Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA trong mạng 5g

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG -oo0oo HỆ THỐNG THÔNG TIN SỐ Đề tài: Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA mạng 5G A survey of Non-Orthogonal Multiple Access for 5G Học viên thực : PHẠM QUỐC CƯỜNG Lớp : K35DTCH Giảng viên hướng dẫn: PGS TS BÙI THỊ MINH TÚ Đà Nẵng, - 2018 MỤC LỤC I Tổng quan phát triển kỹ thuật đa truy cập II Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA Nguyên lý So sánh dung lượng kênh truyền hệ thống OMA NOMA 2.1 Kênh truyền có nhiễu AWGN 2.2 Kênh truyền fading Ưu điểm kỹ thuật đa truy cập NOMA so với OMA Các phương thức thực thi kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA 4.1 Kỹ thuật NOMA miền công suất 4.2 Kỹ thuật NOMA miền mã So sánh kỹ thuật thực thi NOMA 10 III Hướng nghiên cứu đề xuất .10 I Tổng quan phát triển kỹ thuật đa truy cập Ngày với phát triển vũ bão khoa học kỹ thuật thời kỳ cách mạng công nghiệp 4.0 với xu hướng công nghệ IoT, Big Data, AI, … nhu cầu truyền thơng với tốc độ liệu cao quan trọng Để đáp ứng với xu thơng tin di động phải có bước chuyển mặt công nghệ tất yếu thể qua phát triển hệ thống thông tin liên lạc 1G 4G/LTE 4G/LTE-A tạo bước đệm để triển khai công nghệ truyền thông 5G H1 Các kỹ thuật đa truy cập thơng tin di động Hình minh họa cho kỹ thuật đa truy cập trực giao (OMA) triển khai nhà mạng viễn thông nay, để phát triển thông tin di động 5G kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA hứa hẹn nâng hiệu sử dụng tài nguyên vô tuyến phục vụ cho truyền thông băng rộng tương lai II Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA Nguyên lý Đối với kỹ thuật đa truy cập OMA, user cấp phát tài nguyên trựa giao mặt tần số, thời gian, mã kết hợp tần số thời gian lý thuyết khơng có nhiễu user hệ thống OMA nhiên số lượng user bị giới hạn tùy thuộc vào tài nguyên khả dụng hệ thống Đây hạn chế làm cho kỹ thuật OMA khơng cịn thích hợp cho thơng tin di động u cầu số lượng kết nối lớn 5G Đặc trưng bật kỹ thuật đa truy cập NOMA hỗ trợ số lượng user lớn số lượng khe tài nguyên trực giao nhờ việc cấp phát tài nguyên phi trực giao (non-orthogonal) Kỹ thuật NOMA chia thành loại:  Kỹ thuật NOMA miền công suất (Power-domain NOMA): với kỹ thuật này, user khác dùng chung tài nguyên thời gian – tần số - mã cấp phát mức công suất khác dựa vào chất lượng kênh truyền Tại phía máy thu  Kỹ thuật NOMA miền mã (Code-domain NOMA): kỹ thuật tương tự kỹ thuật CDMA CDMA đa sóng mang MC-CDMA (MultiCarrier-CDMA) với khác biệt sử dụng chuỗi mật độ thấp chuỗi phi trực giao có độ tương quan thấp So sánh dung lượng kênh truyền hệ thống OMA NOMA 2.1 Kênh truyền có nhiễu AWGN Theo lý thuyết thông tin, dung lượng kênh đa truy cập hệ thống sử dụng kỹ thuật OMA NOMA với xuất nhiễu AWGN tuân theo công thức (1) Hướng uplink kênh AWGN hỗ trợ K user, dung lượng kênh đa truy cập là: K  Pi  K  i 1 Ri  W log    N 0W  i 1         (1) với băng thông W , Pi công suất phát N mật độ phổ cơng suất nhiễu Gaussian Hình cho thấy dung lượng kênh truyền hệ thống sử dụng kỹ thuật OMA tối ưu so với kỹ thuật NOMA trừ số điểm định H2 So sánh dung lượng kênh truyền hệ thống OMA NOMA kênh truyền AWGN hướng uplink với a) Kênh truyền đối xứng b) Kênh truyền bất đối xứng Hình cho thấy đường biên tốc độ kỹ thuật NOMA hoàn toàn vượt trội so với OMA kênh truyền bất đối xứng H3 So sánh dung lượng kênh truyền hệ thống OMA NOMA