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,
2
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.
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
S
R1
R2
Rn-1
D
Hình 1.1: Mô hình chuyển tiếp
1.2. Mạng chuyển tiếp đa chặng
Các nút chuyển tiếp
T0
T1
T2
TM 1
Nguồn
TM
Đích
Hình 1.2: Mạng chuyển tiếp đa chặng
1.3. Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao (NOMA)
1.3.1. Giới thiệu
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
4
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)).
1.3.2. NOMA đường xuống
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
5
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
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.
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].
Không như các công trình [14],[16], các giao thức đề xuất sẽ cải
thiện tốc độ truyền dẫn.
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.
6
CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (MHTT)
Các nút chuyển tiếp
T0
T2
T1
TM 1
Nguồn
TM
Đích
Hình 2.1: Mạng chuyển tiếp đa chặng truyền 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
M
(1 dữ liệu / M khe thời gian).
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.
Một cách tổng quát, xét sự truyền dữ liệu ở khe thời gian thứ
đây nút
Tm1 sẽ gửi tín hiệu z1
đạt được để giải mã tín hiệu
mx
1
x1
đến nút
tại
Tm
Tm , m 1, 2,..., M .
Tỷ số SNR
là:
a1m1,m
m1,m a2m1,m 1
,
Tỷ số SNR đạt được cho việc giải mã tín hiệu
sau:
m, ở
(2.1)
x2
sẽ được tính như
7
mx
2
a2 m1,m
m1,m 1
.
(2.2)
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
M
(2 gói dữ liệu / M khe
thời gian), gấp đôi 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:
T0
x2
x1
x1
T1
T2
T3
Hình 2.2: Trong khe thời gian thứ ba:
T0
gửi
x1
đến
x2
T0
T2
T1
gửi
x2
đến
gửi
x1
đến
T3
và
T4
và
T1.
x1
Hình 2.3: Trong khe thời gian thứ tư:
T1
T2
T2 .
x1
T3
T3
T4
gửi
x1
đến
8
x3
T0
T1
x2
T2
x2
x1
T3
Hình 2.4: Trong khe thời gian thứ năm:
T2
gửi
x2
đến
T3
và
T0
gửi
x3
x1
T4
T4
đến
gửi
T5
x1
đến
T5 ,
T1.
Tiến trình này cứ tiếp tục cho đến khi các dữ liệu được gửi đến đích.
Ta xét một tín hiệu
xu u 1, 2,3, 4,...
bất kỳ được gửi từ nguồn đến
đích Dựa vào các công thức đưa ra ở trên, ta có thể quy nạp tỷ số SNR đạt
được ở chặng thứ
m m 1, 2,..., M
mx
u
để giải mã tín hiệu
xu
sẽ là:
m1,m
L m
m1,m m 2l 1,m 1
l 1
.
(2.3)
Nếu số lượng gói gửi đi đủ lớn
u
thì hiệu quả phổ sẽ đạt
được là:
1
u
lim
.
u M 2 u 1
2
(2.4)
Công thức (2.4) cho thấy rằng MHCT2 có thể đạt được hiệu quả phổ
tối đa là 1 gói dữ liệu / 2 khe thời gian.
2.2.3. Mô hình cải tiến 3 (MHCT3)
Để có thể đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn nữa, kỹ thuật NOMA
có thể được áp dụng để truyền dữ liệu trên mỗi chặng như trong MHCT1. Có
thể nói, MHCT3 là sự kết hợp giữa MHCT1 và MHCT2.
9
z2
T0
z1
T1
z1
T2
Hình 2.5: Trong khe thời gian thứ ba:
T0
trong khi
T0
z3
z2
T1
gửi
z2
T2
đến
z2
T2
Hình 2.6: Trong khe thời gian thứ năm:
z3 z3 a1 Px5 a2 P x6
gửi
z1
đến
T1 , T2
đến
T5 .
