CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC NOMA-UAV.1 Công nghệ NOMA. Trong thời đại số hóa và phát triển công nghệ, nhu cầu về dung lượng mạng, tốc độ truyền dẫn và thông lượng dữ liệu ngày càng gia tăng. Lượng dữ liệu được truyền đi qua các mạng di động đang tăng mạnh do sự phổ biến của các ứng dụng trực tuyến, video, trò chơi trực tuyến và Internet of Things (IoT).
Đồng thời, người dùng đòi hỏi trải nghiệm truy cập mạng nhanh chóng, liên tục và ổn định. Truyền thông di động truyền thống sử dụng các kỹ thuật truy cập trực giao (OMA) như đa truy nhập phân chia thời gian (TDMA), đa truy nhập phân chia tần số (FDMA) và đa truy cập phân chia mã (CDMA). Tuy các kỹ thuật này đã được sử dụng rộng rãi và mang lại nhiều, nhưng chúng đang gặp hạn chế đối với môi trường truyền thông ngày càng phức tạp hơn hiện nay. Một trong những hạn chế chính của các kỹ thuật truyền thông truyền thống là sự ràng buộc về việc phân chia tài nguyên như tần số hoặc mã, giữa các người dùng.
Khi số lượng người dùng và lưu lượng mạng tăng lên, việc chia sẻ tài nguyên theo cách truyền thống trở nên hạn chế về khả năng chịu tải và hiệu suất hệ thống. Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về dung lượng mạng và hiệu suất hệ thống, kỹ thuật NOMA đã được giới thiệu như một giải pháp tiềm năng. NOMA được coi là một giải pháp triển vọng để cải thiện hiệu suất hệ thống so với các kỹ thuật truyền thông không dây truyền thống như TDMA, FDMA và CDMA. NOMA được coi là một giải pháp triển vọng trong việc cải thiện hiệu suất mạng so với các kỹ thuật truyền thông truyền thống.
Thay vì phân chia tài nguyên truy cập theo các kênh trực giao, NOMA cho phép nhiều thiết bị truy cập cùng một tài nguyên vật lý. NOMA được phân thành hai loại chính là ghép kênh miền công suất và ghép kênh miền mã [7], [6]. Ghép kênh miền mã trong NOMA có tiềm năng để tăng cường hiệu quả phổ, tức là cải thiện khả năng sử dụng tần số và tăng cường hiệu năng truyền thông. Kỹ thuật này cho phép các tín hiệu từ các người dùng khác nhau sử dụng cùng một tần số nhưng được mã hóa bằng các mã khác nhau hoặc các biểu diễn khác nhau của cùng một mã, tạo ra sự chồng 4 chéo và khả năng tận dụng tối đa tài nguyên tần số.
Để áp dụng kỹ thuật này, cần có cơ sở hạ tầng mạng và thiết bị hỗ trợ phức tạp để xử lý và phân giải các tín hiệu mã hóa. Điều này có thể làm tăng đáng kể độ phức tạp và chi phí triển khai hệ thống, và làm cho kỹ thuật này khó áp dụng trong các hệ thống thông tin hiện tại. Ghép kênh miền công suất trong NOMA tập trung vào việc phân bố công suất không đồng đều giữa các người dùng, giúp tận dụng tối đa khả năng truyền thông trong cùng một tài nguyên vật lý. Kỹ thuật này không đòi hỏi băng thông bổ sung để cải thiện hiệu quả phổ tần, vì vậy không yêu cầu sự thay đổi lớn trong khía cạnh cơ sở hạ tầng.
Do đó, NOMA miền công suất đã trở thành mô hình được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi nhất trong số các mô hình NOMA. Nó mang lại lợi ích hiệu quả trong việc tăng cường hiệu suất hệ thống và tối ưu hóa sử dụng tài nguyên mạng trong các hệ thống truyền thông hiện tại [8]. Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC NOMA-UAV. NOMA phân bổ công suất 2 người dùng Kỹ thuật NOMA trong miền công suất giải quyết vấn đề chia sẻ tài nguyên giữa các người dùng mà không cần sự trực giao giữa chúng trong miền thời gian, miền tần số hoặc miền mã.
