Đồ án đa truy cập phi trực giao

MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 5G I Giớithiệu chungvề mạng di động 5G II Công nghệ 5G II.1Các đặc trưng mạng hệ thứ (5G) II.2Kỹ thuật đa anten MIMO II.3Kỹ thuật song cơng tồn phần II.4Cơng nghệ sóng milimet CHƯƠNG II: TỔNG QUAN VỀ CÁC KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP I Giới thiệu chung II Đa truy cập phân chia theo tần số (FDMA III Đa truy cập phân chia theo thời gian (TDMA IV Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) CHƯƠNG III: KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO I Giới thiệu chung II Nguyên tắc truyền nhận tín hiệu đa truy cập phi trực giao Đường truyền xuống Đường truyền lên Ưu nhược điểm chế đa truy cập phi trực giao Mô phổng đường lên NOMA tín hiệu nhận đầu thu người dùng II.1 II.2 III IV CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ MẠNG DI ĐỘNG 5G I Giới thiệu chung mạng di động 5G 5G viết tắt từ 5th Generation, hệ thứ mạng di động Mỗi hệ tương ứng với tập hơp yêu cầu riêng, định chất lượng thiết bị hệ thống mạng đủ chuẩn đáp ứng yêu cầu tương thích với hệ thống mạng khác Mỗi hệ mô tả công nghệ mới, mang lại khả giao tiếp Sự phát triển công nghệ thông tin di động không dừng lại công nghệ 4G/LTE Advanced Mỗi phiên tiếp tục nâng cao hiệu suất hệ thống với lĩnh vực ứng dụng mới.Công nghệ bổ sung thêm ứng dụng kết nối điện thoại di động, tự động hóa nhà, giao thơng vận tải thông minh, an ninh sách điện tử,… Cho đến tổ chức Liên minh Viễn thông Quốc tế (ITU) chưa công bố rộng rãi yêu cầu cụ thể chi tiết công nghệ tích hợp vào mạng 5G.Cơng nghệ 5G nghiên cứu nhà khoa học tìm kiếm giải pháp thích hợp nhất.Dự kiến, việc triển khai mạng 5G bắt đầu vào năm 2020 tới năm 2025 phổ biến toàn cầu Hình 1.1.Mạng di động hệ 5G đưa vào năm 2020 Hình 1.2 Tốc độ mà mạng 5G tải xuống Theo dự kiến yêu cầu mạng 5G, có khác biệt lớn hệ với hệ 5G bao gồm: - Mức tiêu thụ pin thấp hơn, tăng tuổi thọ pin - Xác suất tắc nghẽn thấp - Độ trễ giảm bớt đáng kể so với LTE - Tốc độ nhanh hơn, cung cấp nhiều kết nối ổn định đáng tin cậy hơn, phạm vi bao phủ tốt tốc độ liệu cao viền Cell giúp cho giải vấn đề liên quan đến diện tích phủ sóng (thậm chí biển, nơi trạm phát sóng đất liền khơng thể phủ sóng bắt tín hiệu 5G) - An tồn hơn, tiết kiệm lượng, bổ sung thêm tính cho phần cứng - Đồng thời truyền nhiều đường truyền liệu - Khoảng tốc độ liệu 1Gbps di động - Hiệu phổ hệ thống cao đáng kể so với 4G - Web khơng dây tồn cầu (WWWW: World Wide Wireless Web), ứng dụng web không dây dựa bao gồm đầy đủ khả đa phương tiện vượt tốc độ 4G để kết nối nơi trái đất - Các ứng dụng kết hợp với cảm biến nhân tạo thông minh (AI), sống người bao phủ cảm biến nhân tạo giao tiếp với điện thoại di động thông minh Khả tương tác linh hoạt hỗ trợ nhiều loại thiết bị khác máy tính bảng, thiết bị đeo tay, … - Không gây hại cho sức khỏe người - Lệ phí lưu lương truy cập rẻ chi phí triển khai sở hạ tầng thấp Thế hệ 5G công nghệ mà cung cấp tất ứng dụng có thể, cách sử dụng thiết bị bao quát, kết nối hầu hết sở hạ tầng thông tin liên lạc tồn tại.Các thiết bị đầu cuối 5G đa cấu hình lại kích hoạt nhận thức vơ tuyến.Nó có phần mềm xác định phương pháp điều chế vô tuyến.Các mạng di động 5G tập trung vào việc phát triển thiết bị đầu cuối cho truy cập cơng nghệ mạng không dây khác lúc kết hợp luồng khác từ công nghệ khác nhau.