Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập mã thưa SCMA và ứng dụng

Đối tượng nghiên cứu ở đây là giải pháp đa truy nhập không trực giao NOMA cho hệ thống mạng không dây thế hệ mới 5G, cụ thể là kỹ thuật đa truy nhập theo mã thưa SCMA và ứng dụng thực tế của nó trong 5G.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG

KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan nội dung và kết quả nghiên cứu trong đồ án này là do

tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS Lê Minh Tuấn Các nội dung, dữ liệu

tham khảo trong đồ án đều đã được trích dẫn đầy đủ Mọi sao chép không hợp

lệ, vi phạm quy chế đào tạo, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Người cam đoan

Nguyễn Minh Cường

LỜI NÓI ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài:

Công nghệ thông tin truyền thông đang trên đà phát triển theo sự đòi hỏi của con người, cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ khác như điện tử, tin học, quang học… công nghệ thông tin truyền thông đã trở thành một phần không thể thiếu trong xã hội Nó làm phong phú thêm cuộc sống hàng ngày của chúng ta với rất nhiều dịch vụ vui chơi, giải trí, cho tới ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực như: kinh tế, giáo dục, văn hóa, y học, ngoại giao, thông tin quảng bá…

Sự ra đời của hệ thống 4G/LTE đã mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch

vụ và cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao Tuy nhiên, nhu cầu của con người luôn tác động lớn đến đến sự ra đời và phát triển các công nghệ mới Để đáp ứng được điều đó một thế hệ truyền thông không dây mới đang được nghiên cứu để giải quyết nhu cầu và bối cảnh thông tin truyền thông trong tương lai, đó là thế hệ thứ năm của hệ thống truyền thông

không dây 5G Vì vậy, em chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập mã

thưa SCMA và ứng dụng” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp cho mình

II Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

Đối tượng nghiên cứu ở đây là giải pháp đa truy nhập không trực giao NOMA cho hệ thống mạng không dây thế hệ mới 5G, cụ thể là kỹ thuật đa truy nhập theo mã thưa SCMA và ứng dụng thực tế của nó trong 5G

III Phương pháp nghiên cứu:

Phân tích, tổng hợp lý thuyết thông qua việc đọc giáo trình của các trường

có cùng chuyên ngành, sách, báo, tài liệu tham khảo trong và ngoài nước để tóm tắt được nội dung chính của đồ án sau đó triển khai chi tiết từng vấn đề có liên quan đến nội dung nghiên cứu của đồ án

Công cụ, thiết bị hỗ trợ gồm có: Máy tính, mạng Internet, sách, báo, các website tài liệu tiếng Anh

IV Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

- Tìm hiểu nguyên lý của công nghệ đa truy nhập không trực giao NOMA cho hệ thống truyền thông không dây 5G

- Tìm hiểu nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập mã thưa SCMA

- Ứng dụng của kỹ thuật đa truy nhập mã thưa SCMA truyền thông không dây 5G

V Kết cấu của đề tài:

Chương 1 “Đa truy nhập không trực giao NOMA cho truy nhập vô tuyến

tương lai”

Trình bày khái quát về phương pháp đa truy nhập không trực giao NOMA và

các kỹ thuật đa truy nhập có trong phương pháp này

Chương 2 “Kỹ thuật đa truy nhập theo mã thưa SCMA”

Chương này sẽ trình bày chi tiết về nguyên lý hoạt động trên cả đường lên và đường xuống, cùng với mô hình hoạt động của hệ thống SCMA giúp ta có cái nhìn cụ thể hơn về kỹ thuật đa truy nhập theo mã thưa SCMA

Chương 3 “Ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập SCMA trong 5G”

Chương này sẽ đề cập đến khả năng ứng dụng của kỹ thuật đa truy nhập SCMA trong mạng không dây 5G trên cho đường lên

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018

Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Cường

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 0

LỜI CAM ĐOAN I LỜI NÓI ĐẦU II DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VI DANH MỤC HÌNH VẼ X DANH MỤC BẢNG BIỂU X CHƯƠNG 1 ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO NOMA CHO TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TƯƠNG LAI 1

1.1 Giới thiệu tổng quan 1

1.2 Định hướng tiêu chuẩn mạng không dây 5G 6

1.2.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh 5G 6

1.2.2 Mật độ kết nối 5G 6

1.2.3 Tốc độ di chuyển trong 5G 6

1.2.4 Hiệu quả năng lượng của 5G 7

1.2.5 Độ trễ của 5G 7

1.2.6 Hiệu suất băng tần 5G 7

1.2.7 Tốc độ dữ liệu 5G trong thế giới thực 8

1.3 Tổng quát về hệ thống NOMA 8

1.4 Phân loại NOMA 13

1.4.1 Miền công suất - Power Domain 13

1.4.2 Miền mã - Code domain 14

1.4.3 Lai ghép giữa miền năng lượng với miền mã 14

1.5 Sự khác nhau giữa NOMA với OMA 16

1.6 Kết luận chương 17

CHƯƠNG 2 KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP THEO MÃ THƯA SCMA 19

2.1 Giới thiệu về đa truy nhập mã thưa SCMA 20 2.1.1 Các phương pháp đa truy nhập đã có trong hệ thống thông tin di động 20

