Phân Tích dung lượng cho mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng đa truy nhập không trực giao (NOMA) (tt)

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN
THÔNG
---------------------------------------

HOÀNG THANH HÒA

PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP
CỘNG TÁC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP
KHÔNG TRỰC GIAO NOMA
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2017


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ QUỐC CƯỜNG

Phản biện 1: ……………………………………………………
Phản biện 2: …………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ
tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng .......năm...........

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Thư viện của Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông


3
MỞ ĐẦU
Truyền thông liên lạc là một nhu cầu thiết yếu của bất kì một xã hội
phát triển nào, trong đó truyền thông vô tuyến đóng một vai trò rất quan trọng.
Trong suốt 20 năm gần đây, truyền thông vô tuyến đã có những bước phát
triển vượt bậc và được dự đoán sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa. Với sự
triển khai các dịch vụ như truyền thông di động, và ứng dụng truyền hình di
động, chúng ta đang chứng kiến nhu cầu ngày càng tăng về tốc độ dữ liệu
trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3, 4 (3G, 4G) và điều này tạo nên xu
hướng tiến lên các thế hệ tiếp theo.
Trong những thập niên gần đây, truyền thông cộng tác (cooperative
communication) đã trở thành chủ đề nổi bật trong nghiên cứu và ứng dụng,
nhằm tăng cường hiệu quả truyền dữ liệu của những hệ thống giao tiếp vô
tuyến. Khái niệm cơ bản trong truyền thông cộng tác là các thiết bị đầu cuối
chia sẻ antenna của mình để tạo thành một chuỗi antenna ảo. Điều này giúp
mạng truyền thông cộng tác có đạt được bậc phân tập cao mà không cần phải
trang bị nhiều antenna tại các thiết bị đầu cuối. Một hệ thống chuyển tiếp
cộng tác (CRS) đã thu hút được sự chú ý lớn nhằm mục đích khai thác sự đa
dạng không gian. Trong CRS với một mạng chuyển tiếp bán song công, phía
đích nhận được và kết hợp hai bản sao độc lập của cùng một tín hiệu dữ liệu
được truyền từ nguồn thông qua các kênh trực tiếp và chuyển tiếp trong hai
khe truyền dẫn, có thể cải thiện chất lượng thu của tín hiệu. Tuy nhiên, truyền
dẫn chuyển tiếp cộng tác như vậy có thể giới hạn hiệu suất phổ tần của hệ
thống do truyền lặp lại.
Đa truy nhập không trực giao (NOMA) về nguyên tắc khác với các
kỹ thuật đa truy nhập trực giao thông thường, như trong NOMA nhiều người
dùng được khuyến khích truyền tải cùng một lúc, mã và tần số, nhưng với các

mức năng lượng khác nhau. Đặc biệt, NOMA phân bổ ít năng lượng cho


4
người dùng có điều kiện kênh tốt hơn, và những người dùng này có thể giải
mã thông tin của riêng họ bằng cách áp dụng hủy bỏ sự can thiệp liên tiếp.
Do đó người dùng đó sẽ biết các thông điệp dành cho người dùng khác.
Luận văn này tập trung nghiên cứu, mô phỏng kiểm chứng hai vấn
đề thực tế đó là: So sánh hiệu năng của hệ thống mạng chuyển tiếp cộng tác
CRS dùng NOMA và mạng CRS thông thường trong các điều kiện khác nhau
về các thông số kênh truyền, tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR và hệ số phân bổ
công suất. Đồng thời, luận văn cũng tính toán và đề xuất một chương trình
phân bổ năng lượng tối ưu để hệ thống CRS dùng NOMA có hiệu năng tốt
nhất. Luận văn được chia làm 4 chương cụ thể như sau:
Chương 1 - Tổng quan về mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng
NOMA.
Chương 2 - Phân tích dung lượng mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng
NOMA.
Chương 3 - Mô phỏng và đánh giá kết quả.
Chương 4 - Kết luận và hướng phát triển đề tài.


