Hai cơ chế đa truy cập riêng biệt được sử dụng cho mạng LTE là OFDMA tại đường xuống và SC-FDMA tại đường lên.
Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với phương pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn được gọi COFDM (code OFDM). Trong hệ thống này tín hiệu trước khi được điều chế OFDM sẽ được mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đường truyền. Do chất lượng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang con là khác nhau, người ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Kỹ thuật này đã được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở châu Âu. Trên thế giới hệ thống này được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a.
CHƯƠNG 2:
ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG
Kết nối vật lý cơ bản trong mạng di động được gọi là công nghệ truy cập vô tuyến, được thực hiện bởi một mạng truy nhập vô tuyến (RANradio access network). Một RAN về cơ bản sử dụng một kỹ thuật truy cập kênh để cho phép các thiết bị đầu cuối di động được kết nối với mạng truy cập. Việc thiết kế một kỹ thuật đa truy cập phù hợp là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong việc nâng cao năng lực hệ thống.
Đa truy cập cho phép nhiều người dùng chia sẻ kênh truyền thông một cách hiệu quả. Người gửi tín hiệu một cách độc lập tới người nhận thông thường thông qua các kênh tương ứng. Việc truyền phải nằm trong phạm vi băng thông của toàn bộ hệ thống với những hạn chế về năng lượng của người sử dụng. Thông thường, việc truyền tải dữ liệu từ người dùng phải được phối hợp và đồng bộ với các trạm cơ sở, sao cho các tín hiệu nhận được kết hợp. Đa truy cập có thể dựa trên cơ chế đa truy cập trực giao (OMA) và đa truy cập phi trực giao (NOMA) [7].
Đa truy cập trực giao (OMA) cho phép người dùng truy cập các kênh trực giao sao cho không có nhiễu vào dạng sóng tín hiệu của người dùng kia. Do đó, tín hiệu từ máy thu phát cho mỗi cặp người dùng không có nhiễu từ cặp người dùng khác với lỗi tương tự như của một cặp người dùng. Cơ chế đa truy cập trực giao cho phép bộ thu hoàn hảo tách hoàn toàn các tín hiệu không mong muốn khỏi tín hiệu mong muốn khi sử dụng các chức năng cơ bản khác nhau. Đa truy cập hợp kênh phân chia thời gian (TDMA) và đa truy cập hợp kênh phân chia tần số (FDMA) và đa truy cập hợp kênh phân chia tần số trực giao (OFDMA) là một vài ví dụ về các chương trình OMA.
NOMA là một công nghệ đầy hứa hẹn nhằm tăng cường thông lượng hệ thống và độ tin cậy cao [11]. NOMA cho phép nhiều người dùng chia sẻ tài nguyên thời gian và tần suất trong cùng một lớp không gian thông qua chồng chất tuyến tính đơn giản hoặc mul-tiplexing tên miền. Trong OMA, mặc dù người dùng ghép kênh trực giao có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tượng giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của
kênh. Tuy nhiên việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh được nhiễu phân tập đa đường nhưng làm giảm đi một phần hiệu suất sử dụng đường truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích. Ngược lại với OMA, NOMA cho phép phân bổ một kênh tần số cho nhiều người dùng cùng một lúc trong cùng một tế bào và mang lại một số lợi thế, bao gồm hiệu suất phổ được cải thiện, cao hơn tế bào LTE-A, phản hồi kênh thoải mái (chỉ nhận được cường độ tín hiệu, thông tin trạng thái kênh chính xác), và độ trễ truyền thấp. Các kỹ thuật NOMA sẵn có có thể được thực hiện trong các miền: NOMA miền công suất (Power-Domain), NOMA miền mã (Code- Domain) và 1 số miền khác: NOMA PDMA.
2.2 TRUY CẬP NOMA MIỀN MÃ –WCDMA
Giống như kĩ thuật đa truy cập hợp kênh theo mã (CDMA), Code-Domain NOMA chia sẻ toàn bộ tài nguyên có sẵn thời gian - tần số. Nhưng Code-Domain NOMA sử dụng chuỗi (dãy) trải người dùng cụ thể hoặc là các dãy thưa thớt hoặc các dãy tương quan chéo phi trực giao với hệ số tương quan thấp
2.2.1 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA)
Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) được minh họa trong Hình 2.14, ban đầu được phát triển cho quân đội để cho phép nhiều người dùng M truyền tải trên mạng cùng một lúc. Nó được thực hiện bằng cách nhân dữ liệu của mỗi người sử dụng với một trong những dãy trải duy nhất 𝑊[𝐶𝐷𝑀𝐴]. Mã trải được tổ hợp chuẩn
hóa N chip. Mã trải làm tốc độ truyền cao hơn nhiều so với tốc độ của người dùng dẫn dến việc băng thông được mở rộng. Máy thu biết rõ mã trải của mình sẽ giải phóng tín hiệu thu được trở lại băng thông ban đầu và trong quá trình này, hủy bỏ hoặc giảm thiểu nhiễu từ những người dùng khác.