2.1.2 Khái niệm về đa truy nhập mã thưa SCMA 20

2.2 Nguyên lý hoạt động của đa truy nhập theo mã thưa SCMA 21

2.2.1 Mô hình kỹ thuật đa truy nhập SCMA 21

2.2.2 Mã hóa SCMA 33

2.2.3 Ánh xạ codebook 26

2.2.4 Giải mã SCMA 27

2.3 Kết luận chương 2 28

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SCMA TRONG MẠNG KHÔNG DÂY 5G 29

3.1 SCMA sử dụng cho đường lên đa truy nhập cạnh tranh 29

3.1.1 Tổng quan về truy nhập cạnh tranh dựa trên SCMA 29

3.1.1.1 Hạn chế của công nghệ LTE hiện tại 29

3.1.1.2 Tổng quan truy nhập cạnh tranh dựa trên SCMA 30

3.1.2 Mô hình hệ thống 32

3.1.2.1 Truyền dẫn và tách tín hiệu đa truy nhập SCMA 32

3.1.2.2 Khả năng mở rộng của SCMA cho kết nối số lượng lớn 33

3.1.3 Tài nguyên trong truy nhập cạnh tranh dựa trên SCMA 34

3.1.4 Mô phỏng và các kết quả số 36

3.1.4.1 Thiết lập mô phỏng và giả định hệ thống 36

3.1.4.2 Hiệu năng hệ thống 37

3.2 SCMA sử dụng cho đa truy nhập đường xuống 40

3.2.1 Hệ thống đường xuống SCMA 40

3.2.2 Các thuật toán sử dụng trong đường xuống MU-SCMA 41

3.2.2.1 Ghép cặp người dùng để tối đa tổng tốc độ truyền dẫn 41

3.2.2.2 Điều chỉnh tốc độ 42

3.2.3 Kết quả mô phỏng hệ thống 43

3.3 Kết luận chương 3 45

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 48

DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết

1G First Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

nhất

2G Second Generation

Cellular

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ hai

3G Third Generation Cellular Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

AMC Adaptive Coding and

Modulation Điều chế và mã hóa thích nghi

ATSC Advanced Television

Systems Committee Ủy ban hệ thống truyền hình tiên tiến

AWGN Additive White Gaussian

Noise Nhiễu Gauss trắng cộng

BS Base Station Trạm gốc

CB_i Codebook_i Bộ mã của người dùng thứ i

CDMA Code Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo mã Cisco Cisco Visual Networking Chỉ số mạng trực quan của Cisco

VNI Index

CTU Contention Transmission

Unit Đơn vị truyền dẫn tranh chấp

DPC Dirty Paper Coding Kỹ thuật truyền tải dữ liệu số qua

kênh truyền chịu tác động của nhiễu

FDMA Frequency Division

Multiple Access Đa truy nhập phân chia theo tần số FEC Forward Error Correction Hiệu chỉnh lỗi chuyển tiếp

FN Function node Nút hàm

GSM Global System for Mobile

communications Hệ thống thông tin di động toàn cầu IoT Internet of Things Internet kết nối vạn vật

IP Internet Protocol Giao thức Internet

LLR Log-Likelihood-Rate Tỷ lệ khả năng đăng nhập

LTE Long-term Evolution Sự phát triển dài hạn

MIMO Multiple-input and

Multiple-output Đa đầu vào và đa đầu ra

MMSE Minimum Mean Square

Error Bộ cân bằng tối thiểu lỗi Mean Square

MPA Message Passing

Algorithm Thuật toán truyền thông điệp MUD Multi-user Detection Phát hiện đa người dùng

MUSA Multi‐user Shared Access Truy cập chia sẻ nhiều người dùng

NOMA Non-orthogonal Multiple

Access Đa truy nhập không trực giao

OF Overloading Factor Hệ số quá tải

OFDM Orthogonal Frequency

Division Multiplexing

Ghép kênh phân chia theo tần số trực giao

OFDMA Orthogonal Frequency

Division Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao

OMA Orthogonal Multiple

Access Đa truy nhập trực giao

PDCCH Physical Downlink

Control Channel Kênh vật lý điều khiển đường xuống

PDMA Pattern Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo mẫu

PRACH Physical Random Access

Channel Kênh vật lý truy cập ngẫu nhiên PRE Physic Resource Element Phần tử tài nguyên vật lý

QAM Quadrature amplitude

modulation Điều chế biên độ cầu phương QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ

QPSK Quadrature Phase Shift

Keying Điều chế pha cầu phương RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến

RB Resource Block Khối tài nguyên

RSMA Resource Spread Multiple

Access Đa truy nhập trải tài nguyên

SC Superposition Coding Mã hóa chồng chất

SCMA Sparse Code Multiple

Access Đa truy nhập mã thưa

SDMA Spatial Division Multiple

SIC Successive Interference

Cancellation Hủy nhiễu liên tiếp

SIMO Single-input and

Multiple-output Một đầu vào đa đầu ra

TDMA Time Division Multiple

Access Đa truy nhập phân chia theo thời gian

UE User Equiqment Thiết bị người dùng

VN Variable Node Nút biến

WCDMA Wideband Code Division

Multiple Access

Đa truy cập phân chia theo mã dải rộng

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Biểu đồ thể hiện sự tăng trưởng lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu 2

Hình 1.2 Kịch bản và các yêu cầu cho các công nghệ truy cập thế hệ tiếp theo (Theo TR38.913 V0.3.0, 3GPP RAN1 Meeting #85) 3

