Chương 1. Tổng quan Chương này giới thiệu tình hình, mục tiêu, đối tượng, nhiệm vụ, phương pháp nghiên cứu và trình bày bố cục của đồ án. Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày các kiến thức và lý thuyết quan trọng liên quan đến đề tài. Nội dung thực hiện Chương này trình bày về các mô hình toán học, các công thức phân tích xác suất bảo mật SOP của hệ thống NOMA được hỗ trợ bởi RIS.
Kết quả thực hiện Chương này trình bày về kết quả phân tích trên phần mềm MATLAB và đánh giá, kết luận của nhóm dựa trên mô hình toán học đã xây dựng • Chương 5. Kết luận và hướng phát triển Chương này trình bày về những kết luận chung và đưa ra các đề xuất phát triển. 4 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống đa truy cập không trực giao NOMA Là một trong những kỹ thuật đầy hứa hẹn để đáp ứng những nhu cầu về sự gia tăng số lượng thiết bị giao tiếp không dây, đa truy cập phi trực giao (NOMA) đã được tích cực nghiên cứu trong những năm gần đây [2]. NOMA có nhiều lợi ích, như việc cung cấp cho người dùng cùng một mã hoặc tần số với sự khác nhau về các mức công suất phát trong cùng một thời gian.
Thêm vào đó, NOMA cũng có khả năng tương thích với những công nghệ khác, dễ dàng hợp nhất vào các hệ thống không dây hiện tại và tiềm năng trong tương lai. So với các công nghệ đa truy cập trực giao (OMA) thông thường, NOMA cung cấp đồng thời cho nhiều người dùng bằng cách ghép kênh theo miền công suất, điều này có thể đáng kể trong việc cải thiện hiệu quả sử dụng phổ tần. Có hai loại phương pháp NOMA chính phổ biến ở hiện tại: NOMA ghép kênh theo miền công suất (PDM-NOMA) và NOMA ghép kênh theo miền mã (CDM-NOMA) [3].1 NOMA ghép kênh theo miền công suất (PDM-NOMA) PDM-NOMA là một phương pháp ghép kênh trong NOMA mà không chia tài nguyên tần số thành các miền tần số khác nhau, thay vào đó, người dùng yếu và người dùng mạnh trong hệ thống được phân biệt với nhau dựa trên mức công suất truyền tải khác nhau. Người dùng yếu sử dụng mức công suất thấp hơn để truyền thông, ngược lại, người dùng mạnh sẽ sử dụng mức công suất cao hơn.
Phương pháp PDM-NOMA tận dụng khác biệt công suất truyền tải để tăng hiệu suất truyền thông, cho phép các người dùng với tín hiệu yếu hơn vẫn có thể truy cập vào mạng một cách hiệu quả, giúp cải thiện khả năng phân bổ tài nguyên tần số và tăng cường hiệu suất hệ thống. Người dùng yếu có thể nhận tín hiệu từ người dùng mạnh và trạm cơ sở cùng một lúc. Việc giải mã tín hiệu tại người dùng yếu thường yêu cầu sử dụng kỹ thuật giải mã nâng cao như giải mã trực tiếp hoặc hủy nhiễu. Phương pháp PDM-NOMA được coi là một công nghệ quan trọng để đáp ứng yêu cầu ngày càng tăng về tốc độ dữ liệu và dung lượng mạng.
PDM-NOMA phát huy ưu điểm trong việc tăng khả năng kết nối và hiệu suất truyền thông trong mạng di động so với các phương pháp truy cập đa người dùng truyền thống, nó được áp dụng rộng rãi trong các hệ thống di động tiên tiến như 5G.2 NOMA ghép kênh theo miền mã (CDM-NOMA) Không sử dụng công suất truyền tải khác nhau như PDM-NOMA, CDM-NOMA sử dụng các mã riêng biệt cho mỗi người dùng. Mỗi người dùng trong CDM-NOMA được gán một mã duy nhất để mã hóa tín hiệu truyền đi, mã này có thể là các mã truyền thống như mã Walsh, mã Spreading, mã Gold hoặc mã mã hóa tùy chỉnh. Mục đích của việc sử dụng các mã này là tạo ra sự không trực giao giữa các tín hiệu từ các người dùng khác nhau. Khi tín hiệu đến trạm cơ sở, trạm cơ sở sẽ sử dụng kỹ thuật giải mã phù hợp để phân giải tín hiệu từng người dùng.