Điểm đặc biệt cải tiến hệ 5G so với mạng hệ trước (dùng trạm sở mặt đất) mạng 5G sử dụng trạm HAPS (High Altitude Stratospheric Platform Stations) Hình 1.3 Mơ hình trạm HAPS Các trạm HAPS máy bay bóng thiết kế để hoạt động độ cao thấp, treo lơ lửng vị trí cố định thời gian dài, khoảng cách từ 17km – 22km so với mặt đất hoạt động vệ tinh HAPS cung cấp nguồn pin, động tế bào lương mặt trời Nó làm việc trạm phát so sánh với anten cao truyền tín hiệu giao tiếp khơng dây Đó kỹ thuật tốt việc phục vụ dịch vụ thông tin không dây băng thông rộng Trạm HAPS cung cấp phạm vi với bán kính khoảng tầm 30 Km Do thiết lập trạm HAPS thay phải dùng số trạm sở đặt mặt đất khu vực ngoại ô nông thôn hệ trước Trạm HAPS khơng u cầu bệ phóng đắt tiền vệ tinh mà cung cấp cho hiệu chi phí dễ dàng triển khai, sử dụng trường hợp khẩn cấp tai nạn HAPS cung cấp tuyến liên kết quan sát với công suất cao ứng dụng băng thông rộng Do cao có tác động gió nêntrạm HAPS thay đổi tùy vị trí theo chiều dọc chiều ngang Sự chuyển động làm thay đổi, sai lệch góc nhìn thiết bị đầu cuối mặt đất Nếu thay đổi lớn bề rộng chùm tia anten yêu cầu tăng hoạt động liên kết.Nhờ sử dụng cách khắc phục nhiều hạn chế giúp đường truyền tín hiệu thẳng giảm tình trạng bị cản trở nhà cao tầng Do trạm nằm cao nên có khả bao phủ diện tích rộng lớn giúp cho làm giảm vấn đề diện tích phủ sóng Mặc dù có số cải tiến công nghệ không dây hệ 5G có thách thức cho phát triển : + Tối ưu hóa phép đo hiệu suất: việc đánh giá mạng thông tin liên lạc không dây thường đặc trưng cách tính tốn hai phép đo hiệu suất, độ phức tạp cao Đối với đánh giá đầy đủ công hệ thống không dây 5G, số liệu hiệu suất nên xem xét.Chúng bao gồm hiệu quang phổ, hiệu lượng, độ trễ, độ tin cậy, tính cơng người dùng, QoS, độ phức tạp thực + Mơ hình kênh thực tế củahệ thống khơng dây 5G: mơ hình thực tế kênh với độ xác hồn tồn, độ phức tạp cao Chẳng hạn hệ thống MIMO lớn, mơ hình khơng thể áp dụng trực tiếp cho kênh MIMO lớn + Tích hợp tiêu chuẩn khác nhau: Mỗi thực hành kỹ thuật có tiêu chuẩn riêng họ (F.eks Telecom có 3GPP, 3GPP2, ITU, IETF, vv) Để tích hợp tiêu chuẩn khác nhau, đòi hỏi phải có cách tiếp cận có hệ thống tiêu thụ thời gian + Nền tảng phổ biến: Khơng có kiến trúc chung cho kết nối thực hành kỹ thuật khác Một quan quản lý chung cần thiết, mà tạo tảng chung cho tất thực hành kỹ thuật để hợp thức vấn đề kết nối liên thông chia sẻ kiến thức Nhận thức vô tuyến –cách thức để sử dụng quang phổ: Các hệ di động thường gán dải tần số quang phổ băng thơng rộng cho kênh tần số Nhưng có chỗ cho băng tần băng thơng lớn quang phổ đã, tiếp tục nguồn lực khan cho ngành công nghiệp điện thoại di động thông tin liên lạc Tuy ngành cơng nghiệp di động có quang phổ dành riêng cho thông tin di động cấp phép cho nhà điều hành định Nhưng điều bao gồm việc sử dụng phổ khơng có giấy phép phổ chủ yếu sử dụng cho dịch vụ truyền thông khác bổ sung cho hoạt động phổ tần cấp phép.Tuy nhiên, ứng dụng nhận thức vô tuyến để truyền thông di động khu vực tương đối tiếp tục nghiên cứu đánh giá tính khả thi tác động việc sử dụng Software Defined Radio (SDR): lợi ích từ tốc độ sử lý ngày cao để phát triển nhiều băng, sở trạm đa tiêu chuẩn thiết bị đầu cuối Mặc dù tương lai thiết bị đầu cuối thích ứng giao diện khơng gian cho cơng nghệ truy nhập vơ tuyến có sẵn.Hiện tại, điều thực sở hạ tầng.Một số lợi ích cở sở hạ tầng dự kiến từ SDR Ví dụ để tăng dung lương mạng thời điểm cụ thể ( lễ hội kiện thể thao), nhà điều hành cấu hình lại mạng lưới thêm số modem trạm thu phát gốc (BTS) Trong hệ thống 5G dự kiến, SDR trở thành khả cho thiết bị đầu cuối mạng thông qua phần mềm tải về.