Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao trong hệ thống 5g

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ HƯƠNG KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO TRONG HỆ THỐNG 5G LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử, truyền thông HÀ NỘI - 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ HƯƠNG KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO TRONG HỆ THỐNG 5G Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 851030.02 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện tử Truyền thông Cán hướng dẫn: TS Đinh Thị Thái Mai PGSTS Nguyễn Quốc Tuấn HÀ NỘI - 2019 TÓM TẮT Tóm tắt: Trong năm gần nhu cầu sử dụng thiết bị đầu cuối ngày tăng cao đa dạng Để đảm bảo tính bền vững phát triển dịch vụ thông tin di động thập kỉ tới, giải pháp công nghệ đưa để đáp ứng nhu cầu sử dụng thách thức tương lai Mạng di dộng không dây 5G đưa với tiêu chí hiệu suất phổ, tốc độ liệu người dùng, độ trễ, mật độ kết nối đòi hỏi số lượng kết nối, khả kết nối cao mà kỹ thuật truy cập trực giao dùng mạng 2G/3G/4G chưa thể đáp ứng được, kỹ thuật truy cập phi trực giao đề xuất cho mạng truy cập 5G nhằm đáp ứng tăng khả truy cập mạng cao gấp từ 10-100 lần so với 4G Đề tài luận văn mong muốn tìm hiểu cơng nghệ mạng 5G cơng nghệ đa truy cập phi trực giao (NOMA) với hy vọng dùng mạng 5G Nội dung khóa luận trình bày đặc điểm, xu hướng phát triển mạng 5G, kĩ thuật truy cập OFDM phi trực giao phương pháp loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC, đặc tính tối ưu cơng nghệ đa truy cập OFDM phi trực giao so với OFDM thơng thường Từ khóa: 5G, Đa truy cập phi trực giao (NOMA), SIC LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài “Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao hệ thống 5G” thực hướng dẫn trực tiếp thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn cô TS Đinh Thị Thái Mai Các nội dung nghiên cứu, kết luận văn trung thực chưa cơng bố hình thức trước Tất tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn nêu nguồn gốc rõ ràng mục tài liệu tham khảo khơng có việc chép tài liệu đề tài khác mà không ghi rõ tài liệu tham khảo Nếu có phát gian lận luận văn này, em xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Hà Nội, ngày 31 tháng 05 năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Hương LỜI CẢM ƠN Khi em nghiên cứu đề tài, trình thực luận văn ngồi cố gắng, nỗ lực thân em nhận hướng dẫn, giúp đỡ, động viên khơng nhỏ từ phía thầy giáo, giáo bạn bè Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến: Cô giáo TS Đinh Thị Thái Mai trực tiếp định hướng giúp đỡ em hoàn thành đề tài luận văn tận tình hướng dẫn, giải đáp thắc mắc với hướng dẫn thầy PGS.TS Nguyễn Quốc Tuấn Thầy chia sẻ kiến thức chuyên môn sâu kinh nghiệm báu giúp em hồn thành khóa luận Đồng thời em xin cảm ơn đến thầy giáo, cô giáo môn bạn Lab Hệ thống viễn thơng nhiệt tình chia sẻ, giúp đỡ, động viên suốt trình làm luận văn Em cố gắng, nỗ lực, trình thực luận văn có nhiều kiến thức Cho nên khơng tránh khỏi thiếu sót câu văn dịch từ tiếng Anh không rõ nghĩa cho Em mong nhận góp ý, bảo tận tình q thầy giáo, giáo bạn Em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 1.1.1 Các đặc tính mạng 2G 1.1.2 Các đặc tính mạng 3G 1.1.3 Các đặc tính mạng 4G 1.2 MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 5G 1.2.1 Mơ hình mạng 1.2.2 Các thông số kỹ thuật 10 1.3 ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG 14 1.3.1 Đa truy cập mạng 2G/3G 15 1.3.2 Đa truy cập mạng 4G 16 CHƯƠNG 2: ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO 19 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG 19 2.2 TRUY CẬP NOMA MIỀN MÃ –WCDMA 20 2.2.1 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) 20 2.2.2 Trải mật độ thấp (LDS) 21 2.2.3 Đa truy cập mã thưa (SCMA) 22 2.3 TRUY CẬP NOMA MIỀN CƠNG SUẤT ĐƠN SĨNG MANG 23 2.3.1 Mã hóa chồng chất (SC) 25 2.3.2 Loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) 30 2.4 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐA SÓNG MANG 34 2.4.1 NOMA đa sóng mang 34 2.4.2 Truy cập trực giao OFDMA 37 CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO (NOMA) 43 3.1 XEM XÉT HIỆU NĂNG NOMA MIỀN CÔNG SUẤT 43 3.1.1 Kịch mô 43 3.1.2 Tham số mô 44 3.2 SO SÁNH THÔNG LƯỢNG OFDMA & NOMA 45 3.3 MỐI LIÊN QUAN EE-SE TRONG NOMA&OFDMA 48 3.4 THÔNG LƯỢNG VÀ TỔNG CÔNG SUẤT PHÁT NOMA&OFDMA 49 KẾT LUẬN 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO 52 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU Ký hiệu Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt 1G First Generation Thế hệ thứ 2G Second Generation Thế hệ thứ 3G Third Generation Thế hệ thứ 3 Generation Partnership Dự án đối tác hệ thứ 3GPP Project 4G Fourth Generation Thế hệ thứ 5G Fifth Generation Thế hệ thứ BS Base Station Trạm gốc Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc Code Division Multiple Access Đa truy cập phân chia theo mã CN Core Network Mạng lõi CSI Channel State Information Thông tin trạng thái kênh CT Cordless Telecomm Vô tuyến viễn thông không dây DL Downlink Đường xuống DRX Discontinuous Reception Tiếp nhận gián đoạn DVB Digital Video Broadcasting Phát quảng bá video số eMBB Enhanced Mobile Broad band Băng thông di động nâng cao FDD Frequency Division Duplex Song công phân chia theo tần số FDMA Frequency Division Multiple Đa truy cập hợp kênh phân chia tần số BTS CDMA Access GSM Global System for Mobile Hệ thống thơng tin di động tồn cầu Communications IMT International Mobile Viễn thông di động quốc tế Telecommunications IP ITU Internet Protocol Giao thức internet International Liên minh viễn thông quốc tế Telecommunications Union KPI Key Performance Indicator Chỉ tiêu hiệu LDS Low-Density Spreading Phân tán mật độ thấp LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn MCL Maximum Coupling Loss Suy hao gép tối đa Maximum Likelihood Khả tối đa Multimedia Messaging Service Dịch vụ nhắn tin đa phương tiện Mobile Station Trạm di động Multi User Detection Giải mã đa người dùng Non-Orthogonal Multiple Đa truy nhập phi trực giao ML MMS MS MUD NOMA Access OMA Orthogonal Multiple Access Đa truy cập trực giao PSTN Public Switching Telephone Mạng điện thoại chuyển mạch công cộng Network QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAT Radio Access Technologies Công nghệ truy cập vô tuyến Superposition Coding Mã hóa chồng chất Sparse-Code Multiple Access Đa truy cập hợp kênh mã thưa SDU Service Data Unit Đơn vị liệu dịch vụ SIC Successive Interference Hủy bỏ nhiễu liên tiếp SC SCMA Cancellation TDD Time Division Duplex Song công phân chia thời gian Time Division Multiple Access Đa truy cập hợp kênh phân chia thời gian UE User Equipment Thiết bị người dùng UL Uplink Đường lên Ultra-Reliable Low Latency Truyền thông độ trễ thấp tin cậy TDMA URLLC Communication WCDMA WLL Wideband Code