Mơ hình hệ thống NOMA

Giả sử ta có một hệ thống MIMO-NOMA với trạm gốc (BS) trang bị một ăng ten phát. Trạm BS này sử dụng để phục vụ cho 4 thiết bị sử dụng NOMA, mỗi người dụng được trang bị1 ăng ten. Ví dụ đơn giản minh họa cho mơ hình tuyến xuống, tín hiệu truyền từ trạm BS có dạng

s =pP1s1+pP2s2+pP3s3+pP4s4 (2.23)

Khi đó tín hiệu thu tại người dùng thứ k được biểu diễn như sau:

yk =hks+ζk (2.24)

Trong đó k = {1,2,3,4} và hk thể hiện kênh truyền giữa trạm phát và người dùng, tín hiệu nhận có thể viết lại như sau:

yk =hkskpPk+hk K X k0=1,k06=k p Pk0sk0+ζk (2.25)

Theo kỹ thuật NOMA thơng thường, tín hiệu của người có kênh truyền tốt sẽ được cấp phát cơng suất kém hơn và sử dụng kỹ thuật SIC để triệt tiêu nhiễu từ các người dùng có kênh truyền kém hơn, khi đó trước khi giải mã tín hiệu của chính mình, người dùng có kênh truyền tốt sẽ giải mã tín hiệu của người dùng kém trước sau đó sẽ loại bỏ tín hiệu đó đi để giải mã tín hiệu của mình.Ta

giả sử rằng kênh truyền của các người dùng có giá trị chuẩn sắp xếp theo thứ tự |hk| >|hk+1|.Khi đó tỷ số cơng suất tín hiện trên cơng suất nhiễu được tính như sau:

γk = Pk|hk|2 |hk|2PK

k0=k+1Pk0 +σDL,k2

(2.26) Khi đó tổng tốc độ bit của hệ thông NOMA được viết như sau:

RN OM A= K X k=1 E{log2(1 +γk)} = K X k=1 E{log2(1 + Pk|hk|2 |hk|2PK k0=k+1Pk0+σDL,k2 )} (2.27)

Để so sánh với hệ thông N OM A, tổng tốc độ bit cho hệ thống OMA được tính tốn như sau: ROM A = 1 K K X 1 E{log2(1 + Pkh 2 k σ2k )} (2.28)

Với việc tối ưu hóa sử dụng phổ như trên, tác giả trong bài [32] và [33] đã tính tốn cũng như chứng minh được sự tối ưu tốc độ bit của hệ thống NOMA so với OMA thơng thường:

2.4. Kết luận chương

Tóm lại, với nhu cầu dữ liệu tốc độ cao ngày càng lớn như hiện nay, hệ thống kết hợp MIMO-NOMA hứa hẹn chi phí thấp, phương pháp xử lý đơn giản và tiết kiệm năng lượng thơng qua việc sử dụng các bộ thu tuyến tính cho đường lên và bộ tiền mã hóa cho đường xuống, kết hợp với các thuật tốn điều khiển cơng suất hợp lý để cực tiểu hóa cơng suất phát tại trạm gốc cũng như các thiết bị di động. Và hệ thống NOMA sử dụng cho MIMO thực sự là một ứng cử viên sáng giá cho những thế hệ thông tin di động tiếp theo nhờ những ưu điểm:

ˆ Dung lượng kênh lớn.

ˆ Chi phí thấp, tiết kiệm năng lượng. ˆ Độ lơi cao trong việc sử dụng phổ tần.

MIMO-NOMA mở ra một hướng nghiên cứu mới trong lý thuyết vơ tuyến. Mặc dù cịn nhiều vấn đề cần được giải quyết như cấp phát tần số, điều khiển công suất và vấn đề kiểm soát nhiễu cũng như trong thiết kế nhưng tiềm năng của MIMO-NOMA là rất lớn. Và nếu giải quyết được những thách thức kể trên, nó sẽ cho lợi ích rất lớn trong lĩnh vực viễn thơng, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cao của thông tin di động.

