Nâng cao tốc đọ truyền dẫn trong mạng chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao dưới sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng (Luận văn thạc sĩ)

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

Đặng Minh Thái

NÂNG CAO TỐC ĐỘ TRUYỀN DẪN TRONG MẠNG
CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT
ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO DƯỚI SỰ
ẢNH HƯỞNG CỦA SUY HAO PHẦN CỨNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH -2017


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

Đặng Minh Thái

NÂNG CAO TỐC ĐỘ TRUYỀN DẪN TRONG MẠNG
CHUYỂN TIẾP ĐA CHẶNG SỬ DỤNG KỸ THUẬT ĐA
TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO DƯỚI SỰ ẢNH
HƯỞNG CỦA SUY HAO PHẦN CỨNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật viễn thông
Mã số: 60.52.02.08

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN TRUNG DUY

THÀNH PHỒ HỒ CHÍ MINH -2017



i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
TP.HCM, ngày 14 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Đặng Minh Thái


ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy TS. Trần
Trung Duy đã hướng dẫn tận tình, chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện luận
văn. Thầy đã trang bị cho em những kiến thức vô cùng quý báu để em có thể vững
tin bước tiếp trên con đường của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn đến quý Thầy Cô – Học Viện Công Nghệ Bưu Chính
Viễn Thông cơ sở tại TP.HCM đã giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức
quan trọng trong suốt thời gian học tập tại Học Viện.
Bên cạnh đó em xin cảm ơn các quý anh chị và các bạn khóa cao học 20142017 đã động viên, tạo điều kiện cho em hoàn thành khóa học.

TP.HCM, ngày 14 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Đặng Minh Thái


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ii
MỤC LỤC............................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT .......................................... v
DANH SÁCH HÌNH VẼ ...................................................................................... vi
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG ĐA CHẶNG ..................... 3
1.1. Mạng vô tuyến chuyển tiếp ........................................................................ 3
1.1.1. Giới thiệu ............................................................................................. 3
1.2. Mạng chuyển tiếp đa chặng ........................................................................ 5
1.3. Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA) ............................................... 6
1.3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 6
1.3.2. NOMA đường xuống ........................................................................... 6
1.3.3. NOMA đường lên ................................................................................ 7
1.4. Phần cứng không hoàn hảo......................................................................... 8
1.5. Tổng quan về đề tài và lý do chọn đề tài..................................................... 8
1.6. Các nghiên cứu liên quan ........................................................................... 9
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG................................................................ 10
2.1. Mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (MHTT)............................... 10
2.2. Cải tiến mô hình chuyển tiếp truyền thống ............................................... 11

2.2.1. Mô hình cải tiến 1 (MHCT1) ............................................................. 11
2.2.2. Mô hình cải tiến 2 (MHCT2) ............................................................. 14
2.2.3. Mô hình cải tiến 3 (MHCT3) ............................................................. 18
CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH HỆ THỐNG................................................................ 21
3.1. Mô hình kênh truyền ................................................................................ 21
3.2. Xác suất dừng (Outage Probability (OP)) ................................................. 22
3.2.1. Mô hình MHTT ................................................................................. 23


iv

3.2.2. Mô hình MHCT1 ............................................................................... 24
3.2.3. Mô hình MHCT2 ............................................................................... 26
3.2.4. Mô hình MHCT3 ............................................................................... 32
3.3. Thông lượng mạng (Throughput (TP)) ..................................................... 34
3.3.1. Mô hình MHTT ................................................................................. 35
3.3.2. Mô hình MHCT1 ............................................................................... 35
3.3.3. Mô hình MHCT2 ............................................................................... 36
3.3.4. Mô hình MHCT3 ............................................................................... 37
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ............................................................... 38
4.1. Mô phỏng Monte Carlo ............................................................................ 38
4.1.1. Xác suất dừng (OP) .............................. Error! Bookmark not defined.
4.1.2. Thông lượng (TP) .............................................................................. 43
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN ................................................................................... 49
5.1. Các kết quả đạt được của luận văn ........................................................... 49
5.2. Hướng phát triển luận văn ........................................................................ 50
DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................... 51


