Luận văn thạc sĩ nghiên cứu đánh giá hiệu năng hệ thống truyền dẫn hợp tác noma có sử dụng chuyển tiếp eh với sự hỗ trợ của các phần tử irs

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu nghiên cứu đánh giá hiệu năng hệ thống truyền dẫn hợp tác noma có sử dụng chuyển tiếp eh với sự hỗ, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Thị Hồng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Thị Anh
• Trường học: Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Viễn thông
• Đề tài: Nghiên Cứu Đánh Giá Hiệu Năng Hệ Thống Truyền Dẫn Hợp Tác NOMA Có Sử Dụng Chuyển Tiếp EH Với Sự Hỗ Trợ Của Các Phần Tử IRS
• Loại tài liệu: Đề án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN HỢP TÁC NOMA
• 1.1. Công nghệ NOMA
• 1.1.1. Khái niệm và phân loại
• 1.1.2. Mã hóa chồng chất (SC)
• 1.1.3. Khử nhiễu liên tiếp SIC
• 1.1.4. Cơ chế NOMA đặc trưng
• 1.1.5. Một số thách thức và hạn chế của kỹ thuật NOMA
• 1.2. Công nghệ EH
• 1.3. Bề mặt phản xạ thông minh (Intelligence Reflecting Surface-IRS)
• 1.3.1. Một số ứng dụng điển hình của IRS trong mạng không dây
• 1.3.2. Mô hình tín hiệu và cấu tạo của IRS
• 1.3.3. Ưu điểm và nhược điểm của IRS
• 1.4. Giao thức khuếch đại và chuyển tiếp AF
• 1.5. Lựa chọn nút chuyển tiếp
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN HỢP TÁC NOMA CÓ SỬ DỤNG CHUYỂN TIẾP EH VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA CÁC PHẦN TỬ IRS
• 2.1. Phân tích mô hình hệ thống đề xuất
• 2.2. Mô hình hóa tín hiệu truyền dẫn
• 2.3. Hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống
• 2.4. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT
• 3.1. Giới thiệu chung
• 3.2. Giới thiệu thuật toán Tối ưu bầy đàn (PSO)
• 3.3. Chương trình mô phỏng bằng ngôn ngữ lập trình Python
• 3.3.1. Tham số mô phỏng
• 3.3.2. Các kịch bản mô phỏng
• 3.4. Kết quả mô phỏng và thảo luận
• 3.4.1. Tính hội tụ và thời gian tính toán khi sử dụng PSO
• 3.4.2. Khảo sát hiệu quả của số lượng nút chuyển tiếp lên EE với cả 2 trường hợp có IRS và không có IRS
• 3.4.3. Ảnh hưởng của phương pháp lựa chọn nút chuyển tiếp, số lượng phần tử IRS đối với EE trung bình
• 3.4.4. Ảnh hưởng của hiệu quả EH và công suất phát tại BS tới EE
• 3.4.5. Ảnh hưởng của các khoảng cách truyền dẫn tới EE trung bình
• 3.5. Kết luận chương 3
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Truyền Dẫn Hợp Tác NOMA

Hệ thống truyền dẫn hợp tác NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) đang trở thành một trong những công nghệ tiên tiến trong mạng không dây. Công nghệ này cho phép nhiều người dùng chia sẻ cùng một kênh truyền mà không cần phân chia tần số hay thời gian. Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền dẫn và giảm thiểu độ trễ. Nghiên cứu này sẽ tập trung vào việc đánh giá hiệu năng của hệ thống NOMA khi kết hợp với các công nghệ như chuyển tiếp năng lượng (EH) và bề mặt phản xạ thông minh (IRS).

1.1. Khái Niệm Về NOMA Và Các Ứng Dụng

NOMA là một kỹ thuật cho phép nhiều người dùng truy cập vào cùng một kênh truyền. Kỹ thuật này có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như IoT, mạng di động và các ứng dụng thông minh. Việc sử dụng NOMA giúp cải thiện hiệu suất truyền dẫn và giảm thiểu chi phí năng lượng.

