Phương thức lựa chọn relay trong truyền thông D2D với đa truy nhập phi trực giao

Bài viết phân tích đánh giá hiệu suất của sơ đồ NOMA với các thông số của kênh truyền gần như hoàn hảo, phân tích xác suất dừng và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống để xây dựng các mô hình toán học dựa trên mô hình hệ thống theo phương pháp xác suất, sau đó thực hiện so sánh mô phỏng Monte-Carlo để cho ra kết quả phù hợp.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SÀI GỊN SAIGON UNIVERSITY TẠP CHÍ KHOA HỌC SCIENTIFIC JOURNAL ĐẠI HỌC SÀI GÒN OF SAIGON UNIVERSITY Số 71 (05/2020) No 71 (05/2020) Email: tcdhsg@sgu.edu.vn ; Website: http://sj.sgu.edu.vn/ PHƯƠNG THỨC LỰA CHỌN RELAY TRONG TRUYỀN THÔNG D2D VỚI ĐA TRUY NHẬP PHI TRỰC GIAO Relay selection method in D2D communications with non-orthogonal multiple access ThS Phạm Minh Triết(1), ThS Đặng Hữu Phúc(2), ThS Kim Anh Tuấn(3) Trường Đại học Trà Vinh (1),(2),(3) TĨM TẮT Truyền thơng trực tiếp thiết bị với phương thức đa truy nhập phi trực giao (NOMA) thu hút nhiều quan tâm ứng cử viên cho mạng hệ thứ (5G) Trong nghiên cứu muốn đưa phương pháp để chọn kênh truyền tốt thiết bị người dùng thông qua chuyển tiếp khuếch đại (AF) dựa mô hình NOMA Nghiên cứu phân tích đánh giá hiệu suất sơ đồ NOMA với thông số kênh truyền gần hồn hảo, phân tích xác suất dừng yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống để xây dựng mơ hình tốn học dựa mơ hình hệ thống theo phương pháp xác suất, sau thực so sánh mơ Monte-Carlo kết phù hợp Từ khóa: 5G, D2D, NOMA, relay, xác suất dừng ABSTRACT Direct communication between the device to device with the non-orthogonal multi-access method (NOMA) has attracted a lot of interest and is a candidate for the 5th generation network (5G) This study had proviedea method to select the best transmission channel between user devices through amplifying and forward (AF) based on the NOMA scheme The study also analyzed the performance evaluation of the NOMA diagram assuming perfect transmission channel estimation, calculated the probability of stopping the device and the factors affecting the performance of the magnetic system Therefore, building a mathematical models based on the system model by probability method and compared to Monte-Carlo simulation Keywords: 5G, D2D, NOMA, relay, outage probability đích giải vấn đề nghẽn mạng giảm tải lưu lượng cho mạng di động đồng thời tăng cường hiệu phổ tăng trưởng lớn thiết bị di động kết nối Một ưu điểm (NOMA) người dùng sử dụng tài nguyên băng thông nhờ phân bổ tài ngun khơng trực giao nhiều Giới thiệu Đa truy nhập không phụ thuộc vào yếu tố trực giao truyền thông thiết bị thu hút nhiều ý giới công nghệ quan trọng mạng hệ Đây coi công nghệ đại áp dụng mạng di động với mục Email: minhtriet@tvu.edu.vn 142 PHẠM MINH TRIẾT cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN thiết bị truy cập vào mạng lúc Để cải thiện hiệu suất hệ thống tác giả [1] nghiên cứu giải pháp sử dụng NOMA kết hợp với mạng đa anten J Men J Ge đề xuất sơ đồ C-NOMA nhằm tối ưu tham số phân chia công suất phát [2] Nghiên cứu cải thiện công suất truyền mơ hình mạng chuyển tiếp [3] mơ tả nhóm Ding giúp tối ưu lượng hệ thống Trong thực tế hệ thống LTE hệ thống khác khơng thể thiếu kỹ thuật tiên tiến kỹ thuật lựa chọn