Chương 1: Tổng quan. Chương này sẽ trình bày tổng quan về đề tài, tình hình nghiên cứu, mục tiêu, nội dung thực hiện của đề tài và cấu trúc của luận văn. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương này trình bày tổng quan lý thuyết về các kỹ thuật, phương pháp mô phỏng và phân tích được sử dụng trong đề tài.
6 Luan van Chương 3: Phân tích hiệu suất năng lượng. Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình hệ thống, công thức mô phỏng và phân tích hiệu năng của hệ thống. Chương 4: Kết quả mô phỏng và đánh giá. Chương này trình bày kết quả mô phỏng và đánh giá kết quả mô phỏng.
Chương 5: Kết luận. Chương này sẽ đưa ra kết luận từ kết quả đạt được, phân tích những kết quả đạt được. 7 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này trình bày các nội dung lý thuyết cơ bản liên quan đến luận văn. Những lý thuyết này sẽ giúp người đọc có thể hiểu rõ những kiến thức mà luận văn đề cập tới như: Công nghệ đa truy cập, các kỹ thuật đa truy cập trực giao, đa truy cập không trực giao, triệt nhiễu liên tục, sơ đồ điển hình của NOMA, mạng truy cập vô tuyến đám mây, mạng không đồng nhất, mạng vô tuyến đám mây không đồng nhất và hiệu suất năng lượng.1 Công nghệ đa truy cập Để có một cái nhìn tổng quan về công nghệ đa truy cập (Multiple Access_MA) chúng ta theo dõi hình 2.
Công nghệ đa truy cập gồm có đa truy cập trực giao và đa truy cập không trực giao. Công nghệ đa truy cập trực giao được phát triển từ những năm 1980 đến những năm 2010. Công nghệ đa truy cập không trực giao được nghiên cứu và phát triển từ năm 2003 đến nay.1 Công nghệ đa truy cập [48] 8 Luan van 2.2 Đa truy cập trực giao Hệ thống truyền thông không dây đã chứng kiến một “cuộc cách mạng” về kỹ thuật đa truy cập. Cụ thể, đối với các hệ thống truyền thông không dây 1G, 2G, 3G và 4G sử dụng công nghệ đa truy cập tương ứng với các kỹ thuật sau: Kỹ thuật đa truy cập phân chia theo tần số (Frequency Division Multiple Access_FDMA), đa truy cập phân chia theo thời gian (Time Division Multiple Access_TDMA), đa truy cập chia theo mã (Code Division Multiple Access_CDMA) và phân chia theo tần số trực giao (Orthogonal Frequency Division Multiple Access_OFDMA).
Từ các nguyên tắc thiết kế của chúng, các kỹ thuật này thuộc về đa truy cập trực giao (Orthogonal Multiple Access_OMA). Tại đây, các nguồn tài nguyên không dây được phân bổ trực giao cho nhiều người dùng theo thời gian, tần số, mã hoặc sự kết hợp của chúng. Tuy nhiên, số lượng người dùng được hỗ trợ bị giới hạn bởi số lượng các nguồn trực giao sẵn có trong OMA.3 Đa truy cập không trực giao Đa truy cập không trực giao (Non - Orthogonal Multiple Access_NOMA) là công nghệ cho phép các mạng không dây thế hệ thứ 5 (Fifth - Generation_5G) đáp ứng nhu cầu không đồng nhất, độ trễ, độ tin cậy cao, kết nối lớn, cải thiện sự công bằng và thông lượng cao. Ý tưởng chính đằng sau NOMA là phân phối nhiều người dùng trong cùng một khối tài nguyên, chẳng hạn như một khe thời gian, sóng mang phụ hoặc mã mở rộng [49].
Để minh họa tốt hơn về khái niệm về NOMA, xem xét ví dụ truyền dẫn đường truyền xuống NOMA với hai người dùng. Như thể hiện trong hình 2.2, hai người dùng có thể được phục vụ bởi trạm gốc (Base Station_BS) tại cùng một thời điểm, mã, tần số nhưng khác nhau về mức năng lượng. Cụ thể, BS sẽ gửi đến hai người dùng một gói tin chứa gói tin của cả hai người dùng được chồng lên nhau. Không giống như những cách thức truyền thống, trong NOMA, người dùng có điều kiện kênh kém nhận được nhiều năng lượng hơn.