Division Đa truy cập hợp kênh phân chia mã băng Multiple Access rộng Wireless Local Loop Vòng khơng dây địa phương DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mơ hình dự kiến mạng 5G [4] Hình 1.2: Phổ tín hiệu OFDM FDM 17 Hình 1.3: Cơ chế điều chế giải điều chế OFDM 18 Hình 1.4: Các sóng mang lí tưởng trực giao 18 Hình 2.1 Phân bổ nguồn tài nguyên CDMA 20 Hình 2.2 Phân bổ nguồn lực PD-NOMA 23 Hình 2.3: Minh họa hai người dùng SC 27 Hình 2.4: Một ví dụ mã hóa SC (a) chòm tín hiệu người sử dụng (b) chòm tín hiệu người dùng (c) chòm tín hiệu chồng chất 29 Hình 2.5: Kỹ thuật giải mã tín hiệu chồng chất trạm thu .30 Hình 2.6: SIC với cơng suất giảm dần 31 Hình 2.7 Lược đồ đa truy cập cho kịch hai người dùng (a) NOMA (b) OMA .33 Hình 2.8: NOMA kịch đường lên 34 Hình 2.9: Các sóng mang mức cơng suất cho NOMA[17] 35 Hình 3.1: Kịch mô 44 Hình 3.2 Thơng lượng người dùng trường hợp kênh đối xứng .47 Hình 3.3: Thơng lượng người dùng trường hợp kênh khơng đối xứng 48 Hình 3.4: Hiệu suất lượng hiệu suất phổ .49 Hình 3.5: Tổng cơng suất phát so với 𝑅𝑟𝑣𝑠 cho người dùng ô trung tâm 50 LỜI NÓI ĐẦU Từ điện thoại tương tự đến dịch vụ Internet (bao gồm thoại liệu), q trình chuyển đổi khuyến khích cần thiết phải đáp ứng yêu cầu hệ công nghệ di động Hiện nay, công nghệ truyền thông di động phải đối mặt với thách thức mới, tạo xã hội siêu kết nối thông qua xuất dịch vụ hệ thứ năm (5G) Với tiềm to lớn cho người tiêu dùng công nghiệp, hệ thống thông tin di động 5G dự kiến triển khai vào năm 2020 Cơng nghệ 5G đòi hỏi hiệu suất phổ cao (10-100 – tức gấp 10 lần hiệu suất phổ 4G), tốc độ liệu người dùng cao (10 - 20 Gbps tức 10-20 lần tốc độ liệu đỉnh 4G), độ trễ thấp (cỡ mili giây - phần năm độ trễ 4G)., mật độ kết nối dày đặc với khả kết nối cao Do đó, cần phải có cơng nghệ đa truy cập đáp ứng yêu cầu đề Đa truy cập phi trực giao (NOMA) số cơng nghệ NOMA cơng nghệ hứa hẹn nhằm tăng cường thông lượng lực hệ thống NOMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên thời gian tần số khơng gian cách đơn giản hóa việc đa truy cập hợp kênh miền công suất đa truy cập hợp kênh miền mã cách tuyến tính Nhiễu xảy NOMA kiểm soát việc phân bổ nguồn tài nguyên phi trực giao, với chi phí tăng độ phức tạp máy thu sử dụng chế loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation) khả tối đa ML (Maximum Likelihood) Nội dung luận văn trình bày sau: Chương trình bày tổng quan hệ thống thơng tin di đơng; tiếp sau đó, chương trình bày tổng quan, phân loại công nghệ sử dụng NOMA; cuối chương đánh giá hiệu NOMA so sánh với OMA Thông qua vấn đề đề cập đến luận văn, em mong có đánh giá hiểu biết sâu sắc công nghệ NOMA tiêu, thông số mạng di động 5G tương lai Các vấn đề tối ưu hóa xây dựng giải chúng thách thức Bên cạnh đó, (2.28) liên quan đến biến số nguyên nhị phân Để phát triển thuật toán hiệu để giải (2.28), triển khai khung lặp lặp lại xấp xỉ lồi liên tiếp chức khơng lồi chuyển thành lồi lần lặp Đối với việc chuyển đổi này, áp dụng CGP biến đổi giảm biến để chuyển đổi (2.27) thành công thức GP Đối với (2.28), áp dụng phương pháp kép (dual approach) sử dụng rộng rãi để giải vấn đề phân bổ tài nguyên dựa OFDMA [15] Chúng ta viết 𝑁𝑂𝑀𝐴 ) sau: 𝑅𝑘𝑁𝑂𝑀𝐴 = log (1 + 𝛾𝑖,𝑛 𝑠 ,𝑛 𝑅̃𝑘𝑁𝑂𝑀𝐴 = log ( 𝑠 ,𝑛 𝜎2 +ℎ𝑖,𝑛 ∑𝑠∈𝑆 ∑𝐾 𝑗=𝑖+1 𝜌𝑗,𝑛 +𝜌𝑖,𝑛 ℎ𝑖,𝑛 𝜎2 +ℎ 𝐾 𝑖,𝑛 ∑𝑠∈𝒮 ∑𝑗=𝑖+1 𝜌𝑗,𝑛 (2.29) ) Từ công thức (2.23) viết lại sau: 𝜎2 +ℎ𝑖,𝑛 ∑𝑠∈𝒮 ∑𝐾 𝑗=𝑖+1 𝜌𝑗,𝑛 +𝜌𝑖,𝑛 ℎ𝑖,𝑛 ∏𝑖∈𝐾𝑠 ∏𝑛∈𝑁 ( 𝜎2 +ℎ 𝐾 𝑖,𝑛 ∑𝑠∈𝒮 ∑𝑗=𝑖+1 𝜌𝑗,𝑛 (2.30) 𝑟𝑠𝑣 ) ≤ 2−𝑅𝑠 , ∀𝑠 ∈ 𝑆 Để áp dụng CGP, xem xét 𝑡1 số lặp Trong lần lặp t1, hàm không lồi phải xấp xỉ với đối số lồi Dựa cấu trúc 𝑅̃𝑘𝑁𝑂𝑀𝐴 , 𝑠 ,𝑛 áp dụng xấp xỉ AGMA để đề xuất đơn thức gần (monomial approximation) 𝑅̃𝑘𝑁𝑂𝑀𝐴 𝑛 Khi lặp lại t1, 𝑅̃𝑘𝑁𝑂𝑀𝐴 xấp xỉ với hàm lồi sau, tất i, 𝑠 ,𝑛 𝑠 ,𝑛 𝑥𝑖,𝑛 (𝑡1 ) = (𝜎 + ℎ𝑖,𝑛 ∑𝑠𝜖𝑆 ∑𝐾 𝑗=𝑖+1 𝜌𝑗,𝑛 ) ( ℎ𝑖,𝑛 𝜌𝑗,𝑛 (𝑡1 ) ∏𝐾∀𝑠,𝑗=𝑖+1 ( 𝑔𝑗,𝑛 (𝑡1 ) (𝑔𝑗,𝑛 )(𝑡1 ) ) 𝜎2 𝑠𝑖,𝑛 (𝑡1 𝜌𝑖,𝑛 (𝑡1 )ℎ𝑖,𝑛 ( 𝑟𝑖,𝑛 (𝑡1 ) −𝑠𝑖,𝑛 (𝑡1 ) ) ) × (2.31) −𝑟𝑖,𝑛 (𝑡1 ) ) Trong 𝑛 ∈ 𝑁 𝜎2 𝜌𝑖,𝑛 (𝑡1 −1)ℎ𝑗,𝑛 𝜌𝑖,𝑛 (𝑡−1)ℎ𝑖,𝑛 , (2.32) 𝑧𝑖,𝑛 (𝑡1 ) = 𝜎 + ℎ𝑖,𝑛 ∑𝑠∈𝑆 ∑𝐾 𝑗=𝑖+1 𝜌𝑗,𝑛 (𝑡1 − 1) + ℎ𝑖,𝑛 𝜌𝑖,𝑛 (𝑡1 − 1) (2.33) 𝑠𝑖,𝑛 (𝑡1 ) = 𝑧𝑖,𝑛 (𝑡1 , 𝑔𝑗,𝑛 (𝑡1 ) = ) 𝑧𝑗,𝑛 (𝑡1 ) 39 , 𝑟𝑖,𝑛 (𝑡1 ) = 𝑧𝑖,𝑛 (𝑡1 ) Xem xét (2.32) - (2.33), vấn đề tối ưu hóa (2.27) bước lặp t1 gần với vấn đề tối ưu lồi (convex optimization) sau [15]: 𝑁 ∑𝐾 𝑖=1 ∑𝑛=1 𝜌𝑖,𝑛 (𝑡1 ) (2.34) 𝜌(𝑡1 ) 𝑟𝑠𝑣 ∏𝑖∈𝐾𝑠 ∏𝑛∈𝑁 𝑥𝑖,𝑛 (𝑡1 ) ≤ 2−𝑅𝑠 ∀𝑠 ∈ 𝑆 (2.35) Thuật toán lặp lại tổng thể để giải (2.23) dựa hàm lồi (2.34) trình bày thuật toán sau Đầu tiên: cho 𝑡1 = 1, 𝜌(𝑡1 ) = [1], 𝑡𝑟𝑜𝑛𝑔 𝟏 𝑙à 𝑣𝑒𝑐𝑡𝑜𝑟 𝐶 1×𝐾 Lặp lại: Bước 1: Cập nhật 𝑠𝑖,𝑛 (𝑡1 ), 𝑔(𝑗,𝑛) (𝑡1 ), 𝑟𝑖,𝑛 (𝑡1 ), 𝑧𝑖,𝑛 (𝑡1 ) từ (2.32) - (2.33), Bước 2: tìm tối ưu 𝝆∗ (𝑡1 ) từ (2.33) thông qua CVX Lặp lại bước ||𝝆∗ (𝑡1 ) − 𝝆∗ (𝑡1 − 1)|| ≤ ε1 Cách tiếp cận kép cho phân bổ lượng dựa OFDMA Vì (2.28) liên quan đến biến nhị phân 𝛼 trước tiên giảm nhẹ 𝛼𝑘𝑠,𝑛 [0,1], ∀𝑘𝑠 ∈ 𝐾𝑆 , ∀𝑠 ∈ 𝑆, ∀𝑛 ∈ 𝑁 Bây giờ, cách xem xét 𝛼𝑘𝑠,𝑛 𝑃𝑘𝑠,𝑛 , tổng tỷ lệ OFDMA viết lại là: (𝛼, 𝑦) = 𝛼𝑘𝑠,𝑛 log (1 + 𝑅̃𝑘𝑂𝐹𝐷𝑀𝐴 (𝑠,𝑛) 𝑦𝑘𝑠,𝑛 ℎ𝑘𝑠,𝑛 𝛼𝑘𝑠,𝑛 𝜎2 ) (2.36) Lưu ý biểu thức thuộc lớp hàm lồi với định dạng 𝑏 𝑓 (𝑎, 𝑏) = 𝑎 log (1 + ) Do đó, (2.26) viết sau: 𝑎 (𝛼, 𝑦) ≥ 𝑅𝑠𝑟𝑠𝑣 ∀𝑠 ∈ 𝑆 ∑𝑘𝑠∈𝐾𝑆 ∑𝑛∈𝑁 𝑅̃𝑘𝑂𝐹𝐷𝑀𝐴 (𝑠,𝑛) (2.36*) Do đó, (2.28) viết ∑𝑠∈𝑆 ∑𝑘𝑠∈𝐾𝑠 ∑𝑛∈𝑁 𝑦𝑘𝑘𝑠,𝑛 y,α (2.37) Hàm Lagrange tương ứng cho (2.37) : )+ ℒ (𝜙𝑠 , 𝑣𝑛 , 𝑦, 𝛼) = ∑∀𝑠,∀𝑘𝑠 ,∀𝑛 𝑦𝑘𝑠,𝑛 + ∑∀𝑠 𝜙𝑠 (𝑅𝑠𝑟𝑠𝑣 − ∑∀𝑘𝑠,𝑛 𝑅̃𝑘𝑂𝐹𝐷𝑀𝐴 𝑠 ,𝑛 ∑∀𝑛 𝑣𝑛 (∑𝑠 ∑𝑘𝑠 𝛼𝑘𝑠,𝑛 − 1) (2.38) Trong 𝜙𝑠 , ∀𝑠 ∈ 𝑆 𝑣à 𝑣𝑛 , ∀𝑛 ∈ 𝑁 biến Lagrange liên quan đến (2.24) (2.36*) tương ứng Xem xét 𝜙 𝑣à 𝑣 vectơ biến Lagrange cho 𝜙𝑠 , ∀𝑠 𝑣à 𝑣𝑛 , ∀𝑛 ; tương ứng, hàm kép cho (2.38) : [11] 40 𝒟(𝜙, 𝑣 ) = ℒ (𝜙𝑠 , 𝑣𝑛 , 𝑦, 𝛼) (2.39) 𝑦,𝛼 Do đó, vấn đề kép viết max 𝒟(𝜙, 𝑣 ) 𝜙,𝑣 Với ràng buộc: 𝜙 > 𝑣à 𝑣 > Vì (2.38) hàm lồi, khoảng cách kép (duality gap) khơng đó, giải pháp toán kép với giải pháp vấn đề gốc [11] Do đó, cách áp dụng điều kiện KKT, phân bổ công suất tối ưu cho 𝑘𝑠 người dùng lát s sóng mang n, tức 𝑃𝑘∗𝑠 ,𝑛 : 𝑃𝑘∗𝑠 ,𝑛 =[ 𝜙𝑠 𝑙𝑛 − 𝜎2 ℎ𝑘𝑠 ,𝑛 𝑃𝑚𝑎𝑥 ] (2.40) Trong đó: [𝑥]𝑏𝑎 = max{min{𝑥, 𝑏} , 𝑎} Ngồi ra, phân bổ sóng mang tối ưu 𝛼𝑘∗ 𝑠,𝑛 là: 0, 𝜕(ℒ(𝜙𝑠 ,𝑣𝑛 ,𝑦,𝛼)) ∗ 𝛼𝑘 𝑠 ,𝑛 ∈ [0,1], 𝛼𝑘∗ 𝑠,𝑛 = 1, { 0 Trong đó: 𝜕(ℒ(𝜙𝑠 ,𝑣𝑛 ,𝑦,𝛼)) ∗ 𝛼𝑘 𝑠 ,𝑛 = 𝑣𝑛 = 𝜙𝑠 (log (1 + 𝛾𝑘𝑠 ,𝑛 ) − 𝛾𝑘𝑠 ,𝑛 = 𝛾𝑘𝑠 ,𝑛 (1+𝛾𝑘𝑠 ,𝑛 ) ln ) ∀𝑠 ∈ 𝑆 (2.42) 𝑦𝑘𝑠,𝑛 ℎ𝑘𝑠,𝑛 𝛼𝑘𝑠,𝑛 𝜎 Bây giờ, từ điều kiện KKT, có: 𝜁𝑘𝑠 ,𝑛 = 𝜙𝑠 [log (1 + 𝛾𝑘𝑠 ,𝑛 ) − 𝛾𝑘𝑠 ,𝑛 ], ∀𝑠 ∈ 𝑆 (2.43) (1+𝛾𝑘𝑠 ,𝑛 )𝑙𝑛2 Để đáp ứng phân bổ cho nhà cung cấp dịch vụ phụ độc quyền OFDMA, 𝛼𝑘∗ 𝑠,𝑛 chọn cho 𝜁𝑘𝑠,𝑛 cực đại [12], biểu diễn toán học 41 𝛼𝑘∗ 𝑠,𝑛 ={ 𝑘𝑠′ = 𝑚𝑎𝑥∀𝑘𝑠 ∈ 𝐾𝑆 , ∀𝑠 ∈ 𝑆 1, 0, 𝜕(ℒ (𝜙𝑠 , 𝑣𝑛 , 𝑦, 𝛼)) 𝜕𝛼𝑘∗𝑠 ,𝑛 𝑘𝑠 ≠ 𝑘𝑠′ Để giải toán lồi (2.37), thuật tốn lặp dựa hàm kép áp dụng với độ phức tạp tính tốn thấp thể [8, 9] tóm tắt thuật toán sau Khởi tạo ban đầu: Đặt 𝑡2 = 1, 𝛼 (𝑡2 ) = [1], vector 𝐶 1×𝐾𝑁 , 𝑝𝑘𝑠,𝑛 = 1, ∀𝑘𝑠 ∈ 𝐾𝑆 , ∀𝑠 ∈ 𝑆, ∀𝑛 ∈ 𝑁, 𝑡2max = 5000 Lặp lại bước: Bước 1: Cập nhật 𝜙𝑠 (𝑡2 + 1) = [𝜙𝑠 (𝑡1 ) + 𝛿𝜙𝑠 𝜕ℒ + 𝜕𝜙𝑠 ] , ∀𝑠 ∈ 𝑆 Bước 2: Lặp lại: Đặt số lặp vòng lặp bên t3 = 2a Cập