Bài viết xây dựng công thức xác định tỉ lệ lỗi bit cho hệ thống NOMA đường xuống với 2 người dùng (UE: User Equipment) sử dụng đầu thu LLR. Nghiên cứu này xem xét trong điều kiện kênh truyền có phân phố Rayleigh và nhiễu Gaussian. Biểu thức đề xuất ở dạng từng minh cho trường hợp từng người dùng sử dụng phương pháp điều biến QPSK (Quadrature Phase Shift Keying).
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 Bài nghiên cứu Open Access Full Text Article Hiệu đường xuống hệ thống đa truy nhập phi trực giao sử dụng tỷ số Log-Likelihood Ngô Thanh Hãi, Nguyễn Thái Công Nghĩa, Đặng Lê Khoa* TÓM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Đa truy nhập phi trực giao (NOMA: Non-orthogonal Multiple Access) kỹ thuật đầy tiềm cho mạng di động hệ thứ Kỹ thuật kết hợp với kỹ thuật khác ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing), hệ thống nhiều anten phát nhiều anten thu (MIMO: Multiple Input Multiple Output) Trong hệ thống NOMA đường xuống, tín hiệu từ nhiều người dùng truyền chồng lên miền thời gian tần số Nhờ vậy, hệ thống NOMA có thơng lượng lớn hệ thống đa truy cập trực giao Có nhiều phương pháp tách tín hiệu hệ thống NOMA Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp (SIC: Successive Interference Cancellation) sử dụng phổ biến để tách tín hiệu mong muốn đầu thu Phương pháp có dạng SIC lý tưởng, SIC mức ký hiệu, SIC mức từ mã Các nghiên cứu trước phương pháp tỷ số log-likelihood (LLR) có hiệu đạt đến SIC lý tưởng sử dụng đầu thu Trong báo này, xây dựng công thức xác định tỉ lệ lỗi bit cho hệ thống NOMA đường xuống với người dùng (UE: User Equipment) sử dụng đầu thu LLR Nghiên cứu xem xét điều kiện kênh truyền có phân phố Rayleigh nhiễu Gaussian Biểu thức đề xuất dạng minh cho trường hợp người dùng sử dụng phương pháp điều biến QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) Kết mô cho thấy hiệu hệ thống phù hợp với công thức đề xuất Từ khoá: đa truy nhập phi trực giao, hiệu năng, mạng di động hệ thứ 5, Log-Likelihood GIỚI THIỆU Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM, Việt Nam Liên hệ Đặng Lê Khoa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM, Việt Nam Email: dlkhoa@hcmus.edu.vn Lịch sử • Ngày nhận: 21-12-2018 • Ngày chấp nhận: 07-8-2020 • Ngày đăng: 16-8-2020 DOI : 10.32508/stdjns.v4i3.662 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Mạng thông tin di động hệ thứ năm (5G) có nhiều ưu điểm hỗ trợ kết nối với tốc độ cao, sử dụng hiệu nguồn tài nguyên vô tuyến, thiết lập đa kết nối để đáp ứng nhu cầu ngày phát triển mạnh thiết bị di động Đa truy nhập phi trực giao (NOMA) nhận nhiều ý cho mạng di động hệ thứ năm, khả phục vụ nhiều người dùng miền thời gian tần số So với hệ thống đa truy nhập trực giao OMA (Orthogonal Multiple Access), NOMA đạt tối ưu khả sử dụng hiệu băng thông hệ thống Về bản, NOMA phân chia thành hai loại: NOMA miền mã NOMA miền lượng Yuan công đưa hệ thống NOMA với mã kiểm tra chẵn lẽ mật độ thấp (LDPC: Low Density Parity Check) Đồng thời, tác giả khảo sát hiệu hệ thống gồm UE đầu thu với phương pháp tách tín hiệu dùng phiên khác SIC Ngồi NOMA miền mã cịn có phương pháp khác đa truy cập mã hóa Trellis (TCMA: Trellis Coded Multiple Access), đa truy cập phân chia theo mẫu (PDMA: Pattern Division Multiple Access), hay đa truy cập mã hóa thưa (SCMA – Sparse Code Multiple Access) Đối với NOMA miền lượng, Ding công khảo sát hệ thống NOMA kết hợp với MIMO mạng vô tuyến nhận thức chứng tỏ hệ thống NOMA có thơng lượng