(Luận văn thạc sĩ hcmute) phân tích hiệu suất năng lượng của giao thức noma cho mạng hcran

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THÙY DƯỠNG

PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CỦA
GIAO THỨC NOMA CHO MẠNG HCRAN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203

SKC 0 0 6 5 5 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2019

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN THÙY DƯỠNG

PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG CỦA GIAO THỨC
NOMA CHO MẠNG HCRAN

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 60520203
Hướng dẫn khoa học:

PGS.TS PHAN VĂN CA

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2019

Luan van


TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Nguyễn Thùy Dưỡng.

Giới tính: Nữ.

Ngày, tháng, năm sinh: 02/04/1994.

Nơi sinh: Ninh Bình.

Quê quán: Thạch Bình - Nho Quan - Ninh Bình.

Dân tộc: Mường.

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Thái Dũng, Tân Tiến, Đồng Phú, Bình Phước.
Điện thoại cơ quan:

Điện thoại nhà riêng:

Fax:

E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ …

Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy

Thời gian đào tạo từ 09/2012 đến 03/2017.

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh.
Ngành học: Cơng nghệ kỹ thuật Điện tử - Truyền thông (sư phạm).
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Hệ thống thông tin trong trại chăn
nuôi.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: 19/02/2017 tại trường Đại
học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.

i

Luan van


Người hướng dẫn: PGS.TS PHAN VĂN CA.
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi cơng tác

Cơng việc đảm nhiệm
Phó

03/2017 -06/2018 Cơng ty TNHH Đào tạo PMP

Cơng
08/2018 – nay

ty TNHH

Robert

phịng

truyền

thơng và sự kiện.
Bosch

Engineering and Business Solutions Kỹ sư phần mềm
Việt Nam

ii

Luan van

LỜI CAM ĐOAN

Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2019
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Thùy Dưỡng

iii

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin phép được gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu
trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh, quý thầy, quý cô và đặc biệt là
quý thầy cô giảng dạy tại khoa Điện - Điện tử trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ
Chí Minh. Trong thời gian qua thầy cơ đã tận tình chỉ dạy, truyền đạt nhiều kiến thức
mới và tạo điều kiện để em có cơ hội thực hành những lý thuyết được học trên giảng
đường vào thực tiễn.
Và em xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Phan Văn Ca, trong thời
gian qua thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên, định hướng để em có thể hồn thành
luận văn này.
Bên cạnh đó, em xin cảm ơn đến các anh, chị, các bạn cùng lớp Kỹ thuật Điện tử
khóa 2017B đã nhiệt tình hỗ trợ, góp ý, động viên để em hồn thành luận văn này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 10 năm 2019

Nguyễn Thùy Dưỡng

iv

Luan van


TĨM TẮT
Tóm tắt: Trong luận văn này, tác giả tiến hành phân tích hiệu suất năng lượng của
kỹ thuật đa truy cập không trực giao (NOMA) đường truyền xuống từ nhóm đơn vị
băng tần cơ sở (BBU) đến nhiều thiết bị thu phát đầu xa (RRH) phục vụ cho ba loại
cell (đó là macro, micro và pico) trong một mạng truy cập đám mây khơng đồng
nhất (HCRAN). Mơ hình phân tích hiệu suất năng lượng của NOMA trong luận văn
sử dụng kỹ thuật triệt nhiễu liên tục (SIC) khơng hồn hảo. Các mô phỏng được
thực hiện nhằm đánh giá hiệu suất năng lượng của NOMA khi triển khai SIC khơng
hồn hảo trong các trường hợp sau: Mức công suất khác nhau được phân bổ tại CCS,
các loại RRH khác nhau, tăng hệ số SIC khơng hồn hảo. Các kết quả mô phỏng
cho thấy rằng việc tăng hệ số SIC không hoàn hảo sẽ làm giảm hiệu quả năng lượng
của các mạng di động nhiều cell một cách đáng kể.
Abstract: In this thesis, the author conducts energy efficiency analysis of nonothoganal multiple access (NOMA) for the down-link transmission of a Base-Band
Unit (BBU) pool to multiple Radio Remote Heads (RRH) caters to three types of
cells (macro, micro, and pico) in a heterogeneous cloud access network (HCRAN).
NOMA’s energy efficiency analysis modle in this thesis uses imperfect successive
interference cancellation (SIC). Simulations were conducted to evaluate NOMA's
energy efficiency when implementing SIC imperfectly in the following cases:
Different power levels are allocated at CCS, different types of RRH, increase
imperfect SIC factor. The simulation results show that increasing the imperfect SIC
will reduce the energy efficiency of multi-cell mobile networks significantly.

