HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

HUỲNH VĂN HÓA

KỸ THUẬT TRUYỀN
ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO
HỢP TÁC VỚI BỘ KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

TP. HCM - 2018


HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƢU CHÍNH VIỄN THÔNG
---------------------------------------

HUỲNH VĂN HÓA

KỸ THUẬT TRUYỀN
ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO
HỢP TÁC VỚI BỘ KHUẾCH ĐẠI CHUYỂN TIẾP
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã Số: 8520208

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
(Theo định hướng ứng dụng)

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. VÕ NGUYỄN QUỐC BẢO



Thành Phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 11 năm 2017
Học viên thực hiện luận văn

Huỳnh Văn Hóa


iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................ i
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT.................................. v
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ .................................................................... vi
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
Chƣơng 1 – LÝ THUYẾT TỔNG QUAN .................................................... 3
1.1

Giới thiệu..................................................................................... 3

1.2

Các nghiên cứu liên quan ............................................................ 4

1.3

Kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA) ....................... 5

1.3.1


1.5.1

Giới thiệu ................................................................................ 11

1.5.2

Kỹ thuật NOMA hợp tác DF ................................................... 12

1.5.3

Kỹ thuật NOMA hợp tác AF ................................................... 12

1.6

Các kỹ thuật hợp tác .................................................................. 13

1.6.1

Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SC) .............................................. 13

1.6.2

Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (MRC)........................................ 13

1.6.3

Kỹ thuật kết hợp cân bằng (EGC) .......................................... 14




2.2.2

Tính xác suất dừng của hệ thống đối với kỹ thuật SC ............ 32

2.2.3

Phân tích tiệm cận .................................................................. 34

Chƣơng 3 - MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ................................................... 37
3.1

Mô phỏng Monte – Carlo .......................................................... 37

3.2

Kết quả đạt đƣợc ....................................................................... 37

3.3.

Kết luận và hƣớng phát triển đề tài ........................................... 46

3.3.1. Kết luận ................................................................................... 46
3.3.2. Hướng phát triển đề tài .......................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................... 48


v

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ, CHỮ VIẾT TẮT

D

Destination

Nút đích

DF

Decode – and – Forward

Giải mã và chuyển tiếp

EGC

Equal Gain Combining

Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng

MRC

Maximal Ratio Combining

Kỹ thuật kết hợp tỉ số lớn nhất

NOMA

Non-Orthogonal multiple access

Đa truy nhập không trực giao


SC

Selection Combining

Kỹ thuật kết hợp lựa chọn

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ số tín hiệu trên nhiễu


vi

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Mô hình NOMA đƣờng xuống .................................................................. 6
Hình 1.2. Mô hình chuyển tiếp đơn giản ................................................................. 10
Hình 1.3. Mô hình chuyển tiếp hợp tác.................................................................... 10
Hình 1.4. Mô hình kỹ thuật kết hợp chọn lựa (SC) với 3 anten thu ........................ 13
Hình 1.5. Mô hình kỹ thuật kết hợp tỉ số lớn nhất (MRC) với 3 anten thu ............. 14
Hình 2.1. Mô hình đề xuất của hệ thống NOMA hợp tác sử dụng MRC ................ 15
Hình 2.2. Mô hình đề xuất của hệ thống NOMA hợp tác sử dụng SC .................... 18
Hình 3.1. Kết quả mô phỏng giữa mô hình OMA hợp tác và NOMA hợp tác ........ 39
Hình 3.2. So sánh giữa hai kỹ thuật MRC và SC tại D1 trong mô hình đề xuất ..... 40
Hình 3.3. So sánh giữa hai kỹ thuật MRC và SC trong mô hình đề xuất ở trên ...... 41
Hình 3.4. Xác suất dừng cho các trƣờng hợp A, B, C ............................................. 42
Hình 3.5. So sánh hai trƣờng hợp của B khi thay đổi vị trí của R .......................... 43
Hình 3.6. Xác suất dừng khi thay đổi tốc độ cho phép tại D2 ............................... 44
Hình 3.7. Xác suất dừng đƣợc vẽ theo 1 khi thay đổi tỉ lệ giữa P1 và P2 ............. 45

nhập không trực giao (NOMA) và đƣợc đề xuất là công nghệ đa truy nhập thế hệ
thứ 5 (5G).