1.2. Lợi Ích Của Hệ Thống Truyền Dẫn Hợp Tác

Hệ thống truyền dẫn hợp tác NOMA mang lại nhiều lợi ích như tăng cường hiệu suất truyền dẫn, giảm độ trễ và tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên tần số. Sự kết hợp với EH và IRS còn giúp nâng cao hiệu quả năng lượng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của các ứng dụng không dây.

II. Thách Thức Trong Việc Triển Khai Hệ Thống NOMA

Mặc dù NOMA có nhiều lợi ích, nhưng việc triển khai hệ thống này cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như nhiễu đồng kênh, phức tạp trong giải mã tín hiệu và yêu cầu về công suất phát là những yếu tố cần được xem xét. Đặc biệt, việc ghép cặp người dùng và phân bổ công suất là những vấn đề quan trọng cần giải quyết để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

2.1. Nhiễu Đồng Kênh Và Giải Quyết

Nhiễu đồng kênh là một trong những thách thức lớn nhất trong hệ thống NOMA. Việc nhiều người dùng cùng chia sẻ tài nguyên có thể dẫn đến sự suy giảm hiệu suất. Cần có các phương pháp khử nhiễu hiệu quả để đảm bảo chất lượng truyền dẫn.

2.2. Phân Bổ Công Suất Hiệu Quả

Phân bổ công suất cho từng người dùng là một yếu tố quan trọng trong NOMA. Cần có các chiến lược phân bổ công suất thông minh để tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo rằng tất cả người dùng đều nhận được chất lượng dịch vụ tốt nhất.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu Hiệu Năng Hệ Thống NOMA

Để đánh giá hiệu năng của hệ thống NOMA, nghiên cứu sẽ sử dụng mô hình hóa tín hiệu và các thuật toán tối ưu như PSO (Particle Swarm Optimization). Việc mô phỏng sẽ được thực hiện trên các kịch bản khác nhau để phân tích hiệu quả của hệ thống trong các điều kiện khác nhau.

3.1. Mô Hình Hóa Tín Hiệu Truyền Dẫn

Mô hình hóa tín hiệu là bước quan trọng trong việc đánh giá hiệu năng của hệ thống NOMA. Các thông số như công suất phát, khoảng cách truyền dẫn và hiệu quả thu thập năng lượng sẽ được xem xét để đưa ra các kết quả chính xác.

3.2. Sử Dụng Thuật Toán PSO Trong Mô Phỏng

Thuật toán PSO sẽ được áp dụng để tối ưu hóa các tham số trong mô hình NOMA. Việc sử dụng PSO giúp tìm ra các giải pháp tối ưu cho việc phân bổ công suất và ghép cặp người dùng, từ đó nâng cao hiệu suất hệ thống.

IV. Kết Quả Nghiên Cứu Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc kết hợp NOMA với EH và IRS có thể cải thiện đáng kể hiệu suất truyền dẫn. Các mô phỏng cho thấy rằng hệ thống có thể đạt được hiệu quả năng lượng cao hơn và giảm thiểu độ trễ trong quá trình truyền dẫn. Những ứng dụng thực tiễn của mô hình này có thể được triển khai trong các lĩnh vực như thành phố thông minh và IoT.

4.1. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống NOMA kết hợp với EH và IRS có thể đạt được hiệu suất năng lượng cao hơn so với các hệ thống truyền dẫn truyền thống. Điều này chứng tỏ rằng mô hình này có tiềm năng lớn trong việc cải thiện chất lượng dịch vụ.

4.2. Ứng Dụng Trong Các Mạng Không Dây

Mô hình NOMA có thể được áp dụng trong nhiều loại mạng không dây, đặc biệt là trong các ứng dụng IoT với mật độ người dùng cao. Việc triển khai mô hình này có thể giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống thông tin không dây.

V. Kết Luận Và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu về hệ thống truyền dẫn hợp tác NOMA có sử dụng chuyển tiếp EH và IRS đã chỉ ra rằng đây là một giải pháp tiềm năng cho các mạng không dây trong tương lai. Việc tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu chi phí năng lượng là những mục tiêu quan trọng cần đạt được. Hướng phát triển tương lai có thể tập trung vào việc cải thiện các thuật toán phân bổ công suất và tối ưu hóa mô hình hệ thống.

