Phân tích hiệu năng mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng noma dưới sự ảnh hưởng của giao thoa đồng kênh và khiếm khuyết phần cứng

Trong mô hình nghiên cứu, một nguồn đồng thời truyền các dữ liệu khác nhau đến hai đích thông qua sự chuyển tiếp của nhiều nút trung gian. Để thực hiện điều này, nguồn và các nút chuyển tiếp phải sử dụng kỹ thuật NOMA tại mỗi chặng. Chúng tôi đưa ra biểu thức chính xác tính tổng dung lượng toàn trình tại hai đích và kiểm chứng sự chính xác bằng mô phỏng máy tính. Hơn nữa, bài báo cũng nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiễu đồng kênh và khiếm khuyết phần cứng lên hiệu năng của hệ thống.

Phân Tích Hiệu Năng Mạng Chuyển Tiếp Đa Chặng Sử Dụng NOMA Dưới Sự Ảnh Hưởng Của Giao Thoa Đồng Kênh Và Khiếm Khuyết Phần Cứng Nguyễn Xuân Tuyên1 , Phạm Minh Nam2, Trần Trung Duy3 Phan Văn Ca2 Phòng Kỹ thuật – Trung Tâm Hạ Tầng Mạng Miền Nam, VNPT NET2 Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh Học Viện Cơng Nghệ Bưu Chính Viễn Thơng Email: tuyennxclm@gmail.com, 1727002@student.hcmute.edu.vn, trantrungduy@ptithcm.edu.vn.com, capv@hcmute.edu.vn Abstract— Trong báo này, đánh giá tổng dung lượng tồn trình mạng giải mã chuyển tiếp (Decode-andForward) đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access - NOMA) kênh truyền fading Rayleigh Trong mơ hình nghiên cứu, nguồn đồng thời truyền liệu khác đến hai đích thơng qua chuyển tiếp nhiều nút trung gian Để thực điều này, nguồn nút chuyển tiếp phải sử dụng kỹ thuật NOMA chặng Chúng tơi đưa biểu thức xác tính tổng dung lượng tồn trình hai đích kiểm chứng xác mơ máy tính Hơn nữa, báo nghiên cứu ảnh hưởng nhiễu đồng kênh khiếm khuyết phần cứng lên hiệu hệ thống Keywords- Mạng chuyển tiếp đa chặng, đa truy nhập không trực giao (NOMA), giao thoa đồng kênh, khiếm khuyết phần cứng I GIỚI THIỆU Đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple Access - NOMA) [1]-[3] nhận nhiều quan tâm nhà nghiên cứu nước Đây kỹ thuật hiệu giúp mạng truyền thơng vơ tuyến nâng cao tốc độ truyền dẫn Kỹ thuật NOMA cho phép ghép tín hiệu khác đầu phát, gửi liệu kết hợp đến đầu thu Để thực điều này, máy phát phải phân bổ mức công suất khác cho tín hiệu Ở đầu thu, tín hiệu phân bổ với công suất phát lớn giải mã trước Sau giải mã xong tín hiệu, máy thu loại bỏ tín hiệu từ tín hiệu tổng, tiến hành giải mã tín hiệu Tiến trình gọi khử giao thoa (Successive Interference Cancellation (SIC)) Do đó, máy phát gửi liệu đến nhiều máy thu khác lúc, băng tần mã Để nâng cao tính ổn định truyền liệu cho mạng sử dụng NOMA, kỹ thuật phân tập đa đầu vào đa đầu (MIMO: Multiple Input Multiple Output) sử dụng tài liệu [4]-[5] Trong [4], kỹ thuật chọn lựa ănten phát tốt (TAS: Transmit Antenna Selection) đề xuất để nâng cao chất lượng kênh liệu cho hệ thống MIMONOMA Tài liệu [5] nghiên cứu hệ thống MIMO-NOMA môi trường vô tuyến nhận thức dạng (Underlay Cognitive Radio) Khi thiết bị đầu cuối khơng có khả trang bị nhiều ănten, mơ hình chuyển tiếp sử dụng để nâng cao độ tin cậy việc truyền tin nguồn nút đích Các tác giả tài liệu [6] đề xuất mơ hình chuyển tiếp cộng tác NOMA với kỹ thuật khuếch đại chuyển tiếp (Amplify-and-Forward - AF) Trong tài liệu [7], nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật giải mã chuyển tiếp (Decode-and-Forward - DF) để giúp đỡ nguồn gửi liệu đến nút đích Cho đến nay, hầu hết nghiên cứu kỹ thuật NOMA tập trung vào kỹ thuật truyền trực tiếp chuyển tiếp hai chặng Trong tài liệu [8], tác giả xét mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng NOMA, nút chuyển tiếp nhận chuyển tiếp đồng thời hai liệu đến đích Hơn nữa, mơ hình đề xuất [8] có xuất nút nghe tích cực (active eavesdropper), nút nguồn nút chuyển tiếp phải giảm cơng suất phát để nút nghe khơng thể giải mã tín hiệu nhận chặng Tương tự [8], tác giả cơng trình [9] xây dựng mơ hình truyền đa chặng nguồn đích, 02 liệu gửi lúc đến đích Điểm khác biệt [9] với [8] nút phát [9] phải thu thập lượng bên để sử dụng cho việc truyền liệu Khác với cơng trình [8] [9], báo này, chúng tơi đề xuất mơ hình chuyển tiếp thơng tin đa chặng sử dụng NOMA, nút nguồn gửi hai liệu đồng thời đến hai đích khác Hơn nữa, khảo sát ảnh hưởng giao thoa đồng kênh (co-channel interference) khiếm khuyết phần cứng (hardware impairments) lên hiệu mạng Để đánh giá ưu điểm mơ hình đề xuất, chúng tơi đưa cơng thức tính xác dung lượng kênh trung bình tồn trình nút đích kênh fading Rayleigh Các biểu thức tốn học kiểm chứng mô thông qua phần mềm MATLAB Phần lại báo tổ chức sau: phần II, miêu tả mơ hình đề xuất hoạt động mơ hình Trong phần III, đánh giá hiệu mơ hình kênh fading Rayleigh biểu thức tốn học xác Phần IV cung cấp kết mơ phân tích lý thuyết Cuối cùng, kết luận hướng phát triển báo đưa phần V 106 II Bởi a1 > a2 , T1 giải mã x1 trước Sau giải mã MƠ HÌNH HỆ THỐNG I xong x1 , T1 loại bỏ thành phần a1 Ph1 x1 khỏi tín hiệu nhận Do đó, tín hiệu dùng để giải mã x2 là: TK +1 T0 T2 T1 TK dựng biểu thức tính tỷ số SNR tức thời x1 sau: TK + ψ 1x = Hình mơ tả mơ hình hệ thống khảo sát, nút nguồn T0 muốn gửi hai liệu lúc đến hai đích ký hiệu TK +1 TK + , với giúp đỡ K nút chuyển tiếp T1 , T2 , …, TK Giả sử, nguồn nhiễu I sử dụng băng tần với nguồn nút chuyển tiếp, nút gây nhiễu đồng kênh với nút thu mạng Ta giả sử tất nút có 01 ănten hoạt động chế độ bán song cơng Do đó, chuyển tiếp liệu nguồn đích thực thơng qua ( K + 1) khe thời gian trực giao Xét khe thời gian thứ nhất, nút nguồn T0 kết hợp hai liệu x1 x2 sau: a1 Px1 + a2 Px2 , (1) với x1 liệu mà T0 muốn gửi đến TK +1 , x2 liệu mà T0 muốn gửi đến TK + , P tổng công suất phát T0 a1 Ph1 x1 + a2 Ph1 x2 + η h1 + PI g1 + n1 , (2) ψ 1x = ψ kx = (5) x2 k a1∆γ k , ( a2 + κ ) ∆γ k + Qϕk + a2 ∆γ k , = κ ∆γ k + Qϕ k + (6) với γ k độ lợi kênh fading Rayleigh Tk −1 Tk , ϕ k độ lợi kênh fading Rayleigh I Tk Bây ta xét đến chặng cuối TK gửi x+ đến hai đích TK +1 TK + Nút đích TK +1 trực tiếp giải mã x1 , tỷ số SNR x1 tính tương tự công thức (4): ψ Kx +1 = công suất phát nguồn nhiễu I, g1 hệ số kênh fading T1 với trung bình phương sai σ (giả sử nhiễu cộng tất thiết bị thu có trung bình phương sai σ ), η tổng mức suy hao phần cứng thiết bị phát T0 thiết bị thu T1 [10] Hơn nữa, η mơ hình biến ngẫu nhiên có phân phối Gauss với trung bình phương sai Pκ [10], với κ tổng mức suy hao phần cứng đầu phát đầu thu a2 ∆γ κ ∆γ + Qϕ1 + Một cách tổng quát, xét khe thời gian thứ k , k = 1, 2, , K , Tk −1 truyền hai liệu x1 x2 đến Tk Tương tự (4) (5), biểu thức SNR x1 x2 là: với h1 hệ số kênh fading Rayleigh T0 T1 , PI Rayleigh I T1 , n1 nhiễu Gauss trắng cộng tính (4) 2 γ | h= với ∆ =P / σ , Q = PI / σ , = | , ϕ1 | g1 | độ lợi kênh truyền Từ công thức (3), tỷ số SNR x2 tính sau: ψ Tiếp theo, T0 gửi x+ đến T1 Dưới tác động fading kênh truyền, giao thoa đồng kênh phần cứng khơng hồn hảo, tín hiệu nhận T1 viết sau: = a1 P | h1 |2 ( a2 + κ ) P | h1 |2 + PI | g1 |2 +σ a1∆γ = , ( a2 + κ ) ∆γ + Qϕ1 + (cũng nút phát Tk khác, k = 1, 2, , K ), a1 a2 hệ số phân chia công suất, với a1 > a2 , a1 + a2 = y1 =( x+ + η ) h1 + PI g1 + n1 (3) Sau giải mã xong x1 x2 , T1 kết hợp hai tín hiệu lại (giống nguồn làm), gửi tín hiệu kết hợp đến T2 khe thời gian thứ hai Từ công thức (2), ta xây Hình Mơ hình hệ thống = x+ a2 Ph1 x2 + η h1 + PI g1 + n1 = y1' a1∆γ K +1 , ( a2 + κ ) ∆γ K +1 + QϕK +1 + (7) với γ K +1 độ lợi kênh fading Rayleigh TK TK +1 , ϕ K +1 độ lợi kênh truyền fading Rayleigh I TK +1 Đối với nút đích TK + , nút phải giải mã x1 trước, sau loại bỏ thành phần chứa x1 khỏi tín hiệu nhận được, TK + giải mã x2 Do đó, biểu thức SNR x2 xác định tương tự công thức (5): ψ Kx +1 = 107 a2 ∆γ K + , κ ∆γ K + + Qϕ K + + (8) với γ K + độ lợi kênh fading Rayleigh TK TK + ,   a1∆γ m < x Fψ x1 ( x ) Pr  ϕ K + độ lợi kênh truyền fading Rayleigh I = TK + m  a2 + κ ∆γ m + Qϕ m +  (14)   Bởi nút sử dụng kỹ thuật DF để chuyển tiếp