Hình 1.3 Một số kỹ thuật đa truy nhập theo phương pháp trực giao 5

Hình 1.4 Tốc độ truyền dữ liệu khi di chuyển trong 5G 6

Hình 1.5 Một mô hình hệ thống của hệ thống truyền thông NOMA 8

Hình 1.6 Chia sẻ phổ tần của NOMA và OFDMA 10

Hình 1.7 SIC giải mã tín hiệu ở phía thu 11

Hình 1.8 NOMA đường xuống cho K người dùng 12

Hình 1.9 NOMA đường lên cho K người dùng 12

Hình 1.10 Hủy bỏ sự can nhiễu liên tục SIC được áp dụng cho các UE phía thu ở đường xuống 13

Hình 1.11 Sơ đồ phương án mã hóa SCMA 15

Hình 1.12 Sự khác nhau về chia sẻ phổ tần giữa NOMA và OFDMA 16

Hình 2.1 Sự kết hợp tạo nên SCMA 21

Hình 2.2 Hệ thống SCMA Uplink đơn giản được triển khai 21

Hình 2.3 Biểu diễn biểu đồ hệ số của hệ thống SCMA với J=6, K=4, d_f = 3 23

Hình 2.4 Quá trình mã hóa SCMA 25

Hình 2.5 Ánh xạ trực tiếp các bit đến các từ mã phức từ các codebook 26

Hình 2.6 Quá trình giải mã SCMA 27

Hình 3.1 Bảng mã SCMA cho trường hợp K=4, N=2, J=6 33

Hình 3.2 Đơn vị tài nguyên cơ bản CTU 34

Hình 3.3 Ánh xạ các UE đến CTU 35

Hình 3.4 Tỷ lệ rớt gói với các tải lưu lượng đối với SCMA và OFDMA 38

Hình 3.5 Dung lượng hỗ trợ dựa trên các sự cố hệ thống khác nhau 39

Hình 3.6 Độ lợi khả năng mất hệ thống của SCMA trên OFDMA 39

Hình 3.7 Độ lợi lưu lượng và bao phủ của hệ thống sử dụng SCMA và MU-SCMA so với hệ thống sử dụng OFDMA 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Các tham số liên quan đến Codebook 24 Bảng 2.2 Codebook trong Storage (V=6, F=4, df=3, dv=2, M=4) 24 Bảng 3.1 Thông số mô phỏng hệ thống đường lên đa truy nhập cạnh tranh dựa trên SCMA 37 Bảng 3.2 Giải pháp và tham số mô phỏng cho mạng lưới mạng 43 Bảng 3.3: Lưu lượng và tốc độ bao phủ của hệ thống sử dụng OFDMA, SCMA

và MU-SCMA 44

CHƯƠNG 1 ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO NOMA

CHO TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TƯƠNG LAI

Giới thiệu chương : Trong chương này, chúng ta tìm hiểu khái niệm về lược đồ

NOMA “đa truy nhập không trực giao” cho truy cập vô tuyến 5G trong tương lai Chương này cung cấp các nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật cho cả hai kênh xuống và đường lên và sau đó thảo luận về tối ưu hóa dung lượng mạng theo các ràng buộc công bằng Cuối cùng là tìm hiểu sự khác nhau giữa công nghệ NOMA so với các công nghệ đa truy nhập ở các thế hệ trước

1.1 Giới thiệu tổng quan

Hệ thống truy cập 5G thế hệ tiếp theo đang được nghiên cứu như một giải pháp cho sự gia tăng bùng nổ (gấp 1000 lần so với năm 2010) trong dự báo lưu lượng dữ liệu không dây cho những năm 2020 và sự xuất hiện nhanh chóng của nhiều dịch vụ mới Ngày nay, các yêu cầu không đồng nhất và nghiêm ngặt đối với hệ thống truyền thông không dây 5G được áp dụng để trang bị sự phát triển nhanh chóng của Internet di động và sự phát triển nhanh chóng của IoT Ví dụ,

dự kiến sẽ có 50 tỷ thiết bị truyền thông không dây vào năm 2020 do việc tung

ra IoT Dựa trên dữ liệu được phát hành từ “Dự báo lưu lượng dữ liệu di động” của Cisco VNI (2015 - 2020) [4], như được cung cấp trong Hình 1.1, dữ liệu di động toàn cầu dự kiến tăng gấp 8 lần từ năm 2015 - 2020 và lưu lượng dữ liệu

dự đoán sẽ đạt 30,6 exabyte mỗi tháng Tuy nhiên, tài nguyên phổ tần bị giới hạn trong các hệ thống thực tế Do đó, các yêu cầu cho thế hệ tiếp theo của hệ thống truyền thông không dây phải được nâng cấp để có thể xử lý lưu lượng dữ liệu bùng nổ, nói cách khác, đạt được hiệu suất phổ cao với quang phổ hạn chế

là cần thiết

Hình 1.1 Biểu đồ thể hiện sự tăng trưởng lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu

(NguồnCisco VNI, 2015 – 2020)

Ba phương pháp tiếp cận đang được thực hiện để hỗ trợ cho việc tăng lưu lượng truy cập khổng lồ này, đó là: sử dụng hiệu quả hơn các tần số có sẵn, tăng tốc độ mạng và mở các băng tần mới Việc sử dụng hiệu quả hơn các tần số có sẵn có liên quan chặt chẽ đến việc tăng tốc lớp vật lý cho các công nghệ truy cập không dây và đa truy cập Ví dụ, tăng từ 2,5 đến 10 lần đã được đề xuất làm mục tiêu để tăng hiệu quả của tần số 5G