5.1. Tương Lai Của NOMA Trong Mạng 5G

NOMA sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển mạng 5G và B5G. Việc tối ưu hóa công nghệ này sẽ giúp đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về băng thông và kết nối không dây.

5.2. Nghiên Cứu Thêm Về IRS Và EH

Cần có thêm nhiều nghiên cứu về việc kết hợp IRS và EH trong các hệ thống NOMA. Việc này sẽ giúp nâng cao hiệu quả năng lượng và cải thiện chất lượng dịch vụ trong các mạng không dây.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 sẽ trình bày các khái niệm cơ bản về các kỹ thuật và công nghệ như: NOMA, một số kỹ thuật trong mạng truyền dẫn hợp tác, và Bề mặt phản xạ thông minh được ứng dụng trong hệ thống thông tin liên lạc không dây.1 Công nghệ NOMA 1.1 Khái niệm và phân loại Công nghệ truy cập vô tuyến là phương thức kết nối lớp vật lý trong mạng tế bào di động, được thực hiện bởi mạng truy cập vô tuyến (RAN). Về cơ bản, RAN sử dụng kỹ thuật truy cập kênh truyền để cung cấp kết nối tới mạng lõi cho các đầu cuối di động. Do đó, thiết kế một kỹ thuật đa truy cập phù hợp là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong việc nâng cao dung lượng hệ thống. Các kỹ thuật đa truy cập được phân loại thành hai cách tiếp cận khác nhau, có tên là Đa truy cập trực giao (OMA) và Đa truy cập không trực giao (NOMA).1 so sánh một số đặc điểm chính giữa OMA và NOMA.

So sánh giữa OMA và NOMA Đặc OMA NOMA điểm Cơ chế OMA: Cho phép thiết kế một máy thu hoàn hảo có thể tách tín hiệu mong hoạt muốn từ toàn bộ các tín hiệu không mong muốn bằng cách sử dụng các chức động năng cơ bản. Nói cách khác, tín hiệu của người dùng khác nhau là trực giao với nhau. NOMA: Cho phép phân bổ một kênh truyền về mặt tần số tới nhiều người dùng tại cùng một thời điểm trong cùng một tế bào, dẫn tới, cải thiện hiệu quả phổ tần, thông lượng tại biên tế bào cao hơn, phản hồi kênh truyền được giải phóng (chỉ yêu cầu cường độ tín hiệu thu, không yêu cầu thông tin trạng thái 5 kênh) và độ trễ truyền dẫn thấp (do không yêu cầu lập lịch từ người dùng tới trạm gốc) Phân - Đa truy cập phân chia theo thời - NOMA miền công suất loại gian (TDMA) - NOMA miền mã - Đa truy cập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) - Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Ưu Thông lượng hệ thống tốt Đáp ứng được yêu cầu cho mạng 5G về điểm Thiết kế máy thu đơn giản tốc độ dữ liệu hệ thống cũng như tốc độ dữ liệu người dùng trải nghiệm và độ trễ đầu cuối. Nhược Do nhu cầu tăng theo cấp số mũ của Cấu trúc máy thu phức tạp.

điểm dịch vụ Internet di động và Vạn vật Chính sách phân bổ công suất cần được kết nối (IoT) nên OMA tỏ ra những quan tâm nhược điểm không đáp ứng được về: Phân cặp người dùng Hiệu quả phổ tần, Độ trễ, Tốc độ dữ liệu hệ thống, Tốc độ dữ liệu người dùng trải nghiệm Ứng Các thế hệ mạng trước 5G 5G và B5G dụng Khi phân loại NOMA có hai loại chính bao gồm NOMA miền công suất và NOMA miền mã.3 thể hiện phân loại đơn giản của kỹ thuật NOMA. Trong nội dung nghiên cứu của đề án, tập trung chính vào NOMA miền công suất (PD-NOMA), trong đó sử dụng mã hóa chồng chất (Superposition coding-SC) tại máy phát và khử nhiễu liên tiếp (Successive Interference Cancellation-SIC) tại máy thu. 6 NOMA Các loại chính Hình 1. Một cách phân loại về kỹ thuật NOMA [9] 1.2 Mã hóa chồng chất (SC) Mã hóa chồng chất là kỹ thuật truyền thông tin tới đồng thời các máy thu bằng một nguồn tín hiệu đơn.

