Chương 1: Tổng quan Trong chương này, chúng tôi giới thiệu về đề tài, đưa ra mục tiêu nghiên cứu, nhiệm vụ và giới hạn của đề tài, trình bày về các phương pháp được áp dụng để nghiên cứu đề tài và cuối cùng là bố cục đồ án. Chương 2 : Cơ sở lí thuyết Chương này trình bày lý thuyết về bề mặt phản xạ thông minh, trình bày về kỹ thuật đa truy cập không trực giao, lý thuyết về lớp vật lý, dung lượng bảo mật. Ngoài ra trong chương này còn nhắc lại kiến thức về kênh truyền fading rayleigh. Chương 3 : Mô hình hệ thống Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình hệ thống, phân tích lý thuyết, công thức mô phỏng.
Chương 4 : Kết quả mô phỏng và đánh giá Chương này trình bày kết quả mô phỏng hiệu năng của mô hình IRS-NOMA. Ngoài ra, chương này cũng đánh giá dung lượng kênh truyền qua các trường hợp trong mô hình IRS-NOMA. Chương 5 : Kết luận và hướng phát triển Chương này đưa ra những kết luận về kết quả nghiên cứu với mô hình được đề xuất và nêu định hướng phát triển của đề tài nghiên cứu. 3 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO NOMA Sự gia tăng về số lượng các thiết bị mạng không dây cùng nhiều thiết bị cảm biến đã tạo nên những tắc nghẽn khi kết nối và nó ảnh hưởng đến hiệu quả của thiết bị và hệ thống. Vì vậy, ta cần một kỹ thuật trong giao tiếp không dây mới cho phép mọi người sử dụng có thể truy cập cùng một lúc với một lượng tài nguyên nhất định [2]. Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA là công nghệ cho phép nhiều người dùng truy cập cùng một lúc thông qua việc trao đổi dữ liệu thời gian, hoạt động dưới hai dạng ghép kênh mã miền và hợp kênh công suất. Sự chuyển đổi nhanh chóng từ thế hệ mạng di động 4G sang 5G cũng nhờ có kỹ thuật có tính đột phá NOMA [2].
Đây là một kỹ thuật mới và triển vọng nhất đối với mạng di động 5G nhờ sự hiệu quả vượt trội trong sử dụng phổ tần số cũng như hiệu suất truyền thông. Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thiết bị di dộng không dây cũng đi kèm với những thay đổi và cải tiến không ngừng của hệ thống mạng nhằm có thể đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của khách hàng. Cụ thể, hệ thống mạng di động 5G có nhiều ưu điểm vượt trội so với thế hệ cũ như hỗ trợ kết nối với tốc độ siêu cao và sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên vô tuyến. Việc hỗ trợ thiết lập đa kết nối có thể đáp ứng tốt được sự gia tăng ngày càng lớn về số lượng thiết bị truy cập đem lại trải nghiệm sử dụng tuyệt vời cho người tiêu dùng.
Do đó, mạng di động 5G đã và đang là xu hướng nghiên cứu của thế giới về mảng phát triển di động không dây [2]. Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA có thể được phối hợp với công nghệ tương tự như ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) và hệ thống đa anten phát và thu (MIMO). Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA được xem là một trong những kỹ thuật truy cập vô tuyến với hiệu quả truyền thông đầy tiềm năng ở các giai đoạn sau cho mạng truyền thông di động. So với thế hệ mạng di động 4G đầu tiên dùng 4 kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) - là một trong những kỹ thuật được sử dụng kết hợp với đa truy cập trực giao (OMA), công nghệ mạng di động 5G ứng dụng kỹ thuật NOMA vượt trội hơn nhiều và có hiệu suất phổ tần số cao hơn[2].