5
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN TIẾP CỘNG TÁC SỬ
DỤNG NOMA
1.1. Các khái niệm liên quan
1.1.1. Dung lượng kênh truyền
Khái niệm “dung lượng” kênh truyền là khái niệm rất cơ bản của lý
thuyết truyền tin và là một đại lượng vật lý đồng thời cũng là đại lượng toán
học (có đơn vị là bit). Đại lượng này cho phép xác định tốc độ truyền tối đa

của mỗi kênh truyền không dây với xác suất sai số cho phép.
1.1.2. Dung lượng kênh truyền Rayleigh Fading
1.1.2.1. Dung lượng kênh tức thời
 P h2
.
C  log 2 (1   )  log 2 1 

N 0 


(1.5)

1.1.2.2. Dung lượng kênh trung bình
Đối với kênh truyền Rayleigh fading, dung lượng kênh phải được
tính theo ý nghĩa là dung lượng kênh trung bình, do trong kênh truyền
Rayleigh fading, giá trị sẽ thay đổi theo thời gian. Khi đó dung lượng kênh
trung bình có thể cho thấy dung lượng trung bình tốt nhất trong môi trường
fading.
C  E C  E log 2 (1   )


1
e
ln(2)

 N0
P

  N0 
E1 


 P 

(1.6)

1.2. Tổng quan về mạng chuyển tiếp cộng tác
1.2.1. Giới thiệu về truyền thông cộng tác
1.2.2. Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp
Khi nút chuyển tiếp tiếp nhận thông tin từ nút nguồn, chúng sẽ được
tiếp nhận và xử lý trước khi truyền đến nút đích. Các kỹ thuật hay cách thức
hoạt động của nút chuyển tiếp gọi là các kỹ thuật chuyển tiếp. Hai kỹ thuật


6
chuyển tiếp phổ biến thường được sử dụng nhiều trong các hệ thống truyền
thông họp tác là kỹ thuật chuyển tiếp cố định (fixed relaying) và kỹ thuật
chuyển tiếp thích nghi (adaptive relaying).
1.2.2.1. Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)
Kỹ thuật chuyển tiếp này còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển
tiếp tái tạo, cơ bản nó thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu. Ở mô
hình này, nút chuyển tiếp hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông
minh và giải mã/ giải điều chế tín hiệu nhận được từ nút nguồn ở khe thời
gian truyền thứ nhất hay ở pha truyền thứ nhất. Quá trình này sẽ loại bỏ sự
hiện diện của nhiễu.
1.2.2.2. Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Với mô hình sử dụng kỹ thuật này, nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là
khuếch đại những gì nó nhận được từ nút nguồn. Quá trình khuếch đại tương
ứng với 1 biến đổi tuyến tính xảy ra tại nút chuyển tiếp. AF còn được gọi là
mô hình chuyển tiếp không tái tạo và cơ bản là nó thực hiện những phương
thức xử lý tương tự cho tín hiệu.

1.2.2.3. Kỹ thuật nén và chuyển tiếp
Sự khác nhau giữa kỹ thuật nén và chuyển tiếp (Compress and
Forward- CF) với AF và DF là trong quá trình truyền thông tin giữa nút nguồn
và nút đích, nút chuyển tiếp truyền một bản sao của bản tin nhận được. Nút
chuyển tiếp truyền bản tin được lượng tử hóa và đã được nén từ bản tin ban
đầu nhận được từ nút nguồn. Khi đó tại nút đích sẽ khôi phục thông tin bằng
cách kết hợp bản tin nhận được từ nút nguồn và phần thông tin đã được lượng
tử hóa và nén từ nút chuyển tiếp.
1.2.2.4. Kỹ thuật chuyển tiếp tăng cường
Trong chế độ chuyển tiếp tăng cường (incremental relaying), giả sử
có một kênh phản hồi từ nút đích tới nút chuyển tiếp. Nút đích sẽ gửi một bản
tin xác nhận tới nút chuyển tiếp nếu nó có thể nhận được thông tin chính xác


7
từ nút nguồn trong pha truyền thứ nhất, khi đó nút chuyển tiếp không cần
truyền thông tin. Giao thức này có hiệu suất sử dụng phổ tốt nhất so với các
giao thức đã trình bày ở trên bởi vì nút chuyển tiếp không phải luôn tham gia
vào quá trình truyền và việc xảy ra pha truyền thứ hai phụ thuộc vào chất
lượng kênh truyền trực tiếp từ nút nguồn tới nút đích. Do vậy chuyển tiếp
tăng cường đạt được độ lợi phân tập gấp hai lần.
1.2.3. Kỹ thuật phân tập kết hợp
1.2.3.1. Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (Selection Combining: SC)
Kỹ thuật phân tập 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 rồi đưa vào xử lý.
1.2.3.2 Kỹ thuật kết hợp tỷ số tối đa (Maximal Ratio Combining:
MRC)
Kỹ thuật này sử dụng tín hiệu thu từ tất cả các nhánh để đưa vào xử
lý. Trong kỹ thuật MRC, SNR của ngõ ra bộ kết hợp là tổng của các SNR