vượt trội so với OMA (Othorgonal Multiple Access) Trong NOMA miền lượng, người dùng UE sử dụng khối tài nguyên tần số thời gian Sự phân biệt UE thông qua mức công suất phân bổ NOMA đưa vào GPP LTE Release 13 vào tháng 10 năm 2015 Một phiên NOMA truyền dẫn đa người dùng chồng lên (MUST: Multi-user Superposition Transmission) Với MUST, trạm gốc (BS: Base Station) thực điều chế giải điều chế thông tin dựa kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) Mặc dù, phổ tần UE chồng lên miền thời gian tần số, UE tách tín hiệu mong muốn dựa phân bổ mức công suất khác cho tín hiệu OFDM Kỹ thuật NOMA ứng dụng mạng hợp tác hương pháp SIC sử dụng phổ biến để tách tín hiệu hệ thống NOMA đường xuống Nguyên lý SIC đầu thu giải mã tín hiệu UE khác với mức cơng suất lớn mức cơng Trích dẫn báo này: Hãi N T, Nghĩa N T C, Khoa D L Hiệu đường xuống hệ thống đa truy nhập phi trực giao sử dụng tỷ số Log-Likelihood Sci Tech Dev J - Nat Sci.; 4(3):621-632 621 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 suất tín hiệu mong muốn Sau đó, tiến hành loại bỏ tín hiệu UE khác, kết tiến trình SIC tín hiệu cần nhận bị cộng với nhiễu từ tín hiệu UE với công suất thấp Tuy nhiên, có nhiều người dùng chia sẻ khối tài nguyên, điều dẫn đến UE có mức công suất thấp phải giải mã hết tất UE cịn lại để đạt tín hiệu mong muốn Vì vậy, việc phân chia nhóm người dùng chia sẻ tài nguyền cần thiết Khi đó, UE phân chia thành nhóm nhỏ, nhóm khai thác tập sóng mang riêng biệt Hình Alli cơng đưa phương pháp phân nhóm người dùng động dựa bắt cặp UE có độ lợi kênh cao với UE có độ lợi kênh thấp đề xuất phương pháp phân bổ cơng suất cho nhóm người dùng Ngoài ra, phương pháp phân nhóm người dùng khác thuật tốn K-means đề cập Jingjing Cui công 10 trình bày hệ thống NOMA sử dụng kỹ thuật LLR phần đánh giá hiệu hệ thống với đầu thu sử dụng LLR Phần kết mô thảo luận phần cuối kết luận Hình 2: Hệ thống NOMA đường xuống UE PHƯƠNG PHÁP Mơ hình hệ thống Hình 1: NOMA sử dụng đa sóng mang Phương pháp khác thay cho SIC kỹ thuật LLR (Log-likelihood Ratio) Kỹ thuật cho chất lượng đạt đến SIC lý tưởng hệ thống NOMA 11 Hiệu sử dụng phương pháp LLR phân tích hệ thống đơn đa anten 12 Chất lượng hệ thống NOMA chọn người dùng ngẫu nhiên phân tích 13 Trong báo này, xây dựng công thức đánh giá hiệu cho hệ thống NOMA đường xuống gồm người dùng sử dụng tỷ số LLR cho hệ thống NOMA đường xuống gồm người dùng với giả định kênh truyền theo phân bố Rayleigh Trạm phát mã hóa liệu dựa MUST 14 Phần lại báo trình bày sau: phần trình bày sở lý thuyết gồm mơ hình hệ thống NOMA công suất phân bổ cho hệ thống NOMA người dùng để tổng thông lượng đạt cực đại Phần 622 Trong hệ thống NOMA đường xuống, tín hiệu cho nhiều người dùng ghép cách phi trực giao miền lượng Các tín hiệu phân biệt công suất phân bổ cho đầu thu Đầu thu thiết kế dựa phương pháp SIC để tách tín hiệu mong muốn Hình hệ thống NOMA đường xuống gồm UE với đơn anten phát đơn anten đầu thu Trong đó, UE2 xa trạm phát so với UE1 phân bổ công suất tương ứng P1 P2 Tín hiệu truyền trạm phát UE s1 s2 Tín hiệu truyền trạm phát s viết: s= √ √ P1 s1 + P2 s2 (1) ] [ [ ] với E ||s1 ||2 = E ||s2 ||2 = E [.] kỳ vọng ||.