Giải pháp truyền thông D2D-NOMA trong mạng di động 5G

Trong bài báo này chúng tôi muốn đưa ra giải pháp truyền thông tốt nhất cho mạng di động 5G, đó là sự kết hợp phương thức đa truy nhập phi trực giao với truyền thông thiết bị đến thiết bị dựa trên phân tích về xác suất dừng hoạt động của hệ thống. Để có được hiệu suất dừng tốt nhất chúng tôi đưa ra mô hình truyền thông kết hợp lựa chọn nhiều relay và đưa ra thuật toán lựa chọn relay hai giai đoạn giả định ước tính kênh truyền là hoàn hảo để tính toán xác suất dừng của thiết bị và các yếu tố tác động đến hiệu suất của hệ thống sau đó so sánh với phương thức truyền thông trước đây để thấy được hiệu quả của giải pháp này.

Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 9, Số 3, 2020, 65-72 GIẢI PHÁP TRUYỀN THÔNG D2D-NOMA TRONG MẠNG DI ĐỘNG 5G Phạm Minh Triết1*, Đặng Hữu Phúc1, Nguyễn Hoàng Vũ1 Kim Anh Tuấn1 * Trường Đại học Trà Vinh Tác giả liên hệ: minhtriet@tvu.edu.vn Lịch sử báo Ngày nhận: 04/11/2019; Ngày nhận chỉnh sửa: 10/01/2020; Ngày duyệt đăng: 18/04/2020 Tóm tắt Trong báo muốn đưa giải pháp truyền thông tốt cho mạng di động 5G, kết hợp phương thức đa truy nhập phi trực giao với truyền thông thiết bị đến thiết bị dựa phân tích xác suất dừng hoạt động hệ thống Để có hiệu suất dừng tốt chúng tơi đưa mơ hình truyền thơng kết hợp lựa chọn nhiều relay đưa thuật toán lựa chọn relay hai giai đoạn giả định ước tính kênh truyền hồn hảo để tính tốn xác suất dừng thiết bị yếu tố tác động đến hiệu suất hệ thống sau so sánh với phương thức truyền thông trước để thấy hiệu giải pháp Từ khóa: 5G, D2D, NOMA, relay, xác suất dừng - D2D-NOMA COMMUNICATION SOLUTIONS IN 5G MOBILE NETWORK Pham Minh Triet1*, Dang Huu Phuc1, Nguyen Hoang Vu1, and Kim Anh Tuan1 * Tra Vinh University Corresponding author: minhtriet@tvu.edu.vn Article history Received: 04/11/2019; Received in revised form: 10/01/2020; Accepted: 18/04/2020 Abstract In this paper, we present the best communication solution for 5G mobile network by combining non-orthogonal multiple access method with device-to-device communication based on a probability analysis of the system pause For the best pause function, we propose a communication model of a multiple relay selection and a two-stage relay selection algorithm with the perfectly assumed channel for calculating the probability of the device pause and the factors affecting the system function in comparison to the previous communication method to show the effectiveness of this solution Keywords: 5G, D2D, NOMA, relay, pause probability 65 Chuyên san Khoa học Tự nhiên Đặt vấn đề Trong thời gian gần đây, đa truy nhập phi trực giao truyền thông thiết bị đến thiết bị kỹ thuật quan trọng mạng tương lai thu hút nhiều quan tâm ứng cử viên hàng đầu cho mạng di động 5G Mạng di động 5G với tiêu chí khắc nghiệt ITU-R WP5D (2017) địi hỏi phải áp dụng công nghệ giải vấn đề tắc nghẽn mạng giảm tải lưu lượng cho mạng di động tăng cường hiệu phổ để đáp ứng số lượng kết nối tăng vọt thiết bị vào mạng Với u cầu chúng tơi đưa giải pháp kết hợp đa truy nhập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) với truyền thông D2D (Device To Device) để giải vấn đề mạng di động 5G Một ưu điểm NOMA cho phép nhiều thiết bị mạng truy cập tài ngun băng thơng NOMA phục vụ cho số lượng người dùng cực lớn nhờ phân bổ tài nguyên phi trực giao (Xu, 2016) Với nghiên cứu gần để cải thiện hiệu suất hệ thống, Kim (2016) nghiên cứu kỹ thuật NOMA kết hợp với mạng đa anten nhiên chi phí cho việc sử dụng đa anten cao nên Do (2016) đề xuất sơ đồ mạng C-NOMA để tối ưu tham số phân chia công suất phát Li (2019) có nghiên cứu cải thiện cơng suất truyền mạng chuyển tiếp Trong thực tế hệ thống LTE (Long Term Evolution) hệ thống đại khác khơng thể thiếu kỹ thuật đại kỹ thuật lựa chọn thiết bị, kỹ thuật lựa chọn relay, kỹ thuật chọn sơ đồ… Vì Duong (2016) thực nghiên cứu kỹ thuật chọn relay dựa NOMA kết chứng minh kết hợp relay NOMA hữu ích cải thiện đáng kể hiệu hệ thống, Dinh 66 (2016) đưa phương trình tính xác suất dừng hệ thống đề xuất chuyển tiếp giải mã sơ đồ hai giai đoạn Do (2017) đưa mơ hình lựa chọn relay hệ thống NOMA dựa tương quan kênh Fading phân tích xác xuất dừng hệ thống dựa hai giai đoạn Các kết nghiên cứu cho thấy phân tích xác suất dừng hệ thống đánh giá phần ảnh hưởng kỹ thuật chọn relay lên hiệu suất hệ thống Sơ đồ đấu nối thiết bị đến thiết bị D2D coi kỹ thuật giảm tải liệu di động cho mạng không dây Tận dụng lợi D2D NOMA Trong báo cung cấp sơ đồ D2D-NOMA chế độ cụ thể tín hiệu truyền từ thiết bị phát đến thiết bị thu thông qua trạm gốc với lựa chọn chuyển tiếp ảnh hưởng kênh Fading Rayleigh xác định, với mục đích giải vấn đề tăng hiệu phổ, đưa biểu thức tính xác cho xác suất ngừng hoạt động biểu thức kiểm tra thông qua mô để chứng thực tính xác phân tích NOMA Với sơ đồ khắc phục hạn chế Kim (2016) sử dụng sơ đồ đa anten chi phí cho hệ thống lớn phức tạp để tách tín hiệu đầu thu Ưu điểm sơ đồ báo tính tốn lựa chọn kênh truyền tốt Nội dung nghiên cứu Các kết nghiên cứu cho thấy phân tích xác suất dừng hệ thống đánh giá chất lượng mạng Vì báo chúng tơi đưa thuật tốn để tính xác suất dừng mơ hình đưa D2D-NOMA với mơ hình xem kỹ thuật giảm tải liệu di động cho mạng khơng dây Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 9, Số 3, 2020, 65-72 2.1 Mơ hình hệ thống Hình Mơ hình hệ thống NOMA Mơ hình hệ thống NOMA bao gồm thiết bị di động ( U ), hai thiết bị di động khác xa ( U1 , U ) N thiết bị di động đóng vai trị nút chuyển tiếp AF ( R1 , R2 , , RN với N  ) Có nghĩa U muốn gửi liệu đến U1 U gửi thông qua N relay Trong sơ đồ bao gồm hai giai đoạn liên tiếp Việc lựa chọn thiết bị relay dựa vào số tiêu chí để lựa chọn Trong báo tác giả chọn hai thiết bị di động để tính tốn U1 U thông qua relay bỏ qua kênh truyền trực tiếp đưa ảnh hưởng kênh pha đinh nhiễu trắng U RN hU R  CN (0, U R ) xác suất dừng hoạt động để thu thập tín hiệu liên quan đến U1 U tính sau: M RN  CN (0, N0 ), tương ứng ảnh hưởng xU0  1 PU0 xU01   PU0 xU02 (2) pha đinh nhiễu trắng RN U i , i  1,2 g R U  CN (0, R U ) M R U  CN (0, N0 ) Trong 1  hệ số phân bổ công suất N N i N i N N i U1 U kết hợp với dựa vào NOMA Trong trường hợp phát xU 02 U Ban đầu phát tín hiệu xU 01 sau áp dụng SIC (Successive Interference Cancellation) để phát tín hiệu cịn lại Vì  XSD   R *U , xU  th ,  R *U1 , x  th ,  RNU 2, xU N 02 N U 01 0102  th  XSD1  XSD2  (1) Trong U R SNR chuyển tiếp N N 2.2 Tính tốn xác xuất dừng mơ hình hai giai đoạn Trong giai đoạn thứ nhất, U gửi liệu đến nút chuyển tiếp thực theo công thức sau: xU01 xU 02 liệu cho U1 U PU công suất phát U Dựa vào NOMA ta giả định 1   với 1  2  Tín hiệu nhận RN là: 67 Chuyên san Khoa học Tự nhiên yRN  hU0 