v

Luan van


MỤC LỤC

TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC ....................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................. iii
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... iv
TÓM TẮT ...........................................................................................................v
MỤC LỤC ......................................................................................................... vi
DANH MỤC BẢNG ......................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................x
CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................... xi
Chương 1: Tổng quan ........................................................................................1
1.1 Đặt vấn đề ..................................................................................................1
1.2 Tổng quan các cơng trình nghiên cứu ........................................................3
1.2.1 Trong nước. .........................................................................................3
1.2.2 Ngoài nước. .........................................................................................4
1.3 Mục tiêu nghiên cứu...................................................................................6
1.4 Nội dung thực hiện .....................................................................................6
1.5 Cấu trúc của luận văn .................................................................................6
Chương 2: Cơ sở lý thuyết .................................................................................8
2.1 Công nghệ đa truy cập ...............................................................................8
2.2 Đa truy cập trực giao. .................................................................................9
2.3 Đa truy cập không trực giao. ......................................................................9
2.4 Triệt nhiễu liên tiếp .................................................................................11

vi

Luan van


2.4.1 Triệt nhiễu liên tiếp hoàn hảo. ...........................................................11
2.4.2 Triệt nhiễu liên tiếp khơng hồn hảo. ................................................13
2.5 Sơ đồ điển hình của NOMA.....................................................................14
2.6 Mạng truy cập vô tuyến đám mây............................................................19
2.7 Mạng không đồng nhất ............................................................................20
2.8 Mạng vô tuyến đám mây không đồng nhất. .............................................20
2.9 Hiệu suất năng lượng ...............................................................................21
Chương 3: PHÂN TÍCH HIỆU SUẤT NĂNG LƯỢNG NOMA .................23
3.1 Kênh truyền. .............................................................................................23
3.2 Mơ hình cơng suất tiêu thụ .......................................................................24
3.3 NOMA cho đường tải xuống front-haul khơng dây. ...............................26
3.4 Phân tích hiệu suất năng lượng của NOMA đường tải xuống trong mạng
HCRAN với SIC khơng hồn hảo. .................................................................28
3.5 Lưu đồ giải thuật. .....................................................................................30
Chương 4: Kết quả mô phỏng và đánh giá ....................................................32
4.1 Giới thiệu chương trình ............................................................................32
4.2 Kết quả mơ phỏng ....................................................................................33
4.2.1 Hiệu suất năng lượng của NOMA với công suất khác nhau được phân
bổ tại C ..............................................................................................................33
4.2.2 Hiệu suất năng lượng của NOMA đối với các loại RRH khác nhau. 39
4.2.3 Hiệu suất năng lượng của NOMA ứng với các mức công suất khác
nhau tại C theo hệ số SIC khơng hồn hảo. ......................................................41
Chương 5: KẾT LUẬN ....................................................................................42
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................44

vii

Luan van


viii

Luan van


DANH MỤC BẢNG
Bảng 4.1. Các giá trị thông số được sử dụng trong các mô phỏng. ...................32

ix

Luan van


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1 Cơng nghệ đa truy cập .................................................................................8
Hình 2.2 Một mạng truyền thông không hợp tác hai người dùng sử dụng kỹ thuật
NOMA . .....................................................................................................................11
Hình 2.3 Sơ đồ giải mã SC ........................................................................................12
Hình 2.4: Sơ đồ NOMA ba người dùng sử dụng kỹ thuật SIC ở đường xuống. ......13
Hình 2.5 Sơ đồ đa truy cập cho trường hợp 2 người dùng ......................................17
Hình 2.6 Vùng cơng suất NOMA và OMA cho đường xuống ................................18
Hình 2.6 NOMA trong trường hợp đường lên .........................................................18
Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống của một NOMA - HCRAN. ..........................................24
Hình 3.2: Lưu đồ giải thuật tìm hiệu suất năng lượng của NOMA ..........................31
Hình 4.1: EE của NOMA với cơng suất P(C)= {100,80,50} kW tại C. ...................33
Hình 4.2: EE của NOMA với công suất P(C)= {50,20,10} kW tại C. .....................34
Hình 4.3: EE của NOMA với cơng suất P(C)= {250,200,100} kW tại C. ...............35