Nói cách khác, kỹ thuật này cho phép máy phát phát thông tin của nhiều người dùng cùng một thời điểm. Để thực hiện SC trong thực tế, máy phát mã hóa thông tin của mỗi người dùng bằng các bộ mã hóa để tạo ra tín hiệu tuần tự phức, như trong hình 1.4 trình bày chòm sao tín hiệu điều chế khóa dịch pha QPSK với trường hợp SC cho 2 người dùng. Cụ thể, với người dùng 1 có công suất phát cao hơn trong khi đó người dùng 2 công suất phát thấp hơn.4 Chòm sao tín hiệu mã hóa SC a. Người dùng 1, b.

Người dùng 2, c. Tín hiệu SC [9] Có thể nói rằng, SC được công nhận là một mô hình không trực giao đạt được dung lượng trên một kênh truyền Gauss quảng bá vô hướng. Trong pha mã hóa chồng chất, với 2 bộ mã hóa điểm – điểm [9] 7 , là các hàm ánh xạ các bit đầu vào tương ứng của người dùng 1 và người dùng 2 với các bít tuần tự đầu ra và trong mỗi độ dài khối. Trong đó, và ký hiệu cho tốc độ truyền dẫn của và , là hàm phần nguyên.

là thư viện mã hóa. Như vậy, tín hiệu SC đầu ra sau bộ cộng là có dạng như sau: (1.1) ở đó, ký hiệu phần công suất tổng được gán cho người dùng thứ , với điều kiện .3 Khử nhiễu liên tiếp SIC Ý tưởng cơ bản của SIC là tín hiệu người dùng được giải mã liên tiếp. Sau khi tín hiệu của một người dùng được giải mã, nó sẽ bị trừ khỏi tín hiệu kết hợp trước khi tín hiệu của người dùng tiếp theo được giải mã [9]. Khi SIC được áp dụng, một trong các tín hiệu của người dùng được giải mã, coi tín hiệu của người dùng khác là nhiễu, nhưng tín hiệu sau được giải mã với lợi ích là tín hiệu của tín hiệu trước đã bị loại bỏ.

Tuy nhiên, trước SIC, người dùng được sắp xếp theo cường độ tín hiệu của họ để máy thu có thể giải mã tín hiệu mạnh hơn trước, trừ tín hiệu đó khỏi tín hiệu kết hợp và tách lấy tín hiệu yếu hơn.5 trình bày kỹ thuật giải mã tín hiệu chồng chất (Hình 1.5 Mô hình giải mã SC (a) giải mã tín hiệu người dùng 1 (b)giải mã tín hiệu người dùng 2 [9] Ở đây, điểm chòm sao của người dùng 1 được giải mã đầu tiên từ tín hiệu nhận được. Sau đó, việc giải mã điểm chòm sao của người dùng 2 được thực hiện đối với điểm chòm sao đã giải mã của người dùng 1. Quy trình cụ thể liên quan đến việc giải mã các thông tin chồng chất được biểu diễn bằng toán học như sau: 1) Tại người dùng 1, bộ giải mã người dùng đơn giải mã bản tin bằng cách coi là nhiễu. 2) Tại người dùng 2 thực hiện các bước sau để khôi phục bản tin của mình tuần tự từ tín hiệu thu được : a) Giải mã bản tin của người dùng 1 bằng cách sử dụng bộ giải mã đơn người dùng.

b) Trừ từ tín hiệu thu được (1.2) ở đó, là kênh truyền phức tại người dùng 2. 9 c) Giải mã bản tin người dùng 2 bằng việc sử dụng bộ giải mã đơn người dùng đối với 1.4 Cơ chế NOMA đặc trưng Hình 1.6 thể hiện sơ đồ NOMA với kịch bản hai người dùng. Trong hình này cũng mô tả sơ đồ OMA để làm rõ những ưu điểm cụ thể của sơ đồ NOMA so với sơ đồ OMA. Với NOMA, toàn bộ 1 Hz BW được sử dụng đồng thời bởi hai người dùng.

