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

HOÀNG THANH HÒA

PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG CHO
MẠNG CHUYỂN TIẾP CỘNG TÁC SỬ DỤNG
ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO (NOMA)

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

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH- 2017


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

HOÀNG THANH HÒA

PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG CHO MẠNG
CHUYỂN TIẾP CỘNG TÁC SỬ DỤNG ĐA TRUY NHẬP
KHÔNG TRỰC GIAO (NOMA)
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã Số: 60.52.02.08
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

(Theo định hướng ứng dụng)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ QUỐC CƯỜNG



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

Hoàng Thanh Hòa


iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..............................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
BẢNG DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ v
DANH SÁCH HÌNH VẼ ......................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN TIẾP CỘNG TÁC SỬ DỤNG
NOMA .........................................................................................................................3
1.1 Các khái niệm liên quan ........................................................................................3
1.1.1 Dung lượng kênh truyền .........................................................................3
1.1.2 Dung lượng kênh truyền Rayleigh Fading ..............................................4
1.2 Tổng quan về mạng chuyển tiếp cộng tác .............................................................5
1.2.1 Giới thiệu về truyền thông cộng tác ........................................................5
1.2.2 Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp .........................................6
1.2.3 Kỹ thuật phân tập kết hợp .....................................................................10
1.2.4 Ưu nhược điểm của truyền thông cộng tác ...........................................11
1.3 Tổng quan về công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA) ......................12
1.3.1 Khái niệm đa truy nhập .........................................................................13
1.3.2 So sánh OMA và NOMA ......................................................................14
1.3.3 Mô hình hệ thống NOMA .....................................................................17
1.4 Tổng quan về mạng truyền thông cộng tác sử dụng NOMA ..............................21


Khuếch đại và chuyển tiếp

AWGN

Additive White Gaussian Noise

Nhiễu trắng cộng Gauss

BS

Base station

Trạm gốc

CDF

Cumulative distribution
function

Hàm phân phối tích lũy

CRS

Cooperative relaying system

Mạng chuyển tiếp cộng tác

CF



MRC

Maximal Ratio Combining

Kỹ thuật kết hợp tỉ số tối đa

MIMO

Multi Input Multi Output

NOMA

Non-orthogonal multiple access

Đa truy nhập không trực giao

OMA

Orthogonal multiple access

Đa truy nhập trực giao

OFDM

Orthogonal frequency-division
multiplexing

Ghép kênh theo tần số trực giao


Successive interference
cancellation

Phương pháp triệt nhiễu nối tiếp


vi

PDF

Probability density function

Hàm mật độ xác suất

PAPR

Peak to Average Power Ratio

Tỷ số công suất đỉnh trên công
suất trung bình

TDMA

Time Divission Multiple Access

Đa truy nhập phân chia theo
thời gian


vii


MỞ ĐẦU
Truyền thông liên lạc là một nhu cầu thiết yếu của bất kì một xã hội phát triển
nào, trong đó truyền thông vô tuyến đóng một vai trò rất quan trọng. Trong suốt 20
năm gần đây, truyền thông vô tuyến đã có những bước phát triển vượt bậc và được
dự đoán sẽ còn tiếp tục phát triển hơn nữa. Với sự triển khai các dịch vụ như truyền
thông di động, và ứng dụng truyền hình di động, chúng ta đang chứng kiến nhu cầu
ngày càng tăng về tốc độ dữ liệu trong hệ thống di động tế bào thế hệ thứ 3, 4 (3G,
4G) và điều này tạo nên xu hướng tiến lên các thế hệ tiếp theo.
Trong những thập niên gần đây, truyền thông cộng tác (cooperative
communication) đã trở thành chủ đề nổi bật trong nghiên cứu và ứng dụng, nhằm
tăng cường hiệu quả truyền dữ liệu của những hệ thống giao tiếp vô tuyến. Khái niệm
cơ bản trong truyền thông cộng tác là các thiết bị đầu cuối chia sẻ antenna của mình
để tạo thành một chuỗi antenna ảo. Điều này giúp mạng truyền thông cộng tác có đạt
được bậc phân tập cao mà không cần phải trang bị nhiều antenna tại các thiết bị đầu
cuối. Một hệ thống chuyển tiếp cộng tác (CRS) đã thu hút được sự chú ý lớn nhằm
mục đích khai thác sự đa dạng không gian. Trong CRS với một mạng chuyển tiếp bán
song công, phía đích nhận được và kết hợp hai bản sao độc lập của cùng một tín hiệu
dữ liệu được truyền từ nguồn thông qua các kênh trực tiếp và chuyển tiếp trong hai
khe truyền dẫn, có thể cải thiện chất lượng thu của tín hiệu. Tuy nhiên, truyền dẫn
chuyển tiếp cộng tác như vậy có thể giới hạn hiệu suất phổ tần của hệ thống do truyền
lặp lại.
Đa truy nhập không trực giao (NOMA) về nguyên tắc khác với các kỹ thuật
đa truy nhập trực giao thông thường, như trong NOMA nhiều người dùng được
khuyến khích truyền tải cùng một lúc, mã và tần số, nhưng với các mức năng lượng
khác nhau. Đặc biệt, NOMA phân bổ ít năng lượng cho người dùng có điều kiện kênh
tốt hơn, và những người dùng này có thể giải mã thông tin của riêng họ bằng cách áp
dụng hủy bỏ sự can thiệp liên tiếp. Do đó người dùng đó sẽ biết các thông điệp dành
cho người dùng khác.