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AF

Amplify and Forward

Khuếch đại và chuyển tiếp

BS

Base Station

Trạm gốc

CDF

Cumulative Distribution

Hàm phân bố tích lũy

Function
CSI

Channel State Information

Thông tin trạng thái kênh truyền

DF

Decode-and-Forward

Giải mã và chuyển tiếp

PDF

Probability Density Function

Hàm mật độ xác suất

OP

Secrecy Outage Probability

Xác suất dừng

RF

Randomize-and-Forward

Ngẫu nhiên-và-chuyển tiếp

SIC

Successive Interference

Cơ chế loại bỏ nhiễu một cách tuần

Cancellation

tự

Signal to Noise Ratio

Tỷ lệ tín hiện trên nhiễu

SNR


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1: Mô hình chuyển tiếp ................................................................................ 3
Hình 1.2: Mạng chuyển tiếp đa chặng...................................................................... 5
Hình 1.3: Mô hình đường xuống NOMA với K người nhận ..................................... 7
Hình 1.4: Mô hình đường lên NOMA với K người dùng ......................................... 7
Hình 2.1: Mạng chuyển tiếp đa chặng truyền thống ............................................... 10
Hình 2.2: Trong khe thời gian thứ ba: T2 gửi x1 đến T3 và T0 gửi x1 đến T1. ..... 14
Hình 2.3: Trong khe thời gian thứ tư: T3 gửi x1 đến T4 và T1 gửi x2 đến T2 . ..... 15
Hình 2.4: Trong khe thời gian thứ năm: T4 gửi x1 đến T5 , T2 gửi x2 đến T3 và T0
gửi x3 đến T1. ....................................................................................................... 16



Hình 2.5: Trong khe thời gian thứ ba: T2 gửi z1 đến T3 , trong khi T0 gửi z 2 đến

T1. ......................................................................................................................... 18



Hình 2.6: Trong khe thời gian thứ năm: T0 gửi dữ liệu z3 z3  a1Px5  a2 Px6



2
1
đến T1 , T2 gửi z đến T3 và T4 gửi z đến T5 . .................................................... 19

Hình 4.1: Xác suất dừng vẽ theo  (dB) khi a1  0.8 , M  7 , D  0.75 , N  2,

  0.08 và  th  0.5 . ............................................................................................ 39
Hình 4.2: Xác suất dừng vẽ theo M khi a1  0.75 ,   10 (dB), D  0.5 , N  1,

  0.05 và  th  0.5 . ............................................................................................ 40
Hình 4.3: Xác suất dừng vẽ theo M khi a1  0.7 ,   5 (dB), D  1/ M , N  1,

  0.01 và  th  0.25 . .......................................................................................... 41
Hình 4.4: Xác suất dừng vẽ theo D khi a1  0.8 , P  5 (dB), M  4 , N  4,   0
và  th  1.25 . ......................................................................................................... 42


vii

Hình 4.5: Thông lượng vẽ theo  (dB) khi a1  0.8 , D  0.75 , M  5 , N  3,

  0.08 và  th  0.5 . ............................................................................................ 43
Hình 4.6: Thông lượng vẽ theo  (dB) khi a1  0.8 , D  0.75 , M  5 , N  1,

  0.08 và  th  0.5 . ............................................................................................ 44
Hình 4.7: Thông lượng vẽ theo N khi a1  0.75 , D  0.4 , M  4 ,   0 và  th  2
. ............................................................................................................................. 45
Hình 4.8: Thông lượng vẽ theo M khi a1  0.7 , D  1/ M , N  1,   10 (dB),

  0.05 và  th  0.5 . ............................................................................................ 46
Hình 4.9: Thông lượng vẽ theo  khi a1  0.65 , M  4 , N  1,   20 (dB),

D  1/ 4 và  th  1. ............................................................................................... 47
Hình 4.10: Thông lượng vẽ theo a1 khi   0.1, M  5 , N  1,   15 (dB),

D  0.25 và  th  1 . ............................................................................................... 47


1

MỞ ĐẦU

Gần đây, kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple
Access (NOMA)) [1],[2] đã trở thành một chủ đề “nóng”, thu hút sự quan tâm của
các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Đây là kỹ thuật hiệu quả cải thiện đáng kể
tốc độ truyền dẫn cho các mạng thông tin vô tuyến. Ý tưởng cơ bản của NOMA đó
là máy phát ghép các tín hiệu khác nhau một cách tuyến tính lại với nhau, bằng cách
phân bổ công suất khác nhau cho từng tín hiệu [1],[2]. Rồi thì, các tín hiệu này được
truyền đồng thời đến máy thu. Ở máy thu, các tín hiệu lần lượt được giải mã. Cụ thể,
tín hiệu nào được phân bổ với công suất phát lớn hơn sẽ được giải mã trước. Sau khi