Đặc biệt, thông báo cho người dùng với điều kiện kênh kém hơn được phân bổ nhiều năng lượng đường truyền hơn, đảm bảo 9 Luan van rằng cho người dùng này có thể phát hiện được thông điệp của nó trực tiếp bằng cách xử lý gói tin của người dùng khác là nhiễu. Mặt khác, người dùng có điều kiện kênh tốt hơn cần phát hiện gói tin của người dùng khác, sau đó trừ gói tin này và cuối cùng giải mã thông tin của chính nó. Phương pháp này được gọi là triệt can nhiễu nối tiếp (Successive Interference Cancellation_SIC) (như trong hình 2. Hiệu suất của NOMA so với OMA thông thường có thể dễ dàng được minh họa bằng cách thực hiện phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao (Signal-To-Noise Ratio_SNR), giả sử một kênh nhiễu trắng cộng Gaussian (Additive White Gaussian Noise_ AWGN).
Với 1 OMA, tốc độ dữ liệu đạt được cho hai người dùng tương ứng là log 2 (1 + 𝜌|ℎ𝐴 |2 ) 2 1 và log 2 (1 + 𝜌|ℎ𝐵 |2 ), trong đó ½ là do thực tế rằng các tài nguyên băng thông được 2 phân chia giữa hai người dùng. 𝜌 biểu thị cho SNR truyền, và ℎ𝐴 và ℎ𝐵 biểu thị độ lợi kênh tương ứng cho người dùng A và người dùng B. Theo hình 1, tác giả [1] giả sử |ℎ𝐴 |2 > |ℎ𝐵 |2. Tại SNR cao (tức là 𝜌 → ∞), tổng tốc độ của OMA có thể xấp xỉ 1 1 bằng log 2 (𝜌|ℎ𝐴 |2 ) + log 2 (𝜌|ℎ𝐵 |2 ).
Bằng cách sử dụng NOMA, tốc độ có thể đạt 2 2 𝜌𝑎𝐴 |ℎ𝐴 |2 ) được là log 2 (1 + ) và log 2 (1 + 𝜌𝑎𝐵 |ℎ𝐵 |2 ) tương ứng, trong đó 𝑎𝐴 và 𝑎𝐵 là 1+𝜌𝑎𝐵 |ℎ𝐴 |2 hệ số phân bổ công suất. Do đó, SNR cao xấp xỉ cho tổng tốc độ của NOMA là log 2 (𝜌|ℎ𝐵 |2 ), nó lớn hơn nhiều so với OMA, đặc biệt nếu độ lợi kênh của người dùng B lớn hơn nhiều so với người dùng A. Nói cách khác, lý do cho hiệu suất đạt được của NOMA là hiệu suất của hệ số ½ ngoài logarit của tỷ lệ OMA, đó là do việc chia nhỏ tài nguyên băng thông giữa những người sử dụng, gây tổn hại nhiều hơn so với các yêu tố bên trong logarit của tốc độ NOMA, đó là phân bổ công suất. Nó là giá trị chỉ ra rằng NOMA bị mất một số hiệu suất ở SNR thấp hơn so với OMA, nếu các phân bổ công suất được sử dụng nghiêm ngặt.
[50] 10 Luan van User A signal Subtract user A User B signal detection signal detection User B Base station User A signal detection User A Direct phase Cooperative phase Hình 2.2 Một mạng truyền thông không hợp tác hai người dùng sử dụng kỹ thuật NOMA [51].4 Triệt nhiễu liên tiếp [26] 2.1 Triệt nhiễu liên tiếp hoàn hảo Kỹ thuật triệt nhiễu liên tiếp (SIC) được xuất để giải mã thông tin chồng lên nhau tại mỗi máy thu. SIC có thể được hiểu bằng cách khai thác thông số kỹ thuật về sự khác biệt của cường độ tín hiệu giữa các tín hiệu có liên quan. 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, tín hiệu này được trừ khỏi tín hiệu kết hợp trước khi tín hiệu của người dùng tiếp theo được giải mã.