Hình 4.4: EE của NOMA với cơng suất P(C)= {35,17,5} kW tại C. .......................36
Hình 4.5: Hiệu suất năng lượng của NOMA so với số lượng trạm BS thay đổi theo
công suất P(C)= {120,24,18} kW tại CCS. ..............................................................37
Hình 4.6: Hiệu suất năng lượng của NOMA với cơng suất P(C) ={100,80,50}kW tại
C trong hai trường hợp SIC hoàn hảo và SIC khơng hồn hảo. ...............................38
Hình 4.8: EE của NOMA đối với các loại RRH khác nhau với SIC hồn hảo.........40
Hình 4.9: Hiệu suất năng lượng của NOMA so với ngưỡng thông lượng tối thiểu tại
CCS theo hệ số SIC khơng hồn hảo. .......................................................................41

x

Luan van


CHỮ VIẾT TẮT
STT

Chữ viết tắt

Nội dung đầy đủ

1

NOMA

Non-Orthogonal Multiple Access

2

OMA

Orthogonal Multiple Access

3

FDMA

Frequency Division Multiple Access

4

TDMA

Time Division Multiple Access

5

CDMA

Code Division Multiple Access

6

OFDMA

Orthogonal Frequency Division Multiple Access

7

IDMA

Interleave-Division Multiple Access

8

LDS - CDMA

Low-Density Spreading Code Division Multiple
Access

9

BS

Base Station

10

BDM

Bit Division Multiplexing

11

MUSA

Multi-User Shared Access

12

LDS-OFDM

Low-Density Spreading Aided Orthogonal Frequency
Division Multiplexing

13

SCMA

Sparse Code Multiple Access

14

SAMA

Successive Interference
Multiple Access

15

PDMA

Pattern Division Multiple Access

16

1G

First Generation Mobile System

17

2G

Second Generation Mobile System

18

3G

Third Generation Mobile System

19

4G

Fourth Generation Mobile System

xi

Luan van

Cancellation

Amenable


20

5G

Fifth Generation Mobile System

21

CCS

Cloud-based Central station

22

RRH

Remote Radio Heads

23

SE

Spectral Efficiencies

24

SIC

Successive Interference Cancellation

25

SINR

Signal-To-Interference-Plus-Noise Ratio

26

BBU

Base Band Unit

27

HCRAN

Heterogeneous Cloud Radio Access Networks

28

RI

Residual Interference

xii

Luan van


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Với sự phát triển nhanh chóng của truyền thơng di động và các hệ thống IOT, các
thiết bị thông minh kết nối vào mạng ngày càng tăng. Điều này dẫn đến sự bùng nổ

của các thiết bị di động và các thiết bị sử dụng trong các hệ thống IOT (Internet of
Thing_IOT). Ước tính số lượng các thiết bị di dộng và không dây sẽ tăng lên đến 50
tỷ thiết bị được kết nối với đám mây vào năm 2020 [1]. Và tất cả đều cần truy cập và
chia sẻ dữ liệu mọi lúc, mọi nơi. Mặc dù các thiết bị di động ngày càng tăng nhưng
phổ tần và băng tần ngày càng bị giới hạn. Từ đó đã đặt ra thách thức cho các thế hệ
di động trong tương lai phải giải quyết được những bài toán về hiệu quả sử dụng năng
lượng, chi phí và phổ tần cũng như cung cấp khả năng mở rộng tốt hơn để xử lý số
lượng ngày càng tăng các thiết bị đã được kết nối.
Để giải quyết được những vấn đề trên một số kỹ thuật như: Tối ưu đa truy cập,
phân bổ công suất, điều chế, … đã được nghiên cứu và áp dụng. Trong đó, đa truy
cập được người dùng quan tâm hơn cả. Vì nó liên quan trực tiếp đến nâng cao hiệu
quả năng lượng, phổ tần và khả năng mở rộng kết nối. Công nghệ đa truy cập bao
gồm: Công nghệ đa truy cập trực giao (OMA) và công nghệ đa truy cập không trực
giao (NOMA) [2]. NOMA đã trở thành một kỹ thuật tiềm năng có thể cải thiện hiệu
quả phổ tần để thiết kế nhiều cơ chế truy cập giúp kiểm sốt việc sử dụng kênh trong
các mơ hình mạng khác nhau [3] - [5]. Đặc biệt, kỹ thuật NOMA như một xu hướng
đầy triển vọng để thiết kế giao diện vô tuyến cho mạng 5G [6] - [9]. Trái ngược với
OMA thơng thường, NOMA có thể hỗ trợ nhiều người dùng hơn số lượng mơ hình
OMA. NOMA với ý tưởng chính là cho phép người dùng sử dụng cùng một khe thời
gian, tần số và mã (không trực giao), người dùng với kênh truyền tốt hơn nhận mức
công suất nhỏ hơn với một bộ thu SIC [10]. Điều này giúp gia tăng độ lợi phổ, đáp
ứng nhu cầu kết nối cao và nổi bật đó là đảm bảo được chất lượng dịch vụ cho các
người dùng [11], [12]. Trong NOMA miền công suất, mỗi người dùng được phân bổ