trên các nhánh thành phần. SNR của tín hiệu thu sẽ tăng tuyến tính theo số
nhánh phân tập.
1.2.3.2. Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining:
EGC)
Về bản chất EGC cũng giống MRC, đều sử dụng tất cả các tín hiệu
thu được tại các nhánh để đưa vào xử lý, tuy nhiên, tỉ số SNR đầu ra trong
phương pháp EGC thoả điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh như nhau.
Tuy nhiên, hiệu quả của kỹ thuật này có thể thấy là không cao như đối với kỹ
thuật MRC nhưng EGC dễ thực thi trong thực tế hơn kỹ thuật MRC.
1.2.4. Ưu nhược điểm của truyền thông cộng tác
1.2.4.1. Ưu điểm
Đạt được độ lợi phân tập kết hợp:
- Giảm thiểu công suất truyền cần thiết.


8
- Nâng cao dung lượng kênh Shanon.
- Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, vùng phủ sóng của mạng.
Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS.
Tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng.
Truyền thông cộng tác có thể là giải pháp giảm thiểu chi phí xây
dựng, cung cấp các dịch vụ mạng trong nhiều trường hợp.
1.2.4.2. Nhược điểm
− Sử dụng truyền thông cộng tác sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên vô
tuyến hơn so với truyền trực tiếp.
− Một hệ thống truyền thông cộng tác đòi hỏi các yêu cầu cao hơn
về điều khiển truy nhập, đồng bộ, lập lịch, các biện pháp bảo mật.
− Trễ tại các bước xử lý ở nút chuyển tiếp rõ ràng không có lợi.
− Việc lập lịch phức tạp.
1.3. Tổng quan về công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA)

1.3.1. Khái niệm đa truy nhập
1.3.2. So sánh OMA và NOMA
1.3.2.1. Đa truy nhập trực giao (Orthogonal Multiple Access-OMA)
1.3.2.2. Đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple
Access -NOMA)
Đa truy nhập không trực giao (NOMA) là một công nghệ cho phép
cần thiết cho các mạng không dây 5G để đáp ứng nhu cầu không đồng nhất
về độ trễ thấp, độ tin cậy cao, kết nối lớn, và thông lượng cao. Ý tưởng chính
của NOMA là để phục vụ cho nhiều người sử dụng trong các tài nguyên băng
thông tương tự, chẳng hạn như các khe thời gian, mã không gian thời gian
hay, sóng mang con. NOMA đã đề nghị một phương pháp đa truy nhập mới,
trong đó bổ sung thêm một miền đó là miền công suất, mà trước đây chưa
từng được sử dụng với 2G, 3G và hệ thống 4G.
1.3.3. Mô hình hệ thống NOMA


9

Hình 1.7. Mô hình NOMA với SIC tại bên nhận.
1.3.3.1. Đường truyền lên NOMA
Trong đường truyền lên, người sử dụng thứ i truyền tín hiệu s i , với
Pi

là năng lượng truyền tải cho tín hiệu s i . Giả sử có 2 người dùng trong

NOMA, các tín hiệu nhận được tại nguồn được biểu diễn là:
y  h1 P1 s 1  h2 P2 s 2  n (1.9)

1.3.3.2. Đường truyền xuống NOMA
Để đơn giản, chúng ta giả định ở đây hai người sử dụng và một máy

phát và ăng ten thu. Trong đường truyền xuống, các trạm phát đi một tín hiệu
2
cho người sử dụng thứ i ( i = 1, 2) , si , trong đó E  s   1 , với công suất

truyền

Pi , tổng số Pi

bằng tổng công suất truyền của máy phát. Trong NOMA,

s1 và s 2 đang chồng chất được mã hóa như sau:

x  P1 s1  P2 s2 ,

(1.14)

khi đó, tín hiệu nhận được tại người dùng thứ i sẽ là:
yi  hi x  ni ,

(1.15)

1.4. Tổng quan về mạng truyền thông cộng tác sử dụng NOMA
Chương 2 - PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG CHO MẠNG CHUYỂN
TIẾP CỘNG TÁC SỬ DỤNG NOMA
2.1. Mô hình hệ thống


10
Chúng ta xem xét một mạng CRS đơn giản bao gồm một nguồn (S),
một mạng chuyển tiếp bán song công (R), và một đích (D), nơi mà nó được

giả định rằng tất cả các liên kết (tức là S  D , S  R và liên kết R  D ) là có
sẵn.