Đối với nhà sản xuất điều trợ giúp mạnh mẽ để cung cấp đa tiêu chuẩn, thiết bị đa băng tần với giảm nỗ lực phát triển chi phí Khả tương tác số loại truy cập không dây: Khả tương tác liền mạch mạng không đồng giúp cho thành công hệ thống 5G với công nghệ truy cập phát triển khác Một giải pháp nhằm đảm bảo khả tương tác số loại truy cập mạng không dây đưa phát triển chuẩn IEEE 802.21.IEEE 802.21 tập trung vào việc tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển giao mạng không dây khác môi trường không đồng loại phương tiện nào.Mục đích IEEE 802.21 để giảm bớt việc sử dụng nút di động cách cung cấp chuyển giao khơng bị gián đoạn mạng khơng đồng nhất.Nó đóng góp phần quan trọng việc hướng đến khả tương tác lại mạng không dây 5G hệ thống truyền thông di động.Khả tương tác thiết lập lại cấu hình cung cấp cho nhà mạng với khả để lựa chọn, với khoản đầu tư tối thiểu mạng truy cập khơng dây thay thê Việc lựa chọn thực dựa số tiêu chí như: - Kiểm soát tắc nghẽn - Chia sẻ phổ hiệu - Sự cân chia sẻ mạng không dây tồn không gian khác - So sánh truy cập tài nguyên sẵn có truy nhập dịch vụ riêng biệt Nói chung yêu cầu cho khả tương tác mà cần phải đưa vào xem xét sau: - Initial Network Selection (INS):lựa chọn mạng ban đầu (INS ) chức khả tương tác xử lý mạng không đồng Một lựa chọn thông minh mạng phù hợp người dùng cho kết chặn thấp hơn, dung lượng cao tăng cường chất lường dịch vụ - Hỗ trợ tính di động: mạng lưới lựa chọn , người dùng thay đổi mạng ban đầu chọn theo điều kiện khác - Hợp tác hay thỏa thuận chuyển vùng nhà khai thác mạng khác Khai thác phải cung cấp cho người dùng lợi ích tương tự xử lý nhà điều hành mạng - Xử lý thuê bao toán hệ thống chuyển vùng - Xác định thuê bao phải thực hệ thống môi trường tinh khiết Sự tích hợp khớp nối: Tùy thuộc vào mức độ tích hợp yêu cầu cơng nghệ truy cập vơ tuyến có sẵn Một loạt phương pháp tiếp cận thực cho khả tương tác hiệu quả.Nếu tích hợp cơng nghệ khác chặt chẽ, cung cấp dịch vụ thêm hiệu lưa chọn mạng trình chuyển giao nhanh hơn.Tuy nhiên, với mức độ tích hợp cao đòi hỏi phải nỗ lực đáng kể chế hỗ trợ việc trao đổi liệu cần thiết báo hiệu đài truy cập mạng khác Hiệu lượng mạng: Tiêu thụ lượng thấp cho thiết bị đầu cuối điện thoại di động yêu cầu quan trọng, phải cho giảm kích thước pin cải thiện thời gian pin II Công nghệ5G Một số tiêu chuẩn cho mạng 5G Tại thời điểm tại, số tham số xác định làm tiêu chuẩn cho chuẩn IMT-2020 là: - Tốc độ liệu đỉnh 20Gbit/s, tốc độ người dùng 100 Mbit/s - Dung lượng theo mật độ 10 Mbits/s/km2 - Số kết nối 106 thiết bị/1km2 - Tốc độ di chuyển 500 km/h - Độ trễ 1ms - Hiệu sử dụng phổ tần gấp lần 4G - Hiệu sử dụng lượng gấp 100 lần Các đặc trưng mạng hệ thứ (5G): 5G hệ thống mạng tương lai: Sử dụng kết nối không dây tốc độ cao với điện toán đám mây dịch vụ liệu, thiết bị kết nối khác, mạng 5G tạo cải cách xe tự lái