1

Luan van


các hệ số công suất khác nhau tùy theo điều diện kênh của người dùng. Ở phía máy

phát, tín hiệu của tất cả người dùng được đặt chồng lên nhau và được ghép theo cùng
một cách. Kỹ thuật triệt nhiễu liên tục (SIC) được sử dụng để giải mã và hủy từng tín
hiệu cho đến khi thu được tín hiệu người dùng mong muốn [11] - [13]. Người ta thừa
nhận rằng NOMA sử dụng mã hóa chồng và giải mã SIC không chỉ vượt trội so với
OMA thông thường, mà cịn tối ưu từ góc độ đạt được dung lượng kênh.
Mặt khác, một số nghiên cứu thực tế cho miền năng lượng NOMA, liên quan đến
SIC đã được đề cập trong [14] - [17]. Thêm vào đó, một hệ thống NOMA đường
xuống nhiều người dùng đã được phân tích với tác động của SIC khơng hồn hảo.
Các tác giả trong [14] đã đề xuất để tối ưu hóa cho hệ thống mạng MC-NOMA đường
xuống, từ đó giúp giảm thiểu tổng công suất phát dưới các lỗi SIC dựa trên bài toán
tối ưu. Và các tác giả đã chứng minh rằng hệ thống MC-NOMA đã tiết kiệm công
suất đáng kể khi so sánh với hệ thống dễ tổn hại với SIC khơng hồn hảo. Trong [15],
các tác giả đã so sánh tác động của SIC hồn hảo và khơng hồn hảo trong hệ thống
NOMA đường xuống với kênh Fading Rayleigh và AWGN dựa trên việc đánh giá
BER tại máy thu. Trong trường hợp nhiều anten NOMA có quyền truy cập lớn trên
phổ vô tuyến hạn chế, đã đề xuất các sơ đồ NOMA lớn như một mơ hình tuyến tính
cho SIC khơng hồn hảo [16]. Ngồi ra, các tác giả trong [17] đã nghiên cứu tác động
của nhiễu dư (RI) do ước tính kênh khơng hồn hảo thực tế đối với thơng lượng có
thể đạt được của các hệ thống NOMA và đề xuất thuật tốn dự phịng tốc độ truyền
tín hiệu thấp để giảm thiểu tác động của ước tính kênh lỗi.
Bên cạnh đó, để tăng cường thơng lượng và hiệu suất phủ sóng cho người dùng
di động trong các khu vực lưu lượng dữ liệu dày đặc, các mạng khơng đồng nhất với
kích thước cell đa dạng (ví dụ: microcell, picocell, femotcell) đã nổi lên như một công
nghệ tiềm năng khác cho truyền thông 5G. Các kiến trúc mạng truy cập vô tuyến đám
mây không đồng nhất (HCRAN) được giới thiệu để cung cấp việc chia sẻ và sử dụng
tài nguyên hiệu quả trong các mạng không dây không đồng nhất. Trong HCRAN, tất
cả các trạm cơ sở từ các tầng khác nhau được kết nối với bộ xử lý trung tâm (CCU)
(được gọi là đám mây) thông qua các liên kết front-haul có dây/khơng dây để đạt

2

Luan van


được phân bổ tài nguyên chia sẻ động [18] - [21]. Hiệu suất của mơ hình NOMA và
hiệu quả năng lượng (EE) của nó được triển khai trong HCRAN nhiều tầng thực tế,
trong đó các trạm cơ sở thuộc nhiều loại khác nhau được kết nối với trạm trung tâm
dựa trên đám mây đã được nghiên cứu trong [22], [23]. Các kết quả được trình bày
trong các cơng trình này cho thấy mơ hình NOMA được đề xuất với cơ chế phân bổ
cơng suất có thể đạt được EE cải thiện lên đến bốn lần so với sơ đồ OFDMA. Tuy
nhiên, phạm vi của cơng việc đó được giới hạn trong việc thực hiện SIC lý tưởng.
Vì vậy vấn đề nghiên cứu về hiệu suất năng lượng là một hướng nghiên cứu mới
và đóng góp những giải pháp cho thế hệ 5G trong tương lai, nhằm cung cấp cho người
dùng chất lượng phục vụ tốt nhất. Do đó, trong cơng trình này, em tập trung phân tích
hiệu suất của mơ hình NOMA liên kết xuống của nhóm đơn vị băng tần cơ sở (BBU)
đến nhiều trạm phát vô tuyến đầu xa (Radio Remote Heads_RRH) phục vụ nhiều loại
cell (ví dụ: macro, micro, pico) trong HCRAN. Mơ hình phân tích của của đề tài cho
NOMA với triển khai SIC khơng hồn hảo của liên kết xuống không dây trong
HCRAN thực tế. Các mô phỏng đã được thực hiện để xem xét hiệu suất của NOMA
với việc triển khai SIC khơng hồn hảo trong các trường hợp: Khác nhau về mức
công suất phát, loại RRH và tăng hệ số SIC khơng hồn hảo. Các kết quả cho thấy
một rằng việc tăng yếu tố SIC khơng hồn hảo sẽ làm giảm hiệu quả năng lượng của
các mạng di động nhiều cell một cách đáng kể.

