Các ma tr n bảng mã của 6 lớp lan lượt là:
0 0 0 0 C(2) C(2) C(2) C(2) F C(1) C(1) C(1) C(1)1 F 1,1 1,2 1,3 1,41 V1 = 2,1 2,2 2,3 2,4 V2= 0 0 0 0 I 0 0 0 0 I IC(2) C(2) C(2) C(2)I LC4,1(1) C(1) C(1) C(1) L 3,1 3,2 3,3 3,4 4,2 4,3 4,4 0 0 0 0 C(3) C(3) C(3) C(3) 0 0 0 0 F 1,1 1,2 1,4 1,51 F 0 0 0 0 1 V = IC(4) C(4) C(4) C(4)I V = I (4) (4) (4) (4) I 3 I 2,1 2,2 2,3 2,4I 4 IC3,1 C3,2 C3,3 C3,4I I 0 0 L 0 0 0 0 I0 0 I (4) LC4,1 (4)4,2 (4)4,3 (4)4,4 I C(5) C(5) C(5) C(5) 0 0 0 0 F 1,1 1,2 1,3 1,41 FC(6) C(6) C(6) C(6)1 V5= 0 0 0 0 V6= 2,1 2,2 2,3 2,4
Ðo án tot nghi p Ðại hoc Chương 2: Công ngh đa truy nh p theo mã thưa SCMA
I 0 0 0 0 I IC(6)
C(6) C(6) C(6)I LC4,1(5) C(5) C(5) C(5) L 3,1 3,2 3,3 3,4
4,2 4,3 4,4 0 0 0 0
Hình 2. 3: Q trình mã hóa SCMA
Q trình mã hóa SCMA bao gom các phân đoạn liên tiep nhau, theo hình 2.3. Từ dịng bit đau vào của người, b mã hóa SCMA sẽ ánh xạ và chon ra từ mã tương ứng với dòng bit vào trong so các từ mã của mình. Sau khi chon được từ mã tương ứng với dòng bit vào, các từ mã được ánh xạ sang các phan tử tài nguyên v t lý và truyen đi trên đường truyen. Với moi m t người dùng, SCMA định nghĩa m t ánh xạ duy nhat từ chuoi log2M bit sang m t b mã hóa. Các từ mã phức K chieu của b mã là các véc tơ thưa với N phan tử khác không (N<K). Tat cả các từ mã trong b mã đeu chứa phan tử 0 ở K-N vị trí giong nhau. Trong thực te, có the xem vi c ánh xạ này như là vi c ánh xạ các bit vào trong gj và thêm K-N phan tử khác khơng vào vecto Vj. Q trình mã hóa SCMA cho m t người dùng và tong quát cho trường hợp i=6 người dùng được the hi n trên sơ đo. Với trường hợp mã hóa cho m t người dùng, dữ li u của m t người dùng sau khi được mã hóa SCMA sẽ được ánh xạ đen các phan tử tài nguyên v t lý riêng và truyen đen kênh truyen. Trong trường hợp có nhieu hơn m t người dùng (i>1), i khoi tài nguyên v t lý can được c ng tong hợp và gửi vào kênh truyen.
2.2.2. Giãi mã SCMA
Quá trình giải mã SCMA bao gom các bước cụ the được the hi n theo sơ đo hình 2.4. Trong đó VN (Variable Node) là nút bien the hi n so li u từ lớp SCMA (của UE), FN (Funtion Node) là nút hàm the hi n các phan tử tài nguyên v t lý. Khi đó q trình giải mã trải qua 4 bước:
Hình 2. 4: Q trình giãi mã SCMA
➢Bước 1: Tính tốn đau vào
Tín hi u nh n được ở khoi thu tín hi u y, tín hi u đánh giá kênh h và tín hi u nhieu n được ket hợp đưa vào b tính tốn f đe đưa ra các tín hi u làm đau vào cho khoi xử lý tiep theo
➢Bước 2: C p nh t FN
Các nút hàm c p nh t thông tin nh n được đen các nút VN hàng xóm của mình
➢Bước 3: C p nh t VN
Các nút bien c p nh t thông tin nh n được đen các nút FN hàng xóm của mình
➢Bước 4: Ket quả từ các c p nh t FN và VN ở bước 2 và 3 được đưa đen b tính tốn LLR (Log-Likelihood - Rate) đe tính tốn ra các bit LLR. Các bit LLR này lại trở thành đau vào cho mã hóa turbo ho c bat kì loại mã kênh nào thích hợp với h thong đe bien đoi tái tạo các bit dữ li u phát của h thong.