với khả dò đường thơng minh, thành phố thơng minh, cải tiến chăm sóc sức khỏe nhiều phát minh khác Để đáp ứng thách thức dung lượng hiệu suất mạng 5G đòi hỏi phải có giải pháp nối mạng thiết kế thiết bị 5G hội tụ điện toán truyền thông: 5G không đơn giản tăng tốc độ dung lượng mà trí thơng minh nhân tạo toàn mạng lưới cho phép thiết bị hệ thống mạng liên lạc với hiệu hơn, truyền liệu thông tin âm thanh, hình ảnh nhanh chia sẻ tài nguyên điện toán Các thiết bị hệ thống mạng cần phải hoạt động để tạo trí tuệ phục vụ thơng minh 5G làm thiết bị cảm biến ngày nhỏ thông minh hơn: Các thiết bị thay đổi kích thước, hình dáng, chức khả điện toán đường tiến đến công nghệ mạng 5G Các hệ thống mạng thiết bị cần phải xử lý kết nối cách thông minh người dùng di chuyển trong, ngồi vùng phủ sóng, phải có khả hạn chế tín hiệu gây nhiễu từ điện thoại di động bên cạnh Hệ thống mạng thiết bị đảm nhận vai trò to lớn việc chia sẻ thông tin ngữ cảnh, tạo hội phát triển ứng dụng hệ video, lướt web, chơi game ứng dụng tích hợp tảng đám mây 5G việc xây dựng Hệ thống mạng cho tương lai: Hệ thống mạng ngày phải linh hoạt, hiệu có khả mở rộng để đáp ứng gia tăng nhanh chóng mặt số lượng chủng loại thiết bị kết nối mạng thời đại Internet vạn vật (Internet of Things), kể thiết bị công nghệ đeo người dịch vụ đem lại cho người dùng trải nghiệm 3D thật Điều đòi hỏi mạng lưới không dây rộng lớn hiệu cao 5G thành thực: Intel phát triển khả truy cập vô tuyến không dây công nghệ xử lý thiết bị cho thiết bị máy tính cá nhân, điện thoại thơng minh, máy tính bảng, thiết bị cơng nghệ đeo cá nhân, cảm biến thiết bị kết nối mạng tương lai khác Một phần nỗ lực này, Intel tạo tảng mở, có mục đích chung cho nhà vận hành mạng Intel đầu tư vào việc cải tiến hệ thống mạng theo lĩnh vực là: phát triển mã nguồn tiêu chuẩn mở, tạo tảng mạng lưới mở, xây dựng hệ sinh thái mở tảng Intel đẩy mạnh thí nghiệm triển khai Để đẩy mạnh triển khai tương lai, Intel làm 10 Trong môi trường di động,TDMA mang lại mức độ nhiễu đồng kênh thấp hơn, tỷ lệ nhỏcủa người dùng truyền trình xử lý hiệu hơn, truyền khơng liên tục Vì tốc độ truyền phát cao,một băng tần với băng thông lớn bắt buộc Nói chung, phổ chia thành nhiều dải khác (ví dụ: FDMA) sau dải định, TDMA làm việc Một ví dụ điển hình FDMA/TDMA hệ thống di động GSM, trongdải tần 200 kHz phân bổ cho tám người dùng TDMA, cụm tần sốtốc độ khoảng 271 kbps +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 khơng 106 lệnh giây, MS số TDMA phải có khả xử lý 50x106/s 21 IV Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Trải phổ dạng đa truy cập mà thông qua băng thơng truyền số tín hiệu có cường độ lớn băng thông RF yêu cầu tối thiểu sử dụng Điều đạt cách sử dụng mã lan truyền giống tạp âm giả trongmáy phát để trải băng thơng (nghĩa biến thành tín hiệu băng rộng),và sử dụng mã máy thu để phân tán tín hiệu nhận để phục hồi tín hiệu gốc Trải phổ khơng hiệu lắmkhi sử dụng người dùng, có nhiều người dùng chia sẻ băng thơng giống mà không can thiệp lẫn nhau, hệ thống trải phổ trở thành băng thông hiệu Trải phổ cung cấp mức độ miễn dịch cao nhiễu đa đường Hai dạng trải phổ sử dụng: trải phổ nhảy tần (FHSS) trải phổ chuỗi liên tiếp trực tiếp(DSSS), hay gọi đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Trong FHSS, phổ mở