giải mã xong tín hiệu nào đó, thiết bị thu loại bỏ tín hiệu này từ tín hiệu tổng nhận
được, rồi tiến hành giải mã các tín hiệu tiếp theo. Tiến trình này được gọi là khử giao
thoa tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)). Kết quả là máy thu có thể
đồng thời nhận được cùng một lúc các tín hiệu khác nhau, điều này nâng cao đáng kể
độ lợi ghép kênh (Multiplexing gain) cho hệ thống. Do đó, đa truy nhập không trực
giao (NOMA) được xem như là một ứng viên tiềm năng cho các mạng thông tin vô
tuyến thế hệ mới, và đây cũng chính là lý do mà học viên theo đuổi hướng nghiên
này.
Trong đề cương khoa học này, Học viên nghiên cứu các giao thức chuyển
tiếp đa chặng (multi-hop relay protocol) [3],[4] sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không
trực giao. Chuyển tiếp đa chặng là một kỹ thuật hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng
dịch vụ cho các mạng thông tin vô tuyến, đặc biệt đối với các thiết bị hạn chế về công
suất phát và năng lượng. Tuy nhiên, nhược điểm của chuyển tiếp đa chặng đó là độ
trễ lớn và hơn nữa là tốc độ truyền dẫn thấp. Cụ thể, trong hệ thống chuyển tiếp đa
chặng thông thường, nhiều khe thời gian được sử dụng chỉ để truyền một dữ liệu từ
nguồn đến đích [5],[6]. Nếu một tuyến giữa nguồn và đích có M chặng thì tốc độ
truyền dẫn sẽ là 1 gói dữ liệu / M khe thời gian. Rõ ràng rằng, một khi số chặng giữa
nguồn và đích càng lớn thì tốc độ của hệ thống càng thấp.


2

Kết luận: Học viên muốn nghiên cứu và thiết kế một số giao thức chuyển tiếp
đa chặng mới sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, nhằm kết hợp các ưu
điểm của hai kỹ thuật này: một là nâng cao chất lượng truyền dữ liệu và hai là cải
thiện thông lượng cho hệ thống. Hơn nữa, Học viên cũng nghiên cứu các công cụ
toán học và mô phỏng để đánh giá hiệu năng hoạt động của các mô hình đề xuất dưới
sự tác động của fading kênh truyền và suy giảm phần cứng.
Cấu trúc nội dung luận văn bao gồm 05 chương, cụ thể như sau:
- Chương - 1: Lý Thuyết Tổng Quan

- Chương - 2: Mô Hình Hệ Thống
- Chương - 3: Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống
- Chương - 4: Kết Quả Mô Phỏng Và Lý Thuyết
- Chương - 5: Kết Luận


3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG
ĐA CHẶNG
1.1. Mạng vô tuyến chuyển tiếp
1.1.1. Giới thiệu
Hiện nay, mạng vô tuyến ngày càng phát triển mạnh và nhu cầu người dùng
đi động có xu hướng tăng theo. Thiết bị không dây gần như chiếm lĩnh thị trường,
thiết bị có dây đang dần được thay thế. Vấn đề kết nối mạng vô tuyến được đặt lên
hàng đầu, nhưng do khả năng phủ sóng của các thiết bị còn hạn chế và hiệu suất chưa
cao với mô hình truyền thông đơn chặng truyền thống.
Do đó, các nhà nghiên cứu đã không ngừng phát triển để cải thiện mô hình
truyền thông trực tiếp truyền thống thành mô hình chuyển tiếp (relay), nhằm mở rộng
vùng phủ sóng, tăng độ tin cậy cho việc truyền dữ liệu thông qua sự truyền/nhận ở
những khoảng cách ngắn, giảm công suất phát khi so sánh với việc truyền trực tiếp
giữa nguồn và đích (xem hình vẽ 1.1).

S

R1

R2

Rn-1

D

Hình 1.1: Mô hình chuyển tiếp

Mạng vô tuyến chuyển tiếp [1],[2] được sử dụng phổ biến để giảm bớt ảnh
hưởng của hiện tượng fading và tăng cường khả năng bao phủ. Mạng chuyển tiếp là
một mạng lưới thường được sử dụng trong mạng không dây, nơi mà nút nguồn và nút
đích kết nối với nhau bằng các nút chuyển tiếp trung gian. Trong một mạng lưới như
vậy thì nút ngồn và đích không thế kết nối trược tiếp với nhau được bởi vì khoảng
cách giữa chúng lớn hơn phạm vi truyền. Do đó cần thêm nút trung gian để chuyển
tiếp.


4

Một mạng chuyển tiếp cơ bản bao gồm ba thành phần chính là :
- Nút ngồn : nút này là nút gửi dữ liệu mong muốn đến nút đích.
- Nút chuyển tiếp : một hoặc nhiều nút chuyển tiếp có nhiệm vụ chuyền
tiếp dữ liệu từ nút nguồn gửi tới. Chúng chuyền tiếp dữ liệu thông qua các nút chuyển
tiếp khác để tới được nút đích. Nút chuyển tiếp có thể dùng kỹ thuật khuếch đại và
chuyển tiếp (Amplify-and-forward (AF)) hoặc giải mã và chuyển tiếp (Decode-andforward (DF)) [1].
- Nút đích : là nút mà nguồn muốn truyền dữ liệu tới.
Trong mạng chuyển tiếp thì dữ liệu được truyền đi tuần tự theo mỗi chặng.
Như đã nêu ở trên thì nút chuyển tiếp sẽ sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp
(AF) hoặc giải mã và chuyển tiếp (DF). Trong kỹ thuật AF, mỗi nút chuyển tiếp sẽ
nhận dữ liệu từ các nút chuyển tiếp hoặc từ nút ngồn, sau đó khuếch đại tín hiệu nhận
được (trong đó có cả nhiễu) và gửi tín hiệu đã khuếch đại đi tới nút chuyển tiếp tiếp
theo hoặc nút đích. Ta thấy được với kỹ thuật AF thì tín hiệu sẽ luôn được gửi đi và
bảo đảm rằng nút đích sẽ nhận được tín hiệu. Tuy nhiên tín hiệu nhận được ở nút đích