nhật 𝑃𝑘∗𝑠 ,𝑛 (𝑡3 ), ∀𝑘𝑠 ∈ 𝐾𝑠 , ∀𝑛 ∈ 𝑁 từ (2.40) 2b Tìm 𝜁𝑘𝑠,𝑛 (𝑡3 ) từ (2.43) đặt 𝛼𝑘𝑠,𝑛 (𝑡3 ) = 1, 𝜁𝑘𝑠,𝑛 (𝑡3 ) = max[𝜁𝑘𝑠,𝑛 ], ∀𝑘𝑠 ∈ 𝐾, ∀𝑠 ∈ 𝑆, Cho tới ||𝑷(𝑡3 ) − 𝑷(𝑡3 − 1)|| ≪ 𝜀2 Cho tới ||𝜙𝑠 (𝑡2 ) − 𝜙𝑠 (𝑡2 − 2)|| ≤ 𝜀2 , ℎ𝑜ặ𝑐 𝑡2 > 𝑡2𝑚𝑎𝑥 42 CHƯƠNG 3: HIỆU NĂNG ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO (NOMA) Phần trình bày hiệu hệ thống thông tin di động việc quan trọng cần thiết hiệu cao hệ thống hoạt động hiệu 3.1 XEM XÉT HIỆU NĂNG NOMA MIỀN CƠNG SUẤT 3.1.1 Kịch mơ Để xem xét hiệu suất thuật toán đề xuất cho NOMA so sánh với sơ đồ OFDMA, luận văn mơ kịch với cell có BS có bán kính R chia thành vùng đồng tâm cho độ lợi kênh vùng liên quan đến đáp ứng kênh cần khảo sát Diện tích vùng cell giả định liên quan đến mật độ người dùng để số lượng người dùng mobile vùng tương đương Người dùng định xứ ngẫu nhiên (với phân phối đều) toàn khu vực quan tâm trừ có quy định khác Phương pháp truy cập khảo sát OFDMA-NOMA có nghĩa nhóm người dùng vùng có độ lợi kênh gần truy cập OFDMA vào biểu tượng OFDM tương ứng cấp Nhóm người dùng vùng tương ứng với biểu tượng truy cập NOMA với theo công suất phân bổ [11] tương ứng với độ lợi kênh vùng Kênh Rayleigh Fading xem xét kịch Số sóng mang biểu tượng N = 64 Để đơn giản, biểu tượng có số người dùng đường lên đường xuống trung bình giả định n = Bài toán liên kết người dùng xem xét [16] để phân bổ người dùng cell vào biểu tượng OFDM định kết hợp người dùng 𝑘𝑠𝑖 (người dùng thứ 𝑖 biểu tượng lát biểu tượng thứ 𝑠) phát (detect) liên tiếp kí hiệu NOMA 43 y x Hình 3.1: Kịch mơ 𝜉 Cụ thể hơn, ℎ𝑘𝑠,𝑛 = 𝑋𝑘𝑠,𝑛 𝑑𝑘𝑠 hệ số mát đường truyền, với 𝜉 = 3.5 𝑑𝑘𝑠 ∈ [0.1 ,1] khoảng cách chuẩn hóa BS người dùng 𝑘𝑠 đại lượng ngẫu nhiên thời điểm có phân bố Hình 3.1 3.1.2 Tham số mơ Để thực mô so sánh hiệu tương đối hai giải thuật truy cập OFDMA dựa OMA giải thuật truy cập OFDM-NOMA, tham số mô đưa chung cho hai Do nhiều thành phần ngẫu nhiên mơ hình hệ thống nên mơ Monte Carlo thực để có kết đáng tin cậy mặt thống kê Trong lần lặp lại Monte Carlo, UE đặt ngẫu nhiên cell tính tốn độ tuyến cho tất liên kết Các tham số cho kịch bảng 3.1 Số cell Bán kính cell 1000m Số lát công suất (vùng) Số người dùng cell 100 Số sóng OFDM/lát 64 Băng thơng biểu tượng MHz 44 Số người dùng/biểu tượng OFDM Số khối tài nguyên cho UE 24 Kênh Fading Rayleigh Hệ số suy hao đường truyền 3.5 Công suất phát BS 46dBm Công suất ồn -140 dBm/Hz Công suất phát tối đa UE 23dBm Bảng 3.1: Các tham số mô Giải thuật phân chia tối ưu công suất cho lát kết hợp người dùng [18], tỉ lệ công suất cho lát: 0.2, 0.3, 0.5 tương ứng với trung tâm, vành vành ngồi 3.2 SO SÁNH THƠNG LƯỢNG OFDMA & NOMA Để so sánh thông lượng OFDMA & NOMA, xét hệ thống truyền thông di động tế bào gồm BS UE tạo kịch mô UE chọn tập 𝑈𝐸𝑖𝑠 hai lát (s) riêng biệt dựa theo giải thuật [18] Nếu 𝑈𝐸𝑖1 gần BS có độ lợi kênh ℎ1 lớn 𝑈𝐸𝑘2 xa BS có độ lợi kênh ℎ2 cho ℎ1 ≥ ℎ2 , Người dùng thứ 𝑘 lát xử lý tín hiệu người dùng thứ 𝑖 lát coi sóng mang ồn tốc độ người dùng thứ 𝑘 lát cắt thứ hai (𝑅𝑘2 ) biểu diễn dạng: 𝑅̂𝑘2𝑁𝑂𝑀𝐴 𝑝2 |ℎ2 |2 ) = 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝑝1 |ℎ2 |2 + 𝜎𝑛2 (3.1) (𝑝1 + 𝑝2 )|ℎ2 |2 𝑝1 |ℎ2 |2 ) − 𝑙𝑜𝑔2 (1 + ) = 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝑝1 |ℎ2 |2 + 𝜎𝑛2 𝜎𝑛2 Bây giờ, người dùng thứ 𝑖 lát thứ thực hủy bỏ nhiễu liên tiếp (SIC), giải mã tín hiệu cho người dùng 𝑘, trừ tín hiệu xác định từ tín hiệu chồng chất tách liệu Do đó, tốc độ người dùng