Kỹ thuật truyền đa truy nhập không trực giao hợp tác với bộ khuếch đại chuyển tiếp (tt)

1

MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, với nhu cầu thông tin liên lạc giữa mọi
người với nhau ngày một nhiều hơn và rộng hơn, chính vì vậy truyền thông
không dây đóng vai trò vô cùng quan trọng trong việc kết nối giữa mọi
người với nhau bởi vì tính linh hoạt của nó. Vì vậy, các hệ thống truyền
thông không dây đã được các nhà nghiên cứu trên thế giới quan tâm.
Khởi đầu là công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA),
được công nhận là công nghệ đa truy nhập thế hệ thứ nhất (1G). Tiếp theo
nữa là công nghệ đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA), được chấp
nhận là công nghệ đa truy nhập thế hệ thứ 2 (2G). Tuy nhiên, theo thời gian
thì ngày càng có nhiều người dùng hơn nên công nghệ 2G không thể đáp
ứng được nhu cầu sử dụng các thiết bị di động ngày càng tăng cao nên công
nghệ đa truy nhập thế hệ thứ 3 (3G) được ra đời, đó là công nghệ đa truy
nhập theo mã (CDMA). Khoảng 10 năm trở lại đây, với tốc độ dân số ngày
càng tăng cao, đi đôi với đó là việc kết nối giữa mọi người ngày càng tăng
lên. Vì thế, đòi hỏi cần phải có giải pháp để đáp ứng nhu cầu sử dụng của
mọi người nên công nghệ đa truy nhập thế hệ thứ 4 (4G) được đưa ra. Đó là
công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDM). Nhưng
trong vài năm trở lại đây, ngành công nghệ thông tin ngày càng phát triển
với các ứng dụng lưu trữ dữ liệu rất lớn. Bên cạnh đó, việc phát triển của
các thiết bị đi động thông minh, không những kết nối giữa con người với
nhau mà còn kết nối giữa các thiết bị đi động với nhau. Với việc nguồn tần
số cấp phép sử dụng ngày càng cạn kiệt nên đòi hỏi cần phải có một công
nghệ mới nhằm giải quyết những vấn đề ở trên. Vì vậy, các nhà khoa học đã
đề xuất công nghệ đa nhập thế hệ mới, đó là công nghệ đa truy nhập không
trực giao (NOMA) và được đề xuất là công nghệ đa truy nhập thế hệ thứ 5
(5G).
Công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA) đã giải quyết được
phần lớn vấn đề thiếu phổ tần cho người dùng vì đã mở ra một miền mới, đó

là miền công suất. Bên cạnh việc phát triển công nghệ mới thì cũng cần giữ
lại những kỹ thuật tối ưu ở công nghệ trước. Bởi vậy, truyền thông hợp tác
đã được kế thừa và trở thành một yếu tố cần thiết nhằm cải thiện hiệu năng
của các hệ thống thông tin liên lạc vô tuyến.
Trong luận văn, Học viên sẽ nghiên cứu sử dụng truyền thông hợp tác
trong kỹ thuật NOMA dùng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) để


2

đánh giá hiệu năng của kỹ thuật này so với kỹ thuật đa truy nhập trực giao
thông thường (OMA) hợp tác tương tự, và xem xét đến xác suất dừng của
hệ thống này ở chế độ tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu ở mức cao.
Nội dung luận văn được chia làm 3 chương, cụ thể như sau:
 Chương 1 – Lý thuyết tổng quan.
Trong Chương 1, tìm hiểu cách thức truyền tín hiệu của mạng
NOMA, các kỹ thuật chuyển tiếp và các kỹ thuật kết hợp.
 Chương 2 – Phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống
NOMA hợp tác với nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF.
Trong Chương 2, đưa ra mô hình đề xuất, phân tích và đánh giá
hiệu năng của hệ thống từ biểu thức xác suất dừng của hệ thống.
 Chương 3 – Mô phỏng và kết quả.
Trong Chương 3, sử dụng phương pháp mô phỏng Monte –
Carlo trên phần mềm Matlab để kiểm chứng giữa kết quả mô
phỏng và kết quả phân tích lý thuyết dựa trên kết quả của xác suất
dừng OP  được đưa ra ở Chương 2. Cuối cùng là phần kết luận
và hướng phát triển đề tài.