2

Công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA) đã giải quyết đƣợc phần
lớn vấn đề thiếu phổ tần cho ngƣời dùng vì đã mở ra một miền mới, đó là miền
công suất. Bên cạnh việc phát triển công nghệ mới thì cũng cần giữ lại những kỹ
thuật tối ƣu ở công nghệ trƣớc. Bởi vậy, truyền thông hợp tác đã đƣợc kế thừa và
trở thành một yếu tố cần thiết nhằm cải thiện hiệu năng của các hệ thống thông tin
liên lạc vô tuyến.
Đa truy nhập không trực giao (NOMA) đƣợc đề xuất trong mô hình đa truy
nhập thế hệ thứ 5 (5G) và đã nhận đƣợc sự quan tâm chú ý gần đây. Trong luận văn,
Học viên sẽ nghiên cứu sử dụng truyền thông hợp tác trong kỹ thuật NOMA dùng
kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF) để đánh giá hiệu năng của kỹ thuật này so
với kỹ thuật đa truy nhập trực giao thông thƣờng (OMA) hợp tác tƣơng tự, và xem
xét đến xác suất dừng của hệ thống này ở chế độ tỉ số công suất tín hiệu trên nhiễu ở
mức cao.
Trong luận văn, Học viên nghiên cứu đến hiệu năng của mạng NOMA hợp
tác qua thông số xác suất dừng của hệ thống.
Nội dung luận văn đƣợc chia làm 3 chƣơng, cụ thể nhƣ sau:
 Chƣơng 1 – Lý thuyết tổng quan.
Trong Chƣơng 1, tìm hiểu cách thức truyền tín hiệu của mạng
NOMA, các kỹ thuật chuyển tiếp và các kỹ thuật kết hợp.
 Chƣơng 2 – Phân tích và đánh giá hiệu năng của hệ thống NOMA hợp tác
với nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật AF.
Trong Chƣơng 2, đƣa ra mô hình đề xuất, phân tích và đánh giá hiệu
năng của hệ thống từ biểu thức xác suất dừng của hệ thống.
 Chƣơng 3 – Mô phỏng và kết quả.

thiết bị đầu cuối, nhƣ các mô hình ở [7], [8], [9].
Tuy nhiên, để tối đa hiệu năng của hệ thống thông tin vô tuyến hơn nữa thì
mạng truyền thông hợp tác đã trở nên phổ biến trƣớc đó với hiệu quả đã đƣợc kiểm
chứng [10], [11], [12]. Vì vậy, mạng truyền thông hợp tác cũng đƣợc áp dụng trong
mạng truy nhập NOMA. Mặc dù mạng NOMA sử dụng tính chất phân bổ công suất
để giúp cho các ngƣời dùng đầu cuối đều có khả năng nhận dữ liệu từ máy phát là
tƣơng đƣơng nhau. Tuy nhiên, mạng này cũng khó có thể tránh khỏi việc một vài
ngƣời dùng không thể kết nối trực tiếp với máy phát đƣợc. Chính vì vậy, mạng này
cần sử dụng các nút trung gian để chuyển tiếp dữ liệu từ máy phát đến máy thu qua