Bản chất băng rộng của WCDMA làm cho nó rất dễ bị trải trễ giữa các tuyến độc lập ảnh hưởng đến thu kết hợp để có độ phân tập cao và loại bỏ ảnh hưởng fading đa đường. Hơn nữa, truyền tín hiệu qua băng thông lớn dẫn đến khả năng phục hồi giảm do nhiễu theo băng thông lớn hơn, mức tín hiệu bị ẩn trong ồn. Ngoài ra, số lượng người dùng tối đa trên một kênh nhất định có tỷ lệ bit bằng nhau được giới hạn bởi số lượng các dãy trải phổ.
2.2.2 Trải mật độ thấp (LDS)
Trải mật độ thấp (LDS-CDMA) là một phiên bản được cải tiến của CDMA với các dãy trải thưa được sử dụng thay vì các dãy trải có mật độ thông thường. Số lượng các dãy trải khác không nhỏ hơn nhiều so với CDMA, dẫn tới nhiễu giữa các chuỗi ít hơn tức là 𝑊[𝐿𝐷𝑆]<<𝑊[𝐶𝐷𝑀𝐴]. Trong khi các dãy trải trực
giao sẽ làm giảm đáng kể nhiễu của người sử dụng, chúng thường không được thiết kế cho kênh quá tải.
Tại máy thu, SIC hoặc bộ phát hiện đơn giản được gọi là thuật toán truyền tin (Message-Passing Algorithm - MPA) có thể được sử dụng để phát hiện đa người dùng (MUD). Trong MPA, một trạm có thể biến đổi biểu diễn biểu tượng truyền và tham số trạm tương ứng với tín hiệu nhận được ở mỗi chip.Độ tin cậy của các biểu tượng được tráo đổi giữa các trạm giúp cải thiện hiệu suất lỗi. Hơn nữa, giả sử số lượng người dùng tối đa được chồng chất lên cùng một chip w, do cấu trúc LDS, độ phức tạp thu là O(Qw)
so với tới O(QM), M > w cho CDMA thông thường. Trong đó Q biểu thị bậc chòm sao. Một ưu điểm nữa là LDS-CDMA có thể được chuyển đổi trực tiếp sang LDS- OFDM, tại đó chip được thay thế bởi các sóng mang con trong OFDM.
Hệ thống hợp kênh phân chia tần số trực giao LDS (hay LDS-OFDM) có thể được coi là một phiên bản kết hợp của LDS-CDMA và OFDM, trong đó chip được thay thế bởi sóng mang con của OFDM nhằm chống lại fading đa đường. Trong LDS- OFDM, các ký hiệu được truyền trước tiên được ánh xạ tới các dãy LDS nhất định, sau đó truyền đi trên các sóng mang con OFDM khác nhau. Số ký hiệu có thể lớn hơn số sóng mang con, nghĩa là quá tải được phép cải thiện hiệu quả phổ. Thuật toán thông qua (MPA) trong LDS-CDMA cũng có thể được sử dụng trong bộ thu LDS-OFDM. Về cơ bản, LDS-OFDM có thể được xem như là một dạng cải tiến của CDMA đa sóng mang (MC-CDMA) bằng cách thay thế các dãy trải mật độ thông thường với LDS.
Do cấu trúc biểu tượng mật độ thấp, mọi biểu tượng dữ liệu sẽ chỉ được truyền trên một tập con nhỏ các sóng mang con (hiệu quả điều chế đạt được) và cũng sẽ được sử dụng tất cả các sóng mang con bởi một tập con nhỏ các biểu tượng dữ liệu có thể thuộc về người dùng khác nhau. Cấu trúc LDS có thể bị chiếm bởi mật độ, do đó, tương tự như việc áp dụng LDS cho CDMA, việc phát hiện LDS- OFDM có thể dựa trên thuật toán MPA.