3

Chương 1 – LÝ THUYẾT TỔNG QUAN
1.1

Giới thiệu
Trong khoảng vài năm trở lại đây, các công nghệ truyền thông không
dây đã đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong việc chuyển tải các thông
tin, dữ liệu khác nhau khi mà nhu cầu sử dụng của con người ngày càng
tăng cao.
Với xu hướng xã hội ngày càng phát triển, không những kết nối giữa
mọi người càng tăng mà còn có sự kết nối giữa các thiết bị thông minh với
nhau, đòi hỏi các hệ thống vô tuyến ngày càng phải cải tiến hơn nữa để đáp
ứng được nhu cầu sử dụng của người dùng. Hiện nay, các nhà khoa học trên
thế giới đã không ngừng nghiên cứu để đưa ra những giải pháp tăng cường
khả năng kết nối. Vì vậy việc sử dụng mạng truy nhập NOMA hợp tác đang
được quan tâm nghiên cứu hiện nay. Đây cũng là lý do để Học viên định
hướng theo nghiên cứu này.
1.2 Các nghiên cứu liên quan
1.3 Kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA)
1.3.1
Giới thiệu
Ghép kênh NOMA
Công suất

Phân bổ công suất cho người dùng thứ nhất.
Phân bổ công suất cho người dùng thứ hai.
Tần số

PT
h2

Trạm gốc

S 

h1

P2

P1
Người dùng thứ hai không có SIC

 D2 

Người dùng thứ nhất với SIC  D1 

Khử nhiễu
tuần tự
(SIC)

SIC tín hiệu của
người dùng thứ hai

Giải mã tín hiệu của
người dùng thứ nhất

Giải mã tín hiệu của
người dùng thứ hai

Hình 1.1: Mô hình NOMA đường xuống

1.3.2
Mô tả hoạt động
Như trong Hình 1.1, mô hình đề xuất NOMA đường xuống bao gồm
một trạm gốc  S  , và hai thiết bị người dùng lần lượt là người dùng thứ


4

nhất  D1  và người dùng thứ 2  D2  . S truyền tín hiệu đi là x , trong đó
x  x1  x2 . Tín hiệu nhận được tại hai người dùng như sau:
yi  hi x  ni ,

(1.1)

Tại D1 cần phải sử dụng kỹ thuật khử nhiễu tuần tự (SIC). Giả sử rằng
h1 và h2 lần lượt là hệ số kênh truyền của D1 và D2 , và

h1

2

N 0,1



h2

2

N 0,2

.

Vì vậy, tỉ số tín hiệu trên nhiễu  12  của x2 tại D1 là

 12 

P2 h1

2

2

P1 h1  N 0,1

(1.2)

.

Ta có tỉ số tín hiệu trên nhiễu  1  của x1 tại D1 là

1 

P1 h1

2

.

N 0,1

(1.3)

Tại D2 (không sử dụng SIC), sau khi đã nhận tín hiệu x từ S , cùng với
mã xác nhận của D1 gửi tới nên tỉ số tín hiệu trên nhiễu  2  nhận được tại
D2 là

P2 h2

2 

P1 h2

2

2

 N 0,2

(1.4)

.

1.3.3
Lợi ích của kỹ thuật NOMA
NOMA là một kỹ thuật ghép kênh mới nhằm mục đích cải thiện hiệu
quả phổ bằng cách sử dụng một tên miền mới, đó là miền công suất mà
miền này không được sử dụng trong các hệ thống trước đó.
1.4 Các kỹ thuật chuyển tiếp
1.4.1 Giới thiệu

hSR

R

hRD

Nút chuyển tiếp

S

D

Nút nguồn

Nút đích

Hình 1.2: Mô hình chuyển tiếp đơn giản


5

R

hSR

S
Nút nguồn

Nút chuyển tiếp

hSD

hRD

D
Nút đích

Hình 1.3: Mô hình chuyển tiếp hợp tác

1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)
1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
1.5 Các kỹ thuật NOMA hợp tác
1.5.1 Giới thiệu
Mô hình đa truy nhập không trực giao (NOMA) cũng xảy ra hiện tượng
là sẽ có một số người dùng ở điều kiện truyền khó khăn hơn vì lý do bị che
chắn bởi vật cản, nhiễu từ các thiết bị khác hoặc vì khoảng cách xa hơn mức
cho phép và như vậy sẽ ảnh hưởng tới chất lượng tín hiệu nhận được của
người dùng đầu cuối. Chính vì vậy, kỹ thuật NOMA cũng cần phải có sự
hợp tác tại nút người dùng từ các kênh truyền khác nhau như kênh truyền
trực tiếp và kênh truyền chuyển tiếp để nâng cao chất lượng của hệ thống
hơn nữa.
1.5.2 Kỹ thuật NOMA hợp tác DF
1.5.3 Kỹ thuật NOMA hợp tác AF
1.6 Các kỹ thuật hợp tác
1.6.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SC)
Kỹ thuật SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu
trên nhiễu SNR  tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận được từ các
nhánh khác nhau trước đó rồi tiến hành đưa vào xử lý.
1.6.2 Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC)
Kỹ thuật này tạo ra tín hiệu có tỉ số SNR trung bình là tổng của các

SNR riêng lẻ của tín hiệu thu từ các nhánh khác nhau.
1.6.3 Kỹ thuật kết hợp cân bằng (EGC)
Tỉ số SNR đầu ra trong phương pháp EGC thỏa điều kiện công suất
nhiễu trên các nhánh như nhau.