4

khoảng cách xa hoặc khi máy thu bị che khuất, qua đó mở rộng thêm vùng phủ sóng
của trạm phát sóng [13]. Ngoài việc sử dụng nút chuyển tiếp để truyền tới các máy
thu ở xa thì mạng truyền thông hợp tác cũng đƣợc tận dụng để truyền thông tin tới
những máy thu ở gần nó vì tính chất quảng bá của kênh truyền vô tuyến. Sau đó,
các máy thu sử dụng các bộ kết hợp các dữ liệu từ các kênh truyền này lại để nhận
đƣợc tín hiệu tốt hơn.
Với xu hƣớng xã hội ngày càng phát triển, không những kết nối giữa mọi
ngƣời càng tăng mà còn có sự kết nối giữa các thiết bị thông minh với nhau, đòi hỏi
các hệ thống vô tuyến ngày càng phải cải tiến hơn nữa để đáp ứng đƣợc nhu cầu sử
dụng của ngƣời dùng. Hiện nay, các nhà khoa học trên thế giới đã không ngừng
nghiên cứu để đƣa ra những giải pháp tăng cƣờng khả năng kết nối. Vì vậy việc sử
dụng mạng truy nhập NOMA hợp tác đang đƣợc quan tâm nghiên cứu hiện nay.
Đây cũng là lý do để Học viên định hƣớng theo nghiên cứu này.

1.2

Các nghiên cứu liên quan

Kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA)

1.3.1 Giới thiệu
Trong lịch sử của truyền thông không dây, từ thế hệ đầu tiên (1G) đến thế
hệ thứ 4 (4G), các mô hình đa truy nhập đƣợc coi là chìa khóa công nghệ để phân
biệt các hệ thống không dây khác nhau. Các mô hình đa truy nhập đƣợc biết đến
nhƣ là đa truy nhập phân chia theo tần số (FDMA) cho 1G, đa truy nhập phân chia
theo thời gian (TDMA) hầu hết cho thế hệ thứ 2 (2G), đa truy nhập phân chia theo
mã (CDMA) cho thế hệ thứ 3 (3G), và đa truy nhập chia theo tần số trực giao
(OFDM) cho thế hệ (4G). Trong các mô hình đa truy nhập trực giao thông thƣờng
này, các ngƣời dùng khác nhau đƣợc phân bổ các nguồn tài nguyên trực giao nhau
trong miền thời gian, tần số hoặc mã theo bậc (thứ tự) để tránh hoặc làm giảm bớt
khả năng gây nhiễu giữa các ngƣời dùng với nhau. Trong trƣờng hợp này, độ lợi
ghép kênh có thể đạt đƣợc với khả năng kết hợp một cách hợp lý. Tuy nhiên với sự
phát triển nhanh của các mạng di động có thể tăng lên 1000 lần lƣu lƣợng vào năm
2020 cho mạng thông tin di động thế hệ thứ 5 (5G). Do đó hiệu suất phổ tần trở
thành một vấn đề thách thức khi mà lƣu lƣợng dữ liệu ngày càng tăng. Hơn nữa,
do sự phát triển nhanh chóng của IoT (Internet of Thing), chính vì vậy cần phải cải
tiến công nghệ truy nhập nhằm hỗ trợ kết nối tối đa của ngƣời dùng hoặc các thiết
bị để đáp ứng đƣợc yêu cầu cho độ trễ thấp, chi phí thiết bị thấp, và tƣơng thích
với các kiểu dịch vụ khác nhau. Để đáp ứng đƣợc những yêu cầu này, nâng cao
công nghệ là điều cần thiết. Xa hơn nữa, một vài ứng viên tiềm năng cho mạng thế
hệ thứ 5 (5G), chẳng hạn nhƣ kỹ thuật massive MIMO [18], truyền thông sóng


6

millimeter [19], và kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA). Trong luận
văn này, Học viên chú trọng đến kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (NOMA),
kỹ thuật này đƣợc chọn là đặc trƣng cho mạng 5G và đƣợc mong chờ giúp cho

(SIC)