Các hệ thống thông tin di động thông thường đang hướng tới các công nghệ không dây kỹ thuật số nhanh hơn dựa trên những tiến bộ trong các thiết bị bán dẫn như mô tả dưới đây Thế hệ đầu tiên (1G) đã sử dụng đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA), thế hệ thứ hai (2G) đã sử dụng đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), thế hệ thứ ba (3G) đang sử dụng đa truy cập phân chia theo

mã (CDMA) và 3.9G và thế hệ thứ tư (4G) đang sử dụng hệ thống đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) hỗ trợ việc sử dụng tần số hiệu quả và khả năng chống fading tốt [2] Các đề xuất cho các hệ thống 5G nhằm tăng hiệu quả quang phổ hơn nữa bằng cách đẩy nhanh các công nghệ hiện có, sử dụng

các băng tần mới mở và tăng mật độ mạng và hỗ trợ cho các điều kiện dự kiến cần thiết đang được khảo sát

Hình dưới đây là kịch bản và các yêu cầu cho các công nghệ truy cập thế hệ tiếp theo mà 3GPP đang nghiên cứu:

 Nâng cao băng thông rộng cho hệ thống thông tin di động

 Truyền thông độ trễ thấp đáng tin cậy

 Truyền thông kiểu máy với số lượng lớn

Hình 1.2 Kịch bản và các yêu cầu cho các công nghệ truy cập thế hệ tiếp theo

(Theo TR38.913 V0.3.0, 3GPP RAN1 Meeting #85)

Do nhu cầu ngày càng tăng của Internet-of-Things (IoT) với các yêu cầu chất lượng dịch vụ (QoS) khác nhau, các công nghệ đa truy cập mới phải có khả năng

hỗ trợ kết nối lớn của người dùng và/hoặc thiết bị, yêu cầu phải có độ trễ thấp trong truyền dẫn Ngoài các yêu cầu như đã nêu ở trên, phạm vi phủ sóng sâu và phổ quát cũng là một trong những nhu cầu trong mạng 5G, điều đó có nghĩa là các công nghệ đa truy cập mới đủ điều kiện được khuyến khích tiếp cận các địa điểm đầy thử thách [1] Do đó, việc đảm bảo tính công bằng của người dùng là

bắt buộc trong các mạng 5G và người dùng yếu trong hệ thống nên được coi là quan trọng như những người dùng khác, thay vì bỏ qua chúng Một giải pháp đầy hứa hẹn là phá vỡ trực giao → NOMA Ý tưởng chính của NOMA là khuyến khích chia sẻ phổ [1] Chi tiết về lợi thế của NOMA sẽ được đưa ra trong phần còn lại của chương này NOMA đang giành được sự cạnh tranh của nhiều kỹ thuật truy cập cho các mạng không dây thế hệ tiếp theo Được chấp nhận bởi nhiều khái niệm đa truy nhập trong 5G, bao gồm cả tên miền (PD) NOMA, truy cập nhiều mã thưa thớt (SCMA), truy cập chia sẻ nhiều người dùng (MUSA), truy nhập đa phân chia mẫu (PDMA), truy cập nhiều phân vùng mạng (LPMA), v.v Được sử dụng bởi 4G LTE-A, được gọi là truyền dẫn chồng chất đa người dùng Được bao gồm trong tiêu chuẩn truyền hình kỹ thuật

số sắp tới (ATSC 3.0) Kết quả là, NOMA đã được coi là một ứng viên đầy hứa hẹn cho các mạng di động 5G để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt này

Nhiều kỹ thuật đa truy nhập có thể được phân loại rộng rãi thành hai phương pháp tiếp cận khác nhau, đó là đa truy nhập trực giao (OMA - orthogonal multiple access) và đa truy nhập không trực giao (NOMA - Non-orthogonal multiple access) Một sơ đồ trực giao cho phép người nhận tách các tín hiệu không mong muốn khỏi tín hiệu mong muốn bằng các hàm cơ sở khác nhau Nói cách khác, các tín hiệu từ những người dùng khác nhau là trực giao với nhau trong các sơ đồ trực giao Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là các ví dụ về các sơ đồ trực giao OMA

Hình 1.3 Một số kỹ thuật đa truy nhập theo phương pháp trực giao

Trong TDMA, một số người dùng chia sẻ cùng một kênh tần số trên cơ sở phân chia thời gian Người dùng giao tiếp liên tục một cách nhanh chóng, cái này tiếp nối cái kia, mỗi cái sử dụng các khe thời gian được chỉ định OFDMA cho phép truyền thông đa người dùng thông qua kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM), trong đó tần số sóng mang con được chọn để các sóng mang con đó trực giao với nhau [2]

Đa truy nhập không trực giao (NOMA - Non-orthogonal multiple access) là một trong những công nghệ đa truy nhập tương lai và hứa hẹn có tác động đáng

kể đến sự phát triển của các hệ thống truyền thông không dây 5G Từ các cuộc gọi điện thoại tương tự cho đến các dịch vụ IP, bao gồm thoại và tin nhắn, mỗi

sự thay đổi được khuyến khích bởi sự cần thiết phải đáp ứng những yêu cầu của công nghệ di động thế hệ mới [3] Với phạm vi rộng lớn cho người tiêu dùng và trong ngành công nghiệp, 5G được dự kiến sẽ phát triển mạnh vào năm 2020