6

Chương 2 – PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA HỆ
THỐNG NOMA HỢP TÁC VỚI NÚT CHUYỂN TIẾP SỬ DỤNG
KỸ THUẬT AF
2.1 Mô hình hệ thống
2.1.1 Mô tả hoạt động của mô hình đề xuất
Trong phần này, các thành phần chính của mô hình hệ thống NOMA
hợp tác với nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF sẽ được giới thiệu. Cụ thể
như sau, Học viên đề xuất một mô hình mạng hợp tác đa truy nhập không

 S  , một nút
chuyển tiếp  R  và hai nút đích, lần lượt là nút đích thứ nhất  D1  và nút
đích thứ hai  D2  . Mỗi thiết bị có 1 ăng-ten. Hệ thống hoạt động trên kênh
trực giao (NOMA) đường xuống bao gồm một nút nguồn

truyền fading Rayleigh, ở chế độ bán song công (half – Duplex), sử dụng
giao thức khuếch đại chuyển tiếp ( AF ). Trong mô hình đề xuất, nút D1 sử
dụng hai kỹ thuật kết hợp khác nhau, đó là kỹ thuật MRC và kỹ thuật SC.
2.1.1.1. Mô tả hoạt động của mô hình đề xuất sử dụng kỹ thuật MRC
ySD

D1

1

MR

hSD

1

ySRD

1

C

hRD
xR
1

S

hSR

x

ySR

hRD

2

R

yD

2

D2

Khe thời gian thứ nhất
Khe thời gian thứ hai

Hình 2.1: Mô hình đề xuất của hệ thống NOMA hợp tác sử dụng MRC

Trong khe thời gian thứ nhất, tín hiệu nhận được tại D1 là

ySD1  hSD1 x  nSD1 .

(2.1)

Và tín hiệu nhận được tại R là
ySR  hSR x  nSR .

(2.2)

Sau khi nút R nhận được tín hiệu từ S là ySR thì sử dụng kỹ thuật
khuếch đại với một giá trị là  như trong [14] là



PR

PT hSR

2

 N0

.

(2.3)


7

Vì vậy, tín hiệu nhận được tại R sau khi khuếch đại tín hiệu ySR
với một đại lượng  là
xR   ySR .

(2.4)

Tại khe thời gian thứ 2, nút R sau khi đã khuếch đại tín hiệu nhận
được như ở công thức (2.4) thì tiếp tục truyền đến D1 và D2 .
Tín hiệu nhận được tại D1 từ R truyền tới được cho ở công thức
sau:

ySRD1  xR hRD1  nRD1 ,

(2.5)

Thay (2.2) và (2.4) vào (2.5), ta có
ySRD1   hSR hRD1 x   hRD1 nSR  nRD1 .

(2.6)

Đặt:

hSRD1   hRD1 hSR ,

(2.7)

nSRD1   hRD1 nSR  nRD1 .

(2.8)

Thay (2.7) và (2.8) vào (2.6), ta được
ySRD1  xhSRD1  nSRD1 .

(2.9)

Ta có tín hiệu nhận được tại D2 từ R truyền tới là

yD2  hRD2 xR  nD2 .

(2.10)

Tại nút D1 , sau khi nhận được tín hiệu từ R chuyển tới thì kết hợp
với tín hiệu nhận được từ S truyền tới trong khe thời gian thứ nhất ở
công thức (2.1) bằng cách sử dụng kỹ thuật kết hợp tỉ số lớn nhất (MRC)
để có được tín hiệu tốt nhất.
Tín hiệu nhận được tại D1 sau khi kết hợp là

yD1   hSD1


2





2
*
*
 hSRD1  x  hSD
n  hSRD
 hRD1 nSR  nRD1 . (2.11)
1 SD1
1


*
*
Trong (2.11), hSD
và hSRD
là hai đại lượng liên hợp phức tương
1
1

ứng của hSD1 và hSRD1 .
2.1.1.2.