Kỹ thuật NOMA về cơ bản được chia thành 2 loại : Kỹ thuật NOMA miền công suất (Power-domain NOMA): kỹ thuật này các người dùng khác nhau sẽ dùng chung tài nguyên thời gian, tần số, mã nhưng được phát các mức công suất khác nhau dựa vào chất lượng kênh truyền tại phía máy thu. Kỹ thuật NOMA miền mã (Code-domain NOMA): kỹ thuật này tương tự kỹ thuật CDMA hoặc CDMA đa sóng MC-CDMA (Multi-Carrier-CDMA) với sự khác biệt cơ bản là sử dụng chuỗi mật độ thấp hoặc các chuỗi phi trực giao có độ tương quan thấp. Các kỹ thuật được sử dụng trong NOMA gồm: kỹ thuật mã hóa chồng chất SC (Superposition Coding), kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation). Mã hóa chồng chất Kỹ thuật mã hóa chồng chất [2] là kỹ thuật truyền thông tin đến nhiều người dùng cùng một lúc từ một nguồn phát chung.
Bên máy phát sẽ mã hóa thông tin liên quan đến từng người dùng riêng biệt. Ví dụ, như trong hình 2.1: Mã hóa xếp chồng 2 người dùng Như trong hình 2.1, người dùng thứ nhất có hệ số phân chia công suất cao hơn người dùng thứ hai.1) Trong đó, 𝛽1 và 𝛽2 lần lượt là hệ số phân chia công suất được gán cho người dùng thứ nhất và thứ hai, với tổng hệ số là 𝛽1 + 𝛽2 = 1. Kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp SIC Để mã hóa thông tin tổng hợp tại máy thu, kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation) dựa trên đặc tính khác nhau về cường độ tín hiệu giữa các người dùng để giải mã. Kỹ thuật triệt can nhiễu SIC là tín hiệu của người dùng được giải mã một cách liên tục.
Thứ tự ưu tiên trong SIC là theo cường độ tín hiệu của mỗi người dùng được phân biệt bằng hệ số phân chia công suất tại máy phát. Người dùng có cường độ tín hiệu mạnh nhất sẽ được ưu tiên giải mã trước, sau đó đến người dùng có cường độ tín hiệu thấp hơn và cứ thế giải mã cho đến hết. Khi tín hiệu của người dùng có cường độ cao nhất được giải mã xong thì sẽ được trừ đi trong tín hiệu tổng hợp trước khi tiếp tục giải mã cho người dùng tiếp theo. Trong SIC, khi giải mã cho một người dùng thì những tín hiệu của các người dùng khác được xem là can nhiễu.
Nhưng một khi đã giải mã xong cho một người dùng “can nhiễu” đó được loại bỏ.2 biểu diễn quá trình giải mã SIC. Từ tín hiệu nhận được tại máy phát, người dùng thứ 1 được áp dụng SIC để giải mã tín hiệu của mình sau đó đến giải mã tín hiệu của người dùng thứ 2, sau khi đã trừ đi tín hiệu đã giải mã của người dùng 1.2: Giải mã SIC 6 Quá trình giải mã được tiến hành theo các bước như sau: - Tại người dùng thứ nhất, áp dụng SIC để giải mã tín hiệu 𝑆1 (𝑛) bằng cách xem 𝑆2 (𝑛) như can nhiễu từ tín hiệu thu được 𝑌1 (𝑛). - Người dùng thứ hai tiến hành giải mã theo các bước sau: + Giải mã tín hiệu 𝑆1 (𝑛) từ người dùng thứ 1 từ tín hiệu nhận được 𝑌2 (𝑛). + Gọi ℎ2 là kênh truyền của người dùng thứ hai từ bên phát, trừ √𝑃𝛽1 ℎ2 𝑆1 (𝑛) từ 𝑌2 (𝑛), ta được: 𝑌2′ (𝑛) = 𝑌2 (𝑛) − √𝑃𝛽1 ℎ2 𝑆1 (𝑛) (2.2) + Giải mã tín hiệu 𝑆2 (𝑛) từ tín hiệu 𝑌2′ (𝑛) bằng bộ giải mã đơn người dùng thứ hai.
