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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Hƣơng 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 TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Nguyễn Thị Hƣơng 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 Cán hƣớng 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 nhƣ phát triển dịch vụ thông tin di động thập kỉ tới, giải pháp công nghệ đƣợc đƣa để đáp ứng đƣợc nhu cầu sử dụng nhƣ thách thức tƣơng lai Mạng di dộng không dây 5G đƣợc đƣa với tiêu chí hiệu suất phổ, tốc độ liệu ngƣời dùng, độ trễ, mật độ kết nối đòi hỏi số lƣợng kết nối, khả kết nối cao mà kỹ thuật truy cập trực giao dùng mạng 2G/3G/4G chƣa thể đáp ứng đƣợc, kỹ thuật truy cập phi trực giao đƣợc 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 công nghệ đa truy cập phi trực giao (NOMA) với hy vọng đƣợc dùng mạng 5G Nội dung khóa luận trình bày đặc điểm, xu hƣớng phát triển mạng 5G, kĩ thuật truy cập OFDM phi trực giao phƣơng pháp loại bỏ nhiễu liên tiếp SIC, đặc tính tối ƣu cơng nghệ đa truy cập OFDM phi trực giao so với OFDM thơng thƣờng 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” đƣợc thực dƣới hƣớng 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 chƣa công bố dƣới hình thức trƣớc Tất tài liệu tham khảo phục vụ cho luận văn đƣợc 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 Hƣơng LỜI CẢM ƠN Khi em nghiên cứu đề tài, trình thực luận văn cố gắng, nỗ lực thân em nhận đƣợc hƣớng 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 hƣớng giúp đỡ em hoàn thành đề tài luận văn nhƣ tận tình hƣớng dẫn, giải đáp thắc mắc với hƣớng 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 nhƣng luận văn có nhiều kiến thức Cho nên khơng tránh khỏi thiếu sót câu văn đƣợc dịch từ tiếng Anh không đƣợc rõ nghĩa cho Em mong nhận đƣợc 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 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG 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 thƣa (SCMA) 22 2.3 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐƠN SÓNG 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 CƠNG SUẤT ĐA SĨNG MANG .34 2.4.1 NOMA đa sóng mang 34 2.4.2 Truy cập trực giao OFDMA .37 CHƢƠNG 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 LƢỢNG OFDMA & NOMA .45 3.3 MỐI LIÊN QUAN EE-SE TRONG NOMA&OFDMA 48 3.4 THÔNG LƢỢNG 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 Đƣờng 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 thông tin di động tồn cầu Communications IMT International Mobile Viễn thơng 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 phƣơng tiện Mobile Station Trạm di động Multi User Detection Giải mã đa ngƣời 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 lƣợng dịch vụ RAN Radio Access Network Mạng truy nhập vô tuyến RAT Radio Access Technologies Công nghệ truy cập vơ tuyến Superposition Coding Mã hóa chồng chất Sparse-Code Multiple Access Đa truy cập hợp kênh mã thƣa 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 ngƣời dùng UL Uplink Đƣờng 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 