rộngbằng cách thay đổi tần số sóng mang theo cách giả ngẫu nhiên FHSS sử dụng trongBluetooth thiết bị khơng dây Nhảy tần khơng bao gồm tồn trải phổ vào lúc nào, chọn tốc độ nhảy xảy Trong nhảy tần số chậm, tỷ lệ ký hiệu bội số nguyên tốc độ nhảy, trong nhảy tần số nhanh, tốc độ nhảy bội số nguyên củatỷ lệ ký hiệu Một hệ thống FHSS cung cấp mức độ bảo mật Trong DDSS, tín hiệu điều chế băng sở tạo cách nhân tín hiệu điều chế, bao gồm bit thơng tin, chuỗi giả ngẫu nhiên, có băng thơng lớn nhiều so với tín hiệu nó, từ lan truyền băng thơng Trong CDMA, tất người dùng sử dụng dải tần số để truyền đồng thời (nghĩa khơng có phân tách rõ ràng thời gian tần số) Trong CDMA, mỗingười dùng gán chuỗi mã ngẫu nhiên nhất, chuỗi khác vàtrực giao với (nghĩa khơng tương thích với) tất mã khác Một mã sử dụng để tạotín hiệu tốc độ cao giống tiếng ồn ngẫu nhiên trộn lẫn với thơng tintín hiệu để trải phổ máy thu sử dụng mã để phục hồi tín hiệumong muốn Như hiển thị Hình 2.1c, người dùng truyền tồn dải tần lúc, sử dụng mã riêng biệt họ Do sử dụng lại băng thông, 22 CDMA băng thông hiệu mang lại suy giảm hiệu suất số lượng người dùng tăng lên Trong hệ thống CDMA, hiệu ứng gần xa xảy mức lượng nhận từ người dùng khác khơng Do đó, u cầu quan trọng để cung cấp chế điều khiển cơng suất tự động xác Điều khiển cơng suất thực cách lấy mẫu nhanh mức báo cường độ tín hiệu vơ tuyến sau gửi lệnh thay đổi cơng suất qua liên kết chuyển tiếp Với tốc độ liệu kênh cao, thời lượng ký hiệurất ngắn nhiều so với độ trễ kênh lan truyền Việc tiếp nhận cải thiệnbằng cách thu thập phiên trễ tín hiệu CDMA sử dụng di độnghệ thống di động, chẳng hạn CDMA-2000 +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 vơ 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 Cell phải nhỏ 1dB, trái lại số kênh phục vụ -Kỹ thuật trải phổ phức tạp 23 CHƯƠNG III: KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO I Giới thiệu chung Để đảm bảo tính bền vững dịch vụ thơng tin di động thập kỷ tới, giải pháp công nghệ đáp ứng thách thức tương lai cần xác định phát triển Đối với truy cập vô tuyến tương lai thời đại 2020, cần tăng đáng kể khả / hiệu chất lượng trải nghiệm hệ thống người dùng (QoE) bối cảnh lưu lượng liệu di động tăng theo cấp số nhân (tăng 1000 so với năm 2010) Trong thông tin di động, thiết kế cơng nghệ truy cập vơ tuyến khía cạnh quan trọng việc cải thiện công suất hệ thống theo cách tiết kiệm chi phí Đặc biệt, cách tiếp cận với đa truy cập chìa khóa phần công nghệ truy cập vô tuyến Trong hệ thống thông tin 3G W-CDMA CDMA2000, Đa truy nhập phân chia chuỗi mã trực tiếp (DS-CDMA) sử dụng người nhận dựa phát người dùng đơn cách sử dụng thu Rake Đa truy cập trực giao (OMA) dựa đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) đa truy cập phân chia theo tần số sóng mang đơn (SC-FDMA) sử dụng hệ thống thông tin di động hệ 3.9 LTE LTEAdvanced OMA lựa chọn hợp lýđể đạt hiệu suất thông lượng cấp hệ thống tốt gói dịch vụ sử dụng thống kê nhận biết miền thời gian tần số phát người dùng đơn máy thu Tuy nhiên, cải tiến khác hiệu hệ thống QoE, đặc biệt rìa Cell, cần thiết tương lai Để đáp ứng nhu cầu đó, đa truy cập phi trực giao (NOMA) coi ứng cử viên đầy triển vọng để cải tiến hệ thống NOMA khai thác cách tiếp cận ghép kênh người dùng miền cơng suất-miền khơng