Xem mẫu
- 146 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CITA 2017 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC”
Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao
trong mạng thông tin di động thế hệ sau
Nguyễn Duy Nhật Viễn1, Nguyễn Lê Hùng2
1
Khoa Điện tử Viễn thông, trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
2
Ban Khoa học, Công nghệ và Môi trường, Đại học Đà Nẵng
1
ndnvien@dut.udn.vn, 2nlhung@dut.udn.vn
Tóm tắt. Gần đây, kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple
Access) đã nổi lên như một kỹ thuật đa truy cập cho truyền thông vô tuyến tương lai.
Nguyên nhân chính là bởi NOMA có khả năng dung hòa được giữa hiệu năng hệ thống và
công bằng giữa các người dùng so với kỹ thuật đa truy cập trực giao OMA (Orthogonal
Multiple Access). Bài báo này tập trung nghiên cứu ứng dụng mã hóa xếp chồng SC
(Superposition Coding) và kỹ thuật triệt giao thoa liên tiếp SIC (Successive Interference
Cancellation) trong NOMA trong hệ thống thông tin di động đa người dùng đa anten
MIMO (multi-input multi-output). Các phân tích và đánh giá hiệu năng hệ thống cũng được
trình bày trong nghiên cứu. Kết quả mô phỏng cho thấy việc kết hợp SC và SIC đã khử
được giao thoa liên người dùng, đem lại hiệu năng BER, tốc độ tổng tốt trong khi chia xẻ
tài nguyên vô tuyến thay vì cấp phát riêng như OMA.
Từ khóa: OMA, NOMA, SC, SIC, Non-Orthogonal Multiple Access.
1 Giới thiệu
Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access) được xem là
một trong những kỹ thuật truy cập vô tuyến với hiệu quả truyền dẫn đầy hứa hẹn cho truyền
thông di động thế hệ sau [1]. So với đa truy cập phân chia tần số trực giao OFDMA (Orthogonal
Frequency Division Multiple Access) - là một trong những kỹ thuật truy cập trực giao OMA
(Orthogonal Multiple Access) nổi bật thì NOMA có hiệu suất phổ cao hơn hẳn [2], [3]. Khác
với OMA, nơi mỗi người dùng trong một tế bào được ấn định tài nguyên (thời gian và tần suất)
riêng biệt, kỹ thuật NOMA cho phép các người dùng chia xẻ tài nguyên trong miền năng lượng
bằng cách khai thác sự khác nhau giữa các kênh tương ứng [4], [5].
Trong [4], các hiệu năng về tốc độ tổng và hiệu suất gián đoạn của NOMA đơn anten được
phân tích trong kịch bản đường xuống mạng thông tin di động đa người dùng. Xác suất gián
đoạn và bậc phân tập cho truyền thông NOMA hợp tác được tính trong [5], trong đó, người
dùng có điều kiện kênh tốt hơn được ưu tiên truyền thông tin so với những người dùng khác.
Bên cạnh đó, các tác giả trong [6], [7] đã nghiên cứu tác động của phân bố công suất công bằng
và đề xuất sơ đồ phân bố công suất cho hệ thống NOMA đường xuống.
Khác với các nghiên cứu trên, nghiên cứu này thảo luận các kỹ thuật được ứng dụng trong hệ
thống NOMA như: kỹ thuật mã hóa xếp chồng SC (Superposition Coding), kỹ thuật triệt giao
thoa liên tiếp SIC (Successive Interference Cancellation. Các phân tích và đánh giá hiệu năng hệ
thống cũng được trình bày trong các phần sau của nghiên cứu.
Các phần sau của nghiên cứu được bố cục như sau: Phần 2 trình bày kỹ thuật mã hóa xếp
chồng và kỹ thuật triệt giao thoa liên tiếp; Phần 3 phân tích tốc độ tổng của NOMA và OMA;
Kết quả mô phỏng được trình bày trong phần 4; Và cuối cùng, phần 5 là kết luận.