tính theo công thức [2].


C  B log 2 (1   )

với:

(1.1)

B: Băng thông của kênh truyền,
 : Tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR với   C / N ,

C: Công suất sóng mang RF,
N: Nhiễu Gaussian trong kênh truyền.
Phương trình (1.1) được gọi là định lý Channon-Hartley, định lý này cho chúng
ta thấy, thứ nhất, điều kiện tốt nhất mà kênh truyền có thể cung cấp với các tham số
kênh nhất định, C/N và B. Thứ hai, với một lượng thông tin cụ thể, công suất và băng
thông có mối quan hệ tỷ lệ nghịch với nhau. Thứ ba, định lý Shannon-Hartley chỉ ra
rằng một kênh Gauss không nhiễu có dung lượng là vô hạn khi C/N đến gần vô hạn.
Tuy nhiên, dung lượng kênh không trở nên vô hạn khi băng thông trở nên vô hạn,
như thể hiện trong (1.1). Điều này là do công suất của nhiễu cũng tăng cùng với sự
gia tăng băng thông [2]. Đặt N  N 0 B , với N 0 là phương sai của nhiễu Gauss, khi đó,
phương trình (1.1) trở thành:


4



lim C  (log 2 e)

Var n



Ph

2

N0

(1.4)

E  x : Giá trị trung bình,
Var n : Biểu thị phương sai của n.

Theo (1.1), ta có dung lượng kênh tức thời của kênh truyền Rayleigh fading
thu được là:
 P h2 
C  log 2 (1   )  log 2 1 
.

N 0 


(1.5)

1.1.2.2 Dung lượng kênh trung bình
Đối với kênh truyền Rayleigh fading, dung lượng kênh phải được tính theo ý
nghĩa là dung lượng kênh trung bình, do trong kênh truyền Rayleigh fading, giá trị 
sẽ thay đổi theo thời gian. Khi đó dung lượng kênh trung bình có thể cho thấy dung


0

1

e
ln(2)

 N0
P

  N0 
E1 
.
 P 

với Ei (.) biểu thị hàm tích phân số mũ [3, eq.(8.211.1)].

1.2 Tổng quan về mạng chuyển tiếp cộng tác
1.2.1 Giới thiệu về truyền thông cộng tác

Hình 1.1: Mô hình truyền thông cộng tác

Mỗi thiết bị di động thường chỉ có một anten và không thể riêng lẽ tạo thành
phân tập không gian. Tuy vậy, giả sử một thiết bị di động có thể nhận dữ liệu từ các
thiết bị di động khác, và truyền dữ liệu đó cùng với dữ liệu của nó. Và bởi kênh truyền
fading đối với các thiết bị di động khác nhau là độc lập thống kê với nhau, nên việc
đạt được phân tập không gian là hoàn toàn khả thi. Việc truyền đi nhiều tín hiệu sẽ
góp phần tạo nên phân tập, góp phần chống lại ảnh hưởng của fading. Đó chính là ý
tưởng chính của khái niệm truyền thông cộng tác (Cooperative Communication) [46] tạo nên phân tập không gian bằng một phương thức mới hay còn gọi là hệ thống