thứ 𝑖 lát cắt thứ (𝑅𝑖1 ) biểu diễn dạng 𝑅̂𝑖1𝑁𝑂𝑀𝐴 = 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝑝1 |ℎ1 |2 ) 𝜎𝑛2 45 (3.2) Tổng quát, thứ tự giải mã với ℎ𝐾 ≤ ⋯ ≤ ℎ2 ≤ ℎ1 người dùng, với mục 𝑖, loại bỏ liên tiếp nhiễu tất người dùng với số 𝑗 > 𝑖 sóng mang 𝑛 Đối với người dùng lại, tức người dùng có mục 𝑗 < 𝑖 nhiễu chưa loại bỏ SINR người dùng thứ 𝑘 lát cắt 𝑠 sóng 𝑛: 𝑁𝑂𝑀𝐴 𝛾𝑖,𝑛 = 𝑝𝑖,𝑛 ℎ𝑖,𝑛 𝜎 + ℎ𝑖,𝑛 ∑𝑠 ∑𝐾 𝑗=𝑖+1 𝑃𝑗,𝑛 Tốc độ người dùng thứ 𝑘 lát cắt 𝑠: 𝑅̂𝑖𝑠𝑁𝑂𝑀𝐴 = 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝑝𝑖,𝑛 ℎ𝑖,𝑛 ) 𝜎 + ℎ𝑖,𝑛 ∑𝑠 ∑𝐾 𝑃 𝑗,𝑛 𝑗=𝑖+1 (3.3) Xét hệ thống OFDMA mà tổng tần số có sẵn chia thành 𝑛 ∈ 𝑁 sóng nếu, 𝛼𝑘,𝑠 số sóng phân bổ cho người dùng 𝑛 lát 𝑠 : 𝛼𝑘,𝑠 = { 𝑛ế𝑢 𝑠ó𝑛𝑔 𝑐𝑜𝑛 𝑛 𝑐ấ𝑝 𝑐ℎ𝑜 𝑛𝑔ườ𝑖 𝑑ù𝑛𝑔 𝑘 𝑘ℎá𝑐 Do việc gán sóng mang OFDMA chọn lọc, người ta có điều kiện ràng buộc ∑ ∑ 𝛼𝑘,𝑛 ≤ 1, ∀𝑛 ∀𝑠 ∀𝑘 Vậy SINR thu dược người dùng k sóng mang 𝑛 lát 𝑠 [16] 𝑂𝐹𝐷𝑀𝐴 𝛾𝑘,𝑛 = 𝑃𝑘,𝑛 ℎ𝑘,𝑛 𝜎2 (3.4) Do tốc độ người dùng thứ 𝑘 sóng mang thứ 𝑛 𝑂𝐹𝐷𝑀𝐴 𝑂𝐹𝐷𝑀𝐴 ) 𝑅𝑘,𝑛 = 𝛼𝑘,𝑛 𝑙𝑜𝑔2 (1 + 𝛾𝑘,𝑛 (3.5) Để so sánh tốc độ cặp người dùng OFDMA NOMA, luận văn xem xét kênh đường xuống đối xứng cho khoảng cách người dùng với BS SNR1 = 𝑝𝑡𝑜𝑡 |ℎ1 |2 /𝜎12 = 10 𝑑𝐵 = SNR2 = 𝑝𝑡𝑜𝑡 |ℎ2 |2 /𝜎22 = 10 𝑑𝐵 Hình 3.1 cho thấy giới hạn vùng tốc độ R1 R2 đạt NOMA OFDMA Như minh họa Hình 3.2, NOMA đạt cặp tốc độ cao OFDMA ngoại trừ điểm góc (trong tốc độ R1 R2 với khả người dùng) Khi tính cơng cao, hai người dùng đạt tốc độ 1,6 bps/Hz với NOMA OFDMA Tuy nhiên, công thấp hơn, tổng dung lượng thông lượng cá nhân NOMA cao 46 Hình 3.2 Tốc độ người dùng trường hợp kênh đối xứng Trong trường hợp kênh không đối xứng tổng dung lượng tối đa đạt tất công suất truyền tải phân bổ cho người dùng thực hai chế đa truy cập Vùng thông lượng NOMA với SIC rộng so với OMA trường hợp kênh bất đối xứng Ví dụ, muốn 𝑅2 0.8 b/s 𝑅1 đạt NOMA với SIC cao nhiều so với OMA Điều thông lượng người dùng với ptotal h1 / N0,1 cao băng thông giới hạn công suất giới hạn, SC người dùng cho phép người dùng sử dụng toàn băng thông phân bổ lượng nhỏ công suất truyền chia sẻ với người dùng Do đó, người dùng cho lượng nhỏ nhiễu p1 h2 cho người dùng Hình 3.3 cho thấy cặp tốc độ kênh không đối xứng NOMA đạt cặp tỷ lệ cao nhiều so với OFDMA, đặc biệt người dùng xa hơn, UE2 47 Hình 3.3: Tốc độ người dùng trường hợp kênh không đối xứng 3.3 MỐI LIÊN QUAN EE-SE TRONG NOMA&OFDMA Ở đây, so sánh hiệu suất lượng (EE) hiệu suất phổ (SE) NOMA với OFDMA Công suất tiêu thụ tổng cộng máy phát biểu diễn tổng thơng tincơng suất tín hiệu cơng suất tiêu thụ mạch (chủ yếu khuếch đại công suất) Xét đường xuống, tổng công suất tiêu thụ BS xác định: 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑃𝑇 + 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐 𝑃𝑇 tổng cơng suất tín hiệu đề cập trước 𝑃𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐 công suất tiêu thụ mạch điện Hiệu suất lượng (EE) định nghĩa tổng tốc độ tổng công suất tiêu thụ xác định 𝐸𝐸 = 𝑅𝑇 𝐵 = 𝑆𝐸 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑃𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 ( 𝑏𝑖𝑡𝑠 ) 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 Với SE hiệu suất phổ, đơn vị bps/Hz Mối quan hệ hiệu suất lượng hiệu suất phổ (EE-SE) lý thuyết Shannon không xem xét mức tiêu thụ điện mạch điện phiến diện, làm SE ln cao dẫn đến EE thấp Khi công suất mạch xem xét, EE tăng lên vùng SE thấp giảm vùng SE cao Đỉnh đường cong (hoặc tương ứng dẫn xuất mối