Phương pháp CDM-NOMA đã được nghiên cứu và áp dụng trong các hệ thống truyền thông không dây tiên tiến như 5G. CDM-NOMA cho phép nhiều người dùng truyền thông đồng thời trên cùng một tài nguyên tần số mà không cần phải chồng lên nhau, tăng hiệu suất truyền thông và khả năng kết nối của mạng.3 Phân tích đặc điểm hệ thống NOMA Để tối ưu hiệu quả sử dụng phổ, NOMA sử dụng kỹ thuật mã hóa xếp chồng tại máy phát và áp dụng kỹ thuật khử nhiễu liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation) tại máy thu để triệt tiêu các tín hiệu nhiễu. NOMA tiến hành truyền thông không trực giao tại các thiết bị kết nối, thực hiện đưa vào các thông tin nhiễu, sau đó giải điều chế chúng để phát hiện cũng như triệt nhiễu nhiều người dùng nhằm đảm bảo chất lượng truyền thông [4]. 1: Hệ thống NOMA hai người dùng đường xuống miền công suất 6 Xem xét Hình 2.1, ta thấy hệ thống đơn giản của NOMA bao gồm: 1 Trạm gốc (BS), Người dùng 1 (𝑈𝑛 ) và Người dùng 2 (𝑈𝑓 ); trong đó 𝑈𝑛 gần trạm gốc hơn so với 𝑈𝑓.
Gọi 𝑃𝑇 là tổng công suất phát của BS, 𝑥𝑛 và 𝑥𝑓 là hai tín hiệu mà hệ thống phải truyền cùng lúc đến 𝑈𝑛 và 𝑈𝑓 với cùng một tài nguyên vô tuyến, khi đó 𝑃𝑇 = 𝑃𝑛 + 𝑃𝑓. Trong đó, 𝑃𝑛 và 𝑃𝑓 lần lượt là công suất được trạm gốc phân bổ cho 𝑈𝑛 và 𝑈𝑓 và theo nguyên tắc phân bổ công suất thì 𝑃𝑛 < 𝑃𝑓 phải được thỏa mãn. Càng xa trạm gốc, người dùng sẽ nhận được phân bổ nhiều công suất lớn hơn và ngược lại, hay nói cách khác là lượng công suất người dùng được phân bổ và khoảng cách từ người dùng đó tới trạm gốc sẽ tỉ lệ thuận với nhau. Hệ số phân bổ công suất 𝛼𝑛 cho 𝑈𝑛 và 𝛼𝑓 cho 𝑈𝑓 , thỏa mãn 𝛼𝑛 + 𝛼𝑓 = 1, hệ số này được xác 𝑃𝑖 định khi 𝛼𝑖 = với 𝑖 = {n, f}.
Do đó, tín hiệu mã hóa xếp chồng từ trạm gốc đến hai người 𝑃𝑇 dùng được viết là [4]: 𝑥 = √𝑃𝑇 (√𝛼𝑛 𝑥𝑛 + √𝛼𝑓 𝑥𝑓 ) (2.1) Tín hiệu nhận được ở bất kỳ người dùng 𝑖 nào khi qua kênh Rayleigh fading và bị ảnh hưởng bởi nhiễu AWGN được mô tả là: 𝑦𝑖 = ℎ𝑖 𝑥 + 𝑤𝑖 (2.2) Trong công thức trên, ℎ𝑖 là hệ số kênh Rayleigh fading ở người dùng 𝑖 và 𝑤𝑖 ~𝐶𝑁 (0; 𝜎𝑖2 ) là nhiễu AWGN của người dùng thứ 𝑖 tuân theo phân phối Gaussian, có giá trị trung bình bằng 0 và phương sai là 𝜎𝑖2 , với 𝑖 = {n, f}. Do 𝑈𝑛 gần trạm gốc hơn nên được phân bổ công suất thấp hơn 𝑈𝑓 và cũng sẽ có ít nhiễu hơn. Chính vì thế, 𝑈𝑛 coi tín hiệu của 𝑈𝑓 là nhiễu, tín hiệu nhiễu này cần phải được loại bỏ bằng kỹ thuật SIC. Hệ thống NOMA cũng kèm theo đấy những điểm hạn chế như: NOMA làm hạn chế số lượng cặp người dùng có thể kết nối hiệu quả dẫn đến việc giảm mức tăng tổng tỷ lệ của NOMA do có sự chênh lệch chất lượng kết nối giữa người dùng mạnh và yếu trong hệ thống.