Nó đòi hỏi một sự thay đổi về tốc độ dữ liệu và giảm thiểu đáng kể độ trễ từ đầu đến cuối Nhiều tài nguyên công nghiệp đã tiến bộ với cô

ng việc trên 5G tuyên bố rằng tốc độ dữ liệu mạng trong 5G sẽ là 10-20 Gbps (tức là gấp 10-20 lần tốc độ dữ liệu đỉnh trong 4G) và tốc độ dữ liệu người dùng

sẽ là 1 Gbps (gấp 100 lần tốc độ dữ liệu người dùng trong 4G) [3] Họ cũng thiết

lập đỗ trễ (độ trễ vòng lặp từ đầu đến cuối) tại 1 ms (1/5 của độ trễ trong 4G) [3] Thiết kế của một kỹ thuật đa truy nhập thích hợp là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong việc cải thiện dung lượng hệ thống Trong vài năm qua, nhu cầu về NOMA đã tăng đáng kể để đáp ứng yêu cầu 5G

1.2 Định hướng tiêu chuẩn mạng không dây 5G

1.2.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh 5G

Các trạm phát sóng phải đáp ứng tốc độ tối thiểu cho tải xuống là 20 Gbps và tải lên là 10 Gbps Đây là tổng lượng băng thông có thể được xử lý bởi một cell đơn Về lý thuyết, người dùng băng thông rộng không dây cố định có thể đạt đến gần mức tốc độ này với 5G, nếu họ có một kết nối point-to-point dành riêng Trên thực tế, dung lượng 20 Gbps này sẽ được phân chia cho các người dùng trong phạm vi phủ sóng của cell đó [12]

1.2.2 Mật độ kết nối 5G

Các trạm phát sóng 5G phải hỗ trợ cho ít nhất một triệu thiết bị kết nối trong mỗi kilomet vuông Con số này nghe có vẻ lớn, nhưng phần lớn trong số này là các thiết bị Internet of Things (IoT) chứ không chỉ thiết bị của cá nhân người dùng Khi mọi đèn giao thông, bãi đậu xe, và phương tiện đều có kết nối mạng, bạn sẽ thấy mật độ kết nối này cần thiết như thế nào [12]

1.2.3 Tốc độ di chuyển trong 5G

Hình 1.4 Tốc độ truyền dữ liệu khi di chuyển trong 5G

Tương tự như LTE và LTE-Advanced, các trạm phát sóng 5G có thể hỗ trợ truy cập mạng cho mọi thứ di chuyển trên đường, với tốc độ từ 0 km/h cho đến

“phương tiện tốc độ cao tới 500 km/h” [12]

Trong khi, với những khu vực mật độ dân cư dày đặc như đô thị hay trong nhà

sẽ không phải lo lắng gì về vấn đề tốc độ, nhưng với các khu vực ngoại ô, việc

hỗ trợ cho người dùng di chuyển với tốc độ cao là rất cần thiết

1.2.4 Hiệu quả năng lượng của 5G

Theo bản mô tả thông số kỹ thuật, giao diện vô tuyến 5G có mức tiêu thụ năng lượng hiệu quả khi đang tải, nhưng khi không sử dụng, mức năng lượng tiêu thụ cũng tụt về chế độ năng lượng thấp một cách nhanh chóng

Để làm được việc này, bộ kiểm soát độ trễ sẽ được thiết lập ở mức độ lý tưởng chỉ 10ms – nghĩa là một thiết bị 5G sẽ chuyển từ trạng thái tốc độ cao sang trạng thái tiết kiệm năng lượng chỉ trong 10ms [12]

1.2.5 Độ trễ của 5G

Trong những trường hợp lý tưởng, mạng lưới 5G sẽ mang đến cho người dùng độ trễ tối đa chỉ 4ms, thấp hơn hẳn so với mức 20ms trong các cell LTE [12] Thông số 5G cũng cho phép độ trễ thấp hơn nữa, chỉ 1ms cho việc truyền tin độ trễ thấp siêu ổn định

1.2.6 Hiệu suất băng tần 5G

Thông số này cho biết, có bao nhiêu bit được truyền qua không khí trên mỗi hertz băng tần Tiêu chuẩn của 5G rất gần LTE-Advanced, với 30 bit/Hz cho đường tải xuống và 15 bit/Hz cho đường tải lên Các con số này đang giả định trong cấu hình MIMO 8x4 (8 ăng tên phát tín hiệu và 4 ăng ten nhận tín hiệu) [12]

1.2.7 Tốc độ dữ liệu 5G trong thế giới thực

Cuối cùng, cho dù công suất đỉnh của mỗi cell 5G đến 20 Gbps, đặc điểm kỹ thuật chỉ thiết lập tốc độ download của mỗi người dùng là 100 Mbps và tốc độ upload 50 Mbps Con số này gần tương tự với tốc độ bạn có thể đạt được với mạng LTE-Advanced, tuy nhiên với mạng 5G, có vẻ bạn sẽ luôn đạt được tốc độ này, thay vì chỉ vào một ngày đẹp trời như trước [12]