thiết bị thu phát, kỹ thuật lựa chọn trạm relay, kỹ thuật chọn mơ hình.v.v Vì Nguyen cộng [4] thực phân tích phương pháp chọn relay dựa NOMA kết cho thấy relay NOMA cải thiện hiệu hệ thống, kết xây dựng phương trình tốn học tính xác suất dừng đưa giải pháp chuyển tiếp giải mã Decode-and-Forward (DF) sơ đồ hai giai đoạn Cũng liên quan đến kỹ thuật lựa chọn relay T L Nguyen Dinh-Thuan Do [5] nghiên cứu đưa phương trình tiệm cận gần tổng tốc độ trung bình chế độ Amplifying-and- Forward (AF) Nhóm S.Lee [6] nghiên cứu mơ hình kết hợp lựa chọn relay NOMA dựa yếu tố tương quan kênh Fading sau tính tốn xác xuất dừng mơ hình dựa hai giai đoạn Những kết tác giả cho thấy hiệu suất mơ hình phụ thuộc vào phương pháp chọn relay Sơ đồ đấu nối Device To Device (D2D) coi kỹ thuật tiên tiến giúp giảm lượng liệu truyền mạng nhờ thiết bị gần truyền không cần thông qua điều khiển trạm gốc Tận dụng ưu điểm D2D NOMA [7] Trong nghiên cứu cung cấp sơ đồ D2D-NOMA với phương thức tín hiệu truyền từ thiết bị phát đến thiết bị thu thông qua trạm relay đưa phương pháp lựa chọn phù hợp với ảnh hương kênh Fading Rayleigh xác định Với sơ đồ khắc phục hạn chế Men Ge [2] mơ hình dùng đa anten phát đa anten thu phí hệ thống cao phức tạp để tách tín hiệu đầu thu Ngoài kết nghiên cứu giải vấn đề sử dụng hiệu phổ, xây dựng cơng thức tính xác suất dừng gần công thức kiểm chứng phương pháp mơ để xác định tính xác phân tích NOMA Ưu điểm sơ đồ D2D-NOMA tìm lựa chọn kênh truyền tốt Mơ hình hệ thống Mơ hình đường xuống hệ thống NOMA bao gồm thiết bị ( U ), nhiều thiết bị khác ( U1 , U …) đặt cách ( U ) khoảng xa N thiết bị đặt trung gian ( U ) ( U1 , U …) ( R1 , R2 , , RN với N  ), U muốn truyền liệu đến ( U1 , U …) truyền đến N chuyển tiếp, khơng thể truyền đến thiết bị U1 , U U i chúng có khoảng cách xa Mỗi thiết bị có anten nên hoạt động chế độ bán song cơng Trong kiến trúc NOMA bao gồm hai khe thời gian liên tiếp Vì lựa chọn thiết bị chuyển tiếp dựa vào số thông số để lựa chọn Trong báo để đơn giản q trình tính tốn nên tác giả chọn hai thiết bị di động xa ( U ) để tính tốn ( U1 , U ) khơng tính thiết bị U i với ảnh hưởng 143 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 71 (05/2020) i  1,2 kênh Fading, nhiễu trắng U hU R  CN (0, U R ) Fading RN N U1 U N nhiễu trắng RN U i , M RN  CN (0, N0 ) , g RNUi  CN (0, RNUi ) M RNUi  CN (0, N0 ) kết hợp với dựa vào NOMA Hình Mơ hình hệ thống NOMA lựa chọn relay [8] Trong khe thời gian thứ nhất, U gửi liệu đến R1 , R2 , , RN thực theo công thức sau: xU0  1 PU0 xU01  2 PU0 xU02 nhiên (1) U R N N U R   P N0 1 H N 2 H N  (3) 02 SINR , xU02  2 H N (4) Với tín hiệu truyền tới từ U , chuyển tiếp truyền xR  GN yR đến ( U1 , (2) N N U ), độ lợi chuyển tiếp khe thời trung bình SNR U  N 1 PU xU 01   PU xU 02  M RN tính cách triệt nhiễu liên tiếp tính sau: Giả định công suất truyền nhau, PR  PR   PR  PU  P Tín hiệu nhiễu , xU01 Tại RN đường liên kết xU Dựa vào NOMA ta giả định 1  2 với 1  2  Tại RN tín hiệu nhận là:  QiN  U0 g RNUi sau: PU công suất phát U  hU0 RN 01 02 yRN  hU0 RN xU0  M RN tín hiệu nhiễu cho U  RN RN  Ui Trong khe thời gian thứ hai SINR RN đường liên kết chọn xU tính Với 1  hệ số phân bố công suất xU xU liệu cho U1 U 01 H N  U0 hU0 RN gian thứ hai tính sau: , biến ngẫu 144 PHẠM MINH TRIẾT cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN PRN GN2  PU0 hU0 RN 3.1 Xác suất dừng U1 để lấy (5)  N0 tín hiệu xU 01 Đầu tiên ta tính xác suất dừng nút chuyển tiếp chọn RN có liên quan Thơng tin tín hiệu truyền đến U1 U thông qua chuyển tiếp RN sau: * đến tín hiệu xU xU 01 Các hàm phân phối tích lũy (CDFs) biến ngẫu nhiên H N QiN theo công yRN U1  g RN U1 xRN  M RN U1 *  Gg RN U1 hU0 RN 1 PU0 xU01 Gg RN U1 hU0 RN  PU0 xU02  Gg RNU1 M RN  M RNU1 FH N  Gg RN U hU0 RN 1 PU0 xU01     th   1  exp   th  U R * N   U01  1 H N Q1N  H N Q1N  H N  Q1N  iN  (7) R U N , xU 02 N i (9)  R U N* i  U0 R *Ui N * Trong mơ hình NOMA xác suất dừng xảy thực chuyển tiếp khơng thành cơng, xác suất dừng tính tốn cơng thức sau:   O1  Pr  RNU1 , xU  th  FR U ,x (8) 01 N U01  th  (10) Trong Xác suất dừng hoạt động Để đảm bảo yêu cầu chất lượng dịch vụ đòi hỏi phải xem xét đến yếu tố xác suất dừng [8] Vì thiết bị mơ hình cung cấp ngưỡng SNR riêng  th , i  1,2 Bước kế F R U ,x N U01  1 H N * Q1N *  th   Pr    H N * Q1N *  H N *  Q1N *      th   1   Pr H N  Q1N   1   th   th  Q1N  th  th Dựa  (11) công thức (11), Q1N  1  2 th   th  xác suất dừng vào  ra, Q1N  1  2 th   th  Q1N  i tiếp phân tích xác suất dừng hai thiết bị gửi liệu đến U1 U Khi phân tích mơ hình ta giả định ngưỡng SINR ( U1 , U ) th  th  th U0 R *  U0 U0 R  * 1 H N Q2 N  H N Q2 N  H N  Q2 N   H N Q2 N  H N  Q2 N  n đại diện giá trị trung bình SNRs đường từ U  RN RN  Ui tính sau:   N* N 01 2, xU 0102 th   R U   th    exp   Trong chuyển tiếp đến U để loại bỏ xU , N      FQ SINR U đường truyền từ trạm R U N   N     (1) n 1 exp   th  U R * n 1  n  N  Theo khe thời gian thứ SINR U1 đường truyền từ trạm chuyển tiếp đến U1 tính sau:     N Gg RN U hU RN  PU xU 02  Gg RNU M RN  M RNU N * thức là: (6) yRN U  g RN U xRN  M RN U R U ,x 02  chắn xảy  th   th 1  th  xác suất dừng chưa xảy ra, có khơng Nên xác suất dừng tính sau: 145 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY F R N U1 , xU  th   FQ 1N 01  FQ 1N  FQ 1N     th         th     F H N  th loại trừ tín hiệu U1 , xác suất dừng U phụ thuộc vào xác suất dừng giai đoạn giai đoạn thứ hai Vì xác suất dừng U tính sau:     th      z  th   th   FH   N  z  1    th    th  th  No 71 (05/2020)   fQ1 N   z  dz       z 1   z  fQ1 N   z  dz 1      th   O2  Pr  RN U 2, xU     th  z  1  f F  z  dz  H N   Q1 N  z    th th    , f  x    e (12) N U 01  th  01 02  I1  Pr  RN U 2, xU 0102   th  N N     (1) n 1 n 1  n     FQ    th  1N     N N   1    (1) n 1  n 1  n      1 N1 1     (16) Trong 1  n  th   th  th U R R th N*     n   th  z  1     exp   f z dz    Q     U RN*  z   th    N     N N n 1     (1) R *U1 n 1  n  I  F R U ,x N * U 02 N     n   th  z  1   z   exp   exp             U RN*   RN*U1  th  z   th    N N     (1) n 1 n 1  n    k  exp    th     U R * R *U1 N N       N1      (13)  FQ Trong   n  th   th  th N* U2  th  (17)    Q2 N *     F R U ,x   th   Pr H N *     Q2 N * N * U 02 1   th     th     z  1        fQ  z  dz  FQ   th    FY *  2N N     N  z   th        dz   N U R R N*    H N * Q2 N *  Pr    R U ,x   th   N* U02 H *  Q *   N 2N    N*  (15) I2   n  exp    th     U R * R *U N N    th U , xU02 tín hiệu xU theo công thức (16): Ta được: F R U ,x N* Khi có xác suất dừng U1 để tìm tín hiệu xU , xác suất dừng U tìm x     th Pr  R