hồn tồn sử dụng hệ trước Trong NOMA, đa người dùng ghép kênh miền công suất hủy ghép kênh bên phía máy thu cách sử dụng khử nhiễu liên tiếp (SIC) 24 Giả sử tín hiệu truyền tạo dựa ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) bao gồm OFDM biến đổi Fourier rời rạc (DFT), có khả chống nhiễu đa đường việc truyền kênh thông qua mã kênh đạt khả mã turbo mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC), ghép kênh người dùng không trực giao hình thành mã hóa chồng chất.Từ góc độ lý thuyết thông tin, NOMA với SIC sơ đồ đa truy cập tối ưu theo quan điểm vùng lực đa người dùng đạt được, đường lên đường xuống Trong thực tế, khoảng cách vùng đa người dùng NOMA OMA rộng, NOMA đóng góp vào việc tăng cường đồng thời hiệu hệ thống trải nghiệm người dùng rìaCell Điều đặc biệt quan trọng hệ thống di động nơi mà điều kiện kênh khác đáng kể người dùng hiệu ứng gần xa Đối với kỹ thuật đa truy cập OMA, user cấp phát tài nguyêntrực giao mặttần số, thời gian, mãhoặc kết hợp tần số thời gian lýthuyết khơng có nhiễu user hệ thống OMA nhiên số lượng usersẽ bị giới hạn tùy thuộc vào tài nguyên khả dụng hệ thống Đây hạn chếlàm cho kỹ thuật OMA khơng thích hợp cho thơng tin di động u cầu sốlượng kết nối lớn 5G Đặc trưng bật kỹ thuật đa truy cập NOMA hỗ trợ số lượng userlớn số lượng khe tài nguyên trực giao nhờ việc cấp phát tài nguyên phi trực giao(non-orthogonal) Kỹ thuật NOMA chia thành loại: • Kỹ thuật NOMA miền cơng suất (Power -domain NOMA):với kỹ thuật này, user khác dùng chung tài nguyên thời gian – tần số - mã cấp phát mức công suất khác dựa vào chất lượng kênh truyền • Kỹ thuật NOMA miền mã (Code-domain NOMA):kỹ thuật tương tự kỹ thuật CDMA CDMA đa sóng mang (MC-CDMA) với khác biệt sử dụng chuỗi mật độ thấp chuỗi phi trực giao có độ tương quan thấp 25 Nguyên tắc truyền nhận tín hiệu đa truy cập phi trực giao II Đường truyền xuống Trong phần mô tả nguyên tắc đường truyền xuống NOMA lợi ích tiềm mà mong đợi liên quan đến OMA Để đơn giản, giả định có hai người dùng máy phát ăng ten thu Các hệ thống truyền dẫn chung băng thơng giả định Hz Hình cho thấy so sánh việc sử dụng phổ tần Noma OMA đường truyền xuống Trong đường truyền xuống, trạm phát tín hiệu cho người dùng i( i= 1, 2) , S i, E[|s|2] = 1, với cơng suất truyền Pi, tổng số Pi Ptotal Trong Noma, s1và s2 đặt chồng lên nhưsau : x = + S2 (1) Tín hiệu nhận người dùng i biểu diễn như: Yi = H ix + Wi (2) Trong hi hệ số kênh truyền biễu diễn dạng số phức người dùng i trạm gốc Wi nhiễu Gaussian bên thu bao gồm nhiễu liên Cell người dùng i Hình 1: So sánh việc sử dụng phổ tần đường xuống Mật độ phổ công suất Wi N0,i 26 Trong đường truyền xuống NOMA, 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 tăng kênh chuẩn hóa nhiễu cộng với liên nhiễu tế bào điện, |hi| /N0.Dựa thứ tự này, người dùng giải mã cách xác loại bỏ can thiệp từ tín hiệu người dùng có thứ tự giải mã SIC đến trước người dùng đó.