Dự thảo thông số kỹ thuật 5G cũng thiết lập việc tăng tính ổn định (ví dụ các gói tin hầu như luôn tới được trạm phát sóng trong 1ms) và thời gian bị gián đoạn khi di chuyển giữa các cell 5G sẽ chỉ là 0ms – tức là kết nối luôn là tức thời, không bị ngắt quãng

Do đó, trường hợp của hai người dùng trên mỗi sóng mang con được nghiên cứu

trong mô hình hệ thống dưới đây:

Hình 1.5 Một mô hình hệ thống của hệ thống truyền thông NOMA

Hình 1.5 cho thấy có hai người dùng ghép vào một sóng mang con Người dùng n gần với BS hơn so với người dùng m, có nghĩa là người dùng n có điều kiện kênh tốt hơn so với người dùng m Trạm gốc tối ưu hóa công suất phát cho mỗi người dùng trên mỗi sóng mang con Đặc biệt, thay vì phân bổ tất cả công suất cho một người dùng, thì với người dùng n có điều kiện kênh mạnh hơn lại được phân bổ ít công suất phát hơn, và công suất phát lớn hơn sẽ được phân bổ cho người dùng m nhiều hơn So với OMA thông thường, người dùng m được phân bổ với công suất khác 0 với sự công bằng nhất định trong việc phân bổ tài nguyên Việc chỉ định người dùng n có ít công suất hơn dẫn đến giảm dung lượng của nó nhưng hiệu quả đáng kể đối với người dùng m Do đó, việc ghép nối người dùng và phân bổ công suất có tạo ra sự cân bằng giữa hiệu suất hệ thống và tính công bằng trong phân bổ tài nguyên

Theo dự đoán, NOMA sẽ sử dụng những kỹ thuật truyền – nhận tiên tiến như SIC (Successive Interference Cancellation) hay DPC (Dirty Paper Coding):

- Hủy bỏ sự can nhiễu liên tục SIC là một kỹ thuật ở lớp vật lý, SIC cho

phép thu nhận được hai hay nhiều tín hiệu đồng thời ở máy thu mà không gây ra va chạm giữa các tín hiệu này Trong khi các thiết bị thu khác, chỉ

có những tín hiệu mạnh nhất mới được giải mã và khôi phục, thiết bị thu

sử dụng SIC lại cung cấp khả năng phục hồi tín hiệu thậm chí nó là một tín hiệu yếu SIC sẽ vẫn giải mã những bit thông tin của tín hiệu mạnh trước Các tín hiệu gốc tương ứng với các bit này sẽ được tái cấu trúc lại

và loại bỏ ra khỏi tập hợp các tín hiệu tới, và tín hiệu mạnh nhất tiếp theo

sẽ được giải mã Quá trình này lặp đi lặp lại liên tục, và nhờ đó mà SIC có thể khôi phục được tất cả tín hiệu

- DPC là một kỹ thuật truyền tải dữ liệu kỹ thuật số hiệu quả qua kênh

truyền chịu tác động của nhiễu Mục tiêu của nó là gửi càng nhiều thông tin có thể đọc được trên kênh truyền càng tốt DPC sử dụng kỹ thuật tiền

mã hóa (precoding) dữ liệu, vì vậy mà dữ liệu sẽ ít bị nhiễu hơn Quá trình tiền mã hóa được sử dụng ở cả người gửi và người nhận

Hình 1.6 Chia sẻ phổ tần của NOMA và OFDMA

Ở phía máy phát, các tín hiệu từ những người dùng khác nhau được chồng lên nhau và tín hiệu thu được sau đó được truyền qua trên cùng một kênh (tức là cùng tài nguyên tần số - thời gian) Ở phía máy thu, các thuật toán phát hiện đa người dùng (MUD - multiuser detection), chẳng hạn như là hủy nhiễu liên tiếp (SIC – successive interference cancellation) được sử dụng để phát hiện những tín hiệu mong muốn Trong NOMA, các UE sẽ bị mất một ít năng lượng, tuy nhiên, kỹ thuật này lại đạt được hiệu suất băng thông đáng kể Việc này cũng góp phần làm tăng số lượng UE tham gia vào quá trình truy nhập trong một Cell

NOMA đạt được hiệu suất quang phổ cao nhờ SC tại máy phát và với SIC tại máy thu Mã hóa chồng chất (SC - Superposition Coding) tại máy phát và hủy nhiễu liên tiếp (SIC - Successive Interference Cancellation) tại máy thu có thể sử dụng cùng phổ tần cho tất cả người dùng Tại bên phía máy phát, tất cả các tín hiệu thông tin cá nhân được ghép chồng vào một dạng sóng duy nhất, trong khi tại máy thu, SIC giải mã tín hiệu từng cái một cho đến khi nó tìm thấy tín hiệu mong muốn Trong hình minh họa, ba tín hiệu thông tin được chỉ ra với các màu khác nhau được chồng lên nhau tại bộ phát Tín hiệu nhận được tại máy thu SIC

bao gồm cả ba tín hiệu này Tín hiệu đầu tiên mà SIC giải mã là tín hiệu mạnh nhất trong khi những tín hiệu khác là nhiễu Tín hiệu giải mã đầu tiên sau đó được loại ra khỏi tín hiệu nhận được và nếu giải mã là hoàn hảo, dạng sóng với phần còn lại của tín hiệu thu được chính xác SIC lặp lại quá trình cho đến khi

nó tìm thấy tín hiệu mong muốn Sự thành công của SIC phụ thuộc vào việc hủy

bỏ hoàn toàn các tín hiệu trong các bước lặp lại Bộ phát nên phân chia chính xác sức mạnh giữa các dạng sóng thông tin người dùng và ghép chồng chúng Phương pháp phân chia năng lượng khác nhau giữa kênh uplink và downlink [6]