Hình 2.1. Mô hình hệ thống

Các tín hiệu nhận được ở chuyển tiếp và đích đến trong khe thời gian
đầu tiên được biểu diễn tương ứng:

rSR  hSR ( a1Pt s1  a2 Pt s2 )  nSR .

(2.1)

rSD  hSD ( a1Pt s1  a2 Pt s2 )  nSD .

(2.2)

Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR nhận được cho tín hiệu s1 và s2 tại
chuyển tiếp thu được tương ứng:
I
 SR


 SR 

| hSR |2 a1 Pt
| hSR |2 a2 Pt   2

(2.3)

| hSR |2 a2 Pt

(2.4)

2

Mặt khác, đích đến xử lý tín hiệu s2 như nhiễu để có được tín hiệu
s1 từ (2.2). Sau đó, SNR nhận được cho tín hiệu s1 tại đích đến thu được như

sau:


11

 SD 

| hSD |2 a1Pt
| hSD |2 a2 Pt   2

(2.5)

Trong khe thời gian thứ hai, chỉ có chuyển tiếp truyền tín hiệu giải
mã s2 với nguồn Pt đến đích. Giả sử rằng chuyển tiếp hoàn toàn giải mã tín
hiệu s2 , tín hiệu thu được tại đích trong khe thời gian thứ hai được biểu diễn
bằng:
rRD  hRD Pt s2  nRD

(2.6)

Trong đó 𝑛𝑅𝐷 là nhiễu Gaussian trắng với độ sai lệch  2 , và SNR
nhận được cho tín hiệu s2 trong (2.6) thu được là:

 RD 

| hRD |2 Pt

2

(2.7)

Kết quả là, trong CRS sử dụng NOMA, đích đến có thể có được hai
tín hiệu dữ liệu s1 và s2 trong hai khe thời gian, không giống như CRS thông
thường, trong đó đích nhận được chỉ một tín hiệu dữ liệu đơn trong hai khe
thời gian.
2.2. Phân tích dung lượng mạng
Cho SD | hSD |2 , SR | hSR |2 , RD | hRD |2 và 

Pt /  2 , trong đó ρ là

SNR truyền đạt. Kể từ tín hiệu 𝑠1 nên được giải mã tại điểm đến cũng như
chuyển tiếp cho SIC, tốc độ có thể đạt được gắn liền với tín hiệu 𝑠1 thu được
khi sử dụng (2.3) và (2.5) là:
1
I
min{log 2 (1   SD ),log 2 (1   SR
)}
2
1
1
 log 2 (1  min{SD , SR } )  log 2 (1+min{SD , SR } a2 ).
2

2

Cs1 

(2.10)
Theo mô hình đã cho ban đầu ta có a1  1  a2 . Dựa vào thực tế là
dung lượng từ đầu cuối đến đầu cuối của giải mã và chuyển tiếp được quyết


12
định

liên

bởi

Error!

kết

yếu

Reference

và

nhất,

sử

source

dụng
not

các

công

thức
và

found.

Error! Reference source not found., dung lượng đạt được liên quan đến tín
hiệu 𝑠2 thu được bằng:

1
min{log 2 (1   SR ),log 2 (1   RD )}
2

Cs2 

1
= log 2 (1  min{SR  a2 , RD }).
2

(2.12)

Từ (2.10) và (2.12), tổng tốc độ có thể thu được của CRS sử dụng

NOMA sau đó là:

C pro  Cs1  Cs2 .

(2.13)
min{SR  a2 , SD } , và sử dụng chức

min{SD , SR } và Y

Đặt X

năng của hàm mật độ xác suất (PDF), các hàm phân phối tích lũy (CDF) của
X

và

Y

FY ( y )  1  e

 y(

tương
1

 SR  a2



1

 SD 

ứng
)

được

cho

là

FX ( x)  1  e

 x(

1

 SD



1

 SR

)

và

. Lấy đạo hàm của 𝐹𝑋 (x) và 𝐹𝑌 (y), hàm PDF của X và

Y được tính là:
 1

1 

 1
1   x  SD  SR 
f X ( x)  

.
e
  SD  SR 


(2.14)


 1
1   y  SR  a2   RD  
fY ( y )  

.
e
  SR  a2  RD  
1

1

(2.15)

Sử dụng (10), (11), và (12), tổng tốc độ trung bình thu được bằng:


1
{log 2 (1  x  )  log 2 (1  x  a2 )}f X ( x)dx
2
1
  {log 2 (1  y )}fY ( y ) dy.
0 2

C pro  

0

(2.16)