và các nút chuyển tiếp khác sẽ không được bảo đảm bởi vì khi khuếch đại tín hiệu
cũng đồng nghĩa với việc khuếch đại nhiễu, và nhiễu có thể được tích lũy thêm khi
tín hiệu được chuyền đi qua nhiều chặng. Đối với kỹ thuật DF, nút chuyển tiếp sẽ
nhận tín hiệu từ nguồn hoặc các nút chuyển tiếp khác, sau đó tại mỗi nút chuyển tiếp
sẽ giải mã tín hiệu nhận được từ nút trước đó và gửi tín hiệu đã giải mã tới nút tiếp
theo. Do đó tín hiệu nhận được ở nút đích sẽ bảo đảm được chất lượng và khắc phục
được việc tích lũy nhiễu của kỹ thuật AF. Tuy nhiên trong kỹ thuật DF nếu một nút
nào đó trên đường truyền bị mất dữ liệu hoặc giải mã không thành công thì nút đích
sẽ không nhận được dữ liệu. Hay nút đích chỉ nhận được dữ liệu nếu dữ liệu trên tất
cả các chặng được truyền đi thành công. Trong luận văn thì kỹ thuật giải mã và chuyển
tiếp (DF) sẽ được áp dụng cho các mạng chuyển tiếp đa chặng.


5

1.2. Mạng chuyển tiếp đa chặng
Mạng chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relay networks) [2],[4] là một sự kết
hợp của các liên kết ngắn trung gian để có thể mở rộng phạm vi phủ sóng của mạng
bằng cách sử dụng thiết bị chuyển tiếp trung gian giữa máy phát và máy thu. Trong
mạng chuyển tiếp đa chặng nhiều nút chuyển tiếp được sử dụng để gửi dữ liệu (xem
hình 1.2).

Các nút chuyển tiếp

T0

T1

T2

TM 1

Nguồn

TM
Đích

Hình 1.2: Mạng chuyển tiếp đa chặng

Ưu điểm của mạng chuyển tiếp đa chặng:
- Giảm tổng công suất phát
- Tăng dung lượng hệ thống
- Tăng lưu lượng kênh truyền và cân bằng tải
- Giảm hiệu ứng nút cổ chai
- Mở rộng vùng phủ song cho hệ thống
- Cải thiện độ tin cậy định tuyến
Tuy nhiên, mạng chuyển tiếp đa chặng cũng có những nhược điểm sau:
- Tăng thời gian trễ (càng nhiều chặng thì thời gian trễ càng tăng)
- Hiệu quả phổ tần mạng thấp (1 dữ liệu / số chặng)
- Hệ thống phức tạp (xử lý tín hiệu ở các nút chuyển tiếp)
- Bảo mật kém
- Sẽ không hiệu quả nếu khu vực có mật độ các nút chuyển tiếp nhỏ.


6

1.3. Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA)
1.3.1. Giới thiệu
Gần đây, kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal Multiple
Access (NOMA)) [5],[8] đã trở thành một chủ đề “nóng”, thu hút sự quan tâm của

các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Đây là kỹ thuật hiệu quả cải thiện đáng kể
tốc độ truyền dẫn cho các mạng thông tin vô tuyến. Ý tưởng cơ bản của NOMA đó
là máy phát ghép các tín hiệu khác nhau một cách tuyến tính lại với nhau, bằng cách
phân bổ công suất khác nhau cho từng tín hiệu [5],[9]. Rồi thì, các tín hiệu này được
truyền đồng thời đến máy thu. Ở máy thu, các tín hiệu lần lượt được giải mã. Cụ thể,
tín hiệu nào được phân bổ với công suất phát lớn hơn sẽ được giải mã trước. Sau khi
giải mã xong tín hiệu nào đó, thiết bị thu loại bỏ tín hiệu này từ tín hiệu tổng nhận
được, rồi tiến hành giải mã các tín hiệu tiếp theo. Tiến trình này được gọi là khử giao
thoa tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)). Kết quả là máy thu có thể
đồng thời nhận được cùng một lúc các tín hiệu khác nhau, điều này nâng cao đáng kể
độ lợi ghép kênh (Multiplexing gain) cho hệ thống. Do đó, đa truy nhập không trực
giao (NOMA) được xem như là một ứng viên tiềm năng cho các mạng thông tin vô
tuyến thế hệ mới.