Mô tả hoạt động của mô hình đề xuất sử dụng kỹ thuật SC


8
ySD

1

D1

ySRD

1

hSD

1

SC

hRD
xR
1

S

x

hSR

ySR
R

hRD

yD

2

D2

2

Khe thời gian thứ nhất
Khe thời gian thứ hai

Hình 2.2: Mô hình đề xuất của hệ thống NOMA hợp tác sử dụng SC

Trong khe thời gian thứ nhất, cũng tương tự như sử dụng kỹ thuật
MRC khi tín hiệu thu được tại D1 và R lần lượt là ySD1 và ySR như
trong hai công thức (2.1) và (2.2). Sau đó, tại D1 sử dụng giao thức khử
nhiễu tuần tự (SIC) dựa vào thông tin trạng thái kênh truyền (CSI) để
giải mã được tín hiệu của D1 . Còn tại R với tín hiệu nhận được là ySR
từ S sẽ được khuếch đại thành xR với độ khuếch đại là  như trong
và được cho ở (2.3).
Trong khe thời gian thứ hai, nút S không truyền tín hiệu. Tại nút R
, sau khi tín hiệu đã được khuếch đại thành xR thì tiếp tục được truyền
tới D1 và D2 với tín hiệu nhận được lần lượt là ySRD1 và y D2 như
trong (2.9) và (2.10). Lúc này tại D1 tiếp tục sử dụng giao thức SIC một
lần nữa để giải mã được tín hiệu của D1 . Tại D1 , sau khi giải mã thành

công tín hiệu của D1 từ R tới thì tiếp tục sử dụng kỹ thuật kết hợp chọn
lựa (SC) để chọn ra được tín hiệu tốt nhất.
2.1.2 Xét tỉ số tín hiệu trên nhiễu và giao thoa
2.1.2.1. SNR của mô hình đề xuất theo kỹ thuật MRC
Ta có SNR của x2 tại D1 từ công thức (2.11) được cho như sau
2

 D12 

2
P1  hSD1   2 hSR


2

2
2
2
P2  hSD1   2 hSR hRD1 


.
2
2
2
2
2
2



2
hRD1    hSD1   hSR hRD1   hRD1  1  N 0
 



(2.12)
Ta có SNR nhận được của D1 dựa vào (2.11) như sau


9

P1  hSD1


 D1 

2

2

  2 hSR

2
hRD1 


2

2

2
hRD1   hRD1  1 N 0


Ta có SNR nhận được tại D2 trong công thức (2.10) là

hSD1

2

2

P2 hRD2

 D2 

.

(2.13)

2

N 0   2 hSR

hSR

2

.
(2.14)

2
  hRD2   2  N 0


2.1.2.2. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của mô hình đề xuất theo kỹ thuật SC
Trong khe thời gian thứ nhất, ta có
P1 hRD2

2

hSR

 SD12 

2

P2 hSD1
P1 hSD1

2

2

 N0

(2.15)

.

Ta có biểu thức SNR tại D1 là

 SD1 

P1 hSD1
N0

2

(2.16)

.

Ở khe thời gian thứ hai, ta có SNR của x2 tại D1 theo (2.9) là

 SRD12 

P2  2 hSR
P1  2 hSR

2

hRD1

2

2

2

hRD1

  2 hRD1

2

N0  N0

.

(2.17)

Ta có SNR của x1 nhận được tại D1 dựa vào công thức (2.9) là

 SRD1 

P1  2 hSR

2

hRD1

2

2

 2 hRD1 N 0  N 0

.

(2.18)

Sử dụng SC để chọn ra được tín hiệu tốt nhất là  D1 như sau

 D1  max( SD1 ,  SRD1 ).
Từ (2.10), ta có SNR khi giải mã được tín hiệu x2 tại D2 là

(2.19)


10

 D2 

2

P2  2 hSR
P1  2 hSR

2

2

hRD2

hRD2

2

  2 hRD2

2

(2.20)

.

N0  N0

2.2 Phân tích hiệu năng của hệ thống
2.2.1 Tính xác suất dừng của hệ thống đối với kỹ thuật MRC







Pr  D12   th1 hoặc Pr  D1   th1

OPMRC

 hoặc Pr  D



  th2 . (2.21)

2

Ta thấy  D12 tốt hơn so với  D2 . Vì vậy (2.21) được viết lại như sau





OPMRC  Pr  D1   th1 hoặc  D2   th2 .

(2.22)

Để đơn giản hơn trong tính toán ta xem trong biểu thức (2.11) với

 h

RD1


2

 1 N 0  N 0 , vì vậy (2.11) được viết lại như sau


 DL1   D1

P1  hSD1
 

2

  2 hSR
N0

2

2
hRD1 
.

Vì vậy, (2.22) được viết lại như sau



(2.23)



L
OPMRC  OPMRC
 Pr  DL1   th1 hoặc  D2   th2 .

(2.24)

Sử dụng xấp xỉ

PR

2 

.

(2.25)

Pr  DL1   th1 .