13


1 1
1 
1    SD   SR   1  1
1 
e
Ei   



 

2ln 2 
    SD  SR  

1  1
1 



 SR 

 a2   SD

e




 e

1

 SR  a2



1

 1  1

1 
Ei  


 a  
 SR  
2  SD





 SD  

(2.25)


1
1 
Ei  

.
  SR  a2  RD  

Sử dụng xấp xỉ của Ei (x)  Ec  ln( x) [3, eq.(8.212.1)] và e x  1  x
cho x nhỏ, Trong đó Ec biểu thị hằng số Euler, biểu thức tiệm cận của
Error! Reference source not found. có chuyển hóa là:
C

pro

 



1 1
 1  1
 1
log 2 e 
1 
1 
1  



 Ec  ln  
   ln 

   ln 

2 




a





a

SR  
SR  
RD   
 SR 2

  SD
 2  SD

 1
1
log 2 e
1
a 
 log 2  
Ec  log 2 
 2 .
2
2
2


RD 
 SR

(2.26)

Từ công thức (2.26), ta có thể thấy rằng tổng dung lượng trung bình
của CRS sử dụng NOMA khi 𝑎2 giảm xuống khi    . Trong đó chú ý rằng

0<𝑎2 <0,5.
Để so sánh hiệu suất, dung lượng trung bình đạt được của CRS thông
thường với nút chuyển tiếp sử dụng giải mã chuyển tiếp DF cũng được phân
tích. Dung lượng đạt được của CRS thông thường được cho là [6, eq. (15)].
C con 

Đặt Z

1
log 2 (1  min{SR  , SD   RD }).
2

(2.30)

min{SR  , SD   RD } , khi đó ta có hàm phân phối xác xuất

của Z được tính là:
FZ ( z )  1  e



z

SR

 z 
 z 
 
   SD    RD    RD  
SD

e

e




.
  RD   SD 
  SD   RD 


Lấy đạo hàm FZ ( z) ta được hàm PDF của Z có dạng:


14


1 

  SD
 1
1   z  SD  SR 
fZ ( z)  


e
  SD   RD   SD   SR  
1



(3.31)

1 

  RD  1
1   z  RD  SR 


.

e
  RD   SD   RD   SR  
1

Sử dụng (2.30), (2.31), và [3, eq. (4.337.2)], tốc độ trung bình thu
được bằng:
C

con



1
log 2 (1  z ) f Z ( z )dz
2
 1
1 





   
log 2 e   SD e SD SR  
1
1 

Ei  



2   SD   RD
  SD   SR  



0




1



1

(2.39)






 e      
1
1 
 RD
Ei  

 .
 RD   SD



SR
RD  

SR

RD



Sử dụng Ei(-x)  E c  ln( x) và e x  1  x với x nhỏ, thì tốc độ tiệm
cận trung bình của CRS thông thường sau đó được thu là:
C

con

 


log 2 e
1
1   SD
log 2  
EC  

2
2
2   SD   RD 

 1
1
 log 2 



SR
 SD

 1   SD
 
 2   SD   SR


 1
1


  log 2 


SR

 SD

(2.40)

.


Từ (2.26) và (2.40), người ta nhận ra rằng CRS sử dụng NOMA và
CRS thông thường đạt được dung lượng trung bình tương tự theo tỷ lệ
1 log  .
2 2

2.3. Phân bổ năng lượng cho NOMA
Gọi hệ số phân bổ năng lượng hiểu quả là 𝑎1∗ (=1-𝑎2∗ ) và khi đó 𝑎2∗
có thể được xác định để tối ưu hóa dung lượng trung bình. Tuy nhiên, C

pro

không cùng mặt lõm với a2 . Do đó, trong phần này ta sẽ cố gắng tìm a2* sử


15
pro

dụng xấp xỉ của
Đặt g

dC
cho tỷ số SNR ở mức cao.
da2

 1
1 
dC pro
được
y

 đạo hàm của (2.26) theo a2 ,
da2
  SR  a2  RD  

tính như sau:
 1
1 
dC pro
d   log 2 (1  x a2 )  1
1   x  SD  SR 
 


e
dx



da2
da2  0
2
  SD  SR 






0


 1
1 
1 

log 2 1  g 


2
  SR  a2  RD  a2 



1

 
  e  g dg.







  x  1  1 
log 2 e  1  1
1  
x
 
 e   SD  SR  dx


 0  1
2  a2   SD  SR  

 a  x 

 2





1




 1  1

1 
g
g
.