Chương 3

MƠ HÌNH HỆ THỐNG VÀ ĐỀ CẬP VẤN ĐỀ

3.1. Xử lý tín hiệu trong hệ thống MIMO-NOMA

Để đạt được dung lượng mạng, hiệu quả sử dụng năng lương và hiệu quả sử dụng phổ cao hơn, hệ thống truyền thông thế hệ thứ năm (5G) [1] gần đây trở thành một lĩnh vực nghiên cứu phổ biến. Là một kỹ thuật đầy hứa hẹn của 5G, NOMA đã thu hút ngày càng nhiều sự chú ý [2] - [34], do thực tế là NOMA có thể mang lại hiệu quả sử dụng phổ cao hơn thông qua việc phân bổ một băng tần cho nhiều người dùng cùng lúc và giúp người dùng tại biên tế bào có băng thơng cao hơn thơng thường thơng qua phân bổ cơng suất một cách thích hợp. Để sử dụng kỹ thuật NOMA, BS quyết định người dùng nào sẽ được ghép cặp để chia sẻ cùng một phổ trước, vì người dùng được ghép phải ở trạng thái kênh tốt để tăng tốc độ truyền của hệ thống và hạn chế lỗi lan truyền [2] . Gần đây, ngày càng có nhiều nhà nghiên cứu tập trung vào vấn đề ghép cặp người dùng để tăng dung lượng hệ thống, [35] đề xuất một số thuật toán đơn giản để ghép cặp người dùng, trong khi các thuật toán này chỉ phù hợp với người dùng đơn ăng ten, vì ma trận trực giao trong [35] không thể áp dụng cho người dùng đa ăng-ten. Để giảm xác suất ngừng hoạt động (outage probability) của hệ thống, các tác giả trong [36] đề xuất kịch bản sắp xếp cho người dùng thứ hai trong hệ thống chuyển tiếp (cooperative relay system), có nghĩa là kịch bản chỉ chọn người dùng thứ hai làm chuyển tiếp (relay) thay vì sắp xếp cặp người dùng. Hơn nữa, vì có nhiều cặp trong một ơ (cell), nên không thể tránh được nhiễu giữa các cặp, điều này sẽ làm giảm đáng kể tỷ lệ cơng suất tín hiệu trên cơng suất nhiễu và cơng suất tạp âm (SINR). Để giải quyết vấn đề này, Z. Ding

et al. đề xuất một phương pháp hiệu quả để loại bỏ nhiễu giữa các cặp [3], [34], tuy nhiên, phương pháp yêu cầu số ăng ten của thiết bị đầu cuối người dùng phải lớn hơn số ăng ten của BS. Do đó, việc căn chỉnh tín hiệu khơng thể được áp dụng trong các hệ thống MIMO-NOMA, trong đó BS được trang bị hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm ăng ten.

Từ giới hạn về số ăng ten của BS, chúng ta thiết kế một ma trận loại bỏ nhiễu mới để khắc phục các hạn chế nêu trên. Ngoài ra, chúng ta cũng đề xuất thuật toán sắp xếp và ghép cặp người dùng theo phương pháp đề xuất cho người dùng đa ăng-ten. Thuật toán ghép cặp người dùng đề xuất chọn người dùng đầu tiên và người dùng thứ hai cho mỗi cặp người dùng một cách độc riêng biệt để thực hiện quy trình ghép nối người dùng. Bằng cách này, chúng ta có thể có được các cặp người dùng phù hợp và đảm bảo rằng người dùng trong mỗi cặp người dùng có thể đạt được hiệu suất tốt hơn so với cách làm truyền thống, do đó thuật tốn ghép cặp người dùng đề xuất có thể làm giảm một cách hiệu hiệu quả xác suất ngừng hoạt động của hệ thống và tăng tốc độ truyền của hệ thống.