7

kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (Amplify and Forward - AF) và kỹ thuật giải mã
và chuyển tiếp (Decode and Forward - DF). Ưu điểm của kỹ thuật chuyển tiếp cố
định là đơn giản, dễ thực hiện nhưng nhược điểm của nó là hiệu quả sử dụng băng
tần thấp. Nguyên nhân là do một nửa tài nguyên băng tần được sử dụng cho việc
chuyển tiếp, do vậy sẽ làm giảm tốc độ truyền dẫn. Nhược điểm này bộc lộ rõ trong
trường hợp kênh truyền giữa nguồn và đích không quá xấu. Khi đó một tỷ lệ lớn các
gói dữ liệu truyền từ nguồn tới đích qua kênh chuyển tiếp sẽ bị lãng phí. Kỹ thuật
chuyển tiếp thích nghi, bao gồm chuyển tiếp chọn lọc (selective relaying) và chuyển
tiếp tăng cường (incremental relaying) sẽ khắc phục các nhược điểm này.
Trong kỹ thuật chuyển tiếp thích nghi, nếu tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (signal-tonoise ratio - SNR) của tín hiệu nhận được tại các nút chuyển tiếp vượt quá một ngưỡng
cho trước, các nút chuyển tiếp sẽ thực hiện hoạt động giải mã và chuyển tiếp đối với
tín hiệu truyền đi. Mặt khác, nếu các kênh giữa nút nguồn và các nút chuyển tiếp chịu
ảnh hưởng của fading làm cho tỷ lệ SNR dưới ngưỡng cho trước, nút chuyển tiếp sẽ
hoạt động ở trạng thái nghỉ (idles). Hơn nữa, nếu nút nguồn biết được nút đích không
giải mã một cách chính xác, nó sẽ lặp lại việc truyền thông tin tới nút đích hoặc tới
các nút chuyển tiếp để có thể giúp chuyển tiếp thông tin, trường hợp này được gọi là
chuyển tiếp gia tăng. Trong trường hợp này, cần phải có một kênh thông tin phản hồi
từ các nút đích đến các nút nguồn và nút chuyển tiếp.

1.2.2.1 Kỹ thuật giải mã và chuyển tiếp (DF)
Kỹ thuật chuyển tiếp này còn được biết đến như là kỹ thuật chuyển tiếp tái tạo,
cơ bản kỹ thuật này thực hiện những phương thức xử lý số tín hiệu. Ở mô hình này,
nút chuyển tiếp hoạt động như là một trạm lặp (repeater) thông minh và giải mã/ giải
điều chế tín hiệu nhận được từ nút nguồn ở khe thời gian truyền thứ nhất hay ở pha
truyền thứ nhất. Quá trình này sẽ loại bỏ sự hiện diện của nhiễu [6].



tìm ra các méo (liên quan đến quá trình lượng tử hóa và nén), và có thể được coi như
là một dạng của nhiễu.