e
dg


2
0  1
1


  SR  a2   SR  a2  RD  
  a     g 

RD
 SR 2



(2.42)
Sử dụng [3, eq. (3.353.5)], công thức (2.42) được giải quyết:
1  1
1 

dC pro log 2 e  1  1
1   a2   SD   SR 


e



da2
2   a22   SD  SR 


 1  1
1  1  1 
 Ei  

    

 a  

a2   SR  a22 
2  SD
SR  




e

1

 SR  a2



1




 RD  


 
1
1  
 SR
Ei  


 .
2
  SR  a2  RD     SR  a2   RD  a2 

(2.44)
Cuối cùng ta áp dụng các phép tính xấp xỉ sau với
Error! Reference source not found.: Ei(x)  Ec  ln( x) và e x  1  x với giá


16

trị x nhỏ (là xấp xỉ SNR mức cao), và

1

 SR  a2



1

 RD 



1

 SR  a2

và

SRa2  RD  RD với giá trị a2 nhỏ, ở đây đáng chú ý là giá trị a2* có thể nhỏ

đối với SNR mức cao, như mong đợi từ công thức (2.26). Sử dụng các phép
xấp xỉ này, (2.44) có thể được xấp xỉ như sau:
-

 1  1
log 2 e  1
1  
1   



  Ec  ln 

  
2 
2  a2   SD  SR  
  a2   SD  SR   

 1   log 2  SR
log 2 e 
+
 Ec  ln 
 
2 SR  a22 
2 RD
  SR  a2  
,

Khi đó, đạo hàm của C A theo a2 là
,
dC A log 2 e  2


da2
2  a23   SD


(2.45)

,
A

C .

dC A'
có được là:
da2


 1  1
1  



 Ec  ln 

  

a


SR   


 2  SD


 2


 1
 1 
1 
1
2

+
ln 


ln 
 
 .

  SR   SD  SR  
  SD  SR   SR  

Sử dụng công thức (2.46), điều kiện của a2 để đạo hàm

(2.46)

dC A'
<0 khi
da2

đó là:
a2 

1



e

 1
1
1   SD   SR 
Ec   ln 

ln 
1
 
2
  SD  SR   SR   SD 

Các điều kiện của a2 để

.

(2.47)

dC A'
<0 có thể được xấp xỉ là a2 >0 ở tỷ số
da2

tín hiệu trên nhiễu ρ mức cao. Nghĩa là C A' là một hàm ngịch biến (giảm dần)
với ρ mức cao, và dung lượng trung bình có thể được tối đa hóa tại giá trị của
a2*

thỏa mãn

C A' =0

khi ρ ở mức cao. Sử dụng công thức

Error! Reference source not found., Khi đó, giá trị a2 có thể thu được là:


17
a 22 

 RD
 E
  1
1 
ln a2  RD c  RD 


 SD  SR 
 SD  SR   SR    SD  SR 

(2.48)

1
 1
 
1 
RD
 ln  


    2 ln(  SR  ).
   SD  SR 
  SR 



Cho 
e 2 

ln a2 , công thức (2.48) được viết lại:

 RD
 E
  1
1 
  RD c  RD 


 SD  SR 
 SD  SR   SR    SD  SR 

(2.49)

1
 1
 
1 
RD
 ln  


    2 ln(  SR  ).
   SD  SR 
  SR 



Sử dụng hàm Lambert được biểu diễn bằng hàm W(.) [8.eq.(1)], 
trong công thức (2.49) thu được bằng:
1
2

   W( )  Ec   .

(2.50)

Với


2 SD  SR 

 RD

e2 Ec  2 .

(2.51)

1
 
  SD    1
1 

RD

   1 

 ln 
    2 ln(  SR  ).
 SR     SD  SR    SR 




(2.52)

Cuối cùng, sử dụng công thức (26), a2*  e . Như giá trị của ω trong
(2.50) là âm, hàm Lambert gần đúng [8.eq.(3)] có thể được sử dụng cho xấp
xỉ của  trong (2.50):
W( )  ln( ) 

Với
Error!

1/ 2


2  
 1  ln( )  
1  1    


  

2

 



  0.3250 .

Reference

source

Kết
not

1


.



là,

quả
found.

(2.53)

vào

công

thay
thức

Error! Reference source not found.,ta có biểu thức dạng đóng cho xấp xỉ


18
của e thu được là:

1   2  
a2*    ln  SD SR e 2 Ec  2 
2    RD

1/ 2
2  
 1  ln(  
 1  1    
 
  
2

 


1



  Ec  




.