I1 Với f hàm mật độ xác suất (PDF) kênh 0102       th    N  N  n n 1        (1) exp     U R * n  n 1      th N  2       N n n 1     (1)  exp    U R * R *U th n 1  n  N N  2  N U1 Kết xác suất dừng U1 để lấy tín hiệu xU phân tích mơ tả   th     z  1       exp   z th    R * U  N   z         N N n     (1) n 1  exp   th      U R * R *U n 1  n  N N   01   th      z  1         f  z  dz th    Q2 N   z           2 N1 2      dz   (18) Trong sau:   n N N O1     (1)n 1  exp    th    n    n 1   R *U1 N  U0 RN*      N1      (14) n 2  3.2 Xác suất dừng U để lấy tín hiệu xU th  th  1   2  2  O2  I1  I U R R N* (19) U N* 3.3 Các tiêu chí để lựa chọn relay Để tách tín hiệu xU U , trước tiên 02 Tại thiết bị U yêu cầu nhận 02 146 PHẠM MINH TRIẾT cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN thu tín hiệu xU 01 dựa công thức đưa sau so sánh với phương pháp mơ Monte Carlo Phương pháp mô Monte Carlo phương pháp thử thống kê biểu diễn nghiệm toán dạng tham số sử dụng dãy số ngẫu nhiên để xây dựng mẫu từ thu ước lượng thống kê tham số Nói cách khác, phương pháp Monte Carlo cung cấp lời giải gần cho tốn cách thực thí nghiệm lấy mẫu thống kê sử dụng số ngẫu nhiên thực cơng cụ tốn học Trong báo tất kết mô xử lý thông qua việc lấy trung bình thử nghiệm ngẫu nhiên khoảng 106 Trong báo kết nhóm tác giả dùng để đánh giá hiệu suất dừng hai thiết bị cách xa mơ hình NOMA với kết có theo phương pháp mơ Monte Carlo sau sử dụng lọc SIC để tách tín hiệu Vì thế, xác suất dừng để thu tín hiệu có liên quan đến U1 U nên thực sau:  S1   R *U2 , xU  th ,  R *U1 , x  th ,  RNU2, xU N 02 N U01 0102   th  O1  O2 (20) Tiêu chí lựa chọn relay xác định sau: n*  arg max U0 RN and H n*  max H n n 1,2 ,N (21) Trong U R SNR chuyển N tiếp N Kết mô Trong phần để mô tả xác suất dừng phương thức lựa chọn relay truyền thông D2D thực phương pháp mô tiến hành tương ứng Các tham số xác định giá trị cụ thể để đưa kết tương ứng để có so sánh phù hợp Những kết mơ xử lý phần mềm Matlab Hình Xác suất dừng U1 , 1  0.8 , U R  1, R U  10, th  N 147 N SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 71 (05/2020) Trong Hình kết mô hiển thị xác suất dừng SNR U số lượng khoảng cách hiệu suất tăng từ Hình ta thấy xác suất dừng số lượng relay hai ba gần điều có nghĩa xác suất dừng xảy số lượng chuyển tiếp Trong Hình chứng tỏ D2D-NOMA giúp tăng đáng kể hiệu suất dừng thiết bị thứ với SNR cao Đặc biệt đường cong dựa theo phân tích hồn tồn tương ứng với kết theo mơ Monte-Carlo chuyển tiếp thay đổi giúp chuyển tiếp tín hiệu để truyền thơng thiết bị gần với thiết bị xa Trong mô tác giả phân bổ cơng suất mơ hình NOMA cho thiết bị xa kết cho thấy mô hình đưa với nhiều trạm chuyển tiếp có nhiều ưu điểm so với mơ hình dùng nút relay Khi SNR lớn Hình Xác suất dừng U , 1  0.8 , U R  1, R U  1, th  N Trong hình số lượng relay cao xác suất dừng để tách tín hiệu U cải thiện với tất SNR có N nghĩa ta sử dụng nhiều trạm chuyển tiếp đem lại nhiều lợi ích, giúp nâng cao độ tin cậy mạng NOMA 148 PHẠM MINH TRIẾT cộng TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GỊN Hình So sánh xác suất dừng O1 O2 , 1  0.8 , U R  1, R U  10, R U  N Trong Hình cho thấy số lượng nút chuyển tiếp mơ hình ảnh hưởng nhiều đến xác suất dừng tất SNR Với số lượng trạm chuyển tiếp chọn giá trị SNR cụ thể