2.2.3 Đa truy cập mã thưa (SCMA)
Để cải thiện hiệu suất trong điều chế bậc cao, đa truy cập mã thưa (SCMA) được giới thiệu trong [11], đó là một kỹ thuật trải phi trực giao. Trong SCMA các dãy bit đến được ánh xạ trực tiếp tới các mã thưa khác nhau. Tất cả các từ mã trong cùng một sách mã chứa các zero trong cùng không gian hai chiều và vị trí của các zero trong các sách mã khác nhau được phân biệt nhằm tránh xung đột từ mã đa chiều của các sách mã SCMA giữa hai người dùng bất kì nào. Mỗi lớp trong sách có từ mã riêng của nó. Hình dạng đạt được của chòm sao đa chiều là một trong những nguồn chính của cải tiến hiệu suất so với sự lặp lại đơn giản của các ký hiệu QAM trong LDS.
Như vậy, LDS khác cơ bản với SCMA là có chòm sao đa chiều được thiết kế cho SCMA để tạo ra các sách mã, sách mã sẽ cho độ lợi “định hình” (sharping gain) mà LDS không thể có. Để đơn giản hóa thiết kế chòm sao đa chiều, một chòm sao mẹ được tạo ra bằng cách tối thiểu hóa năng lượng mẫu biểu tượng trung bình để có được khoảng cách Euclide tối thiểu cho trước giữa các điểm chòm sao và cũng ảnh hưởng đến hoạt động từ mã như quay pha, liên hợp phức và chiều hoán vị. Chòm sao con dựa vào đó được tạo ra để có sách mã dùng cho SCMA.
Các hệ thống SDMA cho phép hai hoặc nhiều người dùng kết hợp cùng một trạm cơ sở, sử dụng cùng một khoảng thời gian và tần suất và tài nguyên mã dựa trên vị trí thực tế hoặc khoảng cách không gian. Vì vậy, chúng ta có thể phân biệt giữa những người sử dụng bằng cách khai thác thực tế là những người dùng khác nhau xung đột các tín hiệu không gian khác nhau trên mảng anten nhận. Điều này thường được thực hiện với anten định hướng. Kỹ thuật SDMA có thể được sử dụng để tăng vùng phủ sóng di động. Ngoài ra, chúng còn hữu ích trong việc giảm nhiễu, cải thiện chất lượng dịch vụ [11].
2.3 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐƠN SÓNG MANG
PD-NOMA là một ứng cử viên hàng đầu cho đa truy cập trong mạng thông tin di động 5G [12]. Nó dựa trên các nguyên tắc mã chồng chất, trong đó tín hiệu được truyền là tổng các tín hiệu của người dùng trong miền công suất, như minh họa trong Hình 2.25. Cơ chế PD-NOMA khai thác sự khác biệt công suất nhận được do ảnh hưởng gần-xa giữa người dùng để giải quyết vấn đề không rõ ràng khi phát hiện (detect). Tức là những người dùng yếu hơn sẽ được phân bổ nhiều công suất hơn so với người dùng mạnh hơn. Do đó, mức độ khác nhau về công suất lớn hơn của các tín hiệu người dùng, hiệu năng đạt tốt hơn cơ chế trực giao.
Hình 2.2 Phân bổ nguồn lực trong PD-NOMA
Trong hệ thống PD-NOMA, người dùng được ghép kênh trong cùng một khoảng thời gian và tần số nhưng khác nhau về mức công suất. Mỗi sóng mang con có thể được gán cho nhiều người dùng đồng thời bằng cách áp dụng mã hóa chồng chất (SC), và mỗi người dùng loại bỏ các tín hiệu của người dùng khác bằng cách sử dụng kĩ thuật “loại bỏ nhiễu liên tiếp” (SIC). Dựa trên cách tiếp cận PD-NOMA, mỗi người dùng ở bên thu sẽ loại bỏ tín hiệu của người dùng khác thu được có đáp ứng kênh tồi tệ hơn và coi tín hiệu của người dùng khác như ồn.
+ Đường xuống NOMA
Xét một hệ truyền dẫn NOMA đường xuống từ BS với đơn anten tới một số người dùng đơn anten có độ lợi kênh riêng biệt. Trong đường xuống NOMA người dùng, máy phát BS không truyền trực tiếp m tín hiệu m khác biệt bằng cách chồng chúng lên cùng một tài nguyên phổ; trong khi đó, tất cả các máy thu UE m nhận tín
được tín hiệu mong muốn, mỗi bộ thu SIC trước tiên giải mã các nhiễu ưu thế và sau đó trừ chúng khỏi tín hiệu chồng chất [14]. Vì mỗi UE nhận được tất cả các tín hiệu (tín hiệu mong muốn và nhiễu) trên cùng một kênh, nên việc sử dụng tín hiệu nhiễu với các mức công suất di động là rất quan trọng để phân tập từng tín hiệu và thực hiện SIC tại một máy thu UE nhất định.