phƣơng 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 tƣởng 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 ngƣời dùng SC 27 Hình 2.4: Một ví dụ mã hóa SC (a) chòm tín hiệu ngƣời sử dụng (b) chòm tín hiệu ngƣời 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 công suất giảm dần 31 Hình 2.7 Lƣợc đồ đa truy cập cho kịch hai ngƣời dùng (a) NOMA (b) OMA .33 Hình 2.8: NOMA kịch đƣờng lên 34 Hình 2.9: Các sóng mang mức cơng suất cho NOMA[17] 35 Hình 3.1: Kịch mơ 44 Hình 3.2 Thơng lƣợng ngƣời dùng trƣờng hợp kênh đối xứng .47 Hình 3.3: Thơng lƣợng ngƣời dùng trƣờng hợp kênh không đối xứng 48 Hình 3.4: Hiệu suất lƣợng hiệu suất phổ .49 Hình 3.5: Tổng công suất phát so với cho ngƣời dùng trung tâm 50 LỜI NĨI ĐẦU Từ điện thoại tƣơng tự đến dịch vụ Internet (bao gồm thoại liệu), trình chuyển đổi đƣợc 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 ngƣời 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 ngƣời 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 đƣợc yêu cầu đề Đa truy cập phi trực giao (NOMA) số cơng nghệ NOMA công nghệ hứa hẹn nhằm tăng cƣờng thông lƣợng lực hệ thống NOMA cho phép nhiều ngƣời dùng chia sẻ tài nguyên thời gian tần số không 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 đƣợc 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 đƣợc trình bày nhƣ sau: Chƣơng trình bày tổng quan hệ thống thông tin di đông; tiếp sau đó, chƣơng trình bày tổng quan, phân loại công nghệ đƣợc sử dụng NOMA; cuối chƣơng đánh giá hiệu NOMA so sánh với OMA Thông qua vấn đề đƣợc đề cập đến luận văn, em mong có đánh giá hiểu biết sâu sắc công nghệ NOMA tiêu, thông số mạng di động 5G tƣơng lai Các vấn đề tối ƣu hóa đƣợc 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 không lồi đƣợc 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 phƣơng pháp kép (dual approach) đƣợc sử dụng rộng rãi để giải vấn đề phân bổ tài nguyên dựa OFDMA [15] Chúng ta viết ( ) nhƣ sau: ̃ ∑ ∈ ∑ ( (2.29) ) ∑ ∈ ∑ Từ công thức (2.23) viết lại nhƣ sau: ∏∈ ∏ ∑ ∈ ∑ ( ∈ ) ∑ ∈ ∑ Để áp dụng CGP, xem xét (2.30) ∈ số lặp Trong lần lặp t1, hàm không lồi phải xấp xỉ với đối số lồi Dựa cấu trúc ̃ , áp dụng xấp xỉ AGMA để đề xuất đơn thức gần (monomial approximation) ̃ Khi lặp lại t1, ̃ ( ) ( ) ( ) ∑ ( ∏ Trong xấp xỉ với hàm lồi sau, tất i, ( ) ( ( ) ) ( ∑ )( )( ) ( ( ) ( ) ) ) ( ) ( ) (2.31) ( ) ∈ ( , ) ( ) ∑ ∈ ( ) ( ) ∑ ( 39 ( ) , ) ( ) ( ) ( , (2.32) ) (2.33) Xem xét (2.32) - (2.33), vấn đề tối ƣu hóa (2.27) bƣớc lặp t1 gần với vấn đề tối ƣu lồi (convex optimization) sau [15]: ( ) ∏∈ ∏ ∑ ∑ ( ) ( ) ∈ (2.34) ∈ (2.35) Thuật toán lặp lại tổng thể để giải (2.23) dựa hàm lồi (2.34) đƣợc trình bày thuật tốn sau ( ) Đầu tiên: cho , ( ) Lặp lại: Bƣớc 1: Cập nhật )( ( ) ( ) ( ) từ (2.32) - (2.33), ( ) từ (2.33) thơng qua CVX Bƣớc 2: tìm tối ƣu ( ) Lặp lại bƣớc | ( )| Cách tiếp cận kép cho phân bổ lƣợng dựa OFDMA Vì (2.28) liên quan đến biến nhị phân , - ∈ ∈ ∈ trƣớc tiên giảm nhẹ Bây giờ, cách xem xét , tổng tỷ lệ OFDMA đƣợc viết lại là: ̃ ( ( ) ) ( (2.36) ) Lƣu ý biểu thức thuộc lớp hàm lồi với định dạng ( ) / Do đó, (2.26) đƣợc viết nhƣ sau: ∑ ∈ ∑ ∈ ̃ ( ( ) ) ∈ (2.36*) Do đó, (2.28) đƣợc viết nhƣ ∑ ∈ ∑ ∑ ∈ (2.37) ∈ Hàm Lagrange tƣơng ứng cho (2.37) : ( ) ∑ ∑ ∑ Trong (∑ ∑ ∈ (2.36*) tƣơng ứng Xem xét ∑ ( ) ∈ ̃ ) (2.38) biến Lagrange liên quan đến (2.24) nhƣ vectơ biến Lagrange cho ; tƣơng ứng, hàm kép cho (2.38) : [11] 40 ( ) ( ) (2.39) Do đó, vấn đề kép đƣợc viết nhƣ ( ) Với ràng buộc: 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 ƣu cho sóng mang n, tức : [ Trong đó: , ƣu ngƣời dùng lát s * (2.40) ] * + + Ngồi ra, phân bổ sóng mang tối là: ( ( ∈, - )) ( ( ( ( )) (2.41) )) { Trong đó: ( ( )) ( ( ) ( ) ) ∈ (2.42) Bây giờ, từ điều kiện KKT, có: [ ( ) ( ) ], ∈ (2.43) Để đáp ứng phân bổ cho nhà cung cấp dịch vụ phụ độc quyền OFDMA, đƣợc chọn cho cực đại [12], đƣợc biểu diễn toán học 41 ∈ { ( ( ∈ )) Để giải toán lồi (2.37), thuật tốn lặp dựa hàm kép đƣợc áp dụng với độ phức tạp tính tốn thấp nhƣ đƣợc thể [8, 9] đƣợc tóm tắt thuật toán sau Khởi tạo ban đầu: Đặt ∈ ( ) , -, vector ∈ ∈ Lặp lại bƣớc: ( Bƣớc 1: Cập nhật ) ( ) ∈ Bƣớc 2: Lặp lại: Đặt số lặp vòng lặp bên t3 = ( ) 2a Cập nhật 2b Tìm , -, ∈ ∈ ( ) từ (2.43) đặt ( ) ( ( ) )| 42 ( từ (2.40) ( ) ∈ , Cho tới Cho tới | ∈ ) , ( ) CHƢƠNG 3: HIỆU NĂNG ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO (NOMA) Phần trình bày hiệu hệ thống thơng tin di động việc quan trọng cần thiết hiệu cao hệ thống hoạt động hiệu 3.1 XEM XÉT HIỆU NĂNG NOMA MIỀN CÔNG SUẤT 3.1.1 Kịch mô Để xem xét hiệu suất thuật toán đƣợc đề xuất cho NOMA so sánh với sơ đồ OFDMA, luận văn mơ kịch với cell có BS có bán kính R đƣợc chia thành vùng đồng tâm cho độ lợi kênh vùng liên quan đến đáp ứng kênh cần khảo sát Diện tích vùng cell đƣợc giả định nhƣ liên quan đến mật độ ngƣời dùng để số lƣợng ngƣời dùng mobile vùng tƣơng đƣơng Ngƣời dùng đƣợc định xứ ngẫu nhiên (với phân phối đều) toàn khu vực quan tâm trừ có quy định khác Phƣơng pháp truy cập đƣợc khảo sát OFDMA-NOMA có nghĩa nhóm ngƣời dùng vùng có độ lợi kênh gần nhƣ truy cập OFDMA vào biểu tƣợng OFDM tƣơng ứng đƣợc cấp Nhóm ngƣời dùng vùng tƣơng ứng với biểu tƣợng truy cập NOMA với theo công suất đƣợc phân bổ [11] tƣơng ứng với độ lợi kênh vùng Kênh Rayleigh Fading đƣợc xem xét kịch Số sóng mang biểu tƣợng N = 64 Để đơn giản, biểu tƣợng có số ngƣời dùng đƣờng lên đƣờng xuống trung bình giả định nhƣ n = Bài toán liên kết ngƣời dùng đƣợc xem xét [16] để phân bổ ngƣời dùng cell vào biểu tƣợng OFDM nhƣ định kết hợp ngƣời dùng (ngƣời dùng thứ biểu tƣợng lát biểu tƣợng thứ ) phát (detect) liên tiếp kí hiệu NOMA 43 y x Hình 3.1: Kịch mô Cụ thể hơn, ∈, hệ số mát đƣờng truyền, với - khoảng cách chuẩn hóa BS ngƣời dùng đại lƣợng ngẫu nhiên thời điểm có phân bố nhƣ Hình 3.1 3.1.2 Tham số mô Để thực mô so sánh hiệu tƣơng đối hai giải thuật truy cập OFDMA dựa OMA giải thuật truy cập OFDM-NOMA, tham số mô đƣợc đƣa chung cho hai Do nhiều thành phần ngẫu nhiên mơ hình hệ thống nên mô Monte Carlo đƣợc thực để có đƣợc kết đáng tin cậy mặt thống kê Trong lần lặp lại Monte Carlo, UE đƣợc đặt ngẫu nhiên cell tính toán độ tuyến cho tất liên kết Các tham số cho kịch bảng 3.1 Số cell Bán kính cell 1000m Số lát