1.3.2. NOMA đường xuống
Trong mô hình NOMA đường xuống, trạm cơ sở BS sẽ truyền thông tin cho
người sử dụng dịch vụ của mình. Mỗi thiết bị người dùng (UE) sử dụng kỹ thuật SIC
để phát hiện tín hiệu riêng của họ. Hình 1.3 cho thấy một trạm gốc BS và K của người
dùng UE sử dụng SIC. Trong mạng, giả sử UE1 gần nhất với BS, và UE K là xa nhất.
Vấn đề đặt ra là BS quyết định phân bổ công suất như thế nào giữa các thông
tin truyền đi, điều này rất quan trọng đối với kỹ thuật khử nhiễu tuần tự (SIC). Trong
mô hình này, công suất lớn được phân bổ cho UE nằm xa BS nhất  UE K  và công
suất nhỏ dành cho UE gần BS nhất  UE1  . Trong mạng, tất cả các UE đều nhận được
cùng một tín hiệu mang thông tin cho tất cả người dùng. Mỗi UE sẽ giải mã tín hiệu


7

mạnh nhất trước, và sau đó trừ đi tín hiệu giải mã từ tín hiệu nhận được. Phương pháp
SIC sẽ được sử dụng và lặp lại cho đến khi một UE tìm thấy tín hiệu riêng của nó.

UE nằm gần với BS có thể loại bỏ tín hiệu của UE xa.

Hình 1.3: Mô hình đường xuống NOMA với K người nhận

1.3.3. NOMA đường lên

Hình 1.4: Mô hình đường lên NOMA với K người dùng


8

Trong đường lên, các UE có thể một lần nữa tối ưu hóa các quyền truyền
tải theo vị trí của chúng như trong đường xuống. Tuy nhiên, ở đây chúng ta giả
định rằng người dùng được phân bố tốt trong phạm vi phủ sóng của tế bào, và
mức năng lượng thu được từ những người dùng khác nhau đã được phân tách
tốt. Giả thiết này là tự nhiên hơn từ quan điểm thực tế, vì việc tối ưu hóa công
suất đòi hỏi sự kết nối giữa tất cả các UE có thể khó thực hiện.

1.4. Phần cứng không hoàn hảo
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu vẫn chưa xét đến sự ảnh hưởng của suy
hao phần cứng (hardware impairments) lên hiệu năng của các mạng chuyển tiếp sử
dụng kỹ thuật NOMA. Trong thực tế, phần cứng của các thiết bị, đặc biệt là các thiết
bị rẻ tiền, là không hoàn hảo [10],[13] bởi nhiễu gây ra từ sự nhiễu pha, sự không cân
bằng I/Q, sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại, v.v. Do đó, đưa nhiễu do phần
cứng gây ra vào đánh giá hiệu năng sẽ cho những kết quả gần với thực tế hơn.

1.5. Tổng quan về đề tài và lý do chọn đề tài
Từ các khái niệm tổng quan về các khái niệm đa truy nhập phi trực giao
NOMA, chuyển tiếp đa chặng và phần cứng không hoàn hảo, luận văn này sẽ nghiên
cứu các giao thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực

giao với sự tác động của nhiễu phần cứng. Lý do luận văn nghiên cứu đề tài này là
bởi vì chuyển tiếp đa chặng thông thường, nhiều khe thời gian được sử dụng chỉ để
truyền một dữ liệu từ nguồn đến đích. Nếu một tuyến giữa nguồn và đích có M chặng
thì tốc độ truyền dẫn sẽ là 1 gói dữ liệu / M khe thời gian. Rõ ràng rằng, một khi số
chặng giữa nguồn và đích càng lớn thì tốc độ của hệ thống càng thấp.
Do đó, nội dung của luận văn là nghiên cứu và thiết kế một số giao thức chuyển
tiếp đa chặng mới sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao, nhằm kết hợp các
ưu điểm của hai kỹ thuật này: một là nâng cao chất lượng truyền dữ liệu và hai là cải
thiện hiệu quả phổ tần cho hệ thống.


9

1.6. Các nghiên cứu liên quan
Theo sự hiểu biết tốt nhất của Học viên, hầu hết các nghiên cứu về đa truy
nhập không trực giao đều tập trung vào các mạng truyền trực tiếp hoặc chuyển tiếp
hai chặng [14],[16]. Cụ thể, các tác giả của công trình đề xuất các phương pháp chọn
lựa nút chuyển tiếp nhằm giảm xác suất dừng cho các hệ thống chuyển tiếp hai chặng
sử dụng công nghệ NOMA.
Trong luận văn này, một số giao thức chuyển tiếp đa chặng sử dụng kỹ thuật
đa truy cập không trực giao để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu cho mạng sẽ được
nghiên cứu. Cụ thể, luận văn đầu tiên cải tiến kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng thông
thường sử dụng phương pháp khử giao thoa tuần tự (SIC) để nâng cao hiệu quả phổ
tần hay thông lượng mạng. Từ ý tưởng vừa áp dụng, luận văn sẽ đưa ra một giải pháp
mới sử dụng đa truy cập không trực giao trên từng chặng một để đạt được tốc độ
truyền cao hơn phương pháp vừa được cải tiến. Không như các công trình [14],[16],
các giao thức đề xuất sẽ cải thiện tốc độ truyền dẫn cho các mạng như mạng cảm
biến, mạng ad-hoc, trong đó các thiết bị là rẻ tiền, công suất phát thấp và phải sử dụng
truyền thông đa chặng để truyền tải dữ liệu.
Mặc khác, do hầu hết các nghiên cứu trước đây vẫn chưa xét đến sự ảnh hưởng