1.2 Tổng quan các cơng trình nghiên cứu
1.2.1 Trong nước
Hiệu quả năng lượng của NOMA là một trong những nội dung thu hút được rất
nhiều các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước quan tâm. Một trong những nội dung
đã được các tác giả trong nước quan tâm đó chính là: Hiệu suất của chuyển tiếp tái
sinh cho SWIPT trong các hệ thống NOMA, hiệu quả năng lượng NOMA cho các

cell nhỏ trong CRAN không đồng nhất dưới các ràng buộc QoS, tối ưu hóa hiệu quả
năng lượng của nhiều truy cập không trực giao cho đường truyền không dây trong
mạng truy cập vô tuyến đám mây không đồng nhất, giao thức chuyển tiếp chia tách

3

Luan van


năng lượng để thu năng lượng không dây và xử lý thông tin trong các hệ thống NOMA
hiệu quả năng lượng của NOMA cho backhaul không dây trong CRAN không đồng
nhất nhiều tầng [35], [56]-[59].
1.2.2 Ngồi nước
Tính đến năm 2020 sẽ có khoảng 50 tỷ thiết bị di động và không dây kết nối vào
mạng đám mây [1]. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về băng thông và dung lượng,
nhiều giải pháp cho các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3.9 và 4 (4G) đã được
đề xuất. Một trong những giải pháp này là sử dụng các kỹ thuật đa truy cập trực giao
(OMA) để đạt được thông lượng tốt. Tuy nhiên, với nhu cầu về phổ tần, lưu lượng
truy cập di động và khả năng kết nối các thiết bị ngày càng tăng của thế hệ 5G và
tương lai kỹ thuật đa truy cập trực giao (OMA) đã không thể đáp ứng được nhu cầu
của người dùng [24]. Đứng trước tình hình đó, nhiều nhà khoa học đã tiến hành nghiên
cứu và đề xuất những kỹ thuật mới, một trong những kỹ thuật được quan tâm hơn cả
đó chính là kỹ thuật đa truy cập không trực giao (NOMA). NOMA được coi là một
kỹ thuật đã truy cập đầy hứa hẹn cho các mạng truyền thông không dây thế hệ thứ
năm (5G) [24] - [32]. Khi so sánh hiệu suất năng lượng của NOMA và OMA thì
NOMA đạt được hiệu suất vượt trội hơn cả [24]. Khơng những thế NOMA cịn có
khả năng mở rộng kết nối, đạt được hiệu quả về năng lượng, phổ tần và cải thiện sự
công bằng của người dùng trong các mạng không dây bằng cách cho phép nhiều
người dùng chia sẻ một tài nguyên không dây [25] - [32].
NOMA có thể kết hợp linh hoạt với nhiều cơng nghệ khơng dây hiện có và các

cơng nghệ mới bao gồm: nhiều đầu ra nhiều đầu vào (MIMO), MIMO lớn, truyền
thơng sóng milimet, truyền thơng nhận thức, truyền thơng hợp tác, truyền thơng ánh
sáng nhìn thấy, bảo mật lớp vật lý, thu thập năng lượng, … [33]. Ngoài sự quan tâm
đến các cơng nghệ khơng dây được nêu trên, có một số lượng không nhỏ những nhà
nghiên cứu tiến hành phân tích hiệu suất năng lượng của NOMA trong mạng truy cập
đám mây không đồng nhất HCRAN và đề ra những giải pháp nhằm tối ưu hiệu suất
năng lượng, giảm chi phí [34] – [39]. HCRAN là một kiến trúc hứa hẹn cho các mạng

