lý tạo mã, hoạt động mã hóa