2.3. Ket lu n chương 2
Chương 2 trình bày ve b mã SCMA với thiet ke và nguyên lý tạo mã đ c trưng bởi 3 thơng so chính đ dài từ mã K, so phan tử khác 0 trong từ mã N và so lượng các lớp J. Cùng với đó, hoạt đ ng của h thong đa truy nh p sử dụng SCMA, các q trình mã hóa và giải mã cũng được làm rõ. Trong chương tiep theo, các ứng dụng của công ngh đa truy nh p theo mã thưa SCMA sẽ được đe c p, giúp chúng ta có cái nhìn tong qt ve các đ c điem vượt tr i của SCMA so với các công ngh đa truy nh p đã và đang được sử dụng hi n nay.
CHƯƠNG 3
ỨNG DỤNG SCMA TRONG 5G
3.1 Ðường lên truy nh p cạnh tranh dụa trên SCMA
Thông tin di đ ng the h thứ 5 (5G) là công ngh được mong đợi đe ho trợ các ứng dụng và đau cuoi đa dạng. Các ket noi với m t so lượng lớn các các thiet bị là m t yêu cau quan trong của 5G. H thong LTE hi n tại khơng có đủ khả năng giải quyet được van đe so lượng ket noi, đ c bi t là trên đường lên. SCMA là giải pháp được thiet ke đe giải quyet trường hợp này. Các thơng so của SCMA có the đieu chỉnh được đe cung cap các mức lưu lượng truy c p khác nhau. SCMA được so sánh với OFDMA ve tỉ l ket noi và tỉ l rớt ket noi trong cùng m t yêu cau ve tre. Ket quả mô phỏng cho thay rang khả năng ho trợ đa người dùng của truy nh p cạnh tranh dựa trên SCMA lớn hơn của truy nh p cạnh tranh dựa trên OFDMA khoảng 2.8 lan. Ðây được hứa hen sẽ là công ngh lý tưởng cho ket noi không dây 5G trong vi c truyen tải dữ li u với đ tre thap và ho trợ các ket noi với so lượng thiet bị rat lớn.
3.1.1 Tong quan ve truy nh p cạnh tranh dụa trên SCMA
3.1.1.1 Hạn che cũa công ngh LTE hi n tại
Trong LTE, truyen tải đường lên hoạt đ ng dựa trên quá trình yêu cau. M t UE (User Equiqment) sẽ gửi m t yêu cau l p bieu định kì đen mạng trên m t đường lên cho trước. Khoảng thời gian định kì này là 5-10 ms. Trong trường hợp lý tưởng nhat, neu như dữ li u đen UE trước khi UE gửi yêu cau l p bieu, khi đó nó phải chờ khoảng 7ms (là khoảng thời gian giữa quá trình truyen tải bản tin yêu cau và truyen tải dữ li u đường lên). Khoảng thời gian tre sẽ còn lớn hơn nữa neu như chu kì gửi yêu cau l p bieu được thiet l p dài hơn. Ðây rõ ràng là m t hạn che lớn đoi với các ứng dụng nhạy cảm với tre trong tương lai. Trạm goc BS, trước khi nh n m t yêu cau l p bieu sẽ thực hi n l p bieu cho truyen tải dữ li u đường lên. M t bản tin cap phép sau đó sẽ được gửi vào kênh đieu khien đường lên PDCCH. Các bản tin cap phép này cùng với các tài nguyên được phân bo ở đường xuong, sẽ tạo ra m t vùng đieu khien đường xuong.
Các công ngh truyen dan thơng thường, ví dụ các cơng ngh theo tieu chuan 802.11 cho phép đau cuoi truyen dữ li u ngay l p tức sau khi gói đen mà khơng can phải chờ cap phép truyen dan. Tuy nhiên nó chỉ có the ho trợ truyen dữ li u cho m t
Ðo án tot nghi p Ðại hoc Chương 3: Ứng dụng SCMA trong 5G
người dùng trong môi trường không dây tại m t thời điem trong trường hợp không sử dụng MIMO. Công ngh MIMO đa người dùng trong 802.11 góp phan làm tăng so lượng ket noi dữ li u đong thời trong mạng. Tuy nhiên, đe có the ho trợ so lượng ket noi lớn trong 5G, còn rat nhieu vi c can phải thực hi n.