cơng suất (vùng) Số ngƣời dùng cell 100 Số sóng OFDM/lát 64 Băng thông biểu tƣợng MHz 44 Số ngƣời dùng/biểu tƣợng OFDM Số khối tài nguyên cho UE 24 Kênh Fading Rayleigh Hệ số suy hao đƣờng 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 ƣu công suất cho lát nhƣ kết hợp ngƣời dùng đƣợc [18], tỉ lệ công suất cho lát: 0.2, 0.3, 0.5 tƣơng ứng với trung tâm, vành vành ngồi 3.2 SO SÁNH THƠNG LƢỢNG OFDMA & NOMA Để so sánh thông lƣợng OFDMA & NOMA, xét hệ thống truyền thông di động tế bào gồm BS UE đƣợc tạo kịch mô UE đƣợc chọn tập hai lát (s) riêng biệt dựa theo giải thuật [18] Nếu gần BS có độ lợi kênh cho lớn xa BS có độ lợi kênh , lát xử lý tín hiệu ngƣời dùng thứ lát Ngƣời dùng thứ coi sóng mang ồn tốc độ ngƣời dùng thứ hai ( lát cắt thứ ) đƣợc biểu diễn dƣới dạng: ̂ ( ) (3.1) ( ( ) ) ( ) Bây giờ, ngƣời dùng thứ lát thứ thực hủy bỏ nhiễu liên tiếp (SIC), giải mã tín hiệu cho ngƣời dùng , trừ tín hiệu đƣợc xác định từ tín hiệu chồng chất tách liệu Do đó, tốc độ ngƣời dùng thứ lát cắt thứ ( ̂ ) đƣợc biểu diễn dƣới dạng ( ) 45 (3.2) ngƣời dùng, với mục Tổng quát, thứ tự giải mã với , loại bỏ liên tiếp nhiễu tất ngƣời dùng với số sóng mang Đối với ngƣời dùng lại, tức ngƣời dùng có mục nhiễu chƣa loại bỏ đƣợc SINR ngƣời dùng thứ lát cắt sóng : ∑ ∑ Tốc độ ngƣời dùng thứ ̂ lát cắt : ( (3.3) ) ∑ ∑ Xét hệ thống OFDMA mà tổng tần số có sẵn đƣợc chia thành nếu, số sóng đƣợc phân bổ cho ngƣời dùng ∈ sóng lát : { Do việc gán sóng mang OFDMA chọn lọc, ngƣời ta có điều kiện ràng buộc ∑∑ Vậy SINR thu dƣợc ngƣời dùng k sóng mang lát [16] (3.4) Do tốc độ ngƣời dùng thứ sóng mang thứ ( ) (3.5) Để so sánh tốc độ cặp ngƣời dùng OFDMA NOMA, luận văn xem xét kênh đƣờng xuống đối xứng cho khoảng cách ngƣời dùng với BS nhƣ SNR1 = = SNR2 = Hình 3.1 cho thấy giới hạn vùng tốc độ R1 R2 đạt đƣợc NOMA OFDMA Nhƣ đƣợc minh họa Hình 3.2, NOMA đạt đƣợc cặp tốc độ cao OFDMA ngoại trừ điểm góc (trong tốc độ R1 R2 nhƣ với khả ngƣời dùng) Khi tính cơng cao, hai ngƣời dùng đạt đƣợc tốc độ 1,6 bps/Hz với NOMA OFDMA Tuy nhiên, công thấp hơn, tổng dung lƣợng thông lƣợng cá nhân NOMA cao 46 Hình 3.2 Tốc độ người dùng trường hợp kênh đối xứng Trong trƣờng hợp kênh không đối xứng tổng dung lƣợng tối đa đạt đƣợc tất công suất truyền tải đƣợc phân bổ cho ngƣời dùng đƣợc thực hai chế đa truy cập Vùng thông lƣợng NOMA với SIC rộng so với OMA trƣờng hợp kênh bất đối xứng Ví dụ, muốn 0.8 b/s đạt đƣợc NOMA với SIC cao nhiều so với OMA Điều thông lƣợng ngƣời dùng với ptotal h1 / N0,1 cao băng thông giới hạn công suất giới hạn, SC ngƣời dùng cho phép ngƣời dùng sử dụng tồn băng thơng phân bổ lƣợng nhỏ công suất truyền chia sẻ với ngƣời dùng Do đó, ngƣời dùng cho lƣợng nhỏ nhiễu p1 h2 cho ngƣời dùng Hình 3.3 cho thấy cặp tốc độ kênh không đối xứng NOMA đạt đƣợc cặp tỷ lệ cao nhiều so với OFDMA, đặc biệt ngƣời 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 lƣợng (EE) hiệu suất phổ (SE) NOMA với OFDMA Công suất tiêu thụ tổng cộng máy phát đƣợc biểu diễn tổng thơng tincơng suất tín hiệu cơng suất tiêu thụ mạch (chủ yếu khuếch đại công suất) Xét đƣờng xuống, tổng công suất tiêu