4

Luan van


hiệu suất năng lượng cao. Khác với các mạng vô tuyến ngày nay HCRAN thêm một
số đầu vô tuyến từ xa (RRH) trong vùng lân cận của trạm gốc. Điều này cung cấp cho
người dùng tốc độ dữ liệu cao với sự can thiệp tối thiểu bằng cách kiểm soát tập trung
phân bổ tài nguyên. Mặc dù HCRAN có khả năng tăng mật độ phần cứng trong khu
vực nhưng HCRAN cũng tiêu thụ nhiều điện lưới hơn của hệ thống. Để giảm thiểu
yêu cầu năng lượng lớn cho các loại mạng dày đặc này, kỹ thuật thu thập năng lượng
(Energy Harvesting - EH) được sử dụng. Với ý tưởng sử dụng các nguồn năng lượng
xung quanh như năng lượng gió và năng lượng mặt trời, kỹ thuật EH đã giảm việc sử
dụng năng lượng điện lưới một cách đáng kể [34]. Ngoài ra để nâng cao hiệu suất
năng lượng của NOMA trong mạng HCRAN, các tác giả của bài báo [35] đề xuất
một thuật toán lặp để xác định số lượng tế bào tối đa có thể được hỗ trợ trong HCRAN.
NOMA cho phép người dùng sử dụng cùng một khe thời gian, tần số và mã,
người dùng với kênh truyền tốt hơn nhận mức công suất nhỏ hơn với một bộ thu SIC
[14] - [17], [40] - [44]. Ý tưởng cơ bản của SIC là tín hiệu người dùng được giải mã
liên tiếp. Sau khi tín hiệu của một người dùng được giải mã, tín hiệu này được trừ
khỏi tín hiệu của người dùng tiếp theo được giải mã. Khi các tín hiệu người dùng
được giải mã bằng cách áp dụng SIC để xử lý thì tín hiệu của người dùng khác sẽ

được coi là nhiễu. Điều này giúp gia tăng độ lợi phổ, đáp ứng nhu cầu kết nối cao và
nổi bật đó là đảm bảo được chất lượng dịch vụ cho các người dùng. Các hệ thống
NOMA được nghiên cứu hiện nay sử dụng kỹ thuật triệt nhiễu nối tiếp (SIC) để phục
hồi các tín hiệu nhận riêng biệt của mỗi người nhận với điều kiện SIC hồn hảo.
Nhưng thực tế điều kiện SIC khơng hồn hảo về các kênh khơng dây là khơng thể
[40]. Chính vì thế các tác giả của bài báo [45] – [46] đã tiến hành nghiên cứu các hệ
thống NOMA với điều kiện SIC khơng hồn hảo. Các kết quả của bài báo [47] cho
thấy rằng khi yếu tố SIC khơng hồn hảo tăng sẽ làm giảm hiệu quả năng lượng của
hệ thống mạng multi-cell.

5

Luan van


1.3 Mục tiêu nghiên cứu
Trong đề tài này, tác giả tiến hành nghiên cứu hiệu suất năng lượng khi phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như: môi trường lan truyền, công suất phân bổ tại CCS và loại
BS nào trong mạng HCRAN. Mục tiêu nghiên cứu chính của đề tài này là phân tích
hiệu suất năng lượng với tác động của SIC khơng hồn hảo.

1.4 Nội dung thực hiện
Trong đề tài này, hiệu suất năng lượng của mơ hình NOMA cho đường truyền
xuống khơng dây trong HCRAN được phân tích tại các điều kiện hoạt động khác
nhau về công suất, số loại RRH.
Các mô phỏng được thực hiện trong MATLAB để đánh giá hiệu suất của mơ hình
NOMA với việc triển khai SIC khơng hồn hảo trong các mơi trường lan truyền thực
tế khác nhau.
Bên cạnh đó, đề xuất mơ hình NOMA trong mạng HCRAN. Đánh giá hiệu suất
năng lượng với hệ triệt nhiễu liên tiếp (SIC) khơng hồn hảo trong khoảng 0% - 10%,

nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của SIC khơng hồn hảo đến hiệu suất năng lượng của
NOMA. Thực hiện mô phỏng trong ba loại cell khác nhau là Macro cell, micro cell,
và pico cell. Trong đó, macro cell là khu vực nông thôn, hay dọc những tuyến đường
cao tốc, dân cư thưa thớt, kích thước mỗi tế bào có thể có bán kính lên tới 30km.
Micro cell là những khu trung tâm mua sắm, ga tàu xe lớn, ta sử dụng các trạm phát
với anten công suất thấp hơn macro cell. Pico cell là những nơi như: trong các tịa
nhà, cơng sở hay trạm tàu xe nhỏ, bán kính phủ sóng nhỏ hơn 200m.

1.5 Cấu trúc của luận văn
Nội dung chính gồm có:
Chương 1: Tổng quan. Chương này sẽ trình bày tổng quan về đề tài, tình hình
nghiên cứu, mục tiêu, nội dung thực hiện của đề tài và cấu trúc của luận văn.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày tổng quan lý thuyết về các kỹ
thuật, phương pháp mơ phỏng và phân tích được sử dụng trong đề tài.

