3.2 SCMA CHO ĐA TRUY NHẬP ĐƯỜNG XUỐNG CỦA MẠNG 5G
3.2.2 Các thuật toán đường xuống MU-SCMA
Trong MU-SCMA đường xuống, các lớp được truyền thuộc về nhiều người dùng. Một số thuật tốn được u cầu để kích hoạt MU-SCMA. Người dùng được ghép nối lần đầu tiên được chọn từ nhóm người dùng. Tiêu chí lựa chọn của người dùng và cách tiếp cận tối ưu hóa của nó là một phần của các thơng số thiết kế. Tín hiệu của những người dùng được ghép nối được truyền từ một ăng-ten có giới hạn tổng cơng suất. Do đó, quyền lực phải được chia cho những người dùng được ghép nối theo điều kiện kênh của họ. Sau khi phân bổ công suất, tỷ lệ của mỗi người dùng được điều chỉnh để phù hợp với tỷ lệ lỗi mục tiêu và chất lượng liên kết. Kích thước sổ mã, tỷ lệ mã hóa và số lớp là các thông số để điều chỉnh tỷ lệ của mỗi người dùng được ghép nối.
A. Ghép cặp người dùng để tối đa hóa tổng tỷ lệ tổng hợp được xác định
Giả sử một nhóm người dùng có SINR tức thời 𝛾𝑢 = ∥∥𝐡𝑢∥∥2𝑃/𝑁𝑢, 𝑢 = 1, … , 𝑈, và tỷ lệ
trung bình 𝑅𝑢. Trong trường hợp khơng có người dùng ghép nối, bộ lập lịch công bằng theo tỷ lệ (PF) sẽ tối đa hóa tỷ lệ có trọng số như sau:
𝑢∗ = max 𝑢 𝑟𝑢
𝑅𝑢, (8)
trong đó 𝑟𝑢 được xác định theo CQI có sẵn, ví dụ: 𝑟𝑢 = log2 (1 + 𝛾𝑢) cho OFDMA
Mục tiêu của việc ghép nối là tối đa hóa tỷ lệ tổng có trọng số. Giả sử có hai người dùng, tổng tỷ lệ có trọng số được biểu thị bằng
𝑢1∗, 𝑢2∗ = max 𝑢1,𝑢2 𝑟˜𝑢1
𝑅𝑢1+𝑟˜𝑢2
𝑅𝑢2, (9)
trong đó 𝑟˜𝑢1: = 𝑟˜𝑢1(𝑢1, 𝑢2; chia sẻ cơng suất) là tốc độ điều chỉnh của người dùng 𝑢1 sau khi ghép nối. Đáng chú ý, tỷ lệ điều chỉnh phụ thuộc vào cả người dùng được ghép nối và chiến lược chia sẻ quyền lực. Sau khi tìm kiếm đầy đủ, tất cả các tùy chọn ghép nối 𝑈(𝑈 −
1) cũng như các tùy chọn người dùng đơn 𝑈 phải được kiểm tra để tìm ra giải pháp của
(9). Độ phức tạp của tìm kiếm tồn diện tăng lên theo thứ tự 𝑈2, điều này có thể khơng khả thi trên thực tế.
Một thuật tốn tham lam có thể được sử dụng để giảm độ phức tạp của việc ghép nối. Trong cách tiếp cận tham lam, người dùng đầu tiên được chọn theo tiêu chí lập lịch cho một người dùng của (8) và sau đó người dùng khác được ghép nối với người đầu tiên. Với lập lịch tham lam, thứ tự phức tạp của việc ghép nối hai người dùng được giảm xuống còn
𝑢1∗ = max𝑢 𝑟𝑢 𝑅𝑢, (10) 𝑢2∗ = max𝑢≠𝑢1∗ 𝑟˜𝑢1∗ 𝑅 𝑢1∗ ∗ +𝑟˜𝑢 𝑅𝑢, (11) và kết quả ghép nối chỉ có giá trị nếu điều kiện sau được thỏa mãn
𝑟˜𝑢1∗ 𝑅𝑢1∗ +𝑟˜𝑢2∗ 𝑅𝑢2∗ > 𝑟𝑢1∗ 𝑅𝑢1∗ , (12) B. Điều chỉnh tốc độ và phương pháp tách sóng
Giả sử 𝑈 = 2, 𝑝1 = 𝛼𝑃, and 𝑝2 = (1 − 𝛼)𝑃, (3) có thể được viết lại như sau cho hai
người dùng
𝐲𝑢 = √𝛼𝑃
𝐽1 𝐇𝑢1𝐪1+ √(1−𝛼)𝑃
𝐽2 𝐇𝑢2𝐪2+ 𝐧𝑢, 𝑢 = 1,2, (13) trong đó 𝛼 ∈ (0,1.0) đại diện cho hệ số chia sẻ cơng suất. Khơng mất tính tổng qt, chúng tơi giả sử 𝛾1 > 𝛾2.