|| chuẩn bậc Xét kênh truyền Rayleigh, đáp ứng kênh truyền cho UE1 UE2 tương ứng h1 và[ h2 , độ] lợi kênh trung bình ] tương ứng g1 = [ E ||h1 ||2 g2 = E ||h2 ||2 Gọi dUE1 dUE2 tương ứng khoảng cách từ trạm phát đến UE1 UE2 Vì khoảng cách từ UE1 đến trạm gần so với UE2, nên g1 > g2 Phương trình tín hiệu đầu thu UE1: y1 = h1 ∗ s + n1 √ √ = h1 ∗ P1 s1 + h1 ∗ P2 s2 + n1 (2) Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 với * tổng nhân chập Tại đầu thu UE2: y2 = h2 ∗ s + n2 √ √ = h2 ∗ P1 s1 + h2 ∗ P2 s2 + n2 Nhiễu tác động lên tín hiệu thu nhiễu Gauss phức có trị trung bình phương sai nhiễu ( ) σ , với i số UE ni ∼ CN 0, σ Tại phía thu, UE2 giải điều chế trực tiếp tín hiệu nhận xem tín hiệu UE1 nhiễu Đối với UE1, SIC áp dụng để loại bỏ tín hiệu UE2 trước giải điều chế tín hiệu mong muốn Tối ưu thơng lượng cho hệ thống NOMA Giả sử đầu thu gần trạm sử dụng SIC để loại bỏ hoàn toàn nhiễu từ UE xa trạm Từ phương trình (2) (3), tỷ số tín hiệu nhiễu can nhiễu SINR UE1 UE2 tương ứng: SINR1 = P1 g1 N0 ω B (4) P2 g1 SINR2 = P1 g1 + N0 ω B (5) với N0 mật độ công suất nhiễu, ω số khối nguồn cấp cho hệ thống (xét hệ thống LTE/LTE A), B băng thông khối nguồn Thông lượng UE1, UE2: ) ( P1 g1 R1 = ω B log2 + (6) N0 ω B ( R2 = ω B log2 + P2 g2 P1 g2 + N0 ω B ) (8) với điều kiện: P1 + P2 ≤ Pt , ( C2 : ω B log2 ( ω B log2 + P1 g1 1+ N0 ω B P2 g2 P1 g2 + N0 ω B (9) ) ≥ R1 , (10) ) ≥ R2 , C1 điều kiện quỹ công suất đường xuống cho tổng công suất truyền cho UE nhỏ công suất truyền Pt C2 C3 điều kiện đảm bảo mức thông lượng tối thiểu R1 R2 UE C4 điều kiện để UE1 dùng SIC loại bỏ nhiễu từ UE2, với Pth khác biệt công suất tối thiểu cần thiết để phân biệt tín hiệu UE1 UE2 Sử dụng điều kiện KKT (Karush Kuhn Tucker) cho tốn cực đại thơng lượng trên, mức cơng suất tối ưu tìm sau : Pt ω (φ2 − 1) P1 = − φ φ2 γ2 Pt (φ2 − 1) ω (φ2 − 1) − P2 = (13) φ2 φ2 γ P1 γ1 − (φ2 − 1) ω > (P2 − P1 )γ1 − Pth > với φi = Hoặc: 2Ri ωB γ1 = gi N0 B Pt P − th 2γ1 Pt P P2 = + th 2γ1 P1 γ1 − (φ2 − 1) ω > P2 γ2 − (φ1 − 1)(P1 γ2 + ω ) > P1 = (14) Trong phần tiếp theo, mức công suất tối ưu áp dụng thiết kế đầu phát thu sử dụng kỹ thuật Log Likelihood Ratio (LLR) Hệ thống noma sử dụng llr arg max : P1 , P2 C1 : (12) (7) Bài tốn cực đại tổng thơng lượng đường xuống định nghĩa : ( ) P1 g1 f (P1 , P2 ) = ω B log2 + N0 ω B ( ) P2 g2 +ω B log2 + P1 g2 + N0 ω B P2 g1 P1 g1 − ≥ Pth N0 ω B N0 ω B (3) (11) Phương pháp truyền tín hiệu cho phía phát Xét hệ thống đường xuống Hình 2, cơng suất tối ưu phân bổ đường xuống cho UE1, UE2 tương ứng P1 P2 (P2 > P1 ) xác định (13) (√ √ ) √ (14) Gọi d1 = P2 − P1 / 2, d2 = (√ √ ) √ P2 + P1 / 2, phương pháp ghép tín hiệu đầu phát đưa 3GPP MUST loại Hình Trong phương pháp điều chế này, tín hiệu từ UE xử lý độc lập theo thứ tự: điều chế QPSK, phân bổ công suất tổng hợp tín hiệu Tuy nhiên, sau ghép hai luồng liệu QPSK, phân bố điểm tín hiệu giản đồ 16QAM không tuân theo mã Gray Điều có nghĩa, hai điểm tín hiệu liền kề khác bit 3GPP đưa dạng ghép khác để đảm bảo phân bố điểm giản đồ tuân theo mã Gray, gọi MUST loại Với phương thức truyền này, bit liệu khác UE ghép chung vào ký tự truyền dẫn Sự 623 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 phân bố điểm giản đồ xác định số bit ký tự công suất phân bổ cho UE Trong hệ thống NOMA đường xuống gồm UE, sử dụng QPSK, hai bit UE ghép chung ký hiệu tạo thành chịm có dạng 16QAM tuân theo mã Gray Hình Sơ đồ khối thực đầu phát Hình Nguyên lý dựa kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao OFDM gồm chuyển đổi từ nối tiếp sang song song (S/P: Serial to Parallel), biến đổi Fourier rời rạc đảo (IFFT: Inverse fast Fourier transform), chuyển nối tiếp sang song song (P/S: Parallel to Serial), thêm tiền tố vòng (CP: cyclic prefix) Các ký hiệu từ UE ghép chung với ánh xạ lên