Hình 1.7 SIC giải mã tín hiệu ở phía thu

 NOMA cho đường xuống:

Trong đường xuống NOMA, trạm gốc sẽ chồng lên các dạng sóng thông tin cho những người sử dụng dịch vụ của nó Mỗi thiết bị người dùng (UE) sử dụng SIC để phát hiện tín hiệu riêng của họ Hình minh họa số BS và K của các UE với các máy thu SIC Trong mạng, giả định rằng UE1 là gần nhất với trạm gốc (BS), và UEK là xa nhất Thách thức đối với BS là quyết định cách phân bổ công suất giữa các dạng sóng thông tin cá nhân, điều này rất quan trọng đối với SIC [6] Trong đường xuống NOMA, nhiều công suất được cấp cho UE nằm xa

BS và ít công suất nhất cho UE gần nhất với BS Trong mạng, tất cả các UE đều nhận được cùng một tín hiệu chứa thông tin cho tất cả người dùng Mỗi UE giải

mã tín hiệu mạnh nhất đầu tiên, và sau đó trừ đi tín hiệu đã giải mã từ tín hiệu

nhận được Bộ thu SIC lặp lại phép trừ cho đến khi nó tìm thấy tín hiệu riêng của nó UE nằm gần BS có thể hủy bỏ tín hiệu của các UE xa hơn Vì tín hiệu của UE xa nhất đóng góp nhiều nhất cho tín hiệu nhận được, nó sẽ giải mã tín hiệu riêng của nó trước [6]

Hình 1.8 NOMA đường xuống cho K người dùng

 NOMA cho đường lên:

Việc triển khai Uplink của NOMA hơi khác so với đường xuống Hình 1.9

mô tả một mạng ghép các K UE trong đường lên bằng NOMA Lần này, BS sử dụng SIC để phân biệt tín hiệu người dùng [6]

Hình 1.9 NOMA đường lên cho K người dùng

1.4 Phân loại NOMA

Các kỹ thuật NOMA có sẵn có thể được chia thành hai loại là miền công suất

và miền mã [7] Có 3 loại lược đồ đa truy nhập được đề suất đó là :

 Miền công suất:

- Truyền dẫn chồng chất nhiều người dùng (MUST – Multi-user Superposition Transmission) <R1‐163111/ NTT DoCoMo>

- Kiểm soát chung Underlay <R1‐164354/Idaho National Laboratory>

 Lai ghép giữa miền năng lượng với miền mã:

- Đa truy nhập mã thưa (SCMA - Sparse code multiple access) 162153/Huawei>

<R1 Đa truy nhập phân chia theo mẫu (PDMA – Pattern division multiple access) <R1‐163383/CATT>

- Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA – Spatial Division Multiple Access)

1.4.1 Miền công suất - Power Domain

Hình 1.10 Hủy bỏ sự can nhiễu liên tục SIC được áp dụng cho các UE phía thu

ở đường xuống

Giả sử, lập biểu UE1 ở gần và UE2 ở xa BS trong cùng một tài nguyên tần số

- thời gian Do hiệu ứng gần xa, công suất của tín hiệu nhận được từ UE1 luôn cao hơn công suất nhận được của UE2 Vì vậy, ở phía BS nên áp dụng hủy bỏ sự can nhiễu liên tục SIC [7]

Ưu điểm:

- Không có thay đổi lớn trong lớp vật lý ở phía máy phát (UE)

Nhược điểm:

- Phụ thuộc lớn vào sự mất cân đối công suất giữa các UE được lập biểu

- Nhóm người dùng phức tạp là bắt buộc (hạn chế tính linh hoạt của lập

biểu)

- Không thể cung cấp đủ sự bảo vệ đặc biệt cho các gói nhỏ

1.4.2 Miền mã - Code domain

Ở đa truy nhập trên miền mã Các tín hiệu của một nhóm người dùng khác

nhau được truyền trên cùng một tài nguyên tần số - thời gian Và các tín hiệu của mỗi người dùng được lan truyền đi bởi một chuỗi có thể hủy bỏ nhiễu liên

tục một cách mạnh mẽ [7]

Các chuỗi lan truyền có các đặc tính khác nhau:

- RSMA - kết hợp các mã kênh có tốc độ thấp và các mã xáo trộn với các

thuộc tính tương quan tốt để phân tách tín hiệu của người dùng khác nhau (chuỗi dài/giả ngẫu nhiên)

- MUSA - sử dụng tương quan chéo thấp và chuỗi không nhị phân (chuỗi mẫu ngắn/cố định)