Tuy nhiên, với OMA, người dùng 1 sử dụng Hz và phần còn lại Hz được gán cho người dùng 2. Trong NOMA, trước tiên người dùng 2 thực hiện SIC để giải mã tín hiệu cho người dùng 1, vì trạng thái kênh của người dùng 2 cao hơn của người dùng 1. Tín hiệu đã giải mã sau đó được trừ khỏi tín hiệu nhận được của người dùng 2. Tín hiệu kết quả này cuối cùng được sử dụng để giải mã tín hiệu cho người dùng 2.

Sơ đồ đa truy nhập đường xuống cho kịch bản 2-người dùng (a) NOMA (b) OMA. Đối với người dùng 1, SIC không được thực thi và tín hiệu được giải mã trực tiếp. Do đó, tốc độ dữ liệu có thể đạt được cho người dùng 1 và người dùng 2 được cho bởi (1.4) Trong OMA, tốc độ dữ liệu có thể đạt được cho người dùng 1 và người dùng 2 lần lượt được đưa ra bởi (1.4) rằng lược đồ NOMA kiểm soát thông lượng của từng người dùng bằng cách điều chỉnh tỷ lệ phân bổ công suất,. Do đó, thông lượng tổng thể và sự công bằng của người dùng có liên quan chặt chẽ với sơ đồ phân bổ năng lượng.

Nếu một kênh không đối xứng, trong đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm (SNR) của hai người dùng khác nhau, được xem xét, thì có thể chỉ ra bằng số rằng các giá trị của và , được tính từ (1.4), tương ứng, là đáng kể cao hơn nhiều so với và tính toán từ (1. Do đó, NOMA có hiệu quả cao về thông lượng cấp hệ thống khi các kênh khác nhau đối với hai người dùng. Chính vì vậy, khi xét khía cạnh dung lượng, NOMA được coi là một kỹ thuật đa truy cập đầy hứa hẹn cho truy cập vô tuyến trong tương lai.5 Một số thách thức và hạn chế của kỹ thuật NOMA a) Ghép cặp người dùng động 11 Trong hệ thống NOMA nhiễu đồng kênh là rất mạnh, do nhiều người dùng cùng chia sẻ tài nguyên là thời gian, tần số, mã trải phổ. Do đó, rất khó để yêu cầu tất cả người dùng trong hệ thống cùng thực hiện NOMA.

Ngoài ra, người dùng trong hệ thống được chia thành nhiều nhóm, trong đó NOMA được áp dụng trong mỗi nhóm và các nhóm khác nhau được phân bổ bằng tài nguyên BW trực giao. Do vậy vấn đề ghép cặp/nhóm các người dùng để triển khai NOMA hợp lý bằng phương pháp động nhằm đáp ứng nhu cầu thời gian thực và đạt được lợi ích tối đa mà NOMA mang lại là hết sức cần thiết và khó khăn. b) Sự phức tạp của giải mã tín hiệu Giải mã tín hiệu bằng cách sử dụng SIC yêu cầu độ phức tạp triển khai bổ sung so với các sơ đồ trực giao, vì người nhận phải giải mã thông tin của người dùng khác trước khi giải mã thông tin của chính nó [9]. Ngoài ra, độ phức tạp này tăng lên khi số lượng người dùng trong tế bào tăng lên.

Tuy nhiên, người dùng có thể được nhóm thành một số nhóm, trong đó mỗi nhóm chứa một số lượng nhỏ người dùng có kênh xấu. SC/SIC sau đó có thể được thực hiện trong mỗi nhóm. Hoạt động SC và SIC theo nhóm này về cơ bản đánh đổi giữa mức tăng hiệu suất và độ phức tạp của việc triển khai. c) Lỗi lượng tử hóa Khi cường độ tín hiệu nhận được của người dùng khác nhau, bộ chuyển đổi tương tự sang kỹ thuật số (A/D) cần hỗ trợ dải điện áp đầu vào toàn thang đo rất lớn và yêu cầu độ phân giải cao để định lượng chính xác tín hiệu yếu, vì càng nhiều cấp độ ADC sử dụng để lượng tử hóa, thì công suất nhiễu lượng tử hóa của nó càng thấp.