Phương trình trên mơ hình hóa kênh quảng bá MIMO nói chung khơng bị suy giảm chất lượng [12]. Nói cách khác, giả định 𝛾1 > 𝛾2 không nhất thiết ngụ ý rằng người dùng 1 có thể giải mã dữ liệu của người dùng 2 và đạt được tỷ lệ cao hơn so với người dùng này. Để đơn giản hóa việc phân tích, mơ hình được chuyển đổi thành mơ hình suy giảm gần đúng. Tín hiệu của người dùng 1 được coi là nhiễu ở người dùng 2 sao cho nhiễu tương đương ở người dùng 2 được mô tả là
𝐑2 = 𝑁2𝐈𝑅𝐾+ 𝛼𝑃/𝐽1𝐇21𝐇21H . (14)
Có thể chỉ ra rằng 𝐇21𝐇21H = (𝐡2𝐡2H) ⊗ (𝐒1𝐒1H) nghĩa là nhiễu tương đương ở người
dùng 2 được tô màu ngay cả khi nhiễu nền có màu trắng. Theo (7), mơ hình phát sóng của (13) trở nên suy giảm nếu nhiễu ở (14) gần đúng với nhiễu trắng như sau
𝐑2 ≈ (𝑁2+ 𝛼𝑃∥∥𝐡2∥∥2)𝐈. (15)
Nói cách khác, với ước tính trên, nếu người dùng 2 có thể giải mã dữ liệu của chính mình, thì người dùng 1 cũng có thể giải mã nó.
Vì mục đích đơn giản, các thuật tốn dự định đầu tiên được phát triển cho OFDMA (vốn tự nhiên bị suy giảm) và sau đó được mở rộng sang SCMA. Đối với OFDMA, (13) được viết lại như sau
𝐲𝑢 = 𝐡𝑢√𝛼𝑃𝑞1+ 𝐡𝑢√(1 − 𝛼)𝑃𝑞2+ 𝐧𝑢, (16) Vì 𝛾1 > 𝛾2, trong kênh OFDMA bị suy giảm, người dùng 1 là người dùng chất lượng tốt có tỷ lệ cao hơn so với người dùng 2 có tỷ lệ tức thời thấp hơn.
1. Tách sóng ở người dùng có chất lượng kênh tốt hơn
Hình 3.6: Vùng dung lượng ở người dùng 1 và 2
Vùng năng lực của người dùng 1 được thể hiện trong Hình. 1 với các đường liền mạch. Một máy tách sóng lý tưởng khả thi ở người dùng 1 nếu
𝑟˜1+ 𝑟˜2 ≤ log2 (1 + 𝛾1), (17) tùy thuộc vào
𝑟˜2 ≤ log2 (1 + 𝛾˜2@1), (18)
Và
𝑟˜1≤ log2(1 + 𝛾˜1). (19)
Tham chiếu đến (16) cho 𝑢 = 1, 𝛾˜2@1 đại diện cho SINR hiệu quả để phát hiện một người dùng của người dùng 2 ở người dùng 1 trong khi người dùng 1 được coi là người gây nhiễu, tức là
𝛾˜2@1 =∥∥𝐡1∥∥2(1−𝛼)𝑃
∥∥𝐡1∥∥2𝛼𝑃+𝑁1 =(1−𝛼)𝛾1
Điều kiện (18) đảm bảo phát hiện một người dùng duy nhất của người dùng tỷ lệ thấp 2 ở người dùng chất lượng tốt 1. Giả sử người dùng 2 hồn tồn có thể giải mã được ở người dùng 1, sau khi hủy can thiệp liên tiếp (SIC), vấn đề phát hiện của người dùng 1 được giảm xuống 𝐲1 = 𝐡1√𝛼𝑃𝑞1+ 𝐧1.. Trong trường hợp này, người dùng 1 có thể giải mã được nếu điều kiện (19) được đảm bảo, trong đó
𝛾˜1 =∥∥𝐡1∥∥ 2
𝛼𝑃
𝑁1 = 𝛼𝛾1. (21) Chiến lược phát hiện SIC tương ứng với điểm C trong vùng dung lượng của Hình. 1 trong đó tỷ lệ tối đa có thể đạt được được cung cấp cho người dùng 1.
2. Tách sóng ở người dùng có chất lượng kênh kém hơn
Vì người dùng 2 có chất lượng kênh thấp hơn nên khơng thể phát hiện người dùng 1 có tỷ lệ cao hơn. Do đó, người dùng 2 khơng có lựa chọn nào khác ngoài việc coi người dùng 1 là can thiệp đồng ghép đơi của nó. Mặt khác, khả năng của người dùng 1 phát hiện người dùng 2 khơng nhất thiết có nghĩa là người dùng 2 cũng có thể phát hiện dữ liệu dự định của chính mình. Do đó, điều kiện chặt chẽ hơn về tỷ lệ người dùng 2 có thể được yêu cầu để giúp người dùng mục tiêu có thể phát hiện tín hiệu của người dùng 2. Tham chiếu đến (16) cho 𝑢 = 2, SINR để phát hiện một người dùng của người dùng 2 được biểu thị là
𝛾˜2 =∥∥𝐡2∥∥ 2
(1−𝛼)𝑃
∥∥𝐡2∥∥2𝛼𝑃+𝑁2 =(1−𝛼)𝛾2
1+𝛼𝛾2 . (22)
Do đó, tín hiệu của người dùng 2 có thể được phát hiện ở người dùng 2 với chiến lược phát hiện một người dùng chỉ khi
𝑟˜2 ≤ log2 (1 + 𝛾˜2). (23)