Sự khác biệt này giúp tăng dung lượng hệ thống NOMA đáng kể so với các kỹ thuật truyền thông truyền thống. Một trong những yêu cầu quan trọng trong hệ thống truyền thông là giảm độ trễ. Kỹ thuật NOMA đáp ứng yêu cầu này bằng cách cho phép mỗi người dùng sử dụng khối tài nguyên hoàn chỉnh, cho phép thông tin được truyền ngay lập 5 tức theo yêu cầu. Điều này đảm bảo rằng người dùng nhận được dữ liệu một cách nhanh chóng và giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền thông [9].
Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC NOMA- UAV. Tín hiệu đường xuống hệ thống NOMA 2 người dùng Trong cơ chế của hệ thống dựa trên phương pháp NOMA miền công suất, các tín hiệu từ người dùng được phân bố theo những mức công suất khác nhau. Thiết bị phát biến đổi và chồng các tín hiệu từ nhiều người dùng để tiến hành ghép kênh, còn thiết bị nhận dùng phương pháp loại bỏ nhiễu liên tiếp (SIC) để giải mã tín hiệu của từng người dùng, với giả định rằng quá trình SIC thực hiện liên tiếp cho đến khi tín hiệu người dùng được phục hồi. Hệ số phân chia công suất cho người dùng được cấp theo tỷ lệ nghịc với điều kiện kênh truyền của họ.
Do đó, người dùng nào có công suất truyền cao hơn sẽ coi tín hiệu của những người dùng khác như nhiễu, họ sẽ phục hồi tín hiệu của mình ngay mà không cần tiến hành bất kỳ quá trình SIC nào, trong khi những người dùng có công suất truyền thấp hơn sẽ cần thực hiện quy trình SIC. Điều này tạo điều kiện cho hệ thống phục vụ một lượng lớn người dùng, đồng thời đảm bảo truyền thông ổn định và chất lượng trong môi trường có tài nguyên vô tuyến có hạn. 6 Kỹ thuật NOMA đã được áp dụng trong mạng di động 5G với mục tiêu phục vụ nhiều người dùng sử dụng chung một nguồn tài nguyên vô tuyến. Đồng thời, NOMA cũng được coi là một trong những kỹ thuật quan trọng được kỳ vọng sẽ đóng góp vào xây dựng mạng di động 6G tối ưu trong tương lai.2 Hệ thống chuyển tiếp hợp tác NOMA-UAV.
UAV (Unmanned Aerial Vehicles), hay còn được gọi là "Phương tiện bay không người lái", đóng vai trò quan trọng trong hỗ trợ hệ thống mạng vô tuyến ở các thế hệ tiếp theo. UAV mang lại nhiều lợi ích so với các trạm cố định trên mặt đất do những ưu điểm đặc biệt của chúng. Một trong những lợi thế của UAV có khả năng di chuyển linh hoạt đến nơi cần thiết và triển khai, có thể tiếp cận và cung cấp dịch vụ mạng trong những khu vực bị tác động mạnh. Điều mà các trạm cố định trên mặt đất gặp khó khăn, giúp giải quyết các vấn đề khẩn cấp một cách nhanh chóng đáp ứng yêu cầu của các tình huống cấp bách [1], [10].