Tương tự như trên, ta xét tín hiệu
, ở đây hai tín hiệu
tín hiệu
zu
x2 u 1
và
x2u
gửi
z1
đến
T3 ,
T1.
z1
T3
T3
gửi
z1
T4
T5
T0
gửi dữ liệu
z2
đến
T3
và
T4
zu a1Px2u 1 a2 Px2u
được cộng tuyến tính với nhau để tạo thành
để gửi trên các chặng. Xét các tỷ số SNR đạt được tại nút thu
Tm m 1, 2,..., M
Đối với tín hiệu
SNR đạt được tại
Tm
để giải mã các tín hiệu
x2 u 1
và
x2u .
x2 u 1 , bởi vì tín hiệu này được giải mã trước, tỷ số
để giải mã tín hiệu này có thể đưa ra dưới dạng sau:
10
mx
2 u 1
a1m1,m
L m
m1,m a2m1,m m 2l 1,m 1
l 1
.
(2.5)
Đối với tín hiệu
x2u , sau khi khử thành phần liên quan đến tín hiệu
x2 u 1 , tỷ số SNR đạt được tại nút thu Tm
mx
2 u 1
để giải mã tín hiệu này là:
a2 m1,m
L m
m1,m m 2l 1,m 1
l 1
.
(2.6)
Hiệu quả phổ mà MHCT3 đạt được khi đích nhận được tín hiệu tổng
hợp
zu
là:
2u
M 2 u 1
(2.7)
Rõ ràng rằng, khi số lượng dữ liệu gửi đủ lớn thì hiệu quả phổ tần
tối đa của MHCT3 sẽ là 1 gói dữ liệu / 1 khe thời gian.
12
CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
3.1. Mô hình kênh truyền
Trong luận văn này, giả sử kênh truyền giữa hai nút bất kỳ là kênh
fading Nakagami-m. Thật vậy, nếu
Ta
Nakagami-m giữa hai nút
kênh truyền
a ,b | hT ,T |2
a
b
và
hTa ,Tb
là hệ số kênh truyền fading
Tb , a, b 0,1, 2,..., M ,
thì độ lợi
sẽ có hàm phân phối tích luỹ (CDF) như sau
(xem [25]):
Fa ,b x
ma ,b , ma ,b a ,b x
ma ,b
,
(3.1)
Khi
ma,b N
là một số nguyên dương thì hàm CDF
Fa ,b x
có thể biểu diễn dưới dạng sau (xem [25]):
N 1
Fa ,b x 1 exp N a ,b x
N
a ,b
t!
t 0
t
xt
,
(3.2)
Hơn nữa, tham số đặc trưng
a ,b
còn có thể được mô hình bằng
hàm của khoảng cách như trong [26]-[27]:
a ,b d a,b ,
với
là hệ số suy hao đường truyền, trong khi
cách vật lý giữa hai nút
Ta
và
Tb .
(3.3)
d a ,b
là khoảng
13
3.2. Xác suất dừng (Outage Probability (OP))
3.2.1. Mô hình MHTT
Từ các công thức (3.2), ta có xác suất dừng của mô hình MHTT như
sau:
OPMHTT 1 PMHTT
t
t
N 1 N u 1,u
1 exp N u 1,u
.
t 0
t!
u 1
M
(3.4)
3.2.2. Mô hình MHCT1
Trên kênh truyền fading Rayleigh sẽ được viết lại như:
M
OPMHCT1 1 exp m1,m max .
m1
(3.5)
3.2.3. Mô hình MHCT2
Trên kênh truyền Nakagami-m sẽ được viết lại như sau:
t
t
t
t
N1
N1
0,1
1,2
OPMHCT2 1 exp 0,1
exp
1,2
t0 t!
t0 t!
m1,m
exp
M
t
N1 t L m N v
.
m1,m
Ct k v 1! al,k
m3
kv
tv
t 0 v0 l 1 k1 t! k 1!
m 2l1,m m1,m
(3.6)
14
3.2.4. Mô hình MHCT3
Khi tất cả các kênh truyền là fading Rayleigh, có thể rút gọn về dạng
sau:
OPMHCT3 1 PMHCT3
1 exp 0,1 max exp 1,2 max
m 2l 1,m
max
exp m1,m
.
l 1 m 2l 1,m m1,m max
m 3
L m
M
(3.7)
3.3. Thông lượng mạng (Throughput (TP))
3.3.1. Mô hình MHTT
Thông lượng TP của mô hình MHTT ở tại tốc độ yêu cầu
Rth log 2 1 th được định nghĩa như sau (xem [28]-[29]):
TPMHTT
Rth
PMHTT .