kênh truyền AWGN hướng downlink với a) Kênh truyền đối xứng b) Kênh truyền bất đối xứng 2.2 Kênh truyền fading Trong kênh truyền fading, dung lượng tổng hướng uplink với điều kiện thông tin kênh truyền CSI biết máy thu biểu diễn công thức: Csum K   h Pave      k 1 k   E log     N0     (2) với điều kiện user có mức cơng suất trung bình Pave Ưu điểm kỹ thuật đa truy cập NOMA so với OMA Nâng cao hiệu sử dụng phổ tốc độ user biên cell (cell-edge throughput) Hỗ trợ kết nối đồng thời số lượng user lớn phương pháp cấp phát tài nguyên phi trực giao không bị hạn chế tài nguyên trực giao khả dụng hệ thống Giảm độ trễ truyền dẫn thủ tục báo hiệu Phản hồi trạng thái kênh truyền CSI không cần nghiêm ngặt sử dụng kỹ thuật NOMA miền cơng suất phản hồi CSI từ user hướng uplink sử dụng cho việc cấp phát công suất hướng downlink Các phương thức thực thi kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA 4.1 Kỹ thuật NOMA miền cơng suất Tại phía máy phát, tín hiệu từ user khác chồng chập trực tiếp lên sau điều chế mã hóa kênh, user sử dụng chung tài nguyên miền thời gian miền tần số Tại phía máy thu tín hiệu tách sóng kỹ thuật tách sóng đa người dùng MUD (MUtiuser Detection) thuật toán khử nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation) H4 Kỹ thuật NOMA miền công suất: a) NOMA sử dụng máy thu SIC b) NOMA hệ thống MIMO c) NOMA hệ thống sử dụng kỹ thuật phối hợp đa điểm CoMP Hệ thống NOMA miền công suất đơn anten sử dụng máy thu SIC gồm trạm gốc BS (Base Station) phục vụ K user khảo sát Ở hướng downlink, tổng công suất cấp phát cho K user P , BS phát tín hiệu xi tới user thứ i với hệ số tỉ lệ cơng suất pi , đó, tổng tất tín hiệu BS là: K x   pi xi (3) i 1 Tín hiệu yi nhận user thứ i là: yi  hi x  vi (4) với hi đáp ứng kênh truyền BS user thứ i , vi có mật độ công suất N i biểu diễn nhiễu Gaussian nhiễu cell ICI (Inter Cell Interference) Tại máy thu tách sóng đa người dùng MUD, thuật tốn khử nhiễu liên tiếp SIC sử dụng để khôi phục lại tín hiệu phát Giả sử việc giải mã tín hiệu hồn hảo tốc độ đạt user thứ i là:     pi hi   Ri  W log    i 1   N iW    p j  hi      j 1    (5) trường hợp user Hình 4a, giả sử đáp ứng kênh truyền chuẩn hóa user thấp so với user h / N1  h2 / N p1  p2 User tách tín hiệu 2 cách xem tín hiệu user nhiễu, user tách tín hiệu user sau lấy tín hiệu tổng thu trừ để khử nhiễu từ tín hiệu user Băng thơng truyền dẫn chuẩn hóa 1Hz tốc độ liệu user user là:  p1 h1  R1  log 1     N   (6)   p2 h2 R2  log       p h N 2   (7) Nhờ vào việc điều chỉnh hệ số cấp phát cơng suất, BS điều chỉnh tốc độ liệu user Kỹ thuật NOMA tận dụng khác độ lợi kênh truyền user để khắc phục tượng gần-xa thơng tin di động đạt hiệu sử dụng phổ cao so với OMA thể dung lượng tổng kênh truyền tốc độ liệu user biên cell cao Ở hướng uplink, tín hiệu thu trạm gốc BS là: K y   hi pi xi  v (8) i 1 với pi xi cơng suất phát tín hiệu phát từ user thứ i v có mật độ cơng suất N nhiễu Gaussian nhiễu từ cell khác phát tới Trạm gốc sử dụng thuật tốn SIC để khơi phục tín hiệu phát user khác Tốc độ truyền liệu đạt hướng uplink user thứ i là:     pi hi  Ri  W log   K  N 0W   h j p j   j i 1   (9) Bài báo giới thiệu khái quát hệ thống thông tin phức tạp tích hợp kỹ thuật NOMA như: hệ thống NOMA-MIMO, hệ thống thông tin hợp tác CNOMA (Cooperative NOMA), hệ thống NOMA-CoMP (Coordinated Multi-Point), … 4.2 Kỹ thuật NOMA miền mã Kỹ thuật NOMA miền mã lấy ý tưởng từ hệ thống CDMA cổ điển, user sử dụng chung tài nguyên thời gian – tần số phân biệt với nhờ chuỗi trải phổ đặc trưng Sự khác biệt lớn NOMA miền mã so với CDMA sử dụng chuỗi trải phổ thưa chuỗi phi trực giao có độ tương quan chéo thấp Bài báo trình bày dạng ban đầu hệ thống NOMA dựa chuỗi trải phổ thưa LDSCDMA Sau phát triển thành hệ thống truyền dẫn đa sóng mang OFDM sử dụng LDS (LDS-OFDM) với ưu điểm chống nhiễu xuyên ký tự ISI, hệ thống LDS-CDMA sử dụng thuật tốn tách sóng MUD, hệ thống SCMA, MUSA, SAMA Hệ thống LDS-CDMA thiết kế để hạn chế lượng nhiễu đặt chip hệ thống CDMA thông thường nhờ kỹ thuật trải mật độ thấp LDS Tất ký tự phát điều chế vào chuỗi trải phổ thưa, dựa cách này, user sử dụng số lượng chip để trải liệu Hình Do số lượng tín hiệu chồng chập chip nhỏ số lượng user hoạt động, điều giúp cho nhiễu đặt chip giảm đáng kể H5 Minh họa hệ thống LDS-CDMA: user sử dụng chip để truyền dẫn, giá trị usertải chuẩn hóa 150% Tín hiệu nhận chip thứ n hệ thống LDS-CMDA biễu diễn dạng: yn   kN  n  g n ,k sn ,k xk  wn   kN  n  hn ,k xk  wn (10) với tập hợp user có chuỗi trải phổ thưa tồn thành phần khác chip thứ n , có nghĩa N  n   k | sn ,k  0 Tại máy thu MUD sử dụng thuật toán MPA (Message Passing Algortihm) để ước lượng giá trị x phát theo công thức: xˆk  arg max aX  p  x | y (11) ~xk  xk  a H6 Biểu diễn đồ thị hệ số thuật toán MPA So sánh kỹ thuật thực thi NOMA Các kỹ thuật thực thi NOMA so sánh với độ phức tạp tính tốn:   , với K o NOMA miền cơng suất có độ phức tạp O X K số lượng user X số lượng phần tử tập chòm tín hiệu X   , với w số lượng cực đại o NOMA miền mã có độ phức tạp O X w tín hiệu chồng chập chip sóng mang phụ III Hướng nghiên cứu đề xuất Phân tích tốc độ mặt lý thuyết đạt biên tải (overloading bound) hệ thống sử dụng kỹ thuật NOMA miền mã LDS sau đưa biểu thức thể mối quan hệ tốc độ cực đại tham số LDS độ thưa chuỗi hệ số tải Nghiên cứu thiết kế tín hiệu tham chiếu (reference signal), kỹ thuật ước lượng kênh truyền, chế phản hồi trạng thái kênh CSI để nâng cao hiệu hệ thống NOMA nhiễu chéo user tăng Đề xuất sử dụng linh hoạt SU-MIMO MU-MIMO hệ thống NOMA nhằm nâng cao dung lượng, thuật toán làm giảm tượng PAPR (Peak to Average Power Ratio) hệ thống NOMA đa sóng mang H7 Kỹ thuật đa truy cập định nghĩa phần mềm SoDeMA Nghiên cứu kỹ thuật SoDeMA (Software Defined Multiple Access) để tận dụng ưu điểm kỹ thuật OMA NOMA điều kiện cụ thể tồn đồng thời kỹ thuật tương hỗ giúp cho hệ thống mạng thông tin hoạt động cách linh hoạt hiệu Khi số lượng user tượng gần xa 10 (near-far) không đáng kể trường hợp sử dụng small cell kỹ thuật đa truy cập OMA tốt so với NOMA Tuy nhiên số lượng kết nối lớn (massive connectivity) có xuất hiện thượng gần-xa trường hợp sử dụng macro cell NOMA cho hiệu tốt Do đó, cấu hình mạng thích nghi với điều kiện vô tuyến giải pháp kỹ thuật tương lai 11 ... động 5G kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA hứa hẹn nâng hiệu sử dụng tài nguyên vô tuyến phục vụ cho truy? ??n thông băng rộng tương lai II Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA Nguyên lý Đối... 2.2 Kênh truy? ??n fading Ưu điểm kỹ thuật đa truy cập NOMA so với OMA Các phương thức thực thi kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA 4.1 Kỹ thuật NOMA miền công... triển kỹ thuật đa truy cập II Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA Nguyên lý So sánh dung lượng kênh truy? ??n hệ thống OMA NOMA 2.1 Kênh truy? ??n có nhiễu