RN xU0  M RN   hU0 RN yRNU  g RNU xRN  M RNU  Giả định công suất truyền U chuyển tiếp nhau, PR  PR   PR  PU  P Tín hiệu nhiễu N trung bình SNR U  H N  U hU R  Gg RNU hU0 RN 1 PU0 xU01  Gg RNU hU0 RN  PU0 xU02 1 PU0 xU 01   PU0 xU 02  M RN (3) N QiN  U g R U N i tín RN  Ui Trong giai đoạn thứ hai tín hiệu nhiễu tỉ lệ nhiễu RN đường liên kết chọn xU 01 tính sau: N , xU 01  1 H N 2 H N  N , xU02  2 H N (5) Sau nhận tín hiệu từ U , chuyển tiếp truyền xR  GN yR đến U1 N N U , khe thời gian thứ hai độ lợi chuyển tiếp tính theo cơng thức sau: G  N PRN PU0 hU0 RN  N N U 01  1 H N Q1N  H N Q1N  H N  Q1N  R U N 2, xU 0102 R U  1 H N Q2 N ,  H N Q2 N  H N  Q2 N   , xU 02 Tín hiệu nhận U1 U chuyển tiếp RN sau:  H N Q2 N H N  Q2 N  i - Xác suất dừng hoạt động U1 để tách tín hiệu xU01 Trước tiên ta xác định xác suất dừng hoạt động nút relay để chọn RN liên * quan đến tín hiệu xU xU 01 Tại U1 : yRNU1  g RNU1 xRN  M RNU1  Gg RNU1 hU0 RN 1 PU0 xU01  Gg RNU1 hU0 RN  PU0 xU02  Gg RNU1 M RN  M RNU1 Tại U : (7) 02 Trong sơ đồ NOMA xác suất dừng hoạt động xảy trình chuyển tiếp khơng thành cơng, xác suất dừng hoạt động biểu thị cơng thức sau:   XSD1  Pr  RNU1 , xU  th  FR U ,x Trong đó: 68 (10) Yêu cầu phải đảm bảo chất lượng dịch vụ phải xem xét đến xác suất dừng hoạt động Do thiết bị hệ thống cung cấp ngưỡng SNR riêng th , i  1,2 Tiếp theo tính tốn xác suất dừng hoạt động hai thiết bị ghép nối U1 U Để đơn giản giả định tất ngưỡng SINR U1 U th  th  th (6) (9) Cịn tín hiệu đường RN  U , SINR tức thời U để loại bỏ xU01 , SINR U để lấy liệu thực theo cơng thức sau: N xU 02 tính cách triệt nhiễu liên tiếp tính sau: U R R U ,x (4) Tương tự SINR RN đường liên kết (8) Tương tự khe thời gian SINR U1 đường RN  U1 tính sau: P , với biến ngẫu nhiên N0 hiệu nhiễu đại diện cho U  RN U R  Gg RNU M RN  M RNU 01 N U 01  th  (11) Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 9, Số 3, 2020, 65-72  FR U ,x N U 01   th     H N * Q1N *  H N *  Q1N *   1H N * Q1N *  th   Pr    Trong    Pr H N  Q1N   1   th   th  Q1N  th  th (12) Từ công thức (12), ta thấy Q1N  1  2 th   th  xác suất dừng hoạt động xảy ra,  th Q1N  1  2 th   th  Q1N        th th  N U 01  FQ 1N  FQ     th     1N  FQ N  th   F H N  th     th         th      z th  th   z  1   th   th  F H  th  F H  th N N   fQ1N  z  dz    n N N    XSD1     (1)n1  exp   th    N1  (15)  U0 R * R *U1   n 1  n  N N         e Từ U trước tiên yêu cầu nhận loại bỏ tín hiệu U1 , xác suất dừng hoạt động U xảy xác suất dừng giai đoạn thứ giai đoạn thứ hai xảy Nên xác suất dừng U tính sau: N U 01    th Pr  R N* U , xU02   th (16) I2 01 phát tín hiệu xU sau: 02  I1  Pr  RNU2, xU 0102  th    n N N         (1)n1  exp   th   1 N1 1 (17)  U0 R * R *U2    n 1  n  N  N     Trong 1  Ta được: FR U ,x 0102 Từ xác suất dừng U1 để phát tín hiệu xU , tính xác suất dừng U để x  02 I1     th  z  1  f  z  dz (13)   Q1 N z   th   , f  x  - Xác suất dừng U để tách tín hiệu xU XSD2  Pr  RN U 2, xU Trong f biểu thị hàm mật độ xác suất (PDF) kênh U N* 01       z 1   z  fQ1 N  z  dz  1    th  N* Sau ta có xác suất dừng hoạt động U1 để tách tín hiệu xU mơ tả sau: xác suất dừng hoạt động có khơng Vì tính sau: F R U , x U R R   n  th   th  th n  th   th  th U R R N*  th       N N   n1 n   th  z  1         FQ    th    1    (1)  exp  f  z  dz    1N    Q1N    n1  n  U0 R * z   N   th  th         