Các bản tin người dùng NOMA được chồng chất với mức công suất tỷ lệ nghịch với mức độ lợi của kênh, tức là, một người dùng cụ thể được phân bổ cho công suất thấp hơn những người dùng có độ lợi kênh thấp hơn, trong khi đó công suất được phân bổ cao hơn cho tất cả những người dùng có độ lợi kênh cao hơn so với người dùng cụ thể. Như vậy, người dùng có độ lợi kênh thấp nhất (nhận được nhiễu thấp do công suất tương đối của các bản tin người dùng có độ lợi kênh cao là thấp) không không cần chặn bất kỳ nhiễu. Tuy nhiên, người dùng có độ lợi kênh cao nhất (nhận được nhiễu mạnh mẽ do công suất tương đối cao của các bản tin người dùng có độ lợi kênh thấp) cần chặn tất cả các tín hiệu gây nhiễu.
Để thực hiện SIC, phân bổ công suất phát cho mỗi người dùng NOMA cần phải được thiết kế đúng cách.Các ràng buộc năng lượng cần thiết đối với SIC hiệu quả trong hệ thống NOMA đường xuống của người dùng có thể được diễn tả như sau
𝑝𝑖𝛾𝑖−1− ∑ 𝑝𝑗 𝑖−1
𝑗=1
. 𝛾𝑖−1 ≥ 𝑃𝑡𝑜𝑡
(2.1)
Với 𝛾𝑖 là độ lợi kênh chuẩn hóa bới nhiễu liên cell-cộng công suất ồn cho người dùng thứ i
Đại lượng 𝛾𝑖 = ℎ𝑖
(𝐼𝑖+𝑁𝑖). 𝐵 được gọi là độ lợi kênh chuẩn hóa bởi công suất nhiễu liên cell-cộng công suất ồn cho người dùng thứ i, với Ii và Ni là mật độ công suất nhiễu liên cell và ồn tương ứng. Trong đó B là tổng băng thông phát trong hệ thống NOMA. 𝑝𝑖là công suất được phân bổ cho người dùng thứ i
Đại lượng công suất 𝑃𝑡𝑜𝑡 là công suất sai khác tối thiểu cần phân biệt giữa tín hiệu được giải mã và các tín hiệu không được giải mã còn lại.
+ Đường lên NOMA
Nguyên tắc làm việc của NOMA đường lên khá khác với với NOMA đường xuống. Trong NOMA đường lên, nhiều bộ phát của UE khác nhau phát phi trực
giao tới một máy thu đơn tại BS trên cùng một nguồn tài nguyênphổ. Mỗi UE truyền một cách độc lập tín hiệu riêng của nó ở công suất phát lớn nhất hoặc công suất phát được điều khiển tùy thuộc vào độ lợi của kênh khác nhau trong số người dùng NOMA. Tất cả các tín hiệu nhận được tại BS là tín hiệu mong muốn, mặc dù chúng gây nhiễu sóng cho nhau. Vì các máy phát là khác nhau, mỗi tín hiệu nhận được tại máy thu SIC (BS) trải nghiệm độ lợi kênh riêng biệt. Lưu ý rằng, để áp dụng SIC và giải mã các tín hiệu tại BS, cần phải duy trì sự khác biệt giữa các tín hiệu bản tin khác nhau. Như vậy, điều khiển công suất phát truyền thông thường (nhằm để cân bằng công suất tín hiệu nhận được của tất cảc người dùng) là không khả thi trong các hệ thống dựa trên NOMA.
Xét một hệ thống NOMA m người dùng chung đường lên, trong đó m người dùng truyền đến một BS thông thường trên cùng một nguồn tài nguyên, ở hoặc công suất phát lớn nhất hoặc công suất phát được điều khiển. BS nhận tín hiệu bản tin chồng chất của m người dùng di động và áp dụng SIC để giải mã từng tín hiệu. Vì tín hiệu nhận được từ người sử dụng có độ lợi kênh cao nhất có thể là người mạnh nhất tại BS; do đó, tín hiệu này được giải mã đầu tiên. Một cách tuần tự, người dùng có được độ lợi kênh cao nhất sẽ gặp phải nhiễu từ tất cả người dùng khác trong cụm NOMA. Sau đó, tín hiệu cho người dùng có độ lợi kênh cao thứ hai được giải mã và cứ như vậy. Kết quả là, trong NOMA đường lên, tốc độ dữ liệu có thể đạt được của người dùng chứa nhiễu từ tất cả người dùng có độ lợi kênh tương đối yếu hơn. Tức