Ðe giải quyet van đe trên, đòi hỏi can có m t cơng ngh đa truy nh p mới với các đ c điem sau:
➢ Loại bỏ ho c giảm thieu vi c cap phát tài nguyên không hợp lý
➢ Giảm tre truyen dan
➢ Ho trợ m t so lượng lớn người dùng đe có the áp dụng ket noi so lượng lớn
3.1.1.2 Tong quan truy nh¾p cạnh tranh dựa trên SCMA
Kênh v t lý truy c p ngau nhiên PRACH của LTE được sử dụng đe thiet l p m t ket noi với trạm goc phục vụ và chuan bị cho truyen tải dữ li u. Khi m t ket noi được thiet l p, vi c truyen dữ li u được thực hi n thơng qua q trình u cau và cap phép đã được giới thi u ở trên. Ðe giảm tre trên đường lên, truy nh p cạnh tranh được sử dụng. Các UE truyen tải dữli u bang cách chiem m t ho c nhieu nguon tài nguyên mà khơng can thơng qua q trình yêu cau l p bieu và cap phép. Phương thức này là m t giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng có yêu cau tre truyen tải nghiêm ng t. Ða truy nh p phân chia theo tan so trực giao OFDMA ho c đa truy nh p phân chia theo tan so đơn sóng mang SC-FDMA có the được sử dụng cho truyen tải dữ li u đường lên có cap phép ho c khơng có cap phép. Trong trường hợp truyen tải dữ li u đường lên có cap phép, tài nguyên OFDMA/SC-FDMA được phân chia trực giao giữa các người dùng. Người dùng sẽ được thông báo ve lịch trình phân chia tài ngun thơng qua tín hi u đieu khien. Trong trường hợp truyen tải dữ li u khơng có cap phép, m t ho c nhieu vùng được định nghĩa trước trong m t phang thời gian-tan so của OFDMA ho c SC-FDMA được phân bo cho truy nh p cạnh tranh. Tài nguyên thời gian-tan so đã được phân bo sẽ được chia sẻ trong m t nhóm người sử dụng mà được cho phép sử dụng m t vùng cụ the dành cho truy nh p cạnh tranh. Do có nhieu người dùng chia sẻ cùng m t tài nguyên thời gian-tan so, đieu đó tạo ra mien xung đ t không trực giao của các tín hi u nh n của các người sử dùng tại máy thu. Ket quả là, truy nh p cạnh tranh dựa trên OFDMA/SC-FDMAbị giảm đáng ke ve m t hi u năng khi tăng so lượng người dùng lên.
Van đe trên được giải quyet khi sử dụng truy nh p cạnh tranh dựa trên SCMA. M t vài d c điem công ngh noi b t của SCMA thích hợp với truy nh p cạnh tranh có the ke đen là:
➢ Tương tự OFDMA/SC-FDMA, m t ho c nhieu vùng thời gian-tan so được định nghĩa trước sẽ được xác định cho truy nh p cạnh tranh dựa trên SCMA
➢ Ðạt được yêu cau ve đa người dùng thông qua đa ghép kênh của các lớp SCMA trong m t vùng truy nh p cạnh tranh
➢ Moi lớp bieu thị cho m t người dùng. M t lớp ho c m t người dùng được mô tả bang m t bảng mã SCMA riêng. Thêm vào đó, m t người dùng sẽ có vùng truy nh p cạnh tranh tương ứng, bảng mã SCMA và chuoi pilot riêng
➢ Từ mã SCMA là thưa (xét ve so lượng các thành phan khác 0 của từ mã) sẽ giúp đieu tiet được sự phức tạp khi có nhieu người sử dụng
3.1.2 Mơ hình h thong
3.1.2.1 Truyen dan và tách tín hi u da truy nh¾p SCMA
M t b giải mã SCMA được xác định như m t b ánh xạ có chức năng ánh xạ trực tiep log2M bit dữ li u sang m t bảng mã phức K chieu với kích thước là M (so lượng từ mã trong bảng mã là M, chieu dài moi từ mã là K). Các từ mã phức K chieu của bảng mã là các véc tơ thưa với N phan tử khác 0 (N<K). K-N là so lượng các phan tử bang 0 trong từ mã SCMA. Ở đường lên của đa truy nh p cạnh tranh dựa trên SCMA, m t người dùng được gán với m t từ mã như the. Các bit dữ li u của người dùng được ánh xạ sang m t từ mã được chon trong b mã và được truyen tải trên K sóng mang con, có the là sóng mang con OFDMA. K là đ dài của m t từ mã SCMA ho c K cũng có the bieu thị cho h so trải pho của h thong. Moi khoi SCMA được mang trên K sóng mang con OFDMA. Dựa vào kích thước củavùng truy nh p cạnh tranh, các khoi SCMA không xep chong có the được gán trong vùng tài nguyên thời gian-tan so đã được phân bo. Tính đa truy nh p ở đây đạt được là nhờ sự chia sẻ các tài nguyên thời gian-tan so giữa của các lớp SCMA của các người dùng đang hoạt đ ng. So lượng lớp/người dùng đong thời trong m t khe thười gian thay đoi dựa vào lưu lượng và khả năng truyen lại gói. Giả sử có m t khe thời gian mà ở đó tín hi u của U người dùng đen từ nhieu kênh khác nhau. Trong m t khoi SCMA, người dùng u (u=1,2,3…,U) truyen tải từ mã xu được chon từ trong bảng mã. Tín hi u nh n được sau khi ghép kênh đong b được bieu dien bởi:
trong đó:
U
u=1√Pudiag( uℎ )xu + i
(3.1)
y là véc tơ nh n [K x 1] sau quá trình ghép kênh đa lớp, xu= [ x1u, x2u,…, xKu] T là véc tơ từ mã SCMA của ngườu dùng u, Pu là cơng suat tín hi u nh n được của người dùng u, hu= [ h1u, h2u,…, hKu] T là véc tơ h so kênh của người dùng u qua K sóng mang con OFDMA, diag (hu) là ma tr n chéo với n-th phan tử chéo là hu, và i là thành phan nhieu c ng AWGN.