Xét hệ thống NOMA như hình 2.3: Mô hình đa truy cập NOMA trong trường hợp 2 người dùng Gồm 1 trạm thu phát BS trang bị 𝑁𝑡 anten phát và N thiết bị người dùng với mỗi thiết bị trang bị 𝑁𝑟 anten thu. Trạm phát (BS) gửi tín hiệu đến các người dùng cùng một lúc với công suất phát tổng là P. Tín hiệu vô tuyến từ BS đến các người dùng thông qua kênh truyền fading rayleigh có phân phối độc lập, đồng nhất và nhiễu trắng cộng Gaussian. Các kênh truyền được sắp xếp theo thứ tự 0 ≤ |ℎ1 |2 ≤ ⋯ ≤ |ℎ𝑖 |2 ≤ ⋯ ≤ |ℎ𝑁 |2, nghĩa là người dùng thứ N có cường độ tín hiệu yếu hơn người dùng thứ i.
NOMA cho 7 phép phục vụ đồng thời tất cả các người dùng bằng việc sử dụng chung băng thông hệ thống để truyền dữ liệu với sự hỗ trợ của kỹ thuật mã hóa chồng chất SC và kỹ thuật triệt can nhiễu liên tiếp SIC. Trạm phát truyền tín hiệu chồng chất của hai người dùng bằng việc gán các hệ số phân chia công suất 𝛽𝑖 cho người dùng thứ i (công suất cho người dùng thứ i được gán như sau: 𝑃𝑖 = 𝑃𝛽𝑖 ). Ở máy thu, người dùng mạnh hơn sẽ giải mã tín hiệu của người dùng yếu hơn, nghĩa là thiết bị người dùng thứ i sẽ giải mã tín hiệu của người dùng thứ N với cường độ tín hiệu của người dùng thứ N yếu hơn người dùng thứ i. Tín hiệu của các người dùng yếu hơn sau đó được trừ từ tín hiệu nhận được để giải mã tín hiệu cho người dùng thứ i.
Các tín hiệu này được xem là can nhiễu. Tín hiệu nhận được tại người dùng thứ i có thể được biểu diễn như sau: 𝑦𝑖 = ℎ𝑖 𝑥 + 𝑤𝑖 (2.3) Với: 𝑥 = ∑𝑁 𝑖=1 √𝑃𝛽𝑖 𝑆𝑖 là tín hiệu chồng chất. 𝑆𝑖 là tín hiệu gửi đi tại BS cho người dùng thứ i. 𝑤𝑖 là nhiễu trắng cộng Gaussian tại người dùng thứ i có kỳ vọng bằng 0 và phương sai 𝜎𝑤2.
Nếu tín hiệu được mã hóa chồng chất SC và giải mã triệt can nhiễu liên tiếp SIC tại người dùng một cách thuận lợi thì tốc độ dữ liệu có thể đạt được của người dùng thứ i được biểu diễn như sau: 𝛽𝑖 𝑃|ℎ𝑖 |2 𝑅𝑖 = log 2 (1 + ) (2.4) 𝑃|ℎ𝑖 |2 ∑𝑁 2 𝑘=𝑖+1 𝛽𝑘 + 𝜎𝑤 Tốc độ dữ liệu của người dùng thứ N được xác định là: 𝛽𝑁 𝑃|ℎ𝑁 |2 𝑅𝑁 = log 2 (1 + ) (2.5) 𝜎𝑤2 8 Lưu ý: người dùng có cường độ tín hiệu mạnh hơn sẽ có công suất phát thấp hơn người dùng có cường độ tín hiệu yếu hơn. Người dùng có cường độ tín hiệu yếu theo cách này ít bị ảnh hưởng tử người dùng có cường độ tín hiệu mạnh. Trong NOMA, người dùng 1 tiến hành giải mã SIC cho tín hiệu của người dùng 1 trước (độ lợi kênh truyền của người dùng 1 cao hơn người dùng 2) rồi sau đó giải mã cho hiệu của tín hiệu thu được với tín hiệu đã giải mã cho người dùng 2. Đối với người dùng 2, không sử dụng SIC mà sẽ giải mã tín hiệu một cách trực tiếp.
Như vậy, tốc độ của hai người dùng 1 và 2 có thể được biểu diễn như sau: 𝑃1 |ℎ1 |2 𝑅1 = log 2 (1 + ) (2.