(0.1)

Công thức (0.1) chính là sơ đồ phân bổ năng lượng tối ưu cho mạng
chuyển tiếp cộng tác sử dụng NOMA được đề xuất trong đề tài này.
Chương 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.1. Các tham số mô phỏng
Trong Chương 3, mô phỏng Monte Carlo sẽ được thực hiện để kiểm
chứng các kết quả lý thuyết trong Chương 2. Trong mỗi mô phỏng Monte
Carlo, 106 phép thử sẽ được thực hiện để xác định giá trị xác trị dung lượng
trung bình của hệ thống.
3.2. Kết quả mô phỏng

Hình 3.2: Dung lượng trung bình của mạng CRS đề xuất và mạng CRS thông


19
thường theo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR truyền khi SR =  RD =10

Từ Hình 2 ta có thể thấy hệ thống được đề xuất sử dụng NOMA
cung cấp hiệu năng mạng tốt hơn so với hệ thống mạng thông thường cho ρ
mức cao, nghĩa là tỷ số tín hiệu trên nhiễu càng lớn thì dung lượng trung bình

của hệ thống CRS sử dụng NOMA sẽ càng tốt hơn so với hệ thống CRS thông
thường. Tuy nhiên trong trường hợp này, khi SR =  RD thì với ρ mức thấp
(<15dB), hệ thống mạng được đề xuất có hiệu năng tệ hơn so với hệ thống
thông thường.

Hình 3.3: Dung lượng trung bình của mạng CRS đề xuất và mạng CRS thông
thường theo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR truyền khi SR =10 và  RD =2

Tương tự, với Hình 3.3 ta cho các tham số kênh truyền lần lượt có
giá trị là SR =10 và  RD =2, nghĩa là SR >>  RD , và chúng ta cũng tiến hành
khảo sát dung lượng trung bình của hệ thống với các mức tỷ số tín hiệu trên
nhiễu ρ từ 0  45dB , kết quả là Hình 3.3 thể hiện cho ta thấy hệ thống CRS
sử dụng NOMA trong trường hợp này (  RD >>  RD ) cung cấp hiệu năng tốt


20
hơn hẳn hệ thống CRS thông thường, ngay cả trong trường hợp tỷ số tín hiệu
trên nhiễu ở mức thấp (>5dB).

Hình 3.4: Dung lượng trung bình của mạng CRS đề xuất và mạng CRS thông
thường theo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR truyền khi SR =2 và  RD =10

Ngược lại, Hình 3.4 cho thấy trong trường hợp này, hệ thống được
đề xuất có hiệu năng tương đối tệ hơn hệ thống thông thường ở tỷ số tín hiệu
trên nhiễu  mức thấp, tuy nhiên với  mức cao, hệ thống đề xuất cũng không
cho thấy hiệu năng tốt hơn so với hệ thống CRS thông thường.
Tương tự, tiếp theo chúng ta tiến hành mô phỏng kiểm chứng dung
lượng trung bình của hệ thống CRS sử dụng NOMA và so sánh với hệ thống
CRS thông thường với trường hợp thay đổi hệ số phân bổ năng lượng a2 , và
với những trường hợp khác nhau của giá trị các thông số kênh truyền SR và

 RD trong 2 trường hợp tỷ số tín hiệu trên nhiễu lần lượt là  =30dB và 

=20dB. Đồng thời trong mô phỏng này, ta mặc định hệ thông số kênh truyền


21
tuyến S  D là SD =1.

Hình 3.7: Tốc độ trung bình của mạng CRS đề xuất và CRS thông thường theo
hệ số phân bổ năng lượng a2 khi SD =1

Trong Hình 3.7, ta thấy kết quả phân tích hoàn toàn phù hợp với kết
quả mô phỏng. Giá trị này cho thấy giá trị tối ưu của

a2 tồn tại để tối đa hóa

dung lượng trung bình của hệ thống, và dung lượng đạt được bởi hệ thống đề
xuất với hệ số phân bổ công suất tối ưu so với hệ thống mạng CRS thông
thường tăng lên khi hệ số ρ tăng lên và SR trở nên lớn hơn so với  RD .
Tiếp theo, ta tiếp tục tiến hành mô phỏng kiểm chứng dung lượng
trung bình của hệ thống CRS sử dụng NOMA với chương trình phân bổ năng
lượng tối ưu và so sánh với hệ thống CRS thông thường. Trong mô phỏng
này, ta quy ước giá trị SD =1 và tiến hành mô phỏng trong các trường SR =
 RD , SR >>  RD và SR <<  RD để có thể đưa ra kết luật cho hệ thống đề xuất


22
với chương trình phân bổ năng lượng tối ưu.