SIC tín hiệu của
ngƣời dùng thứ hai

Giải mã tín hiệu của
ngƣời dùng thứ nhất

Giải mã tín hiệu của
ngƣời dùng thứ hai

Hình 1.1: Mô hình NOMA đƣờng xuống

1.3.2 Mô tả hoạt động
Để làm rõ hơn cách thức hoạt động của mô hình đa truy nhập không trực
giao (NOMA), trong khuôn khổ của đề tài luận văn, Học viên mô tả một kỹ thuật
cơ bản đó là kỹ thuật NOMA đƣờng xuống.
Nhƣ trong Hình 1.1, mô hình đề xuất NOMA đƣờng xuống bao gồm một
trạm gốc  S  , và hai thiết bị ngƣời dùng lần lƣợt là ngƣời dùng thứ nhất  D1  và
ngƣời dùng thứ 2  D2  . Để đơn giản, ta chỉ xem xét các nút hoạt động chỉ có một


7

ăng-ten. Tổng băng thông chuẩn hóa trong hệ thống đƣợc giả sử bằng 1Hz, S
truyền tín hiệu đi là x , trong đó x  x1  x2 với x1 và x2 lần lƣợt là tín hiệu của

  P

hai ngƣời dùng là D1 và D2 với E x1

2

2

h
h
hệ số kênh truyền của D1 và D2 , và 1  2 . Vì vậy, tại D1 sử dụng phƣơng
N 0,1 N 0,2
thức khử nhiễu tuần tự (SIC) nhƣ sau, D2 không thực hiện việc hủy nhiễu trƣớc vì
tín hiệu từ S truyền tới D1 trƣớc, tại D1 tiến hành giải mã tín hiệu x2 của D2
trƣớc và xem tín hiệu của D1 nhƣ là nhiễu. Vì vậy, tỉ số tín hiệu trên nhiễu  12 
của x2 tại D1 là

 12 

P2 h1

2

P1 h1  N 0,1
2

.

(1.2)


8

Trong (1.2), P2 là công suất đƣợc phân bổ cho D2 , P1 là công suất đƣợc


P2 h2

2

P1 h2  N 0,2
2

.

(1.4)

là độ lợi kênh truyền giữa S và D2 , N 0,2 đƣợc định nghĩa

là phƣơng sai của nhiễu Gauss tại D2 .
Từ hai phƣơng trình (1.3) và (1.4) ở trên, có thể thấy rằng việc phân bổ
công suất khác nhau cho mỗi Di sẽ ảnh hƣởng lớn đến hiệu suất của các ngƣời
dùng và cũng do các mô hình điều chế và mã hóa đƣợc dùng trong hệ thống để
truyền dữ liệu của mỗi Di . Sau khi D1 giải mã đƣợc tín hiệu của chính nó thì sẽ
quảng bá tới D2 để D2 biết đƣợc. Và tại D2 sau khi đã nhận đƣợc thông tin từ D1
thì xem tín hiệu của D1 là nhiễu thì tiến hành loại ra và giải mã tín hiệu của chính
nó.


9

1.3.3 Lợi ích của kỹ thuật NOMA
NOMA là một kỹ thuật ghép kênh mới nhằm mục đích cải thiện hiệu quả
phổ bằng cách sử dụng một tên miền mới, đó là miền công suất mà miền này
không đƣợc sử dụng trong các hệ thống trƣớc đó.


10

nút nguồn và nút đích. Tuy nhiên, mô hình nút chuyển tiếp trong truyền thông hợp
tác đã đƣợc mở rộng hơn. Cụ thể, nút chuyển tiếp này là những đầu cuối cố định
và bản thân nó không chứa thông tin, hoặc có thể là những đầu cuối vừa có chức
năng phát thông tin của chính nó, vừa có chức năng nhƣ một đầu cuối để truyền
thông tin tới các đầu cuối khác để kết hợp các tín hiệu lại với nhau và cuối cùng
chọn ra đƣợc tín hiệu tốt nhất.