liệu, dung lượng kênh tồn trình nhận đầu cuối TK +1 = Pr a1 − a2 + κ x ∆γ m < Qϕ m x + x TK + viết sau: Quan sát từ công thức (14), ta thấy a1 ≤ a2 + κ x x1 log + ψ m , = Cx1 Fψ x1 ( x ) = , a1 > a2 + κ x , ta viết: m 1,2, , K +1 = K +1 m (9) x2 log + = Cx2 ψn Fψ x1 ( x ) = Pr ( γ m < ω1ϕ m x + ω2 x ) n 1,2, , K , K + = K +1 m (15) +∞ = ∫ Fγ m (ω1 xy + ω2 x ) fϕm ( y ) dy, Trong công thức (9), hệ số 1/ ( K + 1) xuất ( ) (( ( ( )) ( ( ( ( )) truyền liệu thực ( K + 1) khe thời gian trực Đầu tiên, ta xét hàm phân phối biến ngẫu nhiên phân phối theo hàm mũ (exponential distribution) Thật vậy, hàm phân phối tích luỹ (CDF: Cummulative Distribution Function) γ t ϕt đưa sau (xem [8][9]): Fγ t ( x ) = − exp ( −λt x ) , Bây ta xét đến biến ngẫu nhiên Y1 = m 1,2, , K +1 = m 1,2, , K +1 = ( m 1,2, , K +1 = K +1 m =1 ( m với Fψ x1 ( x ) hàm CDF ψ Sử dụng (6), ta có: m n 1,2, , K , K + = (16) (17) (18) (ψ ) , ta đạt x2 n hàm CDF Y2 sau: FY2 ( x ) = (ψ ) , a2  1, x ≥ κ (19)   Ω exp −λ ω x K Ω exp −λ ω x ( K +2 ) ( n ) , x < a2 n  K +2 ∏  Ω K + + λK + 2ω3 x n =1 Ω n + λnω3 x κ2 x1 m x1 m ) ) +κ2) x ∆ ( ) Một cách tương tự, đặt Y2 = (12) (13) a1  1, x ≥ a + κ   K +1 Ωm a1  exp ( −λmω2 x ) , x < ∏ x a λ ω Ω + m =1 +κ m m (ψ ) < x ) = − ∏ − Fψ x1 ( x ) , FY1 ( x ) = hàm CDF Y1 thiết lập sau: FY1 ( x= ) Pr (Y1 < x=) Pr (a − (a Từ kết đạt được, ta viết hàm CDF Y1 = ψ mx1 sau: với dt khoảng cách nút Tt −1 Tt , lt khoảng fγ t ( x ) = λt exp ( −λt x ) , fϕt ( x ) = Ωt exp ( −Ωt x ) ) Ωm Fψ x1 ( x ) = 1− exp ( −λmω2 x ) m Ω m + λmω1 x (11) cách I Tt , β hệ số suy hao đường truyền Do đó, hàm mật độ xác suất (PDF: Probability Density Function) γ t ϕt là: ( ϕ m (xem (12)) vào cơng thức (15), sau số phép tính tích phân, ta đạt được: với λt Ωt tham số đặc trưng, tính [8]-[9]: λ= dtβ , Ω= ltβ , t t Q , ω2 = a1 − ( a2 + κ ) x ∆ Thay hàm CDF γ m (xem (10)) hàm PDF (10) Fϕt ( x ) = − exp ( −Ωt x ) , ) ) với = ω1 ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG HỆ THỐNG t 1, 2, , K + 1, K + Bởi kênh truyền γ t ϕt , với= kênh fading Rayleigh, độ lợi kênh γ t ϕt có ( giao III ) ) ) với = ω3 x1 m Q ,ω = ( a2 − κ x ) ∆ (a − κ 2x) ∆ (20) Bây giờ, ta xét đến dung lượng kênh trung bình đạt đích TK +1 Thật vậy, sử dụng cơng thức (9), ta viết: 108 = Cx1 +∞ log (1 + x ) fY1 ( x ) dx K +1 a1 − FY1 ( x ) a2 +κ = dx ∫ 1+ x ( K + 1) ln ( ) ∫ (21) Tương tự, dung lượng kênh trung bình đạt đích TK + tính sau: Cx2 = a2 − FY2 ( x ) κ2 dx ∫ ( K + 1) ln ( ) + x đích TK + tăng, điều giúp độ lệch dung lượng kênh TK +1 TK + giảm Tuy nhiên, ta cần lưu ý giảm a1 a2 tăng, điều dẫn đến nhiễu mà tín hiệu x2 gây lên cho tín hiệu x1 tăng Do đó, hệ số a1 a2 cần thiết kế phù hợp để đảm bảo khả giải mã x1 x2 nút chuyển tiếp nút đích Cuối cùng, Hình cho ta thấy kết mô lý thuyết trùng với nhau, chứng tỏ biểu thức toán học đưa xác (22) 1.4 Tiếp đến, thay công thức (18) (19) vào (21) (22), ta thu biểu thức tính xác dung lượng kênh tồn trình đạt đích TK +1 TK + Cuối cùng, dung lượng kênh trung bình tồn trình hệ thống xác định sau: IV TK+1 (Sim, a1 = 0.85) 1.2 TK+2 (Sim, a1 = 0.95) TK+2 (Sim, a1 = 0.85) TK+1 (Theory) TK+2 (Theory) 0.8 ACC = C Cx1 + Cx2 TK+1 (Sim, a1 = 0.95) (23) 0.6 0.4 KẾT QUẢ Trong phần này, thực mô MonteCarlo để kiểm chứng công thức trình bày phần III Mơi trường mô hệ trục tọa độ hai chiều Oxy, nút T0 , T1 , …, TK +1 nằm trục Ox, cho 0.2 K +2 2.5 I, toạ độ nút ( xD , yD ) ( xI , yI ) Trong tất mô phỏng, hệ số suy hao đường truyền cố định ( β = 3) giảm hệ số phân chia công suất a1 từ 0.95 xuống 0.85, dung lượng kênh đích TK +1 giảm dung lượng kênh 15 20 25 TK+1 + TK+2 (Sim, Q=5dB) TK+1 + TK+2 (Sim, Q=10dB) TK+1 + TK+2 (Sim, Q=15dB) Tiếp theo, quy ước ký hiệu hình vẽ sau: Các kết mơ biểu thị dấu trịn, vng, sao, tam giác, kết lý thuyết vẽ đường thẳng Chúng ký hiệu kết mô từ Sim (SIMulation) kết lý thuyết Theory Trên trục tung, ký hiệu ACC viết tắt từ Average Channel Capacity (Dung lượng kênh trung bình) Trong Hình 2, dung lượng kênh trung bình đích TK +1 TK + vẽ theo tỷ số SNR phát ∆ =P / σ (dB) Trong hình vẽ này, số nút chuyển tiếp nguồn đích ( K = 1) , giá trị Q 7.5 dB, tổng mức suy hao dung lượng kênh lớn nút đích TK + tín hiệu x1 phân bổ với công suất lớn hơn, cụ thể a1 > a2 Ta thấy 10 Hình Dung lượng kênh trung bình đích vẽ theo ∆ (dB) Q = 7.5 dB, K = 1, κ = 0.1 , xD = , yD = 0.1 , xI = 0.5 , yD = 0.5 nguồn nhiễu phần cứng hai thiết bị thu phát 0.1 ( κ = 0.1 ), vị trí nút đích TK + (1, 0.1) vị trí nguồn nhiễu (0.5, 0.5) Nhìn vào hình vẽ ta thấy dung lượng trung bình đích tăng ∆ tăng Hơn nữa, nút đích TK +1 đạt ∆ (dB) khoảng cách từ nguồn T0 đến đích TK +1 cố định 1, khoảng cách hai nút kề nhau Với cách xếp vậy, nút = Tk ( k 0,1, , K + 1) có toạ độ ( k / ( K + 1) , ) Đối với nút đích thứ hai T Theory ACC 1.5 0.5 0 10 15 20 25 ∆ (dB) Hình Tổng dung lượng kênh trung bình vẽ theo ∆ (dB) a1 = 0.9 , K = 2, κ = , xD = , yD = 0.1 , xI = 0.5 , yI = 0.5 Trong Hình 3, tổng dung lượng kênh trung bình đích TK +1 TK + vẽ theo ∆ (dB) với giá trị khác Q Trong hình vẽ này, số nút chuyển tiếp nguồn đích ( K = ) , hệ số phân chia công suất a1 = 0.9 , phần cứng thiết bị thu phát giả sử hoàn hảo ( κ = ), vị trí nút đích TK + (1, 0.1) vị trí nguồn 109 nhiễu (0.5, 0.5) Như ta dự đốn, cơng suất phát nguồn nhiễu I tăng (Q tăng) dung lượng kênh trung bình đích giảm, tổng dung lượng kênh trung bình giảm Tương tự Hình 2, để tăng tổng dung lượng kênh, ta tăng cơng suất phát thiết bị (tăng ∆ ) Một lần nữa, Hình cho thấy kết mơ lý thuyết phù hợp với nhau, điều minh chứng tính đắn biểu thức dẫn tổng dung lượng hệ thống cao phần cứng thiết bị tốt (hệ số suy hao phần cứng κ nhỏ hơn) Hơn nữa, tổng dung lượng trung bình tăng tuyến tính theo ∆ phần cứng thiết bị hoàn hảo (κ = ) Khi phần cứng khơng hồn hảo ( κ > ), ta thấy tổng dung lượng kênh bảo hoà giá trị ∆ đủ lớn Để chứng minh điều này, ta xem lại công thức (6) Thật vậy, ∆ đủ lớn κ > , ta có cơng thức xấp xỉ sau: = ψ kx1 TK+1 + TK+2 (Sim, κ2 = 0) TK+1 + TK+2 (Sim, κ2 = 0.05) 2.5 ACC a2 ∆γ k a = ψ ≈ κ ∆γ k + Qϕ k + κ TK+1 + TK+2 (Sim, κ2 = 0.1) Nhìn vào công thức (24), ta dễ thấy dung lượng kênh tồn trình trung bình TK +1 TK + không phụ thuộc vào ∆ , hội tụ giá trị sau: 1.5 Cx1 ≈ 0.5 0 10 15 20 25 30 35 TK+1 + TK+2 (Sim, y I = 0.2) TK+1 + TK+2 (Sim, y I = 0.3) TK+1 + TK+2 (Sim, y I = 0.4) 0.7 κ = 0.1 , giá trị ∆ 10 dB, giá trị Q 7.5 dB, TK+1 + TK+2 (Sim, y I = 0.5) 0.6 Theory ACC 0.5 0.4 0.3 0.2 (25) Trong Hình 5, tổng dung lượng kênh trung bình đích TK +1 TK + vẽ theo giá trị K vị trí khác nguồn nhiễu I Thật vậy, ta cố định hoành độ xI 0.5, thay đổi tung độ yI với giá trị 0.5, 0.4, 0.3 0.2 Các thông số khác hệ thống thiết lập sau: hệ số phân chia công suất a1 = 0.9 , tổng mức suy hao phần cứng Hình Tổng dung lượng kênh trung bình vẽ theo ∆ (dB) a1 = 0.95 , Q = dB, K = 3, xD = , yD = 0.1 , xI = 0.5 , yI = 0.5 0.8  a1  log 1 + ,  K +1 a  +κ   a  Cx2 ≈ log 1 + 22  K +1  κ  ∆ (dB) 0.1 (24) x2 k TK+1 + TK+2 (Sim, κ2 = 0.2) Theory a1∆γ k a1 , ≈ ( a2 + κ ) ∆γ k + Qϕk + a2 + κ 2 K Hình Tổng dung lượng kênh trung bình vẽ theo K κ = 0.1 , Q = 7.5 dB, ∆ =10 dB, xD = , yD = 0.1 , xI = 0.5 Trong Hình 4, tổng dung lượng kênh trung bình đích TK +1 TK + vẽ theo ∆ (dB) với giá trị khác κ Trong hình vẽ này, số nút chuyển tiếp nguồn đích ( K = 3) , hệ số phân chia công suất a1 = 0.95 , giá trị Q dB, vị trí nút đích TK + (1, 0.1) vị trí nguồn nhiễu (0.5, 0.5) Nhìn vào hình vẽ, ta thấy vị trí nút đích TK + (1, 0.1) Nhìn vào Hình 5, ta thấy tổng dung lượng kênh thay đổi theo giá trị K Kết cho ta thấy tổng dung lượng kênh lớn nguồn truyền liệu trực tiếp đến đích ( K = ) Nguyên nhân với vị trí nguồn I thiết lập mô phỏng, giao thoa từ I đến nút chuyển tiếp lớn nút chuyển tiếp gần nguồn nhiễu I nút đích, nên việc chuyển tiếp không hiệu truyền trực tiếp Ví dụ, K=1 yI =0.2, khoảng cách từ nút chuyển