giản đồ chòm theo mã Gray tương ứng (15) với Hik đáp ứng kênh miền tần số Nik nhiễu Gauss người dùng thứ i tần số thứ k Xét kênh truyền } với L tap có đáp ứng kênh { Rayleigh đa đường hi = hi0 , hi1 , , hi(L−1) Viết lại (15) cho vector ký hiệu sau FFT đầu thu UE: (16) Phương trình (16) tương đương miền tần số (2) (3), với S vector truyền gồm ký hiệu Sk = √ √ P1 S1k + P2 S2k Sk điểm giản đồ chòm theo MUST Giả ( sử kênh Rayleigh đa đường [ với H]ik ∼ ]) [ đặt Gi = E ||Hik ||2 CN 0, E ||Hik ||2 nhiễu Gauss tác động lên tín hiệu hai UE Nik ∼ CN (0, N0 ), dựa vào giản đồ chịm Hình 4, tỷ số LLR định nghĩa cho bit b1 , b2 , b3 b4 sóng mang thứ k người dùng thứ i sau: ( ) Pr {bm = 1|Yik , Hik } LLR (bm ) = log (17) Pr {bm = 0|Yik , Hik } 624 β ik ik Áp dụng định lý Bayes, phương trình viết lại: ∑ Pr {Yik |Sα , Hik } Sα ∈Sm { } LLR (bm ) = log (19) Pr Y |S , H ik Sβ ∈Sm Việc tách tín hiệu thực đầu thu thông qua phương pháp tỷ số Log Likelihood Ratio (LLR) Hình Trong OFDM, việc chèn CP nhằm tránh nhiễu liên ký hiệu hiệu ứng đa đường mà không làm trực giao sóng mang Hơn nữa, tích chập tuyến tính tín hiệu x với đáp ứng kênh truyền hi chuyển thành tích chập vịng phần tín hiệu Điều cho phép mẫu ký hiệu thứ k người dùng thứ i nhận Yik (k = → (NFFT − 1) (i = 1, 2) sau qua FFT biểu diễn 14 : Yi = Hi S + Ni ∑ Sβ ∈Sm ∑ Nguyên lý tách tín hiệu đầu thu Yik = Hik Sk + Nik , với Pr {.} xác xuất có điều kiện Nếu LLR(bm ) ≥ suy bm = 1, ngược lại LLR(bm ) < suy bm = Gọi S1m S0m tập ký tự, bit thứ m tương ứng bit “1” bit “0” Sα Sβ điểm thuộc tập tương ứng S1m S0m Phương trình (17) viết lại: ∑ Pr {Sα |Yik , Hik } Sα ∈Sm { } LLR (bm ) = log (18) Pr S |Y , H β ik Ta có 15 : } Pr {Yik |Sk , Hik ( ) 1 exp − ||Yik − Hik Sk ||2 =√ N0 π N0 (20) Tỷ số LLR cho bit bm viết lại: { } ||Y || exp − − H S α ik ik ∑ N0 Sα ∈Sm1 { } LLR (bm ) = log Y − H S exp − ik ik β ∑0 N0 S ∈S β m Dựa vào phương trình xấp xỉ đề xuất Viterbi (1998) 16 sau: log (∑t exp(ζt )) ≈ max(ζt ) t Phương trình (21) viết lại: ( ) ||Yik − Hik Sα ||2 LLR (bm ) = − N0 Sα ∈S( m ) Yik − Hik Sβ + N0 Sβ ∈Sm Do xét dấu LLR (bm ), ( ) LLR (bm ) = − Zik − Sβ Sβ ∈Sm ( ) + ||Zik − Sα ||2 (22) (23) (24) Sα ∈Sm Yik Nik với Zik = H = Sik + H = Sik + Nik Phương trình ik ik (24) xác định tỷ số LLR bit bm ký tự tương ứng với điểm ký hiệu Zik nhận đầu thu Bằng cách so sánh với ngưỡng cho giá trị LLR, ta xác định giá trị bit (21) Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 Hình 3: Điều chế theo MUST loại Hiệu hệ thống noma sử dụng LLR Đánh giá hiệu người dùng xa trạm gốc UE2 Pb1 |S1 =−d1 = Pr {LLR(b1 ) < 0|S1 = −d1 , H2 } Hai bit UE2 ghép vào ký tự truyền dẫn b1 b2 Xác suất lỗi bit UE2 xác định thông qua xác suất lỗi bit thứ thứ tương ứng Pb1 Pb2 chịm sao: Từ phương trình (24): ( ) LLR (b1 ) = − Sik − Sβ + N2k Sβ ∈S10 ) ( + ||Sik − Sα + N2k ||2 P_UE2 = ) 1( P + Pb2 b1 (25) • Tính xác suất lỗi bit Pb1 Dựa vào giản đồ chòm sao, gọi S1 SQ thành phần đồng pha vuông pha bit thứ 1, người dùng thứ sóng mang thứ k: b1 = S1 = −d1 S1 = −d2 , b1 = S1 = d1 S1 = d2 , Pr {S1 = ±d1 } = Pr {S1 = ±d2 } = 41 ( Pb1 = Pb1 |S1 =−d1 +Pb1 |S1 =d1 • Tính Pb1 |S1 =−d1 +Pb1 |S1 =−d2 +Pb1 |S1 =−d2 ) (26) (27) (28) Sα ∈S11 Sik , sα , sβ N2k giá trị phức Giả sử tồn Sα∗ với Sα∗ ∈ S11 Sβ∗ với Sβ∗ ∈ S01 cho khoảng cách Sα∗ , Sβ∗ đến Sik + N2k nhỏ Khi đó, dựa vào chịm Hình 4, ta có Sβ∗ Q = Sα∗ Q Phương trình (28) viết lại cho thành phần đồng pha I vuông pha Q: LLR ( (b(1 ) ) ( ) = SI − Sβ∗ I + N2kI + j