Các UAV thường được thiết kế để đảm nhiệm các nhiệm vụ khác nhau một cách hiệu quả nhất tương ứng với từng đặc điểm tính chất và cấu tạo của chúng. Chúng được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau như trọng lượng, kích thước, độ bền, cấu tạo cánh, nguồn năng lượng, tốc độ tối đa, phạm vi bay, độ cao bay hay phương pháp điều khiển [11]. Trong lĩnh vực truyền thông không dây, hệ thống mạng không dây sử dụng UAV như một trạm thu phát sóng trên không đang trở thành công nghệ tiềm năng sẽ được triển khai rộng rãi cho các mạng thế hệ di động tương lai như B5G, 6G. Với ưu điểm về di chuyển linh hoạt, khả năng quan sát từ xa, hoạt động ổn định ở trên cao, UAV có thể được sử dụng để thay thế các trạm mất đất ở 7 những địa hình khó triển khai BTS (Base Transceiver Station), ở những tình huống cần triển khai nhanh chóng hệ thống mạng truyền dẫn như trong cứu hộ, cứu nạn,… thì trạm thu phát UAV là một giải pháp rất hữu ích 1.1 Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV Sự kết hợp giữa kỹ thuật NOMA và truyền thông UAV được xem là một giải pháp tiềm năng để tăng dung lượng mạng, tối ưu hóa phân bổ tài nguyên truyền thông không dây đặc biệt ở những khu vực mà cơ sở hạ tầng truyền thống bị hạn chế hoặc không thể triển khai [2].
UAV có thể được sử dụng để đảm nhiệm các nhiệm vụ tương ứng trong các mô hình truyền thông như: 8 - UAV-BS (Unmanned Aerial Vehicle Base Station): là một loại trạm gốc không người lái có các chức năng tương tự như một trạm gốc thông thường, nhưng với khả năng hoạt động ở độ cao lớn hơn và linh hoạt hơn. Mô hình trạm gốc cho phép UAV-BS được ứng dụng trong trường hợp: Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC NOMA-UAV. Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV-BS 9 + Hỗ trợ phủ sóng không dây ở vùng sâu và vùng xa: UAV-BS có thể được triển khai trong các khu vực khó tiếp cận hoặc không có cơ sở hạ tầng mạng cố định. Bằng cách cung cấp kết nối vô tuyến từ trên cao, UAV-BS có thể mở rộng phạm vi phủ sóng mạng di động và cung cấp dịch vụ truyền thông cho các khu vực xa, nơi truy cập truyền thông truyền thống khó khăn.
+ Giảm tải lưu lượng tạm thời ở các địa điểm phát sóng di động: Trong các sự kiện lớn, các hoạt động tập trung đông người, lưu lượng truyền thông tạm thời tăng cao. UAV-BS có thể được triển khai như một trạm gốc di động tạm thời để giảm tải lưu lượng truyền thông tại các địa điểm đông người, đảm bảo rằng người dùng vẫn có kết nối ổn định và chất lượng dịch vụ cao. + Khôi phục dịch vụ sau thảm họa, thiên tai: Trong các tình huống thiên tai, thiên tai, hoặc các tình huống khẩn cấp, hạ tầng viễn thông có thể bị hỏng hoặc bị tạm đình chỉ. UAV-BS có thể được triển khai nhanh chóng để khôi phục kết nối truyền thông và cung cấp dịch vụ liên lạc trong thời gian ngắn, hỗ trợ các hoạt động cứu trợ và quản lý tình hình khẩn cấp.
Sự kết hợp giữa UAV và kỹ thuật NOMA trong truyền thông cung cấp lợi ích đáng chú ý, bao gồm: 10 Hình TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHUYỂN TIẾP HỢP TÁC NOMA-UAV. Mô hình truyền thông hỗ trợ bởi UAV-RELAY + Mở rộng phạm vi phủ sóng di động: UAV có khả năng di chuyển linh hoạt và có thể được triển khai ở các vị trí chiến lược để mở rộng phạm vi phủ sóng di động. Điều này giúp cung cấp kết nối mạng cho các khu vực xa, hẻo lánh hoặc khó tiếp cận. + Truyền dữ liệu lớn: Với khả năng di chuyển và vị trí linh hoạt, UAV có thể được sử dụng để truyền dữ liệu lớn từ nguồn đến đích một cách nhanh chóng và hiệu quả.