N N   n   th  z  1    z      (1)n1   exp   exp  dz       R U  R *U1 n 1  n  U0 R * * z   N N   N   th th      k N N         (1)n1  exp    th    N1   U0 R * R *U1    n 1  n  N  N     (14) I  F R U ,x N * U 02 , U N*  th     H N * Q2 N *  Pr    R U ,x   th   N* U02 H *  Q *   N 2N   FR U ,x N * U 02 (18)  th     Q2 N *     Pr  H N *   2Q2 N *   1  th   69 Chuyên san Khoa học Tự nhiên  FQ N  th     2   F Y  N*  th     z  1    f  z  dz th  Q2 N   z        FQ   th  2N  2       N N   n   1    (1)n 1 exp     n U R n 1   th   N* 2   cách lấy trung bình qua thử nghiệm ngẫu nhiên khoảng 105 Đặc biệt báo kết dùng để đánh giá hiệu suất dừng hoạt động hai thiết bị xa sơ đồ NOMA với kết thu dựa mô Monte Carlo  th      z  1         f  z  dz th    Q2 N   z           th   z  1       N n  2   exp   z dz     (1)n1   exp   th    R U  R *U2 th  U0 R *  n 1  n  N N   z      N*  2        N N   n      (1)n1  exp  th    N 2 (19)  2  U0 R * R *U2  n 1  n  N  N   N    n Trong 2  th  th  1   2  2  U R R N* N Hình Xác suất dừng U1 , U0 RN  1,  RNU1  10, th  1, 1  0,8 *U XSD2  I1  I (20) Trong Hình hiển thị kết xác suất dừng theo SNR U thay đổi số lượng - Phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp Để lựa chọn nút chuyển tiếp tối ưu mơ hình ta dựa vào tham số U R H n với phương pháp chọn tối ưu theo mối quan hệ sau: N n*  arg max U0 RN H n*  max H n n 1,2 ,N (21) 2.3 Kết mơ Để tính xác suất dừng hoạt động tối ưu việc lựa chọn relay truyền thông D2D xác định thông qua số mô Các giá trị cụ thể tham số đưa ra kết tương ứng từ có so sánh phù hợp Trong báo tất kết mô thực 70 relay giúp chuyển tiếp tín hiệu để giao tiếp thiết bị gần thiết bị xa Ở phân bổ công suất cho thiết bị xa sơ đồ NOMA Hình kết cho thấy sơ đồ đề xuất với nhiều nút chuyển tiếp vượt trội so với sơ đồ sử dụng nút relay Tuy nhiên số relay từ bốn trở lên khơng khác biệt nhiều, điều cho thấy số lượng relay nên sử dụng nhiều không bốn Khoảng cách hiệu suất lớn SNR lớn Trong Hình cịn cho ta thấy D2D NOMA tăng cường đáng kể hiệu suất dừng hoạt động thiết bị với SNR cao Quan trọng đường cong phân tích hồn tồn phù hợp với kết mơ Monte-Carlo Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp, Tập 9, Số 3, 2020, 65-72 Hình mơ tả xác suất dừng mơ hình NOMA hai giai đoạn với giá trị  khác ta thấy  lớn xác suất dừng lớn Hình Xác suất dừng U , U0 RN  1,  RNU2  1, th  1, 1  0,8 Trong Hình xác suất dừng để phát tín hiệu U khoảng cách hiệu suất tăng cường số lượng relay lớn cao tất giá trị SNR relay, điều có nghĩa sử dụng nhiều relay mang lại nhiều lợi ích, giúp cải thiện độ tin cậy mạng NOMA Số lượng nút chuyển tiếp mạng có ảnh hưởng mạnh đến xác suất dừng hoạt động tất giá trị SNR Với số lượng nút chuyển tiếp chọn SNR cụ thể thiết bị nguồn, xác suất dừng hoạt động U1 U khác SNR cao Hình Xác suất dừng ba mơ hình truyền SNR (Ju cs., 2019) Hình kết mơ mơ hình ba trạng thái nhóm tác giả Ju cs (2019) thể hiệu suất dừng hoạt động cải thiện so với mơ hình OMA cho thấy tương quan kênh truyền tăng độ lợi kênh ngưỡng giảm ba trường hợp ta thấy trường hợp ba tệ Tuy nhiên so với hệ thống OMA ba trường hợp cải thiện đáng kể xác suất dừng Hình Xác suất dừng tổng thể D2D-NOMA U0 RN  1,  RNU1  10,  RNU2  1, 1  0,8 Hình Xác suất dừng mơ hình NOMA hai giai đoạn [2] Trong Hình mơ tả xác suất dừng tổng thể hệ thống D2D-NOMA thấy 71 Chuyên san Khoa học Tự