của suy hao phần cứng lên hiệu năng của các mạng chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật
NOMA. Trong thực tế, phần cứng của các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị rẻ tiền, là
không hoàn hảo bởi nhiễu gây ra từ sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q, sự không
tuyến tính trong bộ khuếch đại, v.v. Do đó, đưa nhiễu do phần cứng gây ra vào việc
đánh giá hiệu năng sẽ cho những kết quả gần với thực tế hơn và cũng chính là lý do
luận văn nghiên cứu về sự ảnh hưởng này.


10

CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (MHTT)

Các nút chuyển tiếp

T0

T1

Nguồn

T2

TM 1

TM
Đích

Hình 2.1: Mạng chuyển tiếp đa chặng truyền thống

Sử dụng lại Hình 1.2, Hình 2.1 miêu tả một mạng chuyển tiếp đa chặng truyền
thống (đặt tên MHTT). Trong mô hình này, nút nguồn T0 muốn gửi dữ liệu đến nút
đích TM thông qua (M-1) nút trung gian, lần lượt được ký hiệu là T1 ,T2 ,...,TM 1. Giả
sử tất cả các nút đều chỉ được trang bị với 01 anten phát và hoạt động theo chế độ bán
song công (half-duplex). Do đó, sự truyền dữ liệu giữa nguồn và đích được thực hiện
trên M khe thời gian trực giao [17],[18]. Giả sử các nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật
giải mã và chuyển tiếp (Decode-and-forward (DF)) để chuyển tiếp dữ liệu [19],[21].
Trong kỹ thuật này, nút chuyển tiếp sẽ phải giải mã thành công dữ liệu, sau đó mã
hoá lại dữ liệu và gửi đến nút tiếp theo. Kỹ thuật chuyển tiếp DF có ưu điểm là sẽ loại
bỏ nhiễu tại mỗi chặng, do đó nâng cao độ tin cậy của việc truyền dữ liệu. Tuy nhiên,
nếu ở một chặng nào đó, dữ liệu không được giải mã thành công thì dữ liệu xem như
không thể chuyển tiếp đến những chặng kế tiếp. Nói tóm lại, để việc truyền dữ liệu
thành công thì sự truyền dữ liệu trên tất cả các chặng đều phải thành công. Mạng
chuyển tiếp như trên thường được sử dụng cho các mạng mà trong đó các thiết bị giới
hạn về công suất phát. Việc truyền thông trên những chặng nhỏ vừa đảm bảo chất
lượng truyền tin vừa có thể tiết kiệm được năng lượng. Tuy nhiên, nhược điểm của


11

mô hình này đó chính là thời gian trì hoãn (delay time) lớn. Ta dễ thấy rằng nếu càng
sử dụng nhiều nút chuyển tiếp, thì thời gian trì hoãn sẽ càng lớn.
Hơn nữa, như đã đề cập ở trên, việc chỉ gửi một dữ liệu từ nguồn đến đích
thông qua nhiều khe thời gian trực gian cũng sẽ làm giảm hiệu quả sử dụng phổ tần
của hệ thống. Cụ thể, nếu có tất cả M chặng giữa nguồn và đích thì hiệu quả sử dụng
phổ tần của mô hình này là

1
(1 dữ liệu / M khe thời gian). Ta có thể thấy rằng,
M

khi số lượng chặng (hay số lượng khe thời gian) tăng, hiệu quả phổ đạt được của mô
hình chuyển tiếp đa chặng này càng thấp.

2.2. Cải tiến mô hình chuyển tiếp truyền thống
2.2.1. Mô hình cải tiến 1 (MHCT1)
Để cải thiện tốc độ, luận văn đề xuất mô hình sử dụng truyền thông NOMA
cho mỗi chặng giữa nguồn và đích. Quá trình truyền dữ liệu trong mô hình cải tiến 1
(MHCT1) được miêu tả như bên dưới:
Ở khe thời gian thứ nhất, nút nguồn T0 sẽ gửi dữ liệu z1 đến nút T1 , ở đây

z1 là dữ liệu tổng của hai dữ liệu khác nhau x1 và x2 :

z1  a1Px1  a2 Px2 ,

(2.1)