(2.26)

PT hSR
Phần thứ nhất, ta có



2



Thay (2.23) vào (2.26), ta có

Pr  DL1   th1  Pr   hSD1







Đặt  D1 

 th1 N 0
P1



2

  2 hSR

2

 th N 0
2
hRD1   1
P1



 .


(2.27)

và thế (2.25) vào (2.27), ta có




Pr  DL1   th1  Pr   hSD1


2

2


  hRD1    D1  .



(2.28)


11

F

 hRD1

f

 hRD1

F

2

2

hSD1

 x   Pr   hRD


 x 

2


x
 x   1  exp  
2


  RD1

2

1

1
2
 RD
1


x
exp  
2
  RD
1


 y   Pr  hSD


2

1


,



(2.29)


,




y
 y   1  exp   2
  SD

1



,



(2.30)


y 

.
f
exp
2  y 
2
2 
hSD1
  SD
 SD
1
1 

Áp dụng hai biểu thức (2.29) và (2.30) vào (2.28), ta có
1

2
2


Pr  hSD1   hRD1    D1  





1



 
0

1
2
RD1


x
exp   2
  RD
1


 D1  D1  x

 
0

f

0

 hRD1

2


 D
1
 dx 
exp   2 1
2

  SD
 RD1
1



 x f h

2

 y  dydx

SD1






 D1



0

  1
1
exp    2  2
   RD  SD
1
1
 

 
 x dx.
 
 

(2.31)
Dựa vào (2.31) ta xét 2 trường hợp:
2
2
Trường hợp 1: Khi  RD
.
  SD
1
1


Pr  hSD1


2


D
2

  hRD1    D1   1   1  2 1
  SD


1



 D
 exp  1
2

  SD
1




.



(2.32)

2

2
Trường hợp 2: Khi  RD
.
  SD
1
1

 D 
 D 
2
2


Pr  hSD1   hRD1    D1   1   exp   2 1   1    exp   21  , (2.33)
  SD 
  RD 



1 
1 





Ở phần thứ 2: Pr  D2   th2



Thay (2.25) vào (2.20) ta được:


12

 D2 

 P2 hRD2
2

 P1 hRD2

2

hSR

  hRD2

PT
hSR
N0

2



PR
hRD2
N0

2



 SR 

 RD2 

hSR

2

2

2
2

N 0  hSR N 0

.

PT
2
hSR ,
N0

 PT
N0

(2.35)

2

hRD2 .

(2.36)

 1 xN 0 
F SR  x   Pr  SR  x   1  exp   2
,
 
PT 
SR

f SR  x   f

F RD

2

f RD

2

hSR

2

 xN 0

 PT

 hRD2

2

 1 xN 0 

1
 .
  2 exp   2
  SR
  SR PT 

(2.38)

(2.39)


 N0 
1
1 yN 0 
,
exp  
y

2
2
  RD
PT 
 PT   RD2

2



(2.40)

2

f

(2.37)


yN 0 
1
.
 y )  1  exp  
2
  RD
PT 
2



 y   Pr( RD

 y 

(2.34)

Hàm CDF của  D2 giải mã theo tín hiệu của x2 có dạng:

 



F D  th2  Pr  D2   th2
2

với 1 





2
2
 hSR  hRD2

 th2 N 0
 Pr 

.
  h 2   h 2  1  1 1   th2 PT 


RD2
 SR












(2.41)

P1
được định nghĩa là hằng số tỉ lệ công suất giữa P1 và PT .
PT

Đặt

R 

 th2 N 0

1   1    P
1

Thay (2.42) vào (2.41) ta được:

th2

T

,

(2.42)


13



2
2
 hSR  hRD2

2
2
2
2
Pr 
  R   Pr  hSR  hRD2   R  hRD2   R hSR 
2
2



 h

  SR   hRD2 

(2.43)





 Pr   hRD2



giả sử hSR

2

2

1   R 
hSR

2


 R 



 y là hằng số và đặt  e 2e   hRD2

2

1   R 
hSR

2

, (2.43) được

viết lại như sau



2 1   R 
Pr  e 2e   R   Pr   hRD2
 R 


y


1 khi y   R

2
 
R y 
 Pr   hRD2  y    khi
R 
 

(2.44)

y  R

.

Khai triển hàm CDF của  D2 theo (2.44), ta có

 

F D  th2  1 
2



1
2
 SR

 1
 1 
R y 
 exp 
exp  2
y dy,
  2 
  RD  y   R  
 SR 
2


R



đặt t  y   R , suy ra dt  dy, ta có

 

F D  th2  1 
2

1
2
 SR






0

  1
1
exp    2 
2
   SR  RD
2
 

 
R 
 
 


 1
1 R2 
 exp  
exp  
2
 2
  RD t 
SR

2




t  dt.