Trong luận văn này, chúng ta xem xét hệ thống MIMO-NOMA trong một cell, tại đây trạm phát (BS) được trang bị N ăng ten để phục vụ cho K người dùng (CUs), mỗi người dùng được trang bị M ăng ten. Trong mơ hình này ta giả sử rằng K ≥2N để đảm bảo rằng có thể chọn 2N người dùng từ toàn bộ K người và mỗi người dùng được sử dụng chung tần số với người dùng ghép cặp cùng. Chúng ta cũng giả sử rằng cả BS và CUs đề có được thơng tin chính xác về trạng thái kênh truyền (Channel state information-CSI).

. . . 2 1 1 2 Cặp 1 Cặp 2 SIC SIC Nhiễu giữa các cặp . . . 1 1 2 Hình 3.1: Mơ hình hệ thống

Tại trạm phát, tín hiệu truyền tải tới các cặp người dùng sau khi được thực hiện mã hóa chồng lấn được biểu diễn như sau:

s=h√ α1,1s1,1+√ α2,1s2,1, ...,√ α1,Ns1,N +√ α2,Ns2,N iT = h s1, ..., sN iT (3.1)

Trong đó s1,i và s2,i biểu diễn tín hiệu truyền tới người dùng thứ nhất và thứ hai của cặp người dùng thứ ith (i = 1,2, ..., N), α1,i và α2,i tương ứng biểu diễn hệ số cấp phát công suất cho cho hai người dùng, α1,i+α2,i = 1. Tín hiệu từ BS tới CUs trước khi truyền đi được thực hiện tiền mã hóa nhằm mục đích giảm thiểu nhiễu bị tác động từ các cặp khác sử dụng chung tần số:

x=Ps=

h

p1,p2, ...,pN

i

s (3.2)

Ở công thức trên P ∈ CN×N để biểu diễn ma trận tiền mã hóa, pi ∈ CN×1 biểu diễn véc tơ tiền mã hóa cho cặp người dùng thứ ith. Khi đó tín hiệu nhận

y1,i=H1,ipisi+ N X k=1,k6=i H1,ipksk+ζζζ1,i (3.3) Với

ˆ H1,i ∈ CN×N biểu diễn trạng thái kênh truyền của người dùng thứ nhất thuộc cặp thứith, với H1,i = √H1,i

dγ1,i. Các thành phần của H1,i tuân theo phân bố Rayleigh, điều này có nghĩa là điều kiện kênh khơng thay đổi trên một khung truyền sóng.

ˆ Giá trị d1,i biểu diễn khoảng cách giữa BS và người dùng thứ nhất thuộc cặp ith.

ˆ ζζζ1,i ∈ CM×1 biểu diễn tín hiệu nhiễu, trong đó các thành phần tn theo phân bố Gaussian, ζζζ1,i∼ CN(0,I).

Xem xét đối với hệ thống NOMA này, bỏ qua mất mát không đáng kể, ta giả sử rằng người dùng thứ nhất trong mỗi cặp có điều kiện kênh truyền tốt hơn, điều này có nghĩa:

kH2,ik2≤ kH1,ik2 (3.4)

Tại phía thu, người dùng trong mỗi cặp sẽ giải mã tín hiệu nhận thơng qua véc tơ kết hợp w1,iH, tín hiệu của người thứ nhất sau khi xử lý được thể hiện như sau:

wH1,iy1,i = w1,iHH1,ipis1,i

| {z }

Tín hiệu mong muốn

+ wH1,iH1,ipis2,i | {z } Nhiễu trong cặp +w1,iH N X k=1,k6=i H1,ipksk | {z } Nhiễu liên cặp + wH1,iζζζ1,i | {z } Nhiễu nhiệt (3.5)

Trong đó wH1,i biểu diễn cho véc tơ kết hợp của người dùng thứ nhất trong nhóm ith. Trong cơng thức này, thành phần thứ nhất biểu diễn tín hiệu mà người dùng thứ nhất trong cặp ith muốn nhận được và thành phần thứ hai thể hiện nhiễu mà người dùng này nhận từ người dùng thứ hai trong cùng cặp. Hai thành phần cuối lần lượt biểu diễn nhiễu người dùng này nhận từ các cặp khác và nhiễu nhiệt. Tín hiệu thu được tại người dùng thứ hai trong cặp thứ i được biểu diễn tương tự như sau:

wH2,iy2,i = w2,iHH2,ipis2,i

| {z }

Tín hiệu mong muốn

+ wH2,iH2,ipis1,i

| {z } Nhiễu trong cặp +w2,iH N X k=1,k6=i H2,ipksk | {z } Nhiễu liên cặp + wH2,iζζζ2,i | {z } Nhiễu nhiệt (3.6)

Theo nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật NOMA [2], người dùng có kênh truyền yếu hơn sẽ được cấp phát cơng suất lớn hơn, khi đó α1,i ≤α2,i. Kỹ thuật Triệt nhiễu liên tục - SIC (successive interference cancellation) [2], theo đó, được áp dụng tại người dùng thứ nhất, người dùng này sẽ giải mã tín hiệu của người dùng thứ hai trước tiên [3] [34]. Khi đó ta có thể tính được giá trị SINR của người dùng thứ hai tại người dùng thứ nhất khi người dùng thứ nhất giải mã tín hiệu tín hiệu của người dùng thứ hai được biểu diên như sau:

SINRf2,i= α2,iPi|wH

1,iH1,ipisi|2

|wH

1,iζζζn,i|2+α1,iPi|wH

1,iH1,ipi|2+PNk=1,k6=iPk|wH

1,iH1,ipk|2 (3.7) Sau khi giải mã tín hiệu của người dùng thứ hai, người dùng thứ nhất sẽ giải mã tín hiệu của chính nó khi đã trừ tín hiệu của người dùng thứ hai, khi đó ta có tốc độ truyền dữ liệu của người dùng này được biểu diễn thông qua Lemma 1.

Bổ Đề 1. Khi người dùng thứ nhất sử dụng véc tơ w1,i , tốc độ truyền dữ liệu của người dùng này tính tốn như sau:

R1,i= log2(1 +γ1,i) [b/s/Hz], (3.8)

Trong đó γl,n ký hiệu cho tỷ lệ cơng suất tín hiệu trên cơng suất nhiễu và công suất tạp âm tại người dùng thứ nhất khi người dùng thứ nhất tự giải mã tín hiệu của nó, có thể biểu diễn như sau:

SINR1,if = α1,iPi|w1,iHH1,ipisi|2 |wH

1,iζζζn,i|2+PNk=1,k6=iPk|wH

1,iH1,ipk|2 (3.9) Trong đó, Pi biểu diễn công suất mà hệ thống cấp phát cho cặp người dùng ith, và với hệ thống này ta có PNi=1Pi = PT. Đối với người dùng thứ hai, kỹ thuật SIC khơng được áp dụng, khi đó người dùng này sẽ trực tiếp giải mã tín hiệu của chính nó và coi tín hiệu của người dùng thứ nhất là nhiễu, tương tự ta có thể tính tốc độ truyền dữ liệu của người dùng này theo Lemma 2 như sau:

Bổ Đề 2. Khi người dùng thứ hai sử dụng véc tơ w2,i , tốc độ truyền dữ liệu của người dùng này tính tốn như sau:

R2,i= log2(1 +γ2,i) [b/s/Hz], (3.10)

Trong đó γ2,n ký hiệu cho tỷ lệ cơng suất tín hiệu trên cơng suất nhiễu và công suất tạp âm tại người dùng thứ hai khi người dùng thứ hai tự giải mã tín hiệu của nó, có thể biểu diễn như sau:

SINRs2,i= α2,iPi|wH

2,iH2,ipisi|2

|wH

2,iζζζ2,i|2+α1,iPi|wH

2,iH2,ipi|2+PNk=1,k6=iPk|wH