thụ BS đƣợc xác định: tổng cơng suất tín hiệu nhƣ đề cập trƣớc công suất tiêu thụ mạch điện Hiệu suất lƣợng (EE) đƣợc định nghĩa tổng tốc độ tổng công suất tiêu thụ đƣợc xác định ( ) Với SE hiệu suất phổ, đơn vị bps/Hz Mối quan hệ hiệu suất lƣợng 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 đƣợc xem xét, EE tăng lên vùng SE thấp giảm vùng SE cao Đỉnh đƣờng cong (hoặc tƣơng ứng dẫn xuất mối quan hệ EE-SE) nơi hệ thống có hiệu suất lƣợng tối đa 48 Điểm đƣợc 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 đƣờng xuống Băng thông hệ thống đƣợc giả định B = MHz Độ lợi kênh cho UE1 UE2 tƣơng ứng đƣợc lấy Mật độ ồn công suất N0 đƣợc giả định −150 dBW/Hz Hình 3.3 cho thấy đƣờng cong EE-SE thu đƣợc kết mơ Có thể thấy NOMA đạt đƣợc EE SE cao Hệ thống OFDMA Các điểm màu xanh xảy NOMA OFDMA tƣơng ứng Tại điểm này, hai hệ thống đạt đƣợc EE tối đa NOMA rõ ràng vƣợt trội OFDMA điểm xanh cho EE SE Hình 3.4: Hiệu suất lượng hiệu suất phổ 3.4 THÔNG LƢỢNG VÀ TỔNG CÔNG SUẤT PHÁT NOMA&OFDMA Trong hình 3.5, tổng cơng suất phát so với đƣợc mô tả cho hai sơ đồ NOMA OFDMA Từ hình 3.5, rõ ràng tổng công suất phát lên tăng cho hai trƣờng hợp Đó BS cần truyền cơng suất phát cao để thỏa mãn tỷ lệ tối thiểu dành cho lát cắt 49 cho người dùng trung tâm Hình 3.5: Tổng cơng suất phát so với Tuy nhiên, tổng công suất phát trƣờng hợp OFDMA cao so với trƣờng hợp NOMA, NOMA hiệu lƣợng OFDMA Ngoài ra, tăng với NOMA, ví dụ, , tổng cơng suất phát tăng mạnh cho OFDMA so > 1.5bps / Hz Với 1.5 bps / Hz, tổng công suất phát trƣờng hợp OFDMA 32dB NOMA 17dB ( chiếm 53% so với OFDMA) 50 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu hiệu suất lƣợng 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 ngƣời dùng lát cắt Vì vấn đề phân bổ tài ngun 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 đƣợc Qua kết mô phỏng, đánh giá hiệu suất thuật tốn so sánh với chế OFDMA cho thấy thuật tốn có kết vƣợt trội OFDMA hiệu công suất đơn vị liệu, đặc biệt hầu hết ngƣời dùng nằm gần cạnh tế bào hay có đa dạng điều kiện kênh thay đổi Luận văn trình bày nguyên tắc NOMA ƣu so với OFDMA thông thƣờng hiệu suất tổng công suất, hiệu lƣợng vàhiệu phổ Luận văn đề cập thêm ảnh hƣởng khơng hồn hảo hiệu hệ thống máy thu sử dụng chế SIC Với tính riêng biệt, NOMA ứng cử viên mạnh cho mạng 5G tƣơng lai Tuy nhiên, số thách thức để thực NOMA thành cơng Trƣớc hết, đòi hỏi đầu cuối có sức tính tốn cao để chạy thuật toán SIC đặc biệt số lƣợng ngƣời dùng lớn với tốc độ liệu cao Thứ hai, phân bổ công suất tối ƣu 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 đƣợc thực với số kỹ thuật phân tập khác nhƣ 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 thông tin trạng thái kênh (CSI) tốn tối đa hóa công suất đƣợc 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 thƣờng 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 đƣợc 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 ngƣời dùng truy cập kênh trực giao cho khơng có nhiễu... 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 CHƢƠNG 3: HIỆU NĂNG ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO (NOMA)