Điều tốc độ truyền tải người dùng J kiểm sốt để giải mã cách xác thu J người dùng, giải mã người dùng i khác với : |hi|2/N0,i > |hj|2/N0,j Đặc biệt hơn, 2-user NOMA với |h1| 2/ 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 dùng nhận mã S trừ yếu tố từ tín hiệu nhận Y người truy cập trước giải mã tín hiệu riêng Vì vậy, thơng lượng người dùng i Ri, biểu diễn là: R1 = log2 (1 + p1| h1|2 / N0,1); (3) 2 R2 = log2 (1 + p2 | h2 | / (p1 | h2 | + N0,2)) Mặt khác, đường lên OMA với băng thông β (0 ≤β ≤ 1) Hz giao cho người dùng băng thơng trì (1-β)Hz người dùng 2, R i biểu diễn sau: R1 = βlog2 (1 + p1| h1 |2 / βN0,1) (4) R2 = (1-β) log2 (1 + p2 | h2 |2 / (1-β) N0,2) 27 Hình (a) (b) cho thấy thông lượng (khả truyền) cho trường hợp 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 lại khác kênh bất đối xứng Hình 2a: Kênh đối xứng Hình 2b: Kênh bất đối xứng 28 Trong Hình (a), 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 trường hợp kênh đối xứng, vùng thông lượng OMA NOMA với SIC giống hệt Trong trường hợp kênh khơng đối xứng, tổng thơng lượng tối đa đạt tất công suấttải (và băng rộng) phân bố cho người dùng 1, điều đạt cách thức đa truy cập Tuy nhiên, vùng thông lượng NOMA với SIC rộng nhiều so với vùng thông lượng OMA chế kênh khơng 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 dùng với P total | h1 | / N0,1 bịgiới hạn băng thơng thay giới hạn lượngvà mã hóa chống chất với người dùng cho phép người dùng sử dụng tồn băng thơng cấp lượng nhỏ cơng suất truyền chia sẻ cơng suất với người dùng Do đó, người dùng truyền lượng nhỏ sóng nhiễu, p 1|h2 |2, tới người dùng Ngược lại, OMA phải cấp phần băng thông đáng kể cho người dùng để tăng thông lượng OMA, điều gây giảm thông lượng người dùng (người dùng bị giới hạn băng rộng) Vì vậy, đường xuống di động nơi mà điều kiện kênh khác người dùng hiệu ứng gần-xa, NOMA có khả để cải thiện cân công suất hệ thống tính cân người dùng so với OMA 29 2.2 Đường truyền lên Trong đường truyền lên, người dùng i truyền tín hiệu si, với lượng truyềnpi Hình cho thấy cách sử dụng quang phổ NOMA OMA đường lên Đối với đường lên Noma2 người dùng, tín hiệu nhận nguồn biểu diễn sau: y = + H2.S2 + W (5) Trong Wbiểu thị nhiễu Gaussian máy thu bao gồm nhiễu đa tế bào Mật độ lượng quang phổ W N0 Trong NOMA, s1 s2 truyền tần số giao thoa với Trong đường lên, SIC thực máy thu trạm gốc Hình 3: Quang phổ sử dụng so sánh đường lên Với SIC, máy thu giải mã s s2 hai giai đoạn Trong giai đoạn đầu tiên, máy thu giải mã s1, coi s2 nhiễu Gaussian Một máy thu giải mã cách xác s1, loại trừ yếu tố s 1khỏi tín hiệu tổng hợp y sau giải mã s Vì nhiễu Gaussiancủa máy thu hệ thống, nên thông lượng tối đa đạt cho người dùng giống giới hạn người dùng đơn Như vậy, thông lượng người dùng i, Ri, biểu diễn là: R1 = log2 (1 + p1|h1 |2 / (p2 | h2 | + N0)) (6) R2 = log2 (1 + p2 | h2 | / N0) 30 Nếu thứ tự giải mã ngược lại, Ri trở thành R1 = log2 (1 + p1 | h1 | / N0) (7) R2 = log2 (1 + p2 | h2 | / (p1 | h1 | + N0)) Lưu ý (6) (7), thứ tự giải mã SIC, tổng thông lượng, R1 + R2, hay log2 (1 + (p1 | h1 | + p2 | h2 | 2) / N0), tổng thông lượng tối đa đạt kênh truy cập đa phương đường lên Mặt khác, đường lên OMA với băng thông βHz gán cho người dùng băng thơng lại, 1- βHz gán cho người dùng 2, Ri biểu diễn sau: R1 = βlog2 (1 + p1| h1 |2 / βN0) (8) R2 = (1-β) log2 (1 + p2 | h2 | / (1-β) N0) Hình 4: Vùng thơng lượng (dung lượng) đường lên 31 Hình (a) (b) cho thấy thông lượng (khả truyền) cho trường hợp kênh đối xứng bất 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-SIC đạt điểm A cách giải mã tín hiệu cho người dùng trước Điểm B đạt tín hiệu cho người dùng giải mã Cặp thông lượng