6

Luan van


Chương 3: Phân tích hiệu suất năng lượng. Chương này tập trung vào việc xây
dựng mơ hình hệ thống, cơng thức mơ phỏng và phân tích hiệu năng của hệ thống.
Chương 4: Kết quả mô phỏng và đánh giá. Chương này trình bày kết quả mơ
phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng.
Chương 5: Kết luận. Chương này sẽ đưa ra kết luận từ kết quả đạt được, phân
tích những kết quả đạt được.

7

Luan van

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Trong chương này trình bày các nội dung lý thuyết cơ bản liên quan đến luận văn.
Những lý thuyết này sẽ giúp người đọc có thể hiểu rõ những kiến thức mà luận văn
đề cập tới như: Công nghệ đa truy cập, các kỹ thuật đa truy cập trực giao, đa truy cập
không trực giao, triệt nhiễu liên tục, sơ đồ điển hình của NOMA, mạng truy cập vô
tuyến đám mây, mạng không đồng nhất, mạng vô tuyến đám mây không đồng nhất
và hiệu suất năng lượng.

2.1 Cơng nghệ đa truy cập
Để có một cái nhìn tổng quan về cơng nghệ đa truy cập (Multiple Access_MA)
chúng ta theo dõi hình 2.1 bên dưới. Cơng nghệ đa truy cập gồm có đa truy cập trực
giao và đa truy cập không trực giao. Công nghệ đa truy cập trực giao được phát triển
từ những năm 1980 đến những năm 2010. Công nghệ đa truy cập không trực giao
được nghiên cứu và phát triển từ năm 2003 đến nay.
FDMA (1G-1980's)

TDMA (2G-1990's)
Orthogonal
Multiple Access
(OMA)

CDMA (3G-2000's)

OFDMA (4G-2010's)

Multiple Access
technology
IDMA (2003)

LDS-CDMA (2006)
Non-Orthogonal
Multiple Access
(NOMA)

Power-Domain NOMA
(2012)

LDS-OFDM
(2010)

SCMA (2013)

SAMA (2014)

BDM (2013)

FDMA (2014)
MUSA (2014)

Hình 2.1 Cơng nghệ đa truy cập [48]

8

Luan van


2.2 Đa truy cập trực giao
Hệ thống truyền thông không dây đã chứng kiến một “cuộc cách mạng” về kỹ

thuật đa truy cập. Cụ thể, đối với các hệ thống truyền thông không dây 1G, 2G, 3G
và 4G sử dụng công nghệ đa truy cập tương ứng với các kỹ thuật sau: Kỹ thuật đa
truy cập phân chia theo tần số (Frequency Division Multiple Access_FDMA), đa truy
cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access_TDMA), đa truy cập
chia theo mã (Code Division Multiple Access_CDMA) và phân chia theo tần số trực
giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access_OFDMA). Từ các nguyên tắc
thiết kế của chúng, các kỹ thuật này thuộc về đa truy cập trực giao (Orthogonal
Multiple Access_OMA). Tại đây, các nguồn tài nguyên không dây được phân bổ trực
giao cho nhiều người dùng theo thời gian, tần số, mã hoặc sự kết hợp của chúng.
Tuy nhiên, số lượng người dùng được hỗ trợ bị giới hạn bởi số lượng các nguồn
trực giao sẵn có trong OMA.

2.3 Đa truy cập khơng trực giao
Đa truy cập không trực giao (Non - Orthogonal Multiple Access_NOMA) là công
nghệ cho phép các mạng không dây thế hệ thứ 5 (Fifth - Generation_5G) đáp ứng nhu
cầu không đồng nhất, độ trễ, độ tin cậy cao, kết nối lớn, cải thiện sự công bằng và
thông lượng cao. Ý tưởng chính đằng sau NOMA là phân phối nhiều người dùng
trong cùng một khối tài nguyên, chẳng hạn như một khe thời gian, sóng mang phụ
hoặc mã mở rộng [49].
Để minh họa tốt hơn về khái niệm về NOMA, xem xét ví dụ truyền dẫn đường
truyền xuống NOMA với hai người dùng. Như thể hiện trong hình 2.2, hai người
dùng có thể được phục vụ bởi trạm gốc (Base Station_BS) tại cùng một thời điểm,
mã, tần số nhưng khác nhau về mức năng lượng. Cụ thể, BS sẽ gửi đến hai người
dùng một gói tin chứa gói tin của cả hai người dùng được chồng lên nhau. Không
giống như những cách thức truyền thống, trong NOMA, người dùng có điều kiện
kênh kém nhận được nhiều năng lượng hơn. Đặc biệt, thông báo cho người dùng với
điều kiện kênh kém hơn được phân bổ nhiều năng lượng đường truyền hơn, đảm bảo