SQ − Sβ∗ Q + N2kQ ( ) ( ) − SI − Sα∗ I + N2kI + j SQ − Sα∗ Q + N2kQ ( )( ) = Sβ∗ I − Sα∗ I Sβ∗ I + Sα∗ I − 2SI − 2N2kI ) với Sα∗ I = {−d1 , −d2 } Sβ∗ I = {d1 , d2 } Xét trường hợp Sα∗ Sβ∗ với SI = −d1 Từ 625 (29) Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 Hình 4: Điều chế theo MUST loại Hình 5: Mơ hình đầu phát hệ thống NOMA người dùng 626 Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 Hình 6: Sơ đồ tách tín hiệu dựa LLR (27) (29), giải LLR (b1 ) < 0, điều kiện nhiễu nhận sai bit khi: (30) N2kI > d1 Khi đó, Pb1 |S1 =−d1 viết lại: N2kI (31) Pb1 |S1 =−d1 = Pr {N2kI > d1 } { } N2k 2kI = H H+H Theo giả thiết = Re H N2kI 2k 2kI 2kQ N2k ∼ CN (0, N0 ), nhiễu trục đồng ( pha N2kI )∼ ) ( N 0, N2 Do đó, nhiễu N2kI ∼ N 0, N20 ||H2k || hàm mật độ ( ||H || fN2kI (n) = √ 2k exp − ||H2k ||2 N0 π ( n √ N0 )2 ) Phương trình (31) khai triển sau: ∫ +∞ Pr (N2kI > d1 ) = d f (n)dn √N2kI 2d12 ||H2k ||2 = Q N0 (32) hàm ]) Q Từ giải thiết[ H2k ∼] CN 0, E ||H2k || , đặt G2 = E ||H2k ||2 với (Q(.) [ độ lợi kênh trung bình UE2, ||H2k ||2 tuân theo phân bố kênh Rayleigh, hàm mật độ xác suất ( ) 1 exp − x f||H ||2 (x) = 2k G2 G2 Xác suất Pb1 |S1 =−d1 viết: Pb1 |S1 =−d1 = ∫ +∞ √ Q 2d12 x − G x e dx N0 G2 (33) Dựa (√ xấp)xỉ cho việc tính tích phân cho αM Q βM x 15 , với αM số điểm lân cận gần chòm sao, βM số liên quan đến khoảng cách tối tiểu tới lượng trung bình ký hiệu, tỉ lệ lỗi bit xác định: √ ( ) G2 d12 /N0 (34) 1− Pb1 |S1 =−d1 ≈ + G2 d12 /N0 Một cách tính tương tự cho Pb1 |S1 =−d2 Từ (29), với Sα∗ I = {−d1 , −d2 } Sβ∗ I = {d1 , d2 } Xét trường hợp Sα∗ I Sβ∗ I với S1 = −d2 Tỉ lệ lỗi bit cho trường hợp sau: Pb1 |S1 =−d1 = Pr {N2kI > d2 } √ ( ) G2 d22 /N0 1− ≈ + G2 d22 /N0 (35) Dựa tính đối xứng giản đồ chòm tập điểm với SI = d1 SI = −d1 , SI = d2 SI = −d2 Ta xác định Pb1 |S1 =d1 = Pb1 |S1 =−d1 , Pb1 |S1 =d2 = Pb1 |S1 =−d2 Từ phương trình (26), xác suất lỗi bit thứ 1: Pb1 ≈ √ √ ( ) G2 d12 /N0 G2 d22 /N0 2− − + G2 d12 /N0 + G2 d22 /N0 (36) Đồng thời, giản đồ chịm Hình cho thấy Pb1 = Pb2 Xác suất lỗi bit UE2: ) 1( Pb1 + Pb2 P_UE2 = √ √ ( ) G2 d12 /N0 G2 d22 /N0 − ≈ + G2 d12 /N0 + G2 d22 /N0 (37) Hiệu người dùng gần trạm gốc UE1 Hai bit tín hiệu UE1 ghép vào ký tự truyền dẫn b3 b4 Xác suất lỗi bit UE1 xác định: P_UE1 = ) 1( P + Pb4 b3 (38) 627 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 Gọi SI thành phần đồng pha bit thứ 3, người dùng thứ sóng mang thứ k, xác suất lỗi bit b3 : ( ) Pb3 |S1 =−d1 + Pb3 |S1 =−d2 Pb3 = +Pb3 |S1 =d1 + Pb3 |S1 =d2 (39) với xuất lỗi khai triển sau: Pb3 |S1 =−d1 = Pb3 |S1 =d1 = Pr {LLR (b3 ) ≥ 0|SI = −d1 |H1 } (40) Pb3 |S1 =−d2 = Pb3 |S1 =d2 = Pr {LLR (b3 ) < 0|SI = −d2 |H1 } (41) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Thông số mô Tham số mô viết dựa chuẩn LTE/LTE Advance 17 Bảng UE1 gần trạm phát có độ lợi kênh trung bình cao so với UE2 Mật độ công suất nhiễu AWGN khởi tạo 1, 15 × 10−4W Thơng lượng giới hạn cho phép R1 = R2 = 100 Kbps Giới hạn công suất cho đầu thu SIC Ptol = 10 dBM Mô sử dụng phương pháp Monte Carlo phần mềm Matlab Tham số mơ trình bày Bảng để mô kiểm tra việc công suất tối ưu để thông lượng hệ thống đạt cực đại đánh giá hiệu hệ thống thông qua tỷ lệ lỗi bit BER Bảng 1: Tham số mô Tương tự cho việc khai triển LLR(b3 ) (29) giải bất phương trình (40) (41): Pb3 |S1 { =−d1 = Pb3 |S1 =d1 } { } 3d + d2 d − d1 + Pr N1kI > = Pr N1kI > 2 Pb3 |S1 { =−d2 = Pb3 |S1 =d2 } d2 − d1 d1 + 3d2 = Pr < N1I < 2 (43) Thông số Giá trị Tổng băng thông hệ thống, B 