R

hSR

hRD

Nút chuyển tiếp

S

D

Nút nguồn

Nút đích

Hình 1.2: Mô hình chuyển tiếp đơn giản

R


1.4.2 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)
Trong kỹ thuật chuyển tiếp này, nút chuyển tiếp hoạt động nhƣ sau: Khi tín
hiệu từ nút nguồn đƣợc truyền tới nút chuyển tiếp thì nút này sẽ tiến hành xử lý tín
hiệu bằng cách giải điều chế tín hiệu từ nút nguồn ở pha truyền thứ nhất. Sau đó
tín hiệu đƣợc điều chế lại và truyền tới nút đích ở pha truyền tiếp theo.

1.4.3 Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Ở mô hình nút chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp thì
nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là khuếch đại tín hiệu nhận từ nút nguồn và chuyển
tiếp đến nút đích.

1.5

Các kỹ thuật NOMA hợp tác

1.5.1 Giới thiệu
Cũng giống nhƣ các mô hình đa truy nhập thông thƣờng nhƣ: Đa truy nhập
phân chia theo thời gian, tần số và đa truy nhập trực giao (OFDM). Mô hình đa
truy nhập không trực giao (NOMA) cũng xảy ra hiện tƣợng là sẽ có một số ngƣời
dùng ở điều kiện truyền khó khăn hơn vì lý do bị che chắn bởi vật cản, nhiễu từ
các thiết bị khác hoặc vì khoảng cách xa hơn mức cho phép và nhƣ vậy sẽ ảnh
hƣởng tới chất lƣợng tín hiệu nhận đƣợc của ngƣời dùng đầu cuối. Bên cạnh việc
sử dụng kênh chuyển tiếp để nâng cao chất lƣợng của hệ thống có thể vẫn chƣa
đảm bảo tối đa chất lƣợng của hệ thống. Chính vì vậy, kỹ thuật NOMA cũng cần
phải có sự hợp tác tại nút ngƣời dùng đầu cuối từ các kênh truyền khác nhau nhƣ
kênh truyền trực tiếp và kênh truyền chuyển tiếp để nâng cao chất lƣợng của hệ
thống hơn nữa. Để thực hiện quá trình hợp tác giữa các kênh truyền khác nhau thì
cần phải sử dụng các kỹ thuật hợp tác khác nhau nhƣ: Kỹ thuật kết hợp chọn lựa
(Selection Combining, viết tắt là SC), kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa (Maximal Ratio
Combining, viết tắt là MRC) hay kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal Gain

trƣớc đó cũng đƣợc khuếch đại và truyền đi theo, nhƣ vậy tín hiệu truyền đi sẽ
không đƣợc khử nhiễu và tại nút đích  D  sẽ tiến hành khử nhiễu tuần tự (SIC) để
nhận đƣợc tín hiệu chính xác và sau đó tiến hành kết hợp hai tín hiệu này lại với
nhau để có đƣợc tín hiệu tốt nhất.


13

1.6

Các kỹ thuật hợp tác

1.6.1 Kỹ thuật kết hợp lựa chọn (SC)
Kỹ thuật SC hoạt động trên nguyên tắc lựa chọn tín hiệu có tỉ số tín hiệu
trên nhiễu  SNR  tốt nhất trong số tất cả các tín hiệu nhận đƣợc từ các nhánh
khác nhau trƣớc đó rồi tiến hành đƣa vào xử lý. Trong kỹ thuật này, tại mỗi thời
điểm chỉ có một nhánh đƣợc sử dụng nên phƣơng pháp SC chỉ yêu cầu máy thu
đƣợc chuyển đến vị trí có ăng-ten tốt nhất. Tuy nhiên, kỹ thuật này đòi hỏi trên
mỗi nhánh phải có một bộ theo dõi SNR đồng thời và liên tục. Trong phƣơng
pháp SC, tín hiệu ngõ ra của bộ kết hợp có SNR chính là giá trị cực đại của SNR
trên tất cả các nhánh. Vì tại mỗi thời điểm chỉ có một tín hiệu của một nhánh đƣa
vào xử lý nên kỹ thuật này không yêu cầu sự đồng pha giữa các nhánh. Với

   max( i ) , trong đó  i là các tỉ số tín hiệu trên nhiễu từng nhánh vào, với
i  1, 2... N  và   là tỉ số tín hiệu trên nhiễu của nhánh vào tốt nhất.