tiếp đến nguồn I ngắn nhất, dung lượng kênh trung bình hệ thống thấp nhất, so với trường hợp cịn lại Hình cho ta thấy nguồn I gần nút chuyển tiếp ( yI nhỏ) tổng dung lượng hệ thống giảm ảnh hưởng giao thoa đồng kênh gây nên nút thu lớn Tương tự Hình 5, Hình vẽ tổng dung lượng kênh trung bình đích TK +1 TK + vẽ theo giá trị K vị trí khác nguồn nhiễu I Các thơng số Hình giống với thơng số Hình 5, khác chỗ nguồn nhiễu đặt vị trí (1.25, yI ) Với vị trí nguồn nhiễu I, ta thấy khoảng cách I đến hai nút đích gần khoảng cách I nút chuyển tiếp Do đó, nhiễu đồng kênh (trung bình) gây nên hai đích lớn 110 nút chuyển tiếp Như ta thấy từ Hình 6, tổng dung lượng kênh trung bình lớn K = , K = K = tuỳ theo giá trị yI LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 102.042017.317 TÀI LIỆU THAM KHẢO 0.65 [1] 0.6 0.55 0.5 ACC 0.45 0.4 0.35 0.3 TK+1 + TK+2 (Sim, y I=0.2) TK+1 + TK+2 (Sim, y I=0.3) 0.25 TK+1 + TK+2 (Sim, y I=0.4) TK+1 + TK+2 (Sim, y I=0.6) 0.2 0.15 Theory K Hình Tổng dung lượng kênh trung bình vẽ theo K κ = 0.1 , Q = 7.5 dB, ∆ =10 dB, xD = , yD = 0.1 , xI = 1.25 V KẾT LUẬN Trong báo này, nghiên cứu hiệu mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng NOMA để truyền đồng thời hai liệu từ nguồn đến hai đích khác Chúng tơi đánh giá dung lượng kênh trung bình hai đích tốn học mô tác động đồng thời fading kênh truyền, giao thoa đồng kênh khiếm khuyết phần cứng Các kết cho thấy ảnh hưởng đáng kể yếu tố nhiễu lên hiệu hệ thống Để cải thiện hiệu năng, hệ thống cần thiết kế tham số số chặng hệ số phân chia công suất cách phù hợp Trong tương lai, chúng tơi phát triển mơ hình đề xuất kênh truyền fading tổng quát kênh Nakagami-m kênh Rician Hơn nữa, áp dụng kỹ thuật thu/phát phân tập MIMO để nâng cao chất lượng kênh truyền chặng chuyển tiếp L Dai, B Wang, Y Yuan, S Han, Chih-lin I ; Z Wang, “Nonorthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends,” IEEE Communications Magazine, vol 53, no 9, pp 74 – 81, Sept 2015 [2] Z Ding, Y Liu, J Choi, Q Sun, M Elkashlan, Chih-Lin I, H V Poor, “Application of Non-Orthogonal Multiple Access in LTE and 5G Networks,” IEEE Communications Magazine, vol 55, no 2, pp 185 – 191, Feb 2017 [3] Y Chen, A Bayesteh, Y Wu, B Ren, S Kang, S Sun, Q Xiong, C Qian, B Yu, Z Ding, S Wang, S Han, X Hou, H Lin, R Visoz, R Razavi, “Toward the Standardization of Non-Orthogonal Multiple Access for Next Generation Wireless Networks,” IEEE Communications Magazine, vol 56, no 3, pp 19 – 27, March 2018 [4] H Lei, J Zhang, K.-H Park, P Xu, Z Zhang, G Pan, M.-S Alouini, “Secrecy Outage of Max–Min TAS Scheme in MIMO-NOMA Systems,” IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol 67, no 8, pp 6981 – 6990, Aug 2018 [5] Y Li, G A A Baduge, “Underlay Spectrum-Sharing Massive MIMO NOMA,” IEEE Communications Letters, vol 23, no 1, pp 116-119, Jan 2019 [6] X Liang, Y Wu; D W Kwan, Y Zuo, S Jin and H Zhu, “Outage Performance for Cooperative NOMA Transmission with an AF Relay”, IEEE Communications Letters, vol 21, no 11, pp 2428 – 2431, Nov 2017 [7] W Duan, J Ju, J Hou, Q Sun, X.-Q Jiang, G Zhang, “Effective Resource Utilization Schemes for Decode-and-Forward Relay Networks With NOMA,” IEEE Access, vol 7, pp 51466 – 51474, Apr 2019 [8] P T Tin, D T Hung, T T Duy and M Voznak, "Security-Reliability Analysis of NOMA – Based Multi-Hop Relay Networks In Presence Of an Active Eavesdropper With Imperfect Eavesdropping CSI," Advances in Electrical and Electronic Engineering, vol 15, no 4, pp 591-597, Nov 2017 [9] P T Tin, P M Nam, T T Duy, T T Phuong, N K Tam and M Voznak, "Throughput Analysis of Power Beacon-Aided Multi-hop Relaying Networks Employing Non-Orthogonal Multiple Access With Hardware Impairments," In Proc of AETA 2018, Ostrava, Czech Republic, 2018 [10] A Afana, S Ikki, “Analytical Framework for Space Shift Keying MIMO Systems With Hardware Impairments and Co-Channel Interference,” IEEE Communications