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

Nghiên cứu cũng 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 thốn[r]

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)

(1),(2),(3)Trường Đại học Trà Vinh

TÓM TẮT

Truyền thông 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 mơ 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 mô 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

1 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

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 cơng 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 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

2 Mơ hình hệ thống

Mơ hình đường xuống hệ thống NOMA bao gồm thiết bị (U0), nhiều thiết bị khác (U1, U2…)

đặt cách (U0) khoảng xa N thiết bị

đặt trung gian (U0) (U1, U2…)

(R ,1 R2, ,RN với N 1), U0 muốn truyền

dữ liệu đến (U1, U2…) truyền

đến N chuyển tiếp, khơng

thể truyền đến thiết bị U1, U2và Ui

bởi chúng có khoảng cách xa Mỗi thiết bị có anten nên hoạt động chế độ bán song công 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 (U0) để tính tốn (U1,

2

của kênh Fading, nhiễu trắng U0

N

R 0 (0, 0 )

N N

U R U R

h  CN  Fading

0

(0, )

N

R CN N

M  , nhiễu trắng RN Ui,

1,2

i (0, )

N i N i

R U R U

g  CN  (0, 0)

N i

R U CN N

M 

1

U U2 kết hợp với dựa vào

NOMA

Hình 1. Mơ hình hệ thống NOMA lựa chọn relay [8]

Trong khe thời gian thứ nhất, U0

gửi liệu đến R ,1 R2, ,RN thực theo công thức sau:

0 01 02

U U U U U

x  P x   P x (1)

Với 1 2 hệ số phân bố

công suất

01 U

x xU02 liệu cho U1 U2

0 U

P công suất phát U0

Dựa vào NOMA ta giả định   1 với

1    

TạiRN tín hiệu nhận là:

 

0

0 01 02

N N N

N N

R U R U R

U R U U U U R

y h x M

h P x P x M

 

     (2)

Giả định công suất truyền nhau,

1 N

R R R U

P P  P P P Tín hiệu nhiễu

trung bình SNR

0

0

U P N

  , biến ngẫu

nhiên

0

2

N

N U U R

H  h

0

2 N i

iN U R U

Q  g

tín hiệu nhiễu cho U0RN

N i

R U

Trong khe thời gian thứ hai SINR N

R đường liên kết chọn xU01 tính

như sau:

0 01 ,

2

N U

N U R x

N

H H

  

  (3)

Tại RN đường liên kết xU02 SINR

được tính cách triệt nhiễu liên tiếp tính sau:

0 N,U02

U R x HN

   (4)

Với tín hiệu truyền tới từ U0,

chuyển tiếp truyền

N N

R N R

x G y đến (U1,

2

U ), độ lợi chuyển tiếp khe thời

0 2 N N R N

U U R

P G

P h N



 (5)

Thông tin tín hiệu truyền đến U1

và U2 thơng qua chuyển tiếp RN

như sau:

1 1

1 0 01

1 0 02 1

1

2

N N N N

N N

N N N N N

R U R U R R U

R U U R U U

R U U R U U R U R R U

y g x M

Gg h P x

Gg h P x Gg M M

 

 

    (6)

2 2

2 0 01

2 0 02 2

1

2

N N N N

N N

N N N N N

R U R U R R U

R U U R U U

R U U R U U R U R R U

y g x M

Gg h P x

Gg h P x Gg M M

 

 

   

Theo khe thời gian thứ SINR

1

U đường truyền từ trạm chuyển tiếp

đến U1 tính sau:

1 01

1 ,

2 1

N U

N N

R U x

N N N N

H Q

H Q H Q

  

    (7)

SINR U2 đường truyền từ trạm

chuyển tiếp đến U2 để loại bỏ xU01,

tính sau:

2, 01 02

1

2 2

N U

N N

R U x

N N N N

H Q

H Q H Q

        02 2 ,

2

N U

N N R U x

N N

H Q

H Q

  

  (8)

3 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

i th

 ,i1, Bước kế

tiếp phân tích xác suất dừng hai thiết

bị gửi liệu đến U1 U2 Khi

phân tích mơ hình ta giả định ngưỡng

SINR (U1, U2)

1

th th th

  

3.1 Xác suất dừng U1 để lấy

tín hiệu xU01

Đầu tiên ta tính xác suất dừng

nút chuyển tiếp chọn RN*có liên quan

đến tín hiệu xU01và xU02

Các hàm phân phối tích lũy (CDFs)

của biến ngẫu nhiên *

N

H *

iN

Q theo công

thức là:   * * 1 exp exp

1 ( )

N N N th H th n n N U R N n U th R F N n                                         * exp i iN N t R Q th U h

F  

          

 (9)

Trong

*

0RN U0N

U  U R

  và *i 0 *i

N N

R U U R U

  

đại diện giá trị trung bình SNRs đường từ U0RN*vàRN* Ui

Trong mơ hình NOMA xác suất dừng xảy thực chuyển tiếp khơng thành cơng, xác suất dừng tính tốn cơng thức sau:

 1  ,  

01 01

1 R U xN ,U th R U xN U th

O  Pr    F  (10)

Trong         * * , 01 * * * * 1

2 1

1 1 Pr P r

R U xN U

N N

th th

N N N N

th th th th

N N N

H Q

H Q H Q

H Q Q

F 

                           

 (11)

Dựa vào công thức (11),

 

1N th th

Q        xác suất dừng chắn xảy ra,

 

1N th th

Q       1

1

th

th N

th

Q  



    

 

   

 

   

,

1 01

1 1 1 1

R U xN U N

N N

th

N N N

th

N N N

th th th Q th th H Q th th th

Q H Q

th

th th

Q H Q

th F F z F f z z F F z dz z dz z dz f z z

F F f

z                                                                                           

 (12)

Với f hàm mật độ xác suất (PDF)

của kênh ,   x

f x e 

   Ta được:         * *1 ,

1 01

1 * 1 1 1 exp 1 1 ex ( ) p ) ( R U xN N

N N U th N N th th Q n th Q th n th t N n h U R N

n R U

U R N n z d F F z n f z N z n z n z                                                                                          *1

0 * *1

1

1 exp

1 ( 1

exp 2

) N t N N h n t R U N n

U R R U

h z d k N N n z                                             (13) Trong

0 N* N*

th th th

U R R U

n

 

  

  

Kết xác suất dừng U1 để lấy

được tín hiệu

01

U

x phân tích mô tả

sau:

 

0 * *

1

1

1

1 ( )

1 exp 2

N N

n N

n U R

t U h R N n n O N                             

 (14)

3.2 Xác suất dừng U2 để lấy

tín hiệu

02

U x

Tại thiết bị U2 yêu cầu nhận

và loại trừ tín hiệu U1, xác suất dừng

ở U2 phụ thuộc vào xác suất dừng giai

đoạn giai đoạn thứ hai Vì

xác suất dừng U2được tính sau:

 2, 01 02   

1

* 2, 02

2 R U xN U th RNU U th

I I

x

O Pr   Pr  



   (15)

Khi có xác suất dừng U1 để tìm

tín hiệu xU01, xác suất dừng U2 tìm

được tín hiệu

02

U

x theo công thức (16):

    2, * * 012 1

1 1 1 1 ex ( 2 ) p N U N N

R U x N n U R h R t U th n N n I Pr n N                                      (16) Trong

0 * *

N N

th th t

U R R U

h

n  

 

  

 

, * 02

* *

, * 02

* * 2 2 Pr

R U xU N

R U xU N th N N th N N H Q H Q

I F

            

    (17)

        * * ,

* 02 *

* * 2 2 2 2 2 2 1 Pr 1 1 (1) exp

RNUxU

N N N

N N N th N N th th th

Q Y Q

th th n th Q t N

n U R h

Q H

Q

z

F F f z dz

z z n F F n z N                                                                                                

*2 *

2

*2

0 * *2 2 2 1

( ) ex

1

1 exp

1 1) exp

p ( N N t t N N N h N h N

n R U U R R U

N

n U R

Q th n th n U h R t N z n

f z dz

z n dz n N z n                                                                                              

2

2 N 

         (18) Trong

0 * *

2

2

1

N N

th th

U R R U

n 

           

 O2 I1 I2 (19)

3.3 Các tiêu chí để lựa chọn relay Để tách tín hiệu

02

U

nó thu tín hiệu

01

U

x sau sử

dụng lọc SIC để tách tín hiệu Vì thế, xác suất dừng để thu tín hiệu có

liên quan đến U1 U2 nên thực

như sau:

 * 02 * 01 2, 01 02  R U xN ,U th, R U xN ,U th, R U xN U th

S       O O



      (20)

Tiêu chí lựa chọn relay xác định sau:

0

*

arg max

N

U R

n   and *

1,2 ,N max n n

n

H H



 (21)

Trong

0 N U R

 SNR chuyển

tiếp N

4 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 mô xử lý phần mềm Matlab

dựa cơng thức đưa sau so sánh với phương pháp mô 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

trong khoảng

10 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 mô Monte Carlo

Trong Hình kết mơ hiển

thị xác suất dừng SNR U0 số lượng

các 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 mơ hình đưa với nhiều trạm chuyển tiếp có nhiều ưu điểm so với mơ hình dùng nút relay Khi SNR lớn

thì 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

Hình 3. Xác suất dừng U2,  1 0.8, U R0 N 1,R UN 1,th1

Trong hình số lượng relay cao xác suất dừng để tách tín hiệu

2

U cải thiện với tất SNR có

Hình 4. So sánh xác suất dừng O1 O2,  1 0.8, U R0 N 1,R UN 10,R UN 1

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,

tại U1 U2có xác xuất dừng gần giống

nhau 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

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

5 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 Thông qua mô chứng minh kết tác giả đưa phù hợp Kết mơ 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 D2D-NOMA

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] J B Kim, M S Song, I-H Lee, “Achievable rate of best relay selection for

non-orthogonal 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