nhiên việc điều chỉnh số lượng nút chuyển tiếp hệ thống D2D NOMA ảnh hưởng đến xác suất dừng hoạt động hệ thống SNR tăng xác suất dừng cải thiện đáng kể Điều nói lên để tối ưu hệ thống D2D-NOMA cần sử dụng nhiều relay để có kênh truyền tối ưu So sánh với Hình Ju cs (2019) ta thấy xác suất dừng tổng thể hệ thống D2DNOMA hình cải thiện nhiều so với mơ hình nhóm tác giả Ju cs (2019) Chúng ta thấy việc kết hợp D2D NOMA tối ưu nhiều xác suất dừng so với hệ thống NOMA hai giai đoạn SNR nhỏ hay SNR tăng điều cho thấy kết hợp D2D NOMA tối ưu hệ thống Khi điều chỉnh số lượng nút chuyển tiếp hệ thống D2D NOMA ảnh hưởng đến xác suất dừng hoạt động hệ thống SNR tăng xác suất dừng cải thiện đáng kể Kết luận Trong báo đưa sơ đồ kết hợp D2D NOMA với mục tiêu cải thiện hiệu phổ hệ thống đưa biểu thức tính xác suất dừng giai đoạn hệ thống từ mơ so sánh với hệ thống NOMA hai giai đoạn cho kết kết hợp D2D-NOMA đạt hiệu tốt Hiệu suất mơ hình đề xuất đánh giá cách xem xét xác suất dừng biểu thức, hệ số phân bố xác suất xác suất dừng hệ thống Kết chứng minh từ mô Từ biểu thức xác suất dừng xác với kết mơ dễ dàng nhận số lượng relay ảnh hưởng lớn đến hiệu suất hệ thống Sơ đồ đề xuất chúng tơi làm tăng đáng kể hiệu phổ hệ thống thông qua sơ đồ D2D-NOMA Vậy để cải thiện xác suất dừng hệ thống sơ đồ kết hợp D2D-NOMA giải pháp hữu hiệu./ 72 Tài liệu tham khảo Zhiguo Ding (2016), “Relay selection for cooperative NOMA”, IEEE Wireless Commun Lett, (4), pp 416-419 Dinh Thuan Do (2017), “A new look at AF two-way relaying networks: energy harvesting architecture and impact of cochannel interference”, Annals of Telecommunications, (11), pp 669-678 Dinh Thuan Do (2016), “Time Switching for Wireless Communications with Full-Duplex Relaying in Imperfect CSI Condition”, KSII Transactions on Internet and Information Systems, (10), pp 4223-4239 Trung Q Duong (2016), “Outage probability of Non-Orthogonal Multiple Access Schemes with partial Relay Selection”, in Proc IEEE PIMRC, pp 1-6 Jeong Bon Kim (2016), “Achievable rate of best relay selection for non-orthogonal multiple access-based cooperative relaying systems”, ICTC, pp 960-962 Xingwang Li (2019), “Relay selection for cooperative NOMA system over correlated fading channel”, Article in Physical Communication, pp 1-7 ITU-R WP5D (2017), Minimum requirements related to technical performance for IMT2020 radio interface, Draft new report ITU-R M IMT-2020, TECH PERF REQ Min Xu (2016), “Novel receiver design for the cooperative relaying system with nonorthogonal multiple access”, IEEE Commun Lett, (20), pp 1679-1682 J Ju, W Duan, Q Sun, S Gao and G Zhang (2019), “Performance Analysis for Cooperative NOMA With Opportunistic Relay Selection”, in IEEE Access, (7), pp.131488-131500  ... bị vào mạng Với u cầu chúng tơi đưa giải pháp kết hợp đa truy nhập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) với truyền thông D2D (Device To Device) để giải vấn đề mạng di động 5G Một... đề Trong thời gian gần đây, đa truy nhập phi trực giao truyền thông thiết bị đến thiết bị kỹ thuật quan trọng mạng tương lai thu hút nhiều quan tâm ứng cử viên hàng đầu cho mạng di động 5G Mạng. .. cho mạng di động 5G Mạng di động 5G với tiêu chí khắc nghiệt ITU-R WP5D (2017) địi hỏi phải áp dụng cơng nghệ giải vấn đề tắc nghẽn mạng giảm tải lưu lượng cho mạng di động tăng cường hiệu phổ