(2.45)

Ta có




 1  2 1 
1 R2   1 
R



exp  2
exp   2 t  dt  exp  2
t dt, (2.46)
2 
  RD t    SR 
  RD t  SR
2
2




0
0
biểu thức tích phân trong (2.46) có dạng giống trong [20, (3.324-1)], nên






14



0

2



 SR
1
 2 R
t dt  2 R
K
1
2
2
2


 RD2
 SR  RD
2


Thế (2.47) vào (2.45), ta được

 1  2 1
R
exp 
2
2
  RD
t  SR
2


 

F D  th2  1  2
2

R
2
2
 SR
 RD
2

  1
1
exp    2  2
   SR  RD
2
 

  
R
  R  K1  2
    2  2
  
SR
RD2


 . (2.47)





 . (2.48)



Đặt:

2

R
2
2
 SR
 RD
2

thay (2.49) vào (2.48), ta được



 1
1
,   R  2 
2
  SR  RD
2



,



(2.49)



Pr  D2   th2  1   exp    K1    .

(2.50)

Biểu thức (2.24) được viết lại như sau



2

  hRD1

2



2

  hRD1

2

L
OPMRC
 Pr hSR

 Pr hSD1





  D1  Pr  hRD1






  D1 Pr  hRD1


2

2



1  R
2


hSR




1  R
2

hSR




   R 






   R  .



(2.51)

Ta có

      
2

2
1   1  D1  exp   D1  ,  SD
  RD
2 
2 
1
1



2
2
   SD1    SD1 
P hSD1   hRD1   D1  
.
 D 
 D 

2
2
1
1
1   exp   2   1    exp   2  ,  SD1   RD1








RD1 
 SD1 

(2.52)
Thay (2.50) và (2.52) vào (2.51), ta được






15


     
2
2
1   exp    K1 (  ) 1  D1  exp   D1  ,  SD
  RD
2 
2 
1
1
  SD
  SD

1 
1 




L
OPMRC  
.

 D 
  D 

2
2
1
1
1   exp    K1 (  )  exp   2   1    exp   2   ,  SD1   RD1
  SD 
  RD  


1 
1 



(2.53)
Vậy xác suất dừng trên toàn bộ hệ thống khi sử dụng kỹ thuật MRC là:


     
2
2
1   exp    K1 (  ) 1  D1  exp   D1  , khi  SD

  RD
, P2 / P1   th2
2 
2 
1
1



 SD1    SD1 




  
 

H
OPMRC
 1   exp    K1 (  )  exp   SD1   1    exp   SD1   ,
2 
2 
  SD
  RD



1 
1 





2
2
 khi  SD
  RD
, P2 / P1   th2
1
1

1, khi P2 / P1   th2
(2.54)
2.1.2. Tính xác suất dừng của hệ thống đối với kỹ thuật SC
Từ (2.19), ta có hàm CDF của  D1 là

 

 



F D  th1  Pr max  SD1 ,  SRD1   th1
1







 F SD , SRD  th1 ,  th1 .
1

1

Vì  SD1 và  SRD1 là hai biến ngẫu nhiên độc lập, ta có

 

 

 

F D  th1  F SD  th1 F SRD  th1 .
1

1

1

(2.55)

Áp dụng biểu thức (2.25) và (2.26) vào (2.48), ta có

 





F SD  th1  1  exp SD1  th1 ,
1

trong đó SD1 

1
2
 SD
1

N0
.
1 PT

(2.56)


16

PR

Xấp xỉ giá trị của SNR ở chế độ cao với  

PT hR

2

, ta có  SRD1

được viết lại như sau:

 SRD1 

P1  2 hSR

2

hRD1

2

2

 2 hRD1 N 0  N 0

PT hSR
P
với 1  1 ,  SR 
PT
N0

2

, và  RD1 



1 SR  RD1
 SR   RD1

PR hRD1

2

N0

.

Ta có hàm CDF và PDF của biến ngẫu nhiên hSR

F

(2.57)

,

2

là

 x   Pr  hSR 2  x   1  exp  


2

hSR

x 
,

2 

  SR 

(2.58)

 x 
f 2  x   2 exp   2  .
hSR
  
 SR
SR 

Áp dụng (2.29) và (2.58) vào (2.57), kết quả như sau
1

 



F SRD  th1  1  RD1 exp  X (SR  RD1 )
1






0




X2 
exp  SR
 exp RD1 t dt.

t 




(2.59)



Kết quả xác suất dừng tại D1 trong nhánh chuyển tiếp là

 1 SR  RD1

F SRD  th1  Pr  SRD1   th1  Pr 
  th1 
1
  SR   RD

1



 







 



 1  2 X SR RD1 exp  X (SR  RD1 ) K1 2 X SR RD1 ,
(2.60)
trong đó X 

 th1
1

, SR 

N0
2
 SR
PS

, RD1 

N0
2
 RD

P
1 S

, và  

PR
.
PS

Thay hai kết quả ở (2.56) và (2.60) vào (2.55), ta có kết quả như sau:


17

 









F D  th1  Pr  D1   th1  1  exp SD1  th1 


1



 



 1  2 X SR RD1 exp  X (SR  RD1 ) K1 2 X SR RD1  .