- Nguyễn Duy Nhật Viễn, Nguyễn Lê Hùng 147
2 Kỹ thuật mã hóa xếp chồng và triệt giao thoa liên tiếp
2.1 Mã hóa xếp chồng
Kỹ thuật mã hóa xếp chồng SC (Supperposition Coding) [1] là kỹ thuật truyền thông tin đến
nhiều người dùng đồng thời từ một nguồn phát. Bên phát phải mã hóa thông tin liên quan đến
từng người dùng. Ví dụ, xét mã hóa xếp chồng cho 2 người dùng như trong Hình 1, bên phát
phải gồm 2 bộ mã hóa tương ứng với hai người dùng. Như trong hình vẽ, chòm sao dịch pha cầu
phương QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) của người dùng thứ nhất có mức công suất phát
cao hơn người dùng thứ hai. Với ( ) và ( ) lần lượt là tín hiệu phát cho người dùng thứ
nhất và thứ hai, chuỗi tín hiệu ngõ ra của bộ phát được biểu diễn như sau:
( )= ( )+ ( ) (1)
trong đó, và lần lượt là hệ số của tổng công suất được gán cho người dùng thứ nhất
và thứ hai, với + = 1.
S1 S1 S2
S
S2
a) Chòm sao tín hiệu của b) Chòm sao tín hiệu của c) Chòm sao tín hiệu
người dùng thứ nhất người dùng thứ hai mã hóa xếp chồng
Hình 1. Ví dụ mã hóa xếp chồng 2 người dùng
2.2 Triệt giao thoa liên tiếp
Để mã hóa thông tin được xếp chồng tại mỗi bên thu, kỹ thuật triệt giao thoa liên tiếp SIC
(Successive Interference Cancellation) khai thác đặc tính khác nhau về cường độ tín hiệu giữa
các người dùng.
Giải mã S1 Giải mã
S2
Tín hiệu thu Tín hiệu thu
được được
Hình 2. Giải mã SIC
Ý tưởng chính của SIC là tín hiệu của người dùng được giải mã một cách liên tục. Khi tín
hiệu của một người dùng đã được giãi mã xong thì sẽ được trừ đi trong tín hiệu tổng hợp trước
khi được 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 giao thoa. Nhưng một khi đã giải mã xong
- 148 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CITA 2017 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC”
cho một người dùng “giao thoa” đó được loại bỏ. Thứ tự ưu tiên trong SIC là theo cường độ tín
hiệu. Người dùng có cường độ tín hiệu mạnh nhất sẽ được giãi mã đầu tiên, sau đó đến người
dùng có cường độ tín hiệu yếu hơn và cứ thế cho đến hết.
Hình 2 biểu diễn quá trình giải mã cho tín hiệu phát từ Hình 1. Từ tín hiệu nhận thu được,
chòm sao của người dùng thứ nhất được áp dụng để giải mã đầu tiên. Sau đó đến giải mã chòm
sao của người dùng thứ 2 sau khi đã trừ đi tín hiệu đã giải mã của người dùng 1. Quá trình giải
mã được tiến hành theo các bước như sau:
- Tại người dùng thứ nhất, một bộ giải mã đơn người dùng được áp dụng để giải mã thông
điệp ( ) bằng cách xem ( ) như giao thoa từ tín hiệu thu nhật được ( ).
- Người dùng thứ hai tiến hành giải mã theo các bước sau:
+ Giải mã thông điệp ( ) bằng bộ giải mã như người dùng thứ nhất từ tín hiệu thu nhận
được ( ).
+ Gọi ℎ là độ lợi kênh của người dùng thứ hai từ bên phát, trừ ℎ ( ) từ ( ),
ta được:
( )= ( ) − ℎ ( ) (2)
+ Giải mã thông điệp ( ) từ tín hiệu ( ) bằng bộ giải mã đơn người dùng thứ hai.