với a1 và a2 là các hệ số phân chia tổng công suất P cho tín hiệu x1 và x2 , ở
đây a1  a2 và a1  a2  1. Ở đây, P giả sử là công suất phát của tất cả các nút bao
gồm nút nguồn và các nút chuyển tiếp.
Dưới sự tác động của fading kênh truyền và khiếm khuyết phần cứng, tín hiệu
nhận được tại nút T1 sẽ là:









yT1  a1 PhT0 ,T1 x1   t ,T0 ,1  a2 PhT0 ,T1 x2   t ,T0 ,2   r ,T1  nT1 ,
(2.2)
Các ký hiệu toán học trong công thức (2.2) sẽ được định nghĩa như sau:
- hT0 ,T1 là hệ số kênh truyền fading giữa hai nút T0 và T1 .


12

-  t ,T0 ,1 là nhiễu gây ra do sự khiếm khuyết phần cứng tại nút phát T0 .
-  t ,T0 ,2 là nhiễu gây ra do sự khiếm khuyết phần cứng tại nút phát T0 .
-  r ,T1 là nhiễu gây ra do phần cứng không hoàn hảo tại nút thu T1 .
- nT1 là nhiễu cộng tại thiết bị thu T1 .
- Tương tự như [22],[24],  t ,T0 ,1 và  t ,T0 ,2 sẽ được mô hình hoá bằng phân
bố Gauss với trung bình bằng 0 và phương sai lần lượt là  t2,T0 a1 P và

 t2,T a2 P .
0

- nT1 cũng được mô hình hoá bằng phân bố Gauss với giá trị trung bình
bằng 0 và phương sai là N 0 . Ta cũng giả sử rằng, phương sai của nhiễu
cộng tại tất cả các thiết bị thu đều bằng N 0 .
Áp dụng kỹ thuật khử nhiễu tuần tự (SIC: Successive Interference
Cancellation), nút T1 tiến hành giải mã tín hiệu x1 trước vì x1 được phân công công
suất phát lớn hơn x2 . Tỷ số SNR đối với x1 (xem x2 là nhiễu) được đưa ra như sau:

 
x1
1



a1P | hT0 ,T1 |2
a1P | hT0 ,T1 |2  t2,T0  a2 P | hT0 ,T1 |2  t2,T0  a2 P | hT0 ,T1 |2  N 0
a1P | hT0 ,T1 |2

 P | hT ,T |2  a2 P | hT ,T |2  N 0
0



1

0

a10,1

0,1  a2  0,1  1

(2.3)

1

.

Các ký hiệu trong công thức (2.3) sẽ được định nghĩa như sau:

0,1 | hT ,T |2 là độ lợi kênh truyền giữa hai nút T0 và T1 .

-

0

1

-    t2,T0   r2,T1 là tổng mức suy hao đường truyền ở tại đầu phát và đầu
thu. Để thuận tiện cho việc phân tích và biểu diễn, ta giả sử rằng tổng
mức suy hao đường truyền ở tại hai máy phát và thu bất kỳ đều bằng 
.
-   P / N 0 là tỷ số SNR phát (transmit SNR).


13

Sau khi T1 giải mã thành công tín hiệu x1 , nút này sẽ khử thành phần

a1 PhT0 ,T1 x1 ra khỏi tín hiệu nhận được. Sau khi khử thành công thành phần

a1 PhT0 ,T1 x1 , tín hiệu còn lại trong yT1 sẽ là:





yT1  a2 PhT0 ,T1 x2   t ,T0 ,2  a1 PhT0 ,T1 t ,T0 ,1   r ,T1  nT1 .

(2.4)

Rồi thì, nút T1 tiến hành giải mã tín hiệu x2 từ tín hiệu nhận được. Từ công
thức (2.4), tỷ số SNR cho tín hiệu x2 sẽ được tính như sau:

 1x 
2

a2 0,1

0,1  1

.

(2.5)

Kế tiếp, nếu T1 có thể giải mã thành công cả x1 và x2 , nút này sẽ gộp hai dữ
lại này lại theo cách mà nút nguồn T0 đã sử dụng ( z1  a1Px1  a2 Px2 ) và gửi dữ
liệu này đến nút T2 trong khe thời gian thứ hai. Cứ theo tiến trình như vậy, các nút
chuyển tiếp sẽ lần lượt kết hợp 02 dữ liệu lại và gửi đến chặng kế tiếp, cho đến khi
nút đích nhận được cả hai dữ liệu.
Một cách tổng quát, xét sự truyền dữ liệu ở khe thời gian thứ m , ở đây nút

Tm1 sẽ gửi tín hiệu z1 đến nút Tm , m  1, 2,..., M . Tương tự như công thức (2.3), tỷ
số SNR đạt được để giải mã tín hiệu x1 tại Tm là:

 mx 
1

a1m1,m

m1,m  a2 m1,m  1

,

(2.6)

trong đó,  m 1,m | hTm 1 ,Tm |2 là độ lợi kênh truyền giữa hai nút Tm1 và Tm , và

hTm1 ,Tm là hệ số kênh truyền giữa hai nút Tm1 và Tm .
Rồi thì, tương tự như công thức (2.5), tỷ số SNR đạt được cho việc giải mã tín
hiệu x2 sẽ được tính như sau:

 mx 
2

a2 m1,m

m1,m  1

.