Khi các tín hiệu người dùng được giải mã bằng cách áp dụng SIC để xử lý thì tín hiệu của người dùng khác sẽ được coi là nhiễu. Tuy nhiên, trước SIC, người dùng được sắp đặt theo cường độ tín hiệu của họ, để người nhận có thể giải mã tín hiệu mạnh hơn trước, sau đó trừ nó ra khỏi tín hiệu kết hợp và cô lập tín hiệu yếu hơn từ phần còn lại. 11 Luan van Hình 2.3 Sơ đồ giải mã SC Lưu ý rằng mỗi người dùng được giải mã, xử lý những tín hiệu nhiễu do người dùng khác gây nên.5 trình bày kỹ thuật giải mã tín hiệu chồng lên nhau. Hình này trình bày kỹ thuật giải mã tín hiệu chồng lên nhau ở phía nhận.
Ở đây những điểm hợp thành của người dùng 1 (hình 2.3 (a)) được giải mã đầu tiên từ tín hiệu nhận được. Sau đó giải mã những điểm hợp thành của người dùng 2 (hình 2.3 (b)) được thực hiện đối với điểm hợp thành đã được giải mã của người dùng 1. Tóm lại, quy trình cụ thể liên quan đến giải mã những gói tin chồng lên nhau có thể được biểu diễn bằng toán học như sau: 𝑇𝑅1 ] 1) Tại người dùng 1, bộ giải mã người dùng 1 tín hiệu g1: CT → {0,1}[2 giải mã gói tin S1(n) bằng cách xử lý nhiễu bởi S2(n). 2) Người dùng 2 thực hiện các bước sau để tiếp tục khôi phục gói tin của mình từ tín hiệu nhận được Y2(n): a) Giải mã gói tin của người dùng 1: S1(n) bằng việc sử dụng bộ giải mã một 𝑇𝑅1 ] người dùng g1: CT → {0,1}[2 .1) Trong đó h2 là độ lợi kênh truyền tại người dùng 2.
c) Giải mã gói tin của người dùng 2: S2(n) bằng cách áp dụng bộ giải mã một 𝑇𝑅2 ] người dùng khác g2: CT → {0,1}[2 trên Y’2(n). Để hiểu rõ hơn chúng ta cùng xem xét ví dụ ở hình 2. Gọi h1, h2, h3 (h1 > h2 > h3) lần lượt là độ lợi của user 1, user 2 và user 3. P1, P2, P3 (P3 > P2 > P1) là công suất phân bổ cho từng user.
Do user 3 có độ lợi kênh thấp nên công suất được phân bổ cho user 3 là lớn nhất. Ta tiến hành giải mã tín hiệu của user 2: Đầu tiên, trạm thu sẽ giải mã tín hiệu của user 3. Cuối cùng, áp dụng SIC hoàn hảo triệt tín hiệu của user 3 để thu được tín hiệu của user 2 mong muốn. Trong trường hợp này, tín hiệu của user 1 được coi là nhiễu.
SIC of SIC of Decoding of User3 signal User2 signal User1 signal P3 User3 User 1 P2 User2 P1 User1 SIC of Decoding of f User3 signal User2 signal 1Hz P1=Pβ1 User 2 P2=Pβ2 Base station Decoding of P3=Pβ3 User3 signal User 3 Hình 2.4: Sơ đồ NOMA ba người dùng sử dụng kỹ thuật SIC ở đường xuống.2 Triệt nhiễu liên tiếp không hoàn hảo 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, tín hiệu này được trừ khỏi tín hiệu của người 13 Luan van dùng tiếp theo được giải mã. Khi các tín hiệu người dùng được giải mã bằng cách áp dụng SIC để xử lý thì tín hiệu của người dùng khác sẽ được coi là nhiễu. Nhưng thực tế điều kiện SIC hoàn hảo về các kênh không dây là không thể [40].
Để hiểu hơn về SIC không hoàn hảo chúng ta cùng xem xét ví dụ hình 2.