Letters, vol 21, no 3, pp 488491, Mar 2017 111 Concept Ăng ten cho hệ thống vô tuyến khả tri sử dụng tụ điện biến dung dựa lớp điện môi mỏng BST Hung Viet Nguyen, Minh Hoang Ho Khoa viễn thơng Học viện Cơng nghệ Bưu Viễn thơng nvhung_vt1@ptit.edu.vn Tóm tắt – Việc nghiên cứu đưa mẫu thiết kế ăng ten sử dụng hệ thống vô tuyến khả tri yếu tố vô quan trọng Trong viết này, mẫu thiết kế ăng ten băng rộng có khả hiệu chỉnh tần số tích hợp tụ điện có lớp điện mơi mỏng có khả biến thiên Barium Strontium Tiatanate (Ba (1-x) SrxTiO3, BST) Thiết kế ăng ten băng rộng sử dụng để cảm nhận tín hiệu kênh dải tần từ – 7GHz ăng ten khe sử dụng cho việc phát tín hiệu biến thiên dải từ 4.8 – 5.4 GHz Kết mơ trình bày thảo luận cụ thể nội dung viết Key words – Hệ thống vô tuyến khả tri, Ăng ten băng siêu rộng, BST, lớp điện môi mỏng, MIM, tụ điện biến thiên I Giới thiệu Theo Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ (FCC), hệ thống vô tuyến khả tri “ hệ thống có khả thay đổi tham số phía phát dựa mơi trường mà vận hành” Do đó, nhằm mục đích tăng hiệu sử dụng tránh lãng phí phổ tần dải tần số vô tuyến, khái niệm hệ thống vô tuyến khả tri đưa thảo luận Một hệ thống vô tuyến khả tri phải có khả nhận vùng phổ khả dụng tự cấu hình cho phù hợp để sử dụng[1] Hay nói đơn giản, hệ thống vơ tuyến khả tri hệ thống có khả nhận vùng phổ trống điều chỉnh tần số cho phù hợp với kênh tần số để truyền thông tin Đối với hệ thống vô tuyến khả tri, mẫu thiết kế ăng ten đặc biệt vấn đề trọng, cấp thiết cần hoàn thành Mẫu thiết kế ăng ten trình bày viết bao gồm mạch ăng ten: ăng ten băng siêu rộng ăng ten khe có khả tự cấu hình tần số phát Trong nay, có nhiều cách thiết kế ăng ten có khả tự cấu hình, nhiên việc tích hợp mạch ăng ten: băng siêu rộng băng hẹp có khả tự cấu hình thiết kế ăng ten vơ phức tạp việc tích hợp 112 mạch ăng ten có khả biến thiên gây ảnh hưởng đến tham số ăng ten băng rộng ngược lại Trong [2], Tawk Christodoulou sử dụng chế quay cho mẫu ăng ten để biến đổi tần số hoạt động ăng ten từ 3.5 sang 5.5, 7.5 10.5GHz Tuy nhiên, tốc độ chuyển đổi ăng ten chậm (do chất hệ thống học) phức tạp hệ thống khiến cho mẫu ăng ten trở nên phi thực tế Lớp điện môi Barium Strontium Titanate (BST) vật liệu nghiên cứu rộng rãi áp dụng cho tần số vô tuyến, tính điện thẩm cao, khả biến thiên lớn tổn hao tương đối thấp [8] Áp dụng kết từ báo cáo trước [9], khuôn khổ viết này, để đạt khả tự cấu hình, tụ điện thiết kế dựa cấu trúc MIM (Metal / Insulator / Metal, kim loại/chất cách điện/kim loại) tích hợp vào mạch ăng ten khe cung cấp cho ăng ten khả tự cấu hình lại Vì tần số hoạt động ăng ten phụ thuộc vào giá trị tụ điện, giá trị biến có khả biến thiên ăng ten tự cấu hình lại để thay đổi tần số hoạt động cách liên tục Trong mơ hình ăng ten, mạch ăng ten băng tần siêu rộng tích hợp với mạch ăng ten khe lớp chất sapphire Bài viết tổ chức theo cấu trúc sau Trong phần II, topology ăng ten trình bày cụ thể Quá trình mô thiết kế kết mô trình bày phần III Và phần kết luận trình bày phần cuối viết II Ăng ten topology Mạch ăng ten băng siêu rộng Hình cho thấy cấu trúc mạch ăng ten băng siêu rộng Một đĩa kim loại hình elip in chất Sapphire có kích thước 40 x 36 mm2 (εr = 10, tang γ = 0.00002) với độ dày 0,5mm cấp điện đường đường vi dải Tụ biến dung đặt khe hình chữ U khắc mặt phẳng elip với chiều dài hình chữ U 27mm chiều dài cạnh chữ U 3mm Kích thước khe mơ nhằm hịa hợp trở kháng với trở kháng 50Ω nguồn cấp Trong tồn q trình mô phỏng, số điện môi sử dụng cho tụ biến dung εr = 95 Ăng ten băng rộng thiết kế với dạng hình elip khuyết với bán kính phụ đĩa hình elip có kích thước Rx = 17mm Ry = 9.35 mm Ăng ten thiết kế nhằm mục đích hoạt động dải tần từ – 10 GHz, đó, cấu trúc đĩa elip sử dụng bới khả phát xạ dải tần vơ A 113 rộng Bên cạnh đó, phần elip bị khuyết nhằm đảm bảo công suất xạ đảm bảo khả thu phát tín hiệu truyền dẫn Nhằm mục đích thiết kế phù hợp tối giản với