thiết bị phát, U1 U có xác xuất dừng gần giống N N khác SNR lớn thấy việc thay đổi số lượng trạm chuyển tiếp mơ hình D2D-NOMA làm ảnh hưởng đến xác suất dừng mơ hình xác suất dừng cải thiện SNR tăng đáng kể Hình So sánh xác suất dừng hệ thống D2D-NOMA 149 SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No 71 (05/2020) Trong Hình mơ xác suất dừng hệ thống D2D-NOMA trường hợp dùng relay dùng ba relay Kết cho thấy hệ thống D2D-NOMA sử dụng ba relay xác suất dừng hệ thống cải thiện nhiều so với hệ thống sử dụng relay Kết luận Trong báo tác giả xây dựng mơ hình kết hợp D2D NOMA để đạt mục tiêu nâng cao hiệu phổ mơ hình xây dựng sơ đồ lựa chọn nút chuyển tiếp để có điều kiện kênh truyền tốt cho thiết bị Hiệu suất mơ hình đưa đánh giá dựa vào việc phân tích xác suất dừng phép toán, hệ số phân bố xác suất xác suất dừng mơ hình Thơng qua mô chứng minh kết tác giả đưa phù hợp Kết mô dễ dàng nhận số lượng nút chuyển tiếp ảnh hưởng lớn đến hiệu suất mơ hình Mơ hình tác giả đưa làm tăng hiệu phổ hệ thống dựa sơ đồ D2DNOMA TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J B Kim, M S Song, I-H Lee, “Achievable rate of best relay selection for nonorthogonal multiple access-based cooperative relaying systems”, International conference on information and communication technology convergence (ICTC), 960– 962, 2016 [2] J Men, J Ge, “Non-orthogonal multiple access for multiple-antenna relaying networks”, IEEE Communications Letters, 19(10), 1686–1689, 2015 [3] Z Ding, H Dai, H V Poor, “Relay selection for cooperative NOMA”, IEEE Communications Letters, 5(4), 416–419, 2016 [4] Tan N Nguyen, Dinh-Thuan Do, P T Tran and M Voznak, “Time Switching for Wireless Communications with Full-Duplex Relaying in Imperfect CSI Condition”, KSII Transactions on Internet and Information Systems, 10(9), 4223-4239, 2016 [5] T L Nguyen, Dinh-Thuan Do, “A new look at AF two-way relaying networks: energy harvesting architecture and impact of co-channel interference”, Annals of Telecommunications, 72(11), 669-678, 2017 [6] S Lee, D B da Costa, T Q Duong, “Outage probability of Non-Orthogonal Multiple Access Schemes with partial Relay Selection”, 2016 IEEE 27th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), 1–6, 2016 [7] M Xu, F Ji, M W Wen, W Duan, “Novel receiver design for the cooperative relaying system with non-orthogonal multiple access”, IEEE Communications Letters, 20(8), 1679–1682, 2016 [8] Deyue Zou, Dan Deng, Yanyi Rao, Xingwang Li, Kai Yu, “Relay selection for cooperative NOMA system over correlated fading channel”, Article in Physical Communication, 1-7, 2019 Ngày nhận bài: 09/7/2019 Biên tập xong: 15/5/2020 150 Duyệt đăng: 20/5/2020 ... lựa chọn relay xác định sau: n*  arg max U0 RN and H n*  max H n n 1,2 ,N (21) Trong U R SNR chuyển N tiếp N Kết mô Trong phần để mô tả xác suất dừng phương thức lựa chọn relay truy? ??n thông. .. sơ đồ D2D- NOMA với phương thức tín hiệu truy? ??n từ thiết bị phát đến thiết bị thu thông qua trạm relay đưa phương pháp lựa chọn phù hợp với ảnh hương kênh Fading Rayleigh xác định Với sơ đồ khắc... kỹ thuật lựa chọn trạm relay, kỹ thuật chọn mơ hình.v.v Vì Nguyen cộng [4] thực phân tích phương pháp chọn relay dựa NOMA kết cho thấy relay NOMA cải thiện hiệu hệ thống, kết xây dựng phương trình