M
(3.8)
Khi kênh truyền là kênh fading Rayleigh
TPMHTT
N 1 , ta có:
Rth
M
exp m1,m .
M
P
m1
(3.9)
3.3.2. Mô hình MHCT1
Bởi vì mô hình MHCT1 tăng tốc độ mạng lên gấp đôi khi so với mô
hình MHTT, thông lượng mạng của mô hình này được tính như sau:
15
Khi tất cả các kênh truyền đều là kênh fading Rayleigh, ta có:
TPMHCT1
2 Rth M
exp m1,m max .
M m1
(3.10)
3.3.3. Mô hình MHCT2
Mô hình MHCT2 có thể đạt được tốc độ 1/2, do đó, thông lượng của
mô hình này được viết như sau:
Với kênh truyền fading Rayleigh, ta đạt được:
TPMHCT2
Rth
M
L m m 2l1, m
exp 0,1 1,2 expm1,m
.
2
m3
l1 m 2l1, m m1,m
(3.11)
3.3.4. Mô hình MHCT3
Mô hình MHCT3 khi kênh truyền là kênh fading Rayleigh thì
TPMHCT3 Rth exp 0,1 max exp 1,2 max
M
m 2l 1,m
exp m1,m max
.
m 3
l 1
m 1, m max
m 2l 1,m
L m
(3.11)
Ở đây, ta lưu ý rằng: mô hình MHCT3 có thể đạt được tốc độ 1 gói
dữ liệu trên 1 khe thời gian. Ta có thể thấy rằng, để đạt được tốc độ truyền
cao hơn, hệ thống có thể phải chịu mức can nhiễu lớn hơn hoặc phải sử dụng
những kỹ thuật khử nhiễu phức tạp (như SIC).
16
CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.1. Mô phỏng Monte Carlo
4.1.1. Xác suất dừng (OP)
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
Nhìn vào hình 4.1, ta thấy rằng xác suất dừng của tất cả các mô
hình đều giảm khi tăng giá trị của
. Tuy nhiên, xác suất dừng của mô
hình MHTT là thấp nhất bởi vì tín hiệu nhận được tại mỗi chặng không bị
17
tác động của nhiễu (nhiễu đồng kênh hay nhiễu gây ra do sự kết hợp các dữ
liệu khác nhau).
Hình 4.2: Xác suất dừng vẽ theo
(dB),
M
khi
a1 0.75 , 10
D 0.5 , N 1, 0.05 và th 0.5
Nhìn vào hình 4.2, ta thấy rằng mô hình MHCT3 có giá trị xác suất
dừng lớn hơn rất nhiều khi so sánh với các mô hình còn lại. Hơn nữa, khi
tăng số lượng chặng ta thấy rằng OP của tất cả các mô hình đều tăng.
18
Hình 4.3: Xác suất dừng vẽ theo
(dB),
M
khi
a1 0.7 , 5
D 1/ M , N 1, 0.01 và th 0.25
Nhìn vào hình 4.3, ta thấy xác suất dừng của hai mô hình MHTT
và MHCT1 giảm khi tăng số chặng. Nguyên nhân là vì khi tăng số chặng,
khoảng cách giữa hai nút gần nhau sẽ giảm và vì thế việc truyền dữ liệu sẽ
ổn định hơn.
a1 0.8 , P 5
Hình 4.4: Xác suất dừng vẽ theo
D
khi
M 4 , N 4, 0
và
th 1.25
(dB),
Hình vẽ cho ta thấy rằng OP của tất cả các mô hình đều tăng khi
khoảng cách giữa hai nút kề nhau tăng.
19
4.1.2. Thông lượng (TP)
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
20
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
Nhìn vào các hình vẽ, ta có thể thấy rằng thông lượng của các mô
hình ở cả hai hình 4.5 và 4.6 đều tăng khi
Hình 4.7: Thông lượng vẽ theo
M 4, 0
tăng.