quan hệ EE-SE) nơi hệ thống có hiệu suất lượng tối đa 48 Điểm gọi “điểm xanh” hay điểm “đỉnh” Đối với cố định, mối quan hệ EE-SE tuyến tính với độ dốc tích cực nơi tăng SE đồng thời dẫn đến gia tăngEE Xét đường xuống Băng thông hệ thống giả định B = MHz Độ lợi kênh cho UE1 UE2 tương ứng lấy 𝑔12 = −120 𝑑𝐵𝑚 𝑔22 = −140 𝑑𝐵𝑚 Mật độ ồn công suất N0 giả định −150 dBW/Hz và𝑃𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐 = 100 𝑊 Hình 3.3 cho thấy đường cong EE-SE thu kết mơ Có thể thấy NOMA đạt EE SE cao Hệ thống OFDMA Các điểm màu xanh xảy NOMA OFDMA 𝑃𝑇 = 17𝑊 𝑃𝑇 = 18𝑊 tương ứng Tại điểm này, hai hệ thống đạt EE tối đa NOMA rõ ràng vượt trội OFDMA điểm xanh cho EE SE Hình 3.4: Hiệu suất lượng hiệu suất phổ 3.4 THƠNG LƯỢNG VÀ TỔNG CƠNG SUẤT PHÁT NOMA&OFDMA Trong hình 3.5, tổng công suất phát so với 𝑅𝑟𝑠𝑣 mô tả cho hai sơ đồ NOMA OFDMA Từ hình 3.5, rõ ràng tổng cơng suất phát lên tăng 𝑅𝑟𝑠𝑣 cho hai trường hợp Đó BS cần truyền cơng suất phát cao để thỏa mãn tỷ lệ tối thiểu dành cho lát cắt 49 Hình 3.5: Tổng cơng suất phát so với 𝑅 𝑟𝑠𝑣 cho người dùng ô trung tâm Tuy nhiên, tổng công suất phát trường hợp OFDMA cao so với trường hợp NOMA, NOMA hiệu lượng OFDMA Ngoài ra, tăng 𝑅𝑠𝑟𝑠𝑣 , tổng công suất phát tăng mạnh cho OFDMA so với NOMA, ví dụ, 𝑅𝑠𝑟𝑠𝑣 > 1.5bps / Hz Với 𝑅𝑠𝑟𝑠𝑣 1.5 bps / Hz, tổng công suất phát trường hợp OFDMA 32dB NOMA 17dB ( chiếm 53% so với OFDMA) 50 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu hiệu suất lượng NOMA so với OFDMA Đặc biệt với mục tiêu giảm thiểu công suất phát, đồng thời hỗ trợ tỷ lệ dự trữ tối thiểu cho lát để đảm bảo cách ly hiệu người dùng lát cắt Vì vấn đề phân bổ tài nguyên khơng lồi bị phức tạp tính tốn cao, nên luận văn tìm hiểu xấp xỉ CGP AGMA để đề xuất thuật tốn lặp lại tính tốn xử lý Qua kết mô phỏng, đánh giá hiệu suất thuật tốn so sánh với chế OFDMA cho thấy thuật tốn có kết vượt trội OFDMA hiệu công suất đơn vị liệu, đặc biệt hầu hết người dùng nằm gần cạnh tế bào hay có đa dạng điều kiện kênh thay đổi Luận văn trình bày nguyên tắc NOMA ưu so với OFDMA thông thường hiệu suất tổng công suất, hiệu lượng vàhiệu phổ Luận văn đề cập thêm ảnh hưởng khơng hồn hảo hiệu hệ thống máy thu sử dụng chế SIC Với tính riêng biệt, NOMA ứng cử viên mạnh cho mạng 5G tương lai Tuy nhiên, số thách thức để thực NOMA thành công Trước hết, đòi hỏi đầu cuối có sức tính toán cao để chạy thuật toán SIC đặc biệt số lượng người dùng lớn với tốc độ liệu cao Thứ hai, phân bổ công suất tối ưu vấn đề khó khăn, đặc biệt UE di chuyển nhanh mạng Cuối cùng, thu SIC nhạy cảm với lỗi hủy dễ dàng xảy kênh fading Nó thực với số kỹ thuật phân tập khác phân tập không gian với nhiều đầu vào-nhiều-đầu (MIMO) với chế mã hóa để tăng độ tin cậy làm giảm lỗi giải mã Gần nhiều dự án triển khai MIMO cho NOMA; nghiên cứu tác động thơng tin trạng thái kênh (CSI) tốn tối đa hóa cơng suất xem xét Tuy nhiên tại, khả ứng dụng NOMA vào thực tế khoảng cách so với tiềm cần thời gian xem xét thêm 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D T Ngo, S Khakurel, and T Le-Ngoc, “Joint subchannel assignment and power allocation for OFDMA femtocell networks,” IEEE Trans Wireless Commun., vol 13, no 1, pp 342–355, Jan 2014 [2] C.-X Wang, F Haider, X.Gao, X.