Hình 3.8: Tốc độ trung bình của CRS được đề xuất với việc phân bổ năng

lượng tối ưu, cận tối ưu và CRS thông thường khi SD =1

Hình 3.8 cho thấy tốc độ trung bình của CRS đề xuất với chương
trình phân bổ năng lượng tối ưu và cận tối ưu và với CRS thông thường khi
SD  1 , nơi phân bổ năng lượng tối ưu thu được bằng cách khảo sát trong

Chương 2 của luận văn. Hình minh họa cho thấy sơ đồ phân bổ năng lượng
tối ưu đạt được hiệu suất tương tự hiệu suất cận tối ưu cho ρ mức cao, mặc
dù có khoảng cách nhỏ về hiệu suất giữa chúng khi ρ = 20 dB và SR  RD .
Ngoài ra, từ hình trên ta nhận thấy rằng CRS được đề xuất với các sơ đồ phân
bổ năng lượng đạt được tốc độ cao hơn CRS thông thường khi SR trở nên
lớn hơn  RD .
3.1. Đánh giá kết quả


23
Từ những mô phỏng được tiến hành như trên, ta có thể rút ra một số
kết luận như sau:
− Việc phân tích lý thuyết về dung lượng trung bình của mạng hoàn
toàn chính xác đồng nhất với các kết quả mô phỏng.
− Hệ thống mạng CRS sử dụng NOMA được đề xuất có hiệu năng
tốt hơn so với hệ thống CRS thông thường trong trường hợp
SR  RD và tỷ số tín hiệu trên nhiễu ρ ở mức cao.

− Tuy nhiên, với trường hợp SR  RD và tỷ số ρ ở mức thấp, hiệu
năng hệ thống đề xuất là tương đối tệ hơn so với hệ thống thông
thường.
− Các mô phỏng này cũng cho thấy luôn có giá trị tối ưu của

a2

tồn tại để tối đa hóa dung lượng trung bình của hệ thống.
Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
4.1. Kết luận
Trong luận văn này, học viên tập trung nghiên cứu, tính toán và mô
phỏng dung lượng trung bình của mạng chuyển tiếp cộng tác CRS sử dụng
NOMA, đồng thời so sánh với mạng CRS thông thường, đồng thời tính toán
và đề xuất một công thức phân bổ năng lượng phát tối ưu để mạng CRS sử
dụng NOMA có được hiệu năng tốt nhất. Các kết quả đạt được trong luận
văn:
− Mô hình mạng CRS sử dụng NOMA đề xuất giúp tăng dung lượng
trung bình của hệ thống mạng. Các biểu thức tính toán dung lượng trung bình
được được đánh giá bằng các công cụ toán học và được mô phỏng bằng công
cụ Monte Carlo.
− Bằng việc tính toán công thức toán học của hệ thống, đã đưa ra
biểu thức chính xác và xấp xỉ dung lượng trung bình của cả hệ thống đề xuất


24
và hệ thống thông thường.
− Bằng cách cố định một vài thông số và thay đổi các thông số còn
lại, các kết quả mô phỏng đã cho thấy rằng dung lượng của mô hình đề xuất
sử dụng NOMA sẽ càng tăng và lớn hơn dung lượng mạng CRS thông thường
khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở mức cao, tuy nhiên trong trường hợp
ngược lại thì mạng đề xuất có hiệu năng tương đối tệ hơn.
− Cũng với việc cố định một vài thông số và thay đổi hệ số phân bổ
công suất, kết quả mô phỏng cho thấy có tồn tại giá trị tối ưu của hệ số phân
bổ công suất phát để dung lượng hệ thống đạt mức tốt nhất.
− Tính toán chính xác và xấp xỉ, đưa ra được công thức cho hệ số
phân bổ năng lượng tối ưu, đồng thời tiến hành mô phỏng thực nghiệm để

chứng minh tính chính xác của công thức đề xuất này.
4.2. Hướng phát triển của đề tài
− Tính toán, mô phỏng thông số xác xuất dừng của hệ thống đề xuất
và so sánh với hệ thống thông thường.
− Cải thiện thêm dung lượng trung bình, xác suất dừng của hệ thống
bằng cách phân bổ công suất phát hợp lý tại nút nguồn và nút chuyển tiếp.
− Khảo sát với mô hình mạng chuyển tiếp cộng tác đa chặng ứng với
công nghệ NOMA.