mẫu ăng ten băng siêu rộng dịng vi dải mặt phẳng đất có dạng hình elip Hình 1: Mặt ăng ten Mạch ăng ten băng hẹp tự cấu hình Một khe hình chữ nhật có dạng hình chữ U với chiều rộng W = 3,3mm tổng chiều dài 40,5mm khắc trung tâm đĩa elip để tạo nên mạch ăng ten băng hẹp (Hình 2) Một tụ điện biến đổi dựa việc sử dụng lớp BST mỏng, đặt khe Hai tụ điện thơng thường, trình bày Hình 3, sử dụng để tách tín hiệu RF ăng ten thành điện áp chiều DC Hai tụ điện có giá trị điện dung tương ứng 100pF Một dòng vi dải 50 ohms đặt chất Sapphire nhằm mục đích cấp điện cho ăng ten Bằng cách đặt vào hai điện cực điện áp phân cực DC, thay đổi độ điện thẩm lớp BST, trình sử dụng để cấu hình lại tần số mạch ăng ten băng hẹp B 114 Hình 2: Mạch ăng ten khe khắc đĩa elip Chi tiết tụ điện biến đổi BST trình bày Hình Hình Hình 3: Cấu trúc chi tiết tụ điện biến biến thiên Hình 4: Cấu trúc MIM cho tụ điện biến thiên Cấu trúc tụ điện biến dung dựa cấu trúc MIM nghiên cứu nghiên cứu [9] Cấu trúc tạo cách đặt bên lớp BST mỏng điện cực, tiếp lớp BST điện cực tạo thành cấu trúc MIM hoàn chỉnh Điện cực làm bạch kim có độ dày xấp xỉ 200nm phương pháp phóng xạ từ điện cực tạo bạc 2,2µm Để tạo kết nối điện cực điện cực trên, điện cực kết nối khắc xuyên qua lớp BST cách sử dụng khắc hóa học để tạo nên cấu trúc MIM mong muốn [10] Trong [10], khả điều chỉnh lớp BST xác định tần số đo MHz (Hình 5) 115 Relative permittivity r' 100 95 90 85 80 75 70 65 60 -400 -200 200 400 Electric field Ebias (kV/cm) Hình 5: Khả biến thiên lớp điện môi BST Trong viết trước, mẫu ăng ten mạch vi dải khe hở đưa với tụ điện sử dụng lớp BST [9] Trong đó, cho phép cấu hình giá trị tụ điện mà người thiết kế mong muốn Trong mẫu thiết kế này, điện cực rút ngắn theo cách phần chúng chồng lên Do đó, giảm diện tích tụ điện thành giá trị mong muốn với giá trị chiều rộng điện cực tụ điện với diện tích tạo thành 20 x 20 µm, giá trị tụ điện BST 0,3 pF III MÔ PHỎNG THIẾT KẾ ĂNG TEN Thiết kế ăng ten mô phần mềm mô Ansoft (HFSS), phiên 15 Mơ hình ăng ten mơ hiển thị Hình Hình 6: Mơ hình HFSS để mơ thiết kế ăng ten Ăng ten hoạt động dải tần số từ GHz đến 7GHz với mức tổn hao -10dB Tuy nhiên, từ kết hiển thị hình 7, người ta quan 116 sát thấy với việc tối ưu hóa nữa, mở rộng phạm vi lên 10 GHz, trọng tâm viết Ăng ten hoạt động dải tần số từ GHz đến 7GHz với mức tổn hao -10dB Hình 7: Mất tín hiệu ăng ten UWB Hình 8: Độ khuếch đại 3D mơ ăng ten UWB GHz Kết mơ cho thấy ăng ten UWB có kiểu xạ gần đẳng hướng với mức tăng tối đa 3,12 dB 6GHz hiệu suất xạ gần 98%, cao dự đoán mức tổn thất thấp chất Sapphire Đối với hiệu suất ăng ten băng hẹp, trước hết, q trình mơ thực để kiểm tra đặc tính ăng ten tính tương thích tích hợp tụ điện biến đổi sử dụng BST, đặc biệt vùng chồng lấp hai điện cực Do giá trị tụ điện phụ thuộc trực tiếp vào kích thước vùng chồng lấp, tần số hoạt động ăng ten phụ thuộc vào giá trị tụ điện, dẫn đến tăng diện tích chồng lấp 117 tụ điện tần số hoạt động ăng ten giảm ngược lại Kết mô tần số thay đổi theo giá trị diện tích vùng chồng lấp tụ điện thể Hình Trong đó, hiệu suất ăng ten giảm nhanh, từ 85% đến 63% thể Hình 10 Với kết này, dự đốn quy tắc việc tối ưu hóa kích thước ăng ten kèm với đánh đổi mặt hiệu suất Do đó, bước tiếp theo, giá trị 400 um2 cho khu vực chồng lấp tiến hành mơ Hình 9: Mất trở lại ăng ten so với vùng Điện cực Hình 10: Hiệu suất xạ vùng ăng ten điện cực Để mô tính linh hoạt ăng ten băng hẹp, giá trị khác độ điện thẩm lớp BST (từ 65 đến 95) tiến hành mô Như thảo luận trên, giá trị tải tụ biến, ăng ten thay đổi tần số hoạt động Tần số hoạt động phụ thuộc vào độ điện thẩm thay đổi lớp BST thể Hình 11 Kết mơ cho thấy, với giá trị giả định độ điện thẩm BST, ăng ten điều chỉnh để hoạt động liên tục phạm vi từ 4,8 đến 5,4 GHz với mức tổn hao hiệu suất tương đối ổn định 118 Hình 11: Mất trả lại ăng ten so với BST Permittivity Hình 12: Hiệu suất xạ ăng ten so với BST Permittivity