đoạn thẳng AB đạt tổng thông lượng tối đa Trong kênh đối xứng, vùng thông lượng OMA hoàn toàn mộttập hợp NOMA-SIC,OMA đạt tổng thông lượng tối đa điểm Tại điểm đó, thơng lượng hai người dùng Tuy nhiên, kênh không đối xứng, OMA đạt tổng thông lượng tối đa, thông lượng người dùng không cân xứng Thông lượng R2 0.067b/s sử dụng OMA, xấp xỉ 1/15 thông lượng đơn Điều OMA phải khuếch tán hầu hết băng thông dành riêng cho người dùng điều kiện kênh tốt để đạt tổng thông lượng tối đa Nếu muốn đạt R2 với 0.8b/s để cải thiện cân sử dụng OMA, R1 phải giảm mạnh xuống đến khoảng 3.70b/s phần lớn băng thông bị giảm Mặt khác, NOMA với SIC đạt R2 1.0b/s, thơng lượng người dùng đơn 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 hiệu suất hệ thống cân giữ người dùng so với OMA 32 III • • 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 trạm HAPS - Mạng 5G khơng 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 thơng - 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 - Cơng 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 khơng 33 IV Mơ phổng đường lên NOMA tín hiệu nhận đầu thu người dùng Bài tốn mơ gồm: - Chỉ mã hóa, khơng điều chế Truyền 100bit tín hiệu Trạm gốc anten người dùng Công suất phân bố cho người dùng tỉ lệ thuận với bình phương - khoảng cách Có nhiễu trắng phụ gia Gaussian (AWGN) Code mô phổng: clc; clear all; % n0.0f bits for transmit signal: 100 bits TxBits_n = 100; % distance from Base Station (BS) to User1, to User2 % Assuming maximum distance as 10, for attenuation calculation purposes User1_ds1 = 4; User2_ds2 = 7; MaxDst_00 = 10; SumSquareDst_00=User1_ds1^2+User2_ds2^2; % NOMA corrected: farther away from Base Station (BS), more allocated power; % Assuming the Base Station (BS) has total power of and will allocate % power for each User as proportional to squared distance: Pwr ~ Dst^2 % TotPwrBS_00 = 1.0; PwrUser1_p1 = TotPwrBS_00*(User1_ds1^2)/SumSquareDst_00; PwrUser2_p2 = TotPwrBS_00*(User2_ds2^2)/SumSquareDst_00; %============================================================================= %%%Create random binary messages/signals from Base Station (BS) %============================================================================= % Correct (actual) binary messages of 'TxBits_n' bits length: % equal probability of and in every bit; % 'rand' generates numbers in [0 to 1], uniformally distributed; % Mean is 0.5 SgnUser1_xs1 = rand(1,TxBits_n) > 0.5; SgnUser2_xs2 = rand(1,TxBits_n) > 0.5; %============================================================================= %%%Superposition Encoding %============================================================================= % NOMA: Power-domain Multiplexing, sum of products signal*sqrt(power) - TNY: % Enc_X = sqrt(PwrUser1_p1)*SgnUser1_xs1; Enc_X = sqrt(PwrUser2_p2)*SgnUser2_xs2 + Enc_X; %============================================================================= %%%Received signals for all Users %============================================================================= % NOMA: Additive White Gaussian Noise (AWGN) with ZERO MEAN and double-side % power spectral density, N0/2 % Noise variation on time N(t) (addition): different for every bit; % Since 'randn' concetrates in [-1 to +1] or even larger and a bit is only % [0 or 1], and Power