Các người dùng phải trả về thông tin về độ lợi kênh của họ cho trạm gốc, tuy nhiên, NOMA có khả năng bị lỗi khi tính toán các độ lợi này và sẽ giải mã thông tin của chính 7 mình sau khi đã giải mã cho các người dùng có chất lượng kết nối kênh kém hơn. Khi đấy độ phức tạp và năng lượng tiêu thụ sẽ lớn hơn so với OMA. Khi xảy ra lỗi trong quá trình khử nhiễu SIC, việc giải mã các thông tin của tất cả các người dùng khác có thể bị ảnh hưởng và thực hiện sai. Hệ thống NOMA ứng dụng trong những kỹ thuật của mạng thông tin di động 5G nói riêng và các mạng thông tin di động tương lai nói chung và đem lại sự công bằng cũng như dung lượng nổi trội hơn so với OMA.2 Kỹ thuật SIC trong hệ thống NOMA Để giải mã nhiều gói dữ liệu đi đến cùng lúc trong truyền dữ liệu không dây, tại máy thu, người ta sử dụng kỹ thuật SIC.
Sự đi đến cùng lúc trong một hệ thống thông thường của nhiều gói có thể dẫn đến xung đột, nhưng với kỹ thuật SIC áp dụng trên thiết bị thu, tín hiệu được giải mã hiệu quả hơn và tránh được sự xung đột đó [4]. SIC hoạt động dựa trên ý tưởng căn bản là giải mã tín hiệu của người dùng một cách liên tiếp, kỹ thuật SIC xem tín hiệu những người dùng khác là nhiễu và ưu tiên giải mã tín hiệu người dùng có mức tín hiệu lớn nhất trước. Sau khi giải mã thông tin của một người dùng, tín hiệu này sẽ bị tách bỏ ra khỏi tín hiệu hỗn hợp trước khi tiến hành giải mã thông tin của người dùng kế tiếp. Để tín hiệu mong muốn có thể giải mã hoàn toàn thì quá trình trên phải được lặp đi lặp lại.
Bằng phương pháp này, mỗi người dùng sẽ được lọc bỏ hiệu quả các nhiễu từ tín hiệu của các người dùng khác được giải mã sau người dùng đó. Kỹ thuật SIC có hai loại: SIC hoàn hảo và SIC không hoàn hảo. Trong khi thực hiện SIC, xác định thứ tự giải mã được xem là điều quan trọng nhất, điều đầu tiên, người dùng nào có khoảng cách gần trạm gốc hơn sẽ thực hiện tính toán các dữ liệu thu được ở người dùng có khoảng cách xa trạm gốc hơn, sai sót trong quá trình tính toán này sẽ ảnh hưởng đến việc giải mã thông tin của người dùng gần. Nghĩa là, việc giải mã của người dùng gần phải chính xác các thông tin của người dùng xa và cả thông tin của chính mình, mọi phát sinh lỗi trong quá trình giải mã thông tin của người dùng xa hoặc của chính người dùng gần thì hiệu năng của hệ thống đều sẽ bị ảnh hưởng [4].
2: Sơ đồ mô tả quá trình giải mã SIC cho hai người dùng trong hệ thống NOMA Xem xét Hình 2. 2, quá trình thực hiện SIC được giải thích như sau: Ở người dùng xa (𝑈𝑓 ) được phân bổ công suất lớn hơn do ở xa BS. Vì vậy, người dùng xa thu được tín hiệu chưa bị mã hóa của chính mình bằng cách giải mã trực tiếp tín hiệu nhận được. Ngược lại với 𝑈𝑓 , người dùng gần (𝑈𝑛 ) được BS phân bổ nhỏ hơn về công suất nên xem tín hiệu của 𝑈𝑓 là nhiễu.
Để loại bỏ nhiễu này, 𝑈𝑛 phải thực hiện kỹ thuật SIC trước khi giải mã để thu được dữ liệu của chính mình. Trong trường hợp SIC hoàn hảo, 𝑈𝑛 có thể hoàn toàn loại bỏ nhiễu từ 𝑈𝑓 và giải mã chính xác tín hiệu của mình.