21 MHz Số khối nguồn khả dụng, ω (42) Tổng công suất đường xuống, Pt 40 W Ngưỡng hoạt động đầu thu SIC, Pth 10 dBm Ngưỡng thông lượng, R1 = R2 100 Kbps Mật độ công suất nhiễu N0 1,15x10−4 W 1,15x10−6 W Tương tự UE2, hàm mật độ N1kI ( ||H || fN1kI (n) = √ 1k exp − ||H1k ||2 N0 π ( n √ N0 )2 ) Khoảng cách từ UE1 UE2 đến trạm phát tương ứng , xác suất lỗi bit b3 xác định: √ G1 (d2 − d1 )2 /N0 Pb3 ≈ (1 − 2 √ + G1 (d2 − d1 ) /N0 G1 (3d1 + d2 ) /N0 − + G1 (3d1 + d2 )2 /N0 √ G1 (d1 + 3d2 )2 /N0 + ) + G1 (d1 + 3d2 )2 /N0 (44) Giản đồ chịm Hình cho thấy Pb3 = Pb4 Xác suất lỗi bit UE1 là: √ G1 (d2 − d1 )2 /N0 P_UE1 ≈ (1 − + G1 (d2 − d1 )2 /N0 √ G1 (3d1 + d2 )2 /N0 − + G1 (3d1 + d2 )2 /N0 √ G1 (d1 + 3d2 )2 /N0 + ) + G1 (d1 + 3d2 )2 /N0 628 dUE1 = 100 m dUE2 = 200 m Mức công suất phân bổ tối ưu Bằng việc tính tốn lý thuyết thông qua (14), mức công suất tối ưu cho hệ thống P1 = W P2 = 32 W Tức là, hệ số phân bổ công suất cho UE1 UE2 (P1 , P2 ) = (0, 2; 0, 8) Kiểm chứng mô Hình cách khảo sát cơng suất P1 từ W đến 40 W, mức phân bổ công suất tối ưu đạt P1 = W lý thuyết thỏa mãn điều kiện nghiệm (14) (Condition-1 Condition-2 hình vẽ) Đồng thời thơng lượng UE1 UE2 xem điểm cân hệ thống Khi giảm N0 đến N0 = 1, 15 × 10−6 W, thơng lượng vị trí cân cho UE tăng đến R1 = R2 = 8, 07 Mbps Hình mức công suất phân bổ cho UE1 đạt P1 = W (45) Hiệu hệ thống NOMA đường xuống sử dụng LLR Dựa mức công suất tối ưu đạt với hệ số công suất phân bổ (P1 , P2 ) = (0, 2, 0, 8), hiệu Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 Hình 7: Mức công suất tối ưu phân bổ UE1 với N0 =1,15x10−4 W Hình 8: Mức cơng suất tối ưu phân bổ UE1 với N0 =1,15x10−6 W 629 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 Hình 9: Kết BER lý thuyết mô cho UE1 UE2 với hệ số phân bổ công suất hệ thống đánh giá thông qua tỷ lệ lỗi bit BER đầu thu UE sử dụng phương pháp LLR để tách tín hiệu tương ứng Kênh truyền Rayleigh với đáp ứng kênh truyền gồm 10 tap Tỷ lệ lỗi bit BER khảo sát theo Eb /N0 = [0 : : 35] dB Kết Hình cho thấy, đầu thu dùng phương pháp LLR để tách tín hiệu cho tỷ lệ lỗi BER trùng với lý thuyết tìm [35, 45] Như kết Hình 9, tỷ lệ lỗi BER UE1 UE2 tương ứng 4x10−4 9x10−4 Eb /N0 35 dB Trường hợp (0, 1, 0, 9), UE2 cho hiệu tốt so với UE1 nhận nhiều công suất giá trị tối ưu, mức chênh lệch khoảng dB Ngược lại, giảm mức công suất phân bổ cho UE2 đến 0,6, tỷ lệ lỗi BER UE2 cao UE1 khoảng 12,5 dB KẾT LUẬN Bài báo đề xuất hai công thức lỗi bit BER hệ thống NOMA có hai UE với giả định kênh truyền Rayleigh Hai phương trình kiểm chứng kết thông qua mô Trong hệ thống NOMA, việc phân bổ công suất cho người dùng cần xem xét để đảm bảo hiệu hệ thống cân UE Nghiên cứu xem xét cho trường hợp có nhiều người dùng 630 LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh (ĐHQG-HCM) khuôn khổ Đề tài mã số C2019-18-32 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3GPP: Third Generation Partnership Project 5G: hệ thứ năm BER: Bit Error Rate BS: Base Station CP: cyclic prefix IFFT: Inverse fast Fourier transform KKT: Karush Kuhn Tucker LDPC: Low Density Parity Check LLR: tỷ số log-likelihood MUST: Multi-user Superposition Transmission NOMA: Non-orthogonal Multiple Access OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing OMA: Orthogonal Multiple Access P/S: Parallel to Serial PDMA: Pattern Division Multiple Access QAM: Quadrature amplitude modulation Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Khoa học Tự nhiên, 4(3):621-632 QPSK: Quadrature phase-shift keying S/P: Serial to Parallel SCMA: Sparse Code Multiple Access SIC: Successive Interference Cancellation TCMA: Trellis Coded Multiple Access UE: User Equipment XUNG ĐỘT LỢI ÍCH Nhóm tác giả cam kết không mâu thuẫn quyền lợi nghĩa vụ thành viên ĐÓNG GÓP CỦA TÁC GIẢ Tác giả Ngô Thanh Hãi chịu trách nhiệm viết thảo, thực mơ phỏng, tính tốn cơng thức Tác giả Nguyễn Thái Công Nghĩa tham gia thảo luận đề xuất phương pháp thực hiện, phối hợp chỉnh sửa thảo Tác giả Đặng Lê Khoa kiểm tra chỉnh sửa thảo trước nộp Đề xuất phương pháp, phối hợp thực mô tính tốn cơng thức, liên hệ phản hồi câu hỏi yêu cầu phản biện ban biên tập tạp chí TÀI LIỆU THAM KHẢO Zeng M, Yadav A, Dobre OA, Tsiropoulos GI, Poor HV On the sum rate of MIMO-NOMA and MIMO-OMA systems IEEE Wireless Communications Letters 2017;6(4):534–537 Available from: https://doi.org/10.1109/LWC.2017.2712149 Yuan L, Pan J, Yang N, Ding Z, Yuan J Successive Interference Cancellation for LDPC Coded Non-Orthogonal Multiple Access Systems IEEE Transactions on Vehicular Technology 2018;67(6):5460–5464 Available from: https://doi.org/10 1109/TVT.2018.2831213 Zhang S, Xu X, Lu L, Wu Y, He G, Chen Y, editors Sparse code multiple access: An energy efficient uplink approach for 5G wireless systems IEEE Global Communications Conference 2014;p 8–12 Available from: https://doi.org/10.1109/ GLOCOM.2014.7037563 Ding Z, Adachi F, Poor HV The application of MIMO to nonorthogonal multiple access IEEE Transactions on Wireless Communications 2016;15(1):537–552 Available from: https: //doi.org/10.1109/TWC.2015.2475746 Americar G Wireless Technology Evolution Towards 5G: 3GPP release 13 to release 15 and beyond 2017; Tran TN, Voznak M Multi-Points Cooperative Relay in NOMA System with N-1 DF Relaying Nodes in HD/FD Mode for N User Equipments with Energy Harvesting Electronics 2019;8(2) Available from: https://doi.org/10.3390/electronics8020167 Higuchi K, Benjebbour A Non-orthogonal multiple access (NOMA) with successive interference cancellation for future radio access IEICE Transactions on Communications 2015;98(3):403–414 Available from: https://doi.org/10.1587/ transcom.E98.B.403 Li A, Lan Y, Chen X, Jiang H Non-orthogonal multiple access (NOMA) for future downlink radio access of 5G China Communications 2015;12:28–37 Available from: https://doi.org/ 10.1109/CC.2015.7386168 Ali MS, Tabassum H, Hossain E Dynamic user clustering and power allocation for uplink and downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) systems IEEE Access 2016;4:6325– 6343 Available from: https://doi.org/10.1109/ACCESS.2016 2604821 10 Cui J, Ding Z, Fan P, Al-Dhahir N Unsupervised Machine Learning-Based User Clustering in Millimeter-Wave-NOMA Systems IEEE Transactions on Wireless Communications 2018;17(11):7425–7440 Available from: https://doi.org/10 1109/TWC.2018.2867180 11 Yan C, Harada A, Benjebbour A, Lan Y, Li A, Jiang H, editors Receiver Design for Downlink Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) 2015 IEEE 81st Vehicular Technology Conference (VTC Spring) 2015;p 11–14 Available from: https://doi org/10.1109/VTCSpring.2015.7146043 12 Raju MS, Ramesh A, Chockalingam A, editors BER analysis of QAM with transmit diversity in Rayleigh fading channels IEEE Global Telecommunications Conference (IGLOBECOM) 2003;p 1–5 13 Ding Z, Yang Z, Fan P, Poor HV On the Performance of Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems with Randomly Deployed