Tương ứng với giá trị khác độ điện thẩm BST, tần số hoạt động ăng ten thay đổi từ 4,8 GHz thành 5,4 GHz tốc độ biến thiên 13% Tỷ lệ biến thiên - TR tính cơng thức: TR  f ( )  f ( max )  f ( )  f ( max ) / Trong f (εmax) f (εmin) tần số cộng hưởng ăng ten với giá trị độ điện thẩm tối thiểu tối đa tương ứng lớp BST Trong Hình 13, đồ thị xạ 3D ăng ten hiển thị Ăng ten xạ khe thơng thường có biến dạng nhẹ nguồn cấp điện không đối xứng tuyệt đối nguồn cấp vi dải ăng ten băng rộng hoạt động gương phản xạ Mức khuếch đại tối đa mà ăng ten đạt 5.4 GHz với giá trị 119 3.17 dB So sánh viết trước, hiệu ăng ten cải thiện cách đáng kể Hình 13: Mơ hình xạ mơ ăng ten đề xuất mức 5,4 GHz (độ điện thẩm BST = 65, điện cực tụ điện = 400 um) IV Kết luận Trong báo này, thiết kế tích hợp mạch ăng ten băng siêu rộng ăng ten khe có khả tự cấu hình đề xuất cho ứng dụng hệ thống vô tuyến khả tri Bằng cách tích hợp tụ điện biến dung sử dụng lớp BST đặt trung tâm khe khắc ăng ten băng siêu rộng, mẫu thiết kế đạt khả cấu hình lại với độ biến thiên 13% theo kết mô Hơn nữa, cách sử dụng khả biến thiên lớp BST để kiểm soát tần số hoạt động ăng ten bước đệm cho trình chế tạo đo lường mẫu ăng ten sau 120 Tài Liệu Tham Khảo [1] FCC Spectrum Policy Task Force, “Report of the Spectrum Efficiency Working Group,” FCC Tech Rep, 2002 [2] Y Tawk, J Costantine, K Avery, and C G Christodoulou, “Implementation of a Cognitive Radio Front-End Using Rotatable Controlled Reconfigurable Antennas,” IEEE Trans Antennas Propag., vol 59, no 5, pp 1773–1778, May 2011 [3] A Kantemur, A H Abdelrahman, and H Xin, “A novel compact reconfigurable UWB antenna for cognitive radio applications,” in 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, USA, 2017, pp 1369–1370 [4] A Mansoul, F Ghanem, M R Hamid, and M Trabelsi, “A Selective FrequencyReconfigurable Antenna for Cognitive Radio Applications,” IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol 13, pp 515–518, 2014 [5] B P Chacko, G Augustin, and T A Denidni, “Electronically Reconfigurable Uniplanar Antenna With Polarization Diversity for Cognitive Radio Applications,” IEEE Antennas Wirel Propag Lett., vol 14, pp 213–216, 2015 [6] H A Majid, M K A Rahim, M R Hamid, and M F Ismail, “Reconfigurable wide to narrow band antenna for cognitive radio systems,” in 2011 IEEE International RF & Microwave Conference, Seremban, Negeri Sembilan, Malaysia, 2011, pp 285–288 [7] G A Devi, J Aarthi, P Bhargav, R Pandeeswari, M A Reddy, and R S Daniel, “UWB frequency reconfigurable patch antenna for cognitive radio applications,” in 2017 IEEE International Conference on Antenna Innovations & Modern Technologies for Ground, Aircraft and Satellite Applications (iAIM), Bangalore, 2017, pp 1–4 [8] N K Pervez, P J Hansen, and R A York, “High tunability barium strontium titanate thin films for rf circuit applications,” Appl Phys Lett., vol 85, no 19, p 4451, 2004 [9] H V Nguyen and A Sharaiha, “Design of Miniaturized and Tunable Antenna by Integrating BST Thin Film Varactor,” in International Conference on Advanced Technologies for Communications, 2018, p [10] C Borderon, D Averty, R Seveno, and H W Gundel, “Preparation and Characterization of Barium Strontium Titanate Thin Films by Chemical Solution Deposition,” Ferroelectrics, vol 362, no 1, pp 1–7, 2008 121 ... dung lượng kênh trung bình hai đích tốn học mô tác động đồng thời fading kênh truyền, giao thoa đồng kênh khiếm khuyết phần cứng Các kết cho thấy ảnh hưởng đáng kể yếu tố nhiễu lên hiệu hệ thống... phỏng, giao thoa từ I đến nút chuyển tiếp lớn nút chuyển tiếp gần nguồn nhiễu I nút đích, nên việc chuyển tiếp khơng hiệu truyền trực tiếp Ví dụ, K=1 yI =0.2, khoảng cách từ nút chuyển tiếp đến... đích ký hiệu TK +1 TK + , với giúp đỡ K nút chuyển tiếp T1 , T2 , …, TK Giả sử, nguồn nhiễu I sử dụng băng tần với nguồn nút chuyển tiếp, nút gây nhiễu đồng kênh với nút thu mạng Ta giả sử tất