1.4.3 Lai ghép giữa miền năng lượng với miền mã

- SCMA là một phương pháp đa truy cập không dây tương đối mới được đề

xuất trong những năm gần đây, là một kỹ thuật NOMA mã miền dựa trên LDS-CDMA Ngược lại với LDS-CDMA, các bit thông tin có thể được ánh xạ trực tiếp tới các từ mã thưa khác nhau, bởi vì cả ánh xạ bit và sự

lan truyền bit được kết hợp Khi so sánh với LDS-CDMA, SCMA cung cấp kỹ thuật tiếp nhận phức tạp thấp hơn và cung cấp hiệu suất được cải thiện Nó ánh xạ ký hiệu QAM được sử dụng bởi các công nghệ mã hóa CDMA thông thường và triển khai dữ liệu nhị phân bằng cách mã hóa nó trực tiếp thành các từ mã đa chiều Hình 1.11 cho thấy sơ đồ khối bộ mã hóa SCMA Hình này cho thấy một sơ đồ của bộ mã hóa SCMA khi có bốn tài nguyên vật lý và bốn từ mã trong sách mã SCMA Mỗi người dùng hoặc lớp chỉ định đầu ra dữ liệu nhị phân từ bộ mã hóa FEC trực tiếp đến từ mã phức tạp (thứ nguyên tài nguyên vật lý) theo mã truyền bá được xác định trước của sách SCMA

Hình 1.11 Sơ đồ phương án mã hóa SCMA

- Kỹ thuật PDMA có thể được thực hiện trong các lĩnh vực khác nhau Ở

phía máy phát, PDMA đầu tiên tối đa hóa sự đa dạng và giảm thiểu sự chồng chéo giữa nhiều người dùng để thiết kế các mẫu không trực giao Việc ghép kênh sau đó được thực hiện trong miền mã, miền không gian hoặc kết hợp cả hai

- Đối với SDMA, nguyên tắc làm việc của kỹ thuật này được lấy cảm hứng

từ các hệ thống CDMA cơ bản Thay vì sử dụng các chuỗi lây lan dành riêng cho người dùng, SDMA phân biệt người dùng khác nhau bằng cách

sử dụng các đáp ứng xung kênh cụ thể của người dùng (CIR – Channel Impulse Responses) Kỹ thuật này đặc biệt hữu ích cho các trường hợp số lượng người dùng đường lên cao hơn đáng kể so với số lượng ăng-ten nhận tương ứng trong BS Tuy nhiên, ước lượng CIR chính xác trở nên khó khăn đối với một số lượng lớn người dùng

1.5 Sự khác nhau giữa NOMA với OMA

Không giống như OMA, NOMA cho phép phân bổ một kênh tần số cho nhiều người dùng tại một thời điểm trong cùng một ô và cung cấp một số ưu điểm, như là cải thiện hiệu suất phổ (SE - spectral efficiency), thông lượng cạnh cell cao hơn, phản hồi kênh rỗi (chỉ cường độ tín hiệu nhận được, không yêu cầu chính xác thông tin trạng thái của kênh), và độ trễ truyền thấp (không yêu cầu lập biểu từ người dùng đến trạm gốc) [7]

Hình 1.12 Sự khác nhau về chia sẻ phổ tần giữa NOMA và OFDMA

Ở phương pháp NOMA, khối tài nguyên được chia sẻ cho UE1 và UE2 cùng với băng thông truyền dẫn rộng cho mỗi người dùng Ngược lại, ở phương pháp OMA ta có thể thấy, băng thông truyền dẫn hẹp trên mỗi người dùng nhưng không có sự can nhiễu giữa người dùng (nội cell)

Nhược điểm của OMA là: với những người dùng có kết nối kém với trạm gốc (BS) được phục vụ bằng cách sử dụng OMA thì có hiệu suất quang phổ thấp vì người dùng này không thể sử dụng băng thông được phân bổ một cách hiệu quả

Vì ở phương pháp OMA, tài nguyên băng thông bị người dùng này chiếm đóng

không thể được chia sẻ bởi những người khác Và khó khăn trong việc thực hiện

hỗ trợ kết nối lớn Nhớ lại rằng ba yêu cầu chính cho 5G là hỗ trợ thông lượng cao, độ trễ thấp và kết nối lớn

Bảng 1.1 Bảng so sánh giữa công nghệ NOMA so với các công nghệ ở thế hệ trước

1.6 Kết luận chương

Non-orthogonal multiple access (NOMA) là một trong những kỹ thuật truy cập vô tuyến đầy hứa hẹn để tăng cường hiệu suất trong truyền thông di động thế hệ tiếp theo So với đa truy nhập phân chia tần số trực giao (OFDMA), là một kỹ thuật truy cập đa trực giao công suất cao (OMA) nổi tiếng, NOMA cung cấp một tập hợp các lợi ích mong muốn, bao gồm hiệu quả phổ lớn hơn Có nhiều loại kỹ thuật NOMA khác nhau, bao gồm tên miền công suất và miền mã Chương này chủ yếu tập trung vào NOMA tên miền công suất sử dụng mã hóa chồng chất (SC) tại máy phát và hủy nhiễu liên tiếp (SIC) tại máy thu Nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng NOMA có thể được sử dụng hiệu quả để

đáp ứng cả yêu cầu về tốc độ dữ liệu và mức độ sử dụng của các công nghệ thế

hệ thứ 5 (5G) Từ quan điểm đó, chương này đã khảo sát toàn diện tiến độ gần đây của NOMA trong các hệ thống 5G, xem xét phân tích năng lực hiện đại, các chiến lược phân bổ công suất, sự công bằng của người dùng và các chương trình ghép nối người dùng trong NOMA