Users IEEE Signal Processing Letters 2014;21(12):1501–1505 Available from: https://doi.org/10 1109/LSP.2014.2343971 14 Cho YS, Kim J, Yang WY, Kang CG MIMO-OFDM Wireless Communications with MATLAB: Wiley 2010;Available from: https: //doi.org/10.1002/9780470825631 15 Goldsmith A Wireless Communications: Cambridge University Press 2005;Available from: https://doi.org/10.1017/ CBO9780511841224 16 Viterbi AJ An intuitive justification and a simplified implementation of the MAP decoder for convolutional codes IEEE Journal on Selected Areas in Communications 1998;16(2):260–264 Available from: https://doi.org/10.1109/49.661114 17 Hara S, Prasad R Multicarrier Techniques for 4G Mobile Communications: Artech House Publishers 2003; 631 Science & Technology Development Journal – Natural Sciences, 4(3):621-632 Research Article Open Access Full Text Article Performance of non-orthogonal multiple access downlink system using the Log-Likelihood ratio Ngo Thanh Hai, Nguyen Thai Cong Nghia, Dang Le Khoa ABSTRACT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Non-orthogonal multiple access (NOMA) is one of the potential technologies for fifth generation (5G) cellular networks This technique can combine with other techniques such as Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) and Multiple Input Multiple Output (MIMO) In NOMA downlink, signals from multiple users are superposed in time-frequency domain Hence, NOMA systems have a larger throughput than orthogonal multiple access systems There are several schemes for NOMA detection The successive interference cancellation (SIC) is commonly used to decode desired signals at the receivers Some NOMA schemes with SIC are ideal SIC, symbol-level SIC and codeword-level SIC The previous studies showed that the log-likelihood ratio (LLR) has a performance as ideal SIC In this paper, we derive the bit error rate for a NOMA downlink system with users (UE) using LLR receiver This study considers the system over a Rayleigh fading channel and the presence of Additive White Gaussian Noise The closed-form equations have been proposed for each user with QPSK mapping The simulation results show that the performance of the system is consistent with the proposed formula Key words: Non-orthogonal multiple access (NOMA), Performance, 5G cellular, Log-Likelihood ratio (LLR) University of Science, VNU-HCM, Vietnam Correspondence Dang Le Khoa, University of Science, VNU-HCM, Vietnam History • Received: 21-12-2018 • Accepted: 07-8-2020 • Published: 16-8-2020 DOI : 10.32508/stdjns.v4i3.662 Copyright © VNU-HCM Press This is an openaccess article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license Cite this article : Hai N T, Nghia N T C, Khoa D L Performance of non-orthogonal multiple access down-link system using the Log-Likelihood ratio Sci Tech Dev J - Nat Sci.; 4(3):621-632 632 ... bày hệ thống NOMA sử dụng kỹ thuật LLR phần đánh giá hiệu hệ thống với đầu thu sử dụng LLR Phần kết mô thảo luận phần cuối kết luận Hình 2: Hệ thống NOMA đường xuống UE PHƯƠNG PHÁP Mơ hình hệ thống. .. thống đơn đa anten 12 Chất lượng hệ thống NOMA chọn người dùng ngẫu nhiên phân tích 13 Trong báo này, xây dựng công thức đánh giá hiệu cho hệ thống NOMA đường xuống gồm người dùng sử dụng tỷ. .. hình hệ thống NOMA công suất phân bổ cho hệ thống NOMA người dùng để tổng thông lượng đạt cực đại Phần 622 Trong hệ thống NOMA đường xuống, tín hiệu cho nhiều người dùng ghép cách phi trực giao