Dựa vào đ c tính thưa của từ mã SCMA, so lượng các phan tử khác 0 va chạm xung đ t nhau là nhỏ hơn rat nhieu so với tong so lớp tài nguyên U, xét trong m t sóng mang con OFDMA. Ðe t n dụng toi đa đ c tính thưa của từ mã SCMA và giới hạn toi đa sự phức tạp trong vi c tách sóng, người ta đã đưa vào sử dụng cơng ngh tách sóng đa người dùng MAP. M t kịch bản truyen dan đường lên đien hình với h thong 2 anten thu, đ phức tạp tính tốn của máy tách sóng MPA với h thong 6 lớp SCMA với tải trong 150% nhỏ hơn 4 lan so với máy thu MMSE tuyen tính.
3.1.2.2 Khã năng mỡ r ng cũa SCMA cho ket noi so lượng lớn
So lượng bảng mã cực đại J là m t giá trị hàm của so lượng phan tử khác không N trong m t từ mã SCMA và đ dài K của từ mã đó. Vi c lựa chon các vị trí của N phan tử khác 0 chỉ đơn thuan tuân theo phép toán to hợp trong toán hoc. Khi đó, toi đa các trường hợp có the xảy ra, hay nói cách khác giá trị lớn nhat của J sẽ là giá trị to hợp J=
CN. Bang vi c ghép J từ mã từ các bảng mã lên trên K sóng mang con, h so tải OF
(Overloading Factor) được xác định bởi: OF = 1
K (3.2)
Bang vi c đieu chỉnh h so trải pho K, so lượng các phan tử khác khơng N, các mức tải của mạng có the đạt được với các so lượng các bảng mã SCMA khác nhau. Ðe ho trợ so lượng ket noi lớn, OF của h thong phải có có giá trị lớn hơn 1.
Lay m t ví dụ cụ the cho bảng mã SCMA với K=4, N=2 và J=Jmax=C2 = 6. Khi
đó các bảng mã SCMA được cho như hình 3.1: y=
Σ
K
Hình 3. 1: Bãng mã SCMA cho trường hợp K-4, N=2, J=6
Từng c p 2 bit dữ li u đen (b1, b2) được ánh xạ đen m t bảng từ mã SCMA, sau đó được trải trên 4 sóng mang con. Khoi SCMA nh n được là tín hi u của 6 người dùng được tong hợp từ 6 khoi SCMA xep chong từ 6 bảng mã khác nhau.
3.1.3 Tài nguyên trong truy nh p cạnh tranh dụa trên SCMA
Ðơn vị tài nguyên cơ bản sử dụng cho truy nh p cạnh tranh dựa trên SCMA được goi là CTU (Contention Transmission Unit). CTU là sự ket hợp của tài nguyên thời gian, tài nguyên tan so, tài nguyên mã SCMA và chuoi hoa tiêu. Có duy nhat J bảng mã SCMA được định nghĩa trên m t đơn vị tài nguyên-tan so. Với moi m t bảng mã sẽ có m t chuoi bit hoa tiêu riêng. Như v y, có tong c ng LxJ chuoi bit hoa tiêu được sử dụng và LxJ CTU trong m t mien thời gian-tan so. Hình 3.2 minh hoa m t CTU trong truy nh p cạnh tranh dựa trên SCMA:
Hình 3. 2: Ðơn vị tài nguyên cơ bãn CTU
Nhieu đau cuoi có the chia sẻ cùng m t bảng mã, và do tính truy nh p ngau nhiên, các đau cuoi này có the truyen dan ở cùng m t thời điem. M c dù các b mã đi