(2.61)
trong đó, K1 (.) là bậc đầu tiên của hàm Bessel.
Tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu tại D2 là  D2 được tính tương tự



như trong kỹ thuật MRC nên biểu thức Pr  D2   th2
(2.46).

 có kết quả như ở




 Pr  D   th   Pr  D   th   Pr  D   th  Pr  D

OPSC  Pr  D1   th1 hoặc  D2   th2
1

1

2

2

1

1

2



  th2 .

(2.62)

Thay công thức (2.57) và (2.46) vào (2.58), ta được kết quả sau




 1  exp SD1  th1  1  2 X SRRD1 exp  X (SR  RD1 ) K1 2 X SRRD1 

  1   exp    K1      1  exp SD  th 
1
1 



H
OPSC

  1  2 X SR RD1 exp  X (SR  RD1 ) K1 2 X SR RD1 
.

 
P2

 1   exp    K1     , khi P   th2
1

P2

khi
  th2
1,
P1






 







 







(2.63)
2.2.2 Phân tích tiệm cận
Biểu thức tiệm cận của xác suất dừng theo kỹ thuật MRC, ta có kết
quả như sau:
H
lim OPMRC


 0 

R
,
0

với:

R 

 1
1


2

2
1  1 1   th2    SR  RD2

 th2


P
 và 1  1 .

PT



18

 Đánh giá bậc phân tập của hệ thống.
H
OPMRC
 0  log  0

d   lim
 1.

Như vậy, bậc phân tập của hệ thống NOMA hợp tác khi sử dụng kỹ
thuật MRC là bằng 1.


19

Chương 3 - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ

3.1 Mô phỏng Monte – Carlo
Trong Chương 3, các kết quả mô phỏng được thực hiện trên phần mềm
Matlab, sử dụng phương pháp Monte – Carlo để kiểm chứng các kết quả
phân tích ở Chương 2.
3.2 Kết quả đạt được
Trong luận văn này, các vòng tròn, hình tam giác, hình sao, hình vuông
biểu thị cho mô phỏng Monte – Carlo, các đường nét liền biểu thị cho kết
quả xấp xỉ lý thuyết và các đường nét đứt biểu thị cho kết quả tiệm cận. Các
tham số được ký hiệu như sau: SNR(dB) là tỉ số tín hiệu trên nhiễu được
tính theo giá trị dB , OP được định nghĩa là xác suất dừng của hệ thống, R1
được giả sử là tốc độ truyền dữ liệu yêu cầu tại D1 , R2 là tốc độ truyền dữ
liệu yêu cầu tại D2 ,  là hằng số tỉ lệ phân bổ công suất giữa nút R và nút

S , 1 là hằng số tỉ lệ phân bổ công suất cho D1 tại nút S , với điều kiện là
PT  P1  P2 .
Trong Hình 3.1 vẽ giá trị xác suất dừng (OP) là ngưỡng tối thiểu mà hệ
thống có thể chịu đựng được. Ta thấy rằng kết quả mô phỏng của mô hình
NOMA hợp tác tốt hơn so với mô hình OMA hợp tác. Các thông số trong
Hình 3.1 được thiết lập như sau: R1  1 và R2  0.7 , khoảng cách từ

S  D1 , S  R , R  D1 và R  D2 trong trường hợp B- I được thiết
lập lần lượt là d SD1  30 m , d SR  30 m , d RD1  30 m và d RD2  45 m .

  0.3 , 1  0.2 . Trong khi mô hình OMA được thiết lập yêu cầu tốc độ
gấp 1.5 lần so với NOMA và 1 được chọn sao cho xác suất dừng nhỏ nhất
để tối ưu hệ thống.
Trong Hình 3.2 vẽ giá trị OP để so sánh hai kỹ thuật khác nhau là MRC
và SC tại D1 . Ta thấy rằng, sử dụng kỹ thuật MRC tốt hơn so với kỹ thuật
SC trong mô hình NOMA hợp tác.