(2.7)


14

Chú ý: Trong luận văn này, ta giả sử rằng nếu nút nhận Tm chỉ có thể giải mã

x1 mà không giải mã được x2 , nút này sẽ không gửi dữ liệu x1 đến chặng tiếp theo.
Điều này có nghĩa là các nút chuyển tiếp chỉ gửi liền một lúc 02 dữ liệu và sẽ không
gửi riêng rẻ từng dữ liệu một.
Bởi vì các nút phát trong MHCT1 gửi cùng lúc hai dữ liệu trên mỗi chặng nên
hiệu quả phổ của mô hình này sẽ là:

2
(2 gói dữ liệu / M khe thời gian), gấp đôi
M

hiệu quả phổ của mô hình chuyển tiếp truyền thống (MHTT).

2.2.2. Mô hình cải tiến 2 (MHCT2)
Để nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng phổ tần, ta có thể sử dụng kỹ thuật khử
giao thoa tuần tự (SIC). Luận văn sẽ đề xuất một kỹ thuật cải tiến (đặt tên là MHCT2)
như sau:
Ở khe thời gian thứ nhất, nguồn T0 gửi dữ liệu x1 đến T1 . Nút T1 sau khi giải
mã được x1 sẽ mã hoá lại và gửi dữ liệu đến T2 ở khe thời gian thứ hai. Đến khe thời
gian thứ ba, nút T2 sau khi giải mã thành công x1 sẽ gửi dữ liệu đến T3 . Cùng lúc
đó, nút nguồn T0 gửi dữ liệu x2 đến T1 . Như được mô tả trong hình vẽ 3, nút T1 sẽ
nhận đồng thời hai tín hiệu x1 và x2 .

T0

x2

T1

x1

x1

T2

T3

Hình 2.2: Trong khe thời gian thứ ba: T2 gửi x1 đến T3 và T0 gửi x1 đến T1 .

Tín hiệu nhận được tại T1 trong khe thời gian thứ ba là:





yT(3)
 PhT0 ,T1 x2   t ,T0 ,2  PhT2 ,T1 x1   r ,T1  nT(3)1 ,
1

(2.8)

ở đây, hT2 ,T1 là hệ số kênh truyền giữa các liên kết T2  T1 và nT(3)
là nhiễu
1
cộng tại T1 .


15

Bởi vì nút T1 đã giải mã thành công x1 trong khe thời gian thứ nhất nên nút
này có thể lưu trữ x1 trong bộ đệm. Hơn thế nữa, ta có thể giả sử rằng nút T1 có thể
ước lượng chính xác hệ số kênh truyền hT2 ,T1 . Do đó, nút T1 sẽ loại bỏ được thành
phần giao thoa

PhT2 ,T1 x1 trong tín hiệu nhận được yT(3)
. Sau khi khử

1

PhT2 ,T1 x1 , tín

hiệu yT(3)
được viết lại như sau:
1





yT(3)
 PhT0 ,T1 x2   t ,T0 ,2  r ,T1  nT(3)
.
1
1

(2.9)

Rồi thì, nút T1 sử dụng tín hiệu yT(3)
trong công thức số (2.7) để giải mã x2 .
1
Tỷ số SNR nhận được tại T1 để giải mã x2 là:

 1x 
2

0,1

0,1  1

.

(2.10)

Tiếp đến, ta xét nút T3 , ta cần lưu ý rằng, nút nguồn T0 phát dữ liệu x2 sẽ
gây nhiễu lên nút T3 . Do đó, tín hiệu nhận được tại T3 sẽ là:





yT3  PhT2 ,T3 x1   t ,T2  PhT0 ,T3 x2   r ,T3  nT3 ,

(2.11)

Do đó, tỷ số SNR nhận được tại T3 để giải mã x1 sẽ là

 3x 
1

2,3

2,3  0,3  1

.

(2.12)

Trong công thức (2.12),  03 | hT0 ,T3 |2 là độ lợi kênh truyền của kênh giao thoa
gây ra từ T0 lên T3 .
Ta sẽ tiếp tục với giao thức MHCT2 ở khe thời gian thứ 4. Ở khe thời gian
này, nếu nút T3 giải mã thành công x1 thì T3 sẽ gửi dữ liệu đến T4 . Tương tự, T1 sẽ
gửi x2 đến T2 .

T0

x2

T1

T2

x1

x1

T3

T4

Hình 2.3: Trong khe thời gian thứ tư: T3 gửi x1 đến T4 và T1 gửi x2 đến T2 .