3 Tốc độ tổng của hệ thống
Xét hệ thống truyền dẫn NOMA đường xuống gồm 1 trạm thu phát gốc BS (Base Station)
trang bị Nt anten phát và N thiết bị người dùng UE (User Equipment) với mỗi thiết bị trang bị Nr
anten thu. BS gởi thông điệp đến các người dùng một cách đồng thời với công suất phát tổng là
P. Giả sử tín hiệu vô tuyến từ BS đến các UE qua kênh truyền block fading Rayleigh có phân
phối độc lập và đồng nhất và nhiễu trắng cộng Gaussian AWGN (Additive white Gaussian
noise). Các kênh truyền được sắp xếp theo thứ tự 0 ≤ |ℎ | ≤ ⋯ ≤ |ℎ | ≤ ⋯ ≤ |ℎ | , nghĩa
là người dùng thứ i có cường độ tín hiệu yếu thứ i. Sơ đồ NOMA cho phép phục vụ đồng thời
tất cả cac người dùng bằng việc dùng chung băng thông hệ thống để truyền dữ liệu với sự hỗ trợ
của kỹ thuật mã hóa xếp chồng SC và giải mã triệt giao thoa liên tiếp SIC. Ghép kênh cho tín
hiệu người dùng được thực hiện trong miền công suất. BS truyền tín hiệu xếp chồng tuyến tính
cùa dữ liệu người dùng bằng việc gán các hệ số công suất cho người dùng thứ i (công suất
cho người dùng thứ I được gán như sau: = ). Ở bên thu, mỗi thiết bị người dùng giải mã
tín hiệu của người dùng yếu hơn, nghĩa là thiết bị người dùng thứ i có thể giải mã tín hiệu của
người dùng thứ m với cường độ tín hiệu của người dùng thứ m 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 giao thoa trong tế bào. Tín hiệu nhận được tại
người dùng thứ I có thể được biểu diễn như sau:
=ℎ + , (3)
với, = ∑ là tín hiệu xếp chồng với là tín hiệu được BS phát cho người dùng
thứ i. là AWGN tại thiết bị người dùng thứ I có kỳ vọng bằng 0 và phương sai .
- Nguyễn Duy Nhật Viễn, Nguyễn Lê Hùng 149
U2
Người SIC của Giải mã tín U1
dùng 2 người hiệu người
1Hz
f
h1 dùng 1 dùng 2
P2 U2
Trạm U2
P1 U1 thu Giải mã tín
U1
f phát h2 hiệu người
1Hz dùng 1 f
gốc |h2|2>|h 1| 2 1Hz
Người
dùng 1
a) NOMA
Người
dùng 2 U2
U1
1Hz
f
1-a h1
a
U1 U2 P /(1-a) Trạm
P1/a 2 thu U1 U2
f phát h2
1Hz f
gốc 1Hz
Người
dùng 1
b) OMA
Hình 3. Sơ đồ đa truy cập NOMA và OMA trong trường hợp 2 người dùng
Nếu tín hiệu được mã hóa xếp chồng SC tại BS và giải mã triệt giao thoa liên tiếp SIC tại UE
một cách hoàn hảo thì tốc độ dữ liệu có thể đạt được của người dùng thứ i cho băng thông hệ
thống 1Hz có thể được biểu diễn như sau:
| |
= log 1+ | | ∑
. (4)
Tốc độ dữ liệu của người dùng thứ N được xác định là:
| |
= log 1+ . (5)
Lưu ý rằng người dùng có cường độ tín hiệu mạnh hơn sẽ được cấp phát 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.
Hình 3 cho thấy ưu điểm của NOMA so với OMA trong kịch bản đường xuống có 2 người
dùng. Đối với kỹ thuật NOMA, băng thông 1Hz được sử dụng đồng thời bởi cả hai người dùng,
còn OMA thì một người dùng sử dụng băng thông Hz và người kia có băng thông (1 − )Hz.
Trong NOMA, người dùng 2 tiến hành giải mã SIC cho tín hiệu của người dùng 1 trước (độ lợi
kênh truyền của người dùng 2 cao hơn người dùng 1) rồi sau đó giải mã cho hiệu của tín hiệu
thu được với tín hiệu đã giải mã cho người dùng 1.
Đối với người dùng 1, SIC không được thực hiện mà tín hiệu được giải mã một cách trực
tiếp. Như vậy, tốc độ của hai người dùng 1 và 2 có thể được biểu diễn như sau:
| | | |
= log 1+ | |
, = log 1+ . (6)
Đối với OMA, tốc độ của hai người dùng được xác định là:
| | | |
= log 1+
, = (1 − )log 1+
. (7)
- 150 KỶ YẾU HỘI THẢO KHOA HỌC QUỐC GIA CITA 2017 “CNTT VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÁC LĨNH VỰC”
Hình 4. So sánh BER theo SNR của hai người dùng
Rõ ràng, NOMA có thể điều khiển thông lượng của mỗi người dùng bằng tỷ lệ / . Nói
cách khác, toàn bộ thông lượng và tính công bằng của các người dùng liên quan đến sơ đồ phân
bổ công suất.