20

Hình 3.1: Kết quả mô phỏng giữa mô hình OMA hợp tác
và NOMA hợp tác

Hình 3.2: So sánh giữa hai kỹ thuật
MRC và SC tại D1 trong mô hình đề xuất

Trong Hình 3.3 vẽ giá trị xác suất dừng giữa hai kỹ thuật MRC và SC
trong toàn bộ hệ thống NOMA hợp tác là tương đương nhau.
Hình 3.4 vẽ xác suất dừng cho các trường hợp A, B, C trong (2.54), các
thông số cho trường hợp A, B, C trong Hình 3.4 giống như trong B – I,
ngoại trừ khoảng cách từ R  D1 trong trường hợp A là d RD1  16.43 m và

1  0.4 trong trường hợp C.


21

Hình 3.3: So sánh giữa hai kỹ thuật MRC và SC
trong mô hình đề xuất ở trên

Hình 3.4: Xác suất dừng cho các trường hợp A, B, C

Trong Hình 3.5, khảo sát sự ảnh hưởng của vị trí đặt R của mô hình đề
xuất. Khi vị trí của nút R gần với D2 hơn so với S thì xác suất dừng của
hệ thống được cải thiện đáng kể. Các thông số được thiết lập cho trường
hợp B – II như sau: Khoảng cách từ S  R và R  D2 lần lượt là

d SR  45 m và d RD2  30 m .


22

Hình 3.5: So sánh hai trường hợp của B khi thay đổi vị trí của R

Hình 3.6: Xác suất dừng khi thay đổi tốc độ cho phép tại D2

Trong Hình 3.6 khảo sát ảnh hưởng của tham số R2 lên hiệu năng của hệ
thống. Khi giá trị của R2 càng lớn thì xác suất dừng của hệ thống càng tăng
lên.


23

Trong Hình 3.7, khi tỉ lệ phân bổ công suất khác nhau thì xác suất dừng
của hệ thống cũng khác nhau. Cụ thể, khi 1 tăng lên thì xác suất dừng
cũng tăng theo.

Hình 3.7: Xác suất dừng được vẽ theo 1 khi thay đổi tỉ lệ giữa P1 và P2

Hình 3.8: Xác suất dừng được vẽ theo  khi thay đổi tỉ lệ công suất của R
Trong Hình 3.8, khảo sát sự ảnh hưởng của tham số  lên hiệu năng
của hệ thống. Các thông số khác giống như trong trường hợp B – I.


24

3.3. Kết luận và hướng phát triển đề tài

3.3.1. Kết luận
Trong luận văn này đã hoàn thành các mục tiêu đề ra, cụ thể:
 Học viên đã xây dựng mô hình NOMA hợp tác với bộ khuếch đại
chuyển tiếp (AF) sử dụng hai kỹ thuật kết hợp khác nhau tại nút
đích, đó là kỹ thuật MRC và kỹ thuật SC.
 Phân tích xác suất dừng  OP  của mô hình hệ thống.
 So sánh giữa các mô hình và khảo sát các tham số trong mô hình đề
xuất và kết luận ảnh hưởng đến hiệu năng của hệ thống.
Trong luận văn này, các kết quả mô phỏng đã chỉ ra rằng mô hình
NOMA hợp tác là triển vọng hơn so với mô hình OMA hợp tác ở độ lợi
kênh truyền.
Bên cạnh đó, kết quả so sánh giữa kết quả mô phỏng và lý thuyết của
mô hình đề xuất khi sử dụng hai kỹ thuật khác nhau là MRC và SC là
tương đương nhau, đặc biệt khi SNR càng cao thì hiệu năng của hai kỹ
thuật này có kết quả giống nhau.
Kết quả mô phỏng cũng xem xét sự ảnh hưởng của các tham số lên hệ
thống. Nếu thay đổi các tham số trong mô hình đề xuất thì hiệu năng của
hệ thống cũng bị ảnh hưởng đáng kể.
Vì vậy, khi triển khai hệ thống NOMA hợp tác trong thực tế, ta cần
tính toán chính xác các tham số hiệu năng, đặc biệt là hệ số phân bổ công
suất cho người dùng để đảm bảo hệ thống hoạt động một cách tốt nhất.
3.3.2. Hướng phát triển đề tài
Đề tài của luận văn có thể được phát triển như sau:
- Bởi tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến nên có thể thông tin
truyền đi bị đánh cắp để phục vụ cho mục đích xấu, chính vì thế cần
phải đưa thêm giải pháp bảo mật thông tin ở lớp vật lý nhằm bảo
đảm thông tin truyền đi được an toàn.
- Bên cạnh đó, xem xét mô hình ở nhiều dạng kênh truyền khác nhau
như kênh fading Rician, kênh fading Nakagami-m, v.v. để kiểm
chứng hiệu năng tổng quát của mạng NOMA hợp tác.

- Cần nghiên cứu thêm mô hình chuyển tiếp đa chặng nhằm nâng cao
chất lượng của hệ thống.