1

2
TX


1

2
TX
Máy Phát

3
   1   2   3

RX

Máy thu

Hình 1.5: Mô hình kỹ thuật kết hợp tỉ số lớn nhất (MRC) với 3 anten thu

1.6.3 Kỹ thuật kết hợp cân bằng (EGC)
Trong kỹ thuật MRC thì yêu cầu phải biết sự biến đổi của SNR trên từng
nhánh theo thời gian, tuy nhiên thông số này rất khó để đo đƣợc. Vì vậy, để đơn
giản kỹ thuật MRC ngƣời ta dùng kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng EGC. Về bản
chất EGC cũng giống nhƣ MRC, đều sử dụng tất cả các tín hiệu thu đƣợc tại các
nhánh để đƣa vào xử lý, tuy nhiên, tỉ số SNR đầu ra trong phƣơng pháp EGC thỏa
điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh nhƣ nhau. Tuy nhiên, hiệu quả của kỹ
thuật này có thể thấy là không cao nhƣ đối với kỹ thuật MRC nhƣng EGC dễ thực
thi trong thực tế hơn kỹ thuật MRC.


15

Chƣơng 2 – PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG CỦA


ySRD

1

C

hRD
xR
1

S

x

hSR

ySR
R

hRD

2

yD

2

D2



truyền từ S đến D1 và nSD là nhiễu Gauss tại D1 của hệ thống.
1

Tín hiệu nhận đƣợc tại R là

ySR  hSR x  nSR .

(2.2)

Trong (2.2), với hSR là hệ số kênh truyền từ S đến R , và nSR là nhiễu
Gauss tại R của hệ thống.
Sau khi nút R nhận đƣợc tín hiệu từ S là y SR thì sử dụng kỹ thuật khuếch
đại với một giá trị là  nhƣ trong [14] là
PR



PT hSR  N 0
2

(2.3)

.

Trong (2.3), PR đƣợc định nghĩa là giá trị công suất phát trung bình của

  với E . là toán tử kỳ vọng, P

nút chuyển tiếp  R  , PR  E xR


xR   ySR .

(2.4)

Tại khe thời gian thứ 2, nút S không truyền tín hiệu, và nút R sau khi đã
khuếch đại tín hiệu nhận đƣợc nhƣ ở công thức (2.4) thì tiếp tục truyền đến D1
và D2 .


17

Tín hiệu nhận đƣợc tại D1 từ R truyền tới đƣợc cho ở công thức sau:

ySRD  xR hRD  nRD ,
1

1

(2.5)

1

trong đó hRD là hệ số kênh truyền giữa R và D1 , và nRD là nhiễu Gauss trên
1

1

đƣờng truyền từ R đến D1 của hệ thống.
Thay (2.2) và (2.4) vào (2.5), ta có


(2.8)

1

Thay (2.7) và (2.8) vào (2.6), ta đƣợc
ySRD  xhSRD  nSRD .
1

1

(2.9)

1

Ta có tín hiệu nhận đƣợc tại D2 từ R truyền tới là
yD  hRD xR  nD .
2

2

(2.10)

2

Trong (2.10), hRD là hệ số kênh truyền từ R  D2 , và nD là nhiễu Gauss
2

2



 hSD

1

2

 hSRD

1

1

2

2

*
*
x  hSD
nSD  hSRD
nSRD

xh

1

*
SD1