N
và
khi
a1 0.75 , D 0.4 ,
th 2
Nhìn vào hình 4.7, ta thấy rằng, hầu hết các trường hợp, thông
lượng của các mô hình tăng lên khi giá trị của N tăng (hay chất lượng của
kênh truyền sẽ tốt hơn).
21
Hình 4.8: Thông lượng vẽ theo M khi
N 1, 10
(dB),
a1 0.7 , D 1/ M
,
0.05 và th 0.5
Nhìn vào hình 4.8, ta thấy rằng thông lượng của tất cả mô hình đều
suy giảm khi tăng số chặng giữa nguồn và đích.
22
Hình 4.9: Thông lượng vẽ theo
20
(dB),
khi
a1 0.65 , M 4 , N 1,
D 1/ 4 và th 1
Hình 4.9 cho thấy sự ảnh hưởng của suy hao phần cứng lên thông
lượng mạng. Ta thấy rằng, hai mô hình sử dụng kỹ thuật NOMA là MHCT1
và MHCT3 chỉ chịu được mức suy hao phần cứng thấp, trong khi những mô
hình không sử dụng NOMA sẽ chịu được mức suy hao phần cứng lớn hơn.
Hình 4.10: Thông lượng vẽ theo
15
(dB),
a1 khi 0.1 , M 5 , N 1,
D 0.25 và th 1
Hình 4.10 khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số phân chia công suất
lên thông lượng TP của MHCT1 và MHCT3.
a1
23
CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN
5.1. Các kết quả đạt được của luận văn
Trong luận văn, Học viên đã trình bày tổng quan các khái niệm về
mạng chuyển tiếp đa chặng, về kỹ thuật đa truy nhập không trực giao
(NOMA), về suy hao phần cứng (Hardware Impairments), cũng như đã khảo
sát các nghiên cứu liên quan đến luận văn.
Kế tiếp, Học viên tiến hành mô phỏng và phân tích lý thuyết đánh
giá hiệu năng xác suất dừng và thông lượng mạng cho các mô hình trên kênh
truyền fading Nakagami-m. Hơn nữa, các công thức toán cũng được kiểm
chứng sự chính xác thông qua mô phỏng Monte Carlo. Các kết quả cho thấy
rằng, các mô hình cải tiến trong luận văn đạt được thông lượng cao hơn đáng
kể khi so với mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống. Tuy nhiên, các mô
hình cải tiến chịu giá trị xác suất dừng lớn hơn mô hình truyền thống, bởi vì
sự tác động của nhiễu đồng kênh và nhiễu gây ra do quá trình kết hợp các dữ
liệu trong NOMA. Hơn nữa, các thông số hệ thống như số chặng giữa nguồn
và đích, mức suy hao phần cứng, khoảng cách giữa các nút kề nhau, hệ số
phân chia công suất cũng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của hệ thống.
Đối với những mô hình sử dụng NOMA, hệ thống chỉ chịu được mức suy hao
phần cứng thấp hơn so với các mô hình còn lại. Các kết quả cũng cho thấy
rằng, để nâng cao thông lượng cho các mô hình cải tiến, ta cần trang bị những
thiết bị tốt hơn (giảm mức suy hao phần cứng) và thiết kế hệ số phân chia
công suất hợp lý hơn.
24
5.2. Hướng phát triển luận văn
Luận văn có thể phát triển theo những hướng như sau:
-
Khảo sát những kênh truyền tổng quát hơn như kênh fading
Nakagami-m (với hệ số Nakagami là số thực), Rician, …
-
Nghiên cứu các mô hình chuyển tiếp đa chặng sử dụng
MIMO hoặc chọn lựa nút chuyển tiếp trên mỗi chặng.
-
Nghiên cứu kỹ thuật chuyển tiếp đa chặng sử dụng các nút
chuyển tiếp song công (full-duplex).
-
Nghiên cứu mạng chuyển tiếp đa chặng thu thập năng
lượng sóng vô tuyến, ở đây, các nút chuyển tiếp phải thu
thập năng lượng bên ngoài để phục vụ cho việc chuyển tiếp.