9

Luan van


rằng cho người dùng này có thể phát hiện được thơng điệp của nó trực tiếp bằng cách
xử lý gói tin của người dùng khác là nhiễu. Mặt khác, người dùng có điều kiện kênh
tốt hơn cần phát hiện gói tin của người dùng khác, sau đó trừ gói tin này và cuối cùng
giải mã thơng tin của chính nó. Phương pháp này được gọi là triệt can nhiễu nối tiếp
(Successive Interference Cancellation_SIC) (như trong hình 2.2). Hiệu suất của
NOMA so với OMA thơng thường có thể dễ dàng được minh họa bằng cách thực
hiện phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao (Signal-To-Noise Ratio_SNR), giả sử một
kênh nhiễu trắng cộng Gaussian (Additive White Gaussian Noise_ AWGN). Với
1

OMA, tốc độ dữ liệu đạt được cho hai người dùng tương ứng là log 2 (1 + 𝜌|ℎ𝐴 |2 )
2

1

và log 2 (1 + 𝜌|ℎ𝐵 |2 ), trong đó ½ là do thực tế rằng các tài nguyên băng thông được
2

phân chia giữa hai người dùng. 𝜌 biểu thị cho SNR truyền, và ℎ𝐴 và ℎ𝐵 biểu thị độ
lợi kênh tương ứng cho người dùng A và người dùng B. Theo hình 1, tác giả [1] giả
sử |ℎ𝐴 |2 > |ℎ𝐵 |2 . Tại SNR cao (tức là 𝜌 → ∞), tổng tốc độ của OMA có thể xấp xỉ
1

1

2

2

bằng log 2 (𝜌|ℎ𝐴 |2 ) + log 2 (𝜌|ℎ𝐵 |2 ). Bằng cách sử dụng NOMA, tốc độ có thể đạt
được là log 2 (1 +

𝜌𝑎𝐴 |ℎ𝐴 |2 )
1+𝜌𝑎𝐵 |ℎ𝐴 |2

) và log 2 (1 + 𝜌𝑎𝐵 |ℎ𝐵 |2 ) tương ứng, trong đó 𝑎𝐴 và 𝑎𝐵 là

hệ số phân bổ cơng suất. Do đó, SNR cao xấp xỉ cho tổng tốc độ của NOMA là
log 2 (𝜌|ℎ𝐵 |2 ), nó lớn hơn nhiều so với OMA, đặc biệt nếu độ lợi kênh của người dùng
B lớn hơn nhiều so với người dùng A. Nói cách khác, lý do cho hiệu suất đạt được
của NOMA là hiệu suất của hệ số ½ ngồi logarit của tỷ lệ OMA, đó là do việc chia
nhỏ tài nguyên băng thông giữa những người sử dụng, gây tổn hại nhiều hơn so với
các yêu tố bên trong logarit của tốc độ NOMA, đó là phân bổ cơng suất. Nó là giá trị
chỉ ra rằng NOMA bị mất một số hiệu suất ở SNR thấp hơn so với OMA, nếu các
phân bổ công suất được sử dụng nghiêm ngặt. [50]

10

Luan van


User A signal
detection

Subtract user A
signal

User B signal
detection

User B
Base station

User A signal
detection

User A

Direct phase
Cooperative phase

Hình 2.2 Một mạng truyền thơng khơng hợp tác hai người dùng sử dụng kỹ thuật
NOMA [51].
2.4 Triệt nhiễu liên tiếp [26]
2.4.1 Triệt nhiễu liên tiếp hoàn hảo
Kỹ thuật triệt nhiễu liên tiếp (SIC) được xuất để giải mã thông tin chồng lên nhau
tại mỗi máy thu. SIC có thể được hiểu bằng cách khai thác thơng số kỹ thuật về sự
khác biệt của cường độ tín hiệu giữa các tín hiệu có liên quan. Ý tưởng cơ bản của
SIC là tín hiệu người dùng được giải mã liên tiếp. Sau khi tín hiệu của một người
dùng được giải mã, tín hiệu này được trừ khỏi tín hiệu kết hợp trước khi tín hiệu của
người dùng tiếp theo được giải mã. Khi các tín hiệu người dùng được giải mã bằng
cách áp dụng SIC để xử lý thì tín hiệu của người dùng khác sẽ được coi là nhiễu. Tuy
nhiên, trước SIC, người dùng được sắp đặt theo cường độ tín hiệu của họ, để người
nhận có thể giải mã tín hiệu mạnh hơn trước, sau đó trừ nó ra khỏi tín hiệu kết hợp
và cơ lập tín hiệu yếu hơn từ phần cịn lại.

11

Luan van