-H You, Y Yang, D Yuan, H Aggoune, H Haas, S Fletcher, and E Hepsaydir, “Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks,” IEEE Commun Mag., vol 52, no 2, pp 122–130, Feb 2014 [3] "AT&T commits to LTE-Advanced deployment in 2013, Hesse and Mead unfazed" Engadget 2011-11-08 Retrieved 2012-03-15 [4] Xiang, Wei, Zheng, Kan, Shen, Xuemin Sherman “5G Mobile Communications” [5] 5GPPP White Paper, “View on 5G Architecture” https://5g-ppp.eu/wpcontent/uploads/2017/07/5G-PPP-5G-Architecture-White-Paper-2-Summer2017_For-Public-Consultation.pdf [6] Hujun Yin and Siavash Alamouti (August 2007) "OFDMA: A Broadband Wireless Access Technology" IEEE Sarnoff Symposium, 2006 IEEE: 1– doi:10.1109/SARNOF.2006.4534773 [7] Kenichi HIGUCHIa), Member and Anass BENJEBBOUR, Senior Member “Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) with Successive Interference Cancellation for Future Radio Access” [8] T S Rappaport, Wireless Communications: Principles and Practice, 2nd ed.Singapore: Pearson Education, Inc., 2002 [9] by Junyi Li (Author), Xinzhou Wu (Author), Rajiv Laroia (Author) “OFDMA Mobile Broadband Communications: A Systems Approach” [10] H Nikopour and H Baligh, “Sparse code multiple access,” in Proc IEEE Int Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Commun (PIMRC), Sep 2013, pp 332–336 52 [11] H Nikopour, E Yi, A Bayesteh, K Au, M Hawryluck, H Baligh, and J Ma, “SCMA for downlink multiple access of 5G wireless networks,” in Proc IEEE Global Telecommun Conf (GLOBECOM), Dec 2014, pp 1–5 [12] “A Survey of 5G Network: Architecture and Emerging Technologies” [13] S M Riazul Islam, Nurilla Avazov, Octavia A Dobre, and Kyung-Sup Kwak, “Power-Domain Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in 5G Systems: Potentials and Challenges” in IEEE Communications Surveys & Tutorials [14] K Higuchi and A Benjebbour, “Non-orthogonal multiple access (NOMA) with successive interference cancellation,” IEICE Trans Commun., vol E98-B, no 3, pp 403-414, Mar 2015 [15] Rajesh Dawadi “User-Association and Resource-Allocation in Multi-cell Virtualized Wireless Networks”Department of Electrical & Computer Engineering McGill University Montreal, Canada [16] S Parsaeefard, V Jumba, M Derakhshani, and T Le-Ngoc, “Joint Resource Provisioningand Admission Control in Wireless Virtualized Networks,” in IEEE Wireless Commun Netw Conf (WCNC), Mar 2015, pp 2020 – 2025 [17] Ayman T Abusabah and Huseyin Arslan ” Research Article NOMA for Multinumerology OFDM Systems” School of Engineering and Natural Sciences, Istanbul Medipol University, 34810 Istanbul, Turkey, Department of Electrical Engineering, University of South Florida, Published May 2018 [18] Md Shipon Ali” Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for Cellular Wireless Communications” Department of Electrical and Computer Engineering University of Manitoba Winnipeg 53 ... nghệ đa truy cập OFDM phi trực giao so với OFDM thông thường Từ khóa: 5G, Đa truy cập phi trực giao (NOMA), SIC LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đề tài Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao hệ thống. .. hiệu nhận kết hợp Đa truy cập dựa chế đa truy cập trực giao (OMA) đa truy cập phi trực giao (NOMA) [7] Đa truy cập trực giao (OMA) cho phép người dùng truy cập kênh trực giao cho khơng có nhiễu... HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN THỊ HƯƠNG KỸ THUẬT ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO TRONG HỆ THỐNG 5G Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện tử - viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông Mã số: 851030.02