4 Kết quả mô phỏng và thảo luận
Trong phần này, chúng tôi tiến hành mô phỏng để đánh giá kỹ thuật NOMA thông qua SC và
SIC được trình bày trong phần 3. Quá trình mô phỏng được thực hiện qua 10000 lần thử và kết
quả nhận được bằng cách lấy giá trị trung bình của các lần thử. Hệ thống có 2 người dùng với
số anten phát và thu NT = NR = 2. Trong khi thực hiện, công suất phát được chuẩn hoá P = 1,
tín hiệu được điều chế QPSK. Đáp ứng kênh truyền giữa các thiết bị được tạo ngẫu nhiên và giả
định là block-fading. Khoảng cách người dùng 1 so với trạm phát là 600m còn khoảng cách của
người dùng 2 so với trạm phát là 800m. Hệ số công suất phát của người dùng thứ nhất và thứ
hai lần lượt là 0,75 và 0,25.
Hình 4 so sánh BER của hai người dùng theo SNR, ta thấy rằng, SC và SIC đã cho hiệu
năng BER khá tốt mặc dù đã chia xẻ tài nguyên hệ thống. Hiệu năng người dùng thứ nhất cao
hơn do gần trạm phát hơn so với người dùng thứ 2.
Hình 5. So sánh tốc độ tổng của NOMA và OMA
- Nguyễn Duy Nhật Viễn, Nguyễn Lê Hùng 151
Hình 5 so sánh tốc độ tổng của NOMA và OMA. Đối với trường hợp OMA, băng thông của
người dùng thứ nhất được chọn là = 0,5Hz. Từ hình vẽ, ta thấy rằng hiệu năng của OMA
được cải thiện một cách rõ rệt.
5 Kết luận
Nghiên cứu đã giới thiệu kỹ thuật đa truy cập phi trực giao - là một trong những kỹ thuật
then chốt trong mạng thông tin di động 5G và các mạng thông tin vô tuyến thế hệ sau bởi ưu
điểm nổi trội về hiệu quả phổ. Bài báo cũng đã nghiên cứu kỹ thuật SC và SIC trong hệ thống
đa truy cập phi trực giao NOMA. Từ các kết quả mô phỏng, ta thấy rằng việc kết hợp kỹ thuật
SC và SIC đã loại bỏ được giao thoa trong hệ thống truyền dẫn NOMA và đem lại hiệu năng
BER, đặc biệt là tốc độ tổng rất tốt trong khi dùng chung tài nguyên vô tuyến thay vì cấp phát
riêng như OMA.
Lời cảm ơn
Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Đại học Đà Nẵng
trong đề tài có mã số B2017-ĐN02-36.
Tài liệu tham khảo
1. K. Higuchi and A. Benjebbour, “Non-orthogonal multiple access (NOMA) with successive
interference cancellation for future radio access,” IEICE Trans. Commun. vol. E98-B, no. 3, pp.
403-414, Mar. 2015.
2. M.S. Ali, H. Tabassum, and E. Hossain, “Dynamic user clustering and power allocation in Non-
orthogonal multiple access (NOMA) systems,” IEEE Access, vol. 4, Aug. 2016, pp. 6325–6343.
3. B. Kim, S. Lim, H. Kim, S. Suh, J. Kwun, S. Choi, C. Lee, S. Lee, and D. Hong, “Non-orthogonal
multiple access in a downlink multiuser beamforming system,” Proc. IEEE Military Commun. Conf.,
Nov. 2013, pp. 1278–1283.
4. Z. Ding, Z. Yang, P. Fan, and H. V. Poor, “On the performance of non-orthogonal multiple access
in 5G systems with randomly deployed users,” IEEE Signal Process. Lett., vol. 21, no. 12, pp. 1501–
1505, Jul. 2014.
5. Z. Ding, M. Peng, and H. V. Poor, “Cooperative non-orthogonal multiple access in 5G systems,”
IEEE Commun. Lett., vol. 19, no. 8, pp. 1462–1465, Aug. 2015.
6. S. Timotheou and I. Krikidis, “Fairness for non-orthogonal multiple access in 5G systems,” IEEE
Signal Process. Lett., vol. 22, no. 10, pp. 1647–1651, Oct. 2015.
7. C. L. Wang, J. Y. Chen, and Y. J. Chen, “Power allocation for a downlink non-orthogonal multiple
access system,” IEEE Wireless Commun. Lett., vol. 5, no. 5, pp. 532-535, Oct 2016.
8. Y. Zhang, H. M. Wang, T. X. Zheng, and Q. Yang, “Energy-efficient transmission design in
non-orthogonal multiple access,” IEEE Trans. Veh. Technol., vol. PP, no. 99, pp. 1-1, 2016.
nguon tai.lieu . vn