1.2.2.4 Kỹ thuật chuyển tiếp tăng cường
Trong chế độ chuyển tiếp tăng cường (incremental relaying), giả sử có một
kênh phản hồi từ nút đích tới nút chuyển tiếp. Nút đích sẽ gửi một bản tin xác nhận
tới nút chuyển tiếp nếu nó có thể nhận được thông tin chính xác từ nút nguồn trong
pha truyền thứ nhất, khi đó nút chuyển tiếp không cần truyền thông tin. Giao thức
này có hiệu suất sử dụng phổ tốt nhất so với các giao thức đã trình bày ở trên bởi vì
nút chuyển tiếp không phải luôn tham gia vào quá trình truyền và việc xảy ra pha
truyền thứ hai phụ thuộc vào chất lượng kênh truyền trực tiếp từ nút nguồn tới nút
đích. Do vậy chuyển tiếp tăng cường đạt được độ lợi phân tập gấp hai lần.
Trong chuyển tiếp tăng cường, nếu nút nguồn truyền thông tin trong pha thứ
nhất thành công thì sẽ không xảy ra pha truyền thứ hai và nút nguồn sẽ truyền thông
tin mới trong khe thòi gian tiếp theo. Ngược lại nếu nút nguồn truyền thông tin không
thành công trong pha thứ nhất thì nút chuyển tiếp có thể sử dụng các giao thức chuyển
tiếp cố định để truyền tín hiệu nguồn từ pha thứ nhất. Như vậy trong chế độ truyền
tăng cường, truyền thông hợp tác chỉ được sử dụng khi cần thiết, tuy nhiên kỹ thuật
này đòi hỏi phải có kênh truyền riêng biệt cho quá trình hồi tiếp thông tin từ nút đích.
Tương ứng với chế độ này, ta có:
AF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IAF).
DF chế độ chuyển tiếp gia tăng (IDF).


10

Tuy vậy, chế độ chuyển tiếp tăng cường phù hợp với mô hình AF hơn. Xét về
khía cạnh độ tin cậy và hiệu năng, IAF cho kết quả tốt nhất, về khía cạnh phức tạp
của thuật toán, AF là đơn giản nhất và có thể đạt được đầy đủ độ lợi phân tập, DF
cũng có thể làm được như vậy nhưng nó phức tạp hơn so với AF.

11

thuật MRC.

1.2.4 Ưu nhược điểm của truyền thông cộng tác
1.2.4.1 Ưu điểm
Đạt được độ lợi phân tập kết hợp: truyền thông cộng tác khai thác phân tập
không gian và thời gian trong mạng vô tuyến để nâng cao hiệu suất của hệ thống. Lợi
ích của phân tập kết hợp có thể được liệt kê như sau:
- Giảm thiểu công suất truyền cần thiết.
- Nâng cao dung lượng kênh Shanon.
- Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, nâng cao vùng phủ sóng của mạng.
Cân bằng chất lượng dịch vụ (Quality of Service- QoS): đối với những hệ
thống truyền thống, những người dùng tại rìa vùng phủ sóng của mạng hoặc những
người dùng thuộc vùng chịu ảnh hưởng của hiện tượng shadowing sẽ phải chịu giới
hạn dung lượng. Tuy nhiên, truyền thông cộng tác có thể vượt qua được sự khác biệt
về QoS và cung cấp QoS đồng đều cho nhiều người dùng.
Tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng: truyền thông cộng tác có thể làm đơn
giản hóa việc triển khai một hệ thống khi không có đủ cơ sở hạ tầng cần thiết. Chẳng
hạn như, tại một vùng bị thiên tai, truyền thông cộng tác có thể được sử dụng cho
việc liên lạc khi mà hệ thống thông tin di động tế bào hay các hệ thống liên lạc khác
không thể hoạt động được nữa.
Truyền thông cộng tác có thể là giải pháp giảm thiểu chi phí xây dựng, cung
cấp các dịch vụ mạng trong nhiều trường hợp.
Ví dụ, trong mạng thông tin di động tế bào, người ta đã chỉ ra rằng chi phí để
cung cấp 1 mức QoS cho tất cả người dùng sẽ được giảm thiểu nếu có sử dụng truyền
thông cộng tác.

1.2.4.2 Nhược điểm
Sử dụng truyền thông cộng tác sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên vô tuyến hơn so

đa truy nhập trực giao (OMA) thông thường, như trong NOMA nhiều người dùng
được khuyến khích truyền tải cùng một lúc, mã và tần số, nhưng với các mức năng
lượng khác nhau [17]. Đặc biệt, NOMA phân bổ ít năng lượng cho người dùng có
điều kiện kênh tốt hơn, và những người dùng này có thể giải mã thông tin của riêng
họ bằng cách áp dụng hủy bỏ sự can thiệp liên tiếp [18]. Do đó người dùng đó sẽ biết
các thông điệp dành cho người dùng khác; Thông tin trước đó có thể được khai thác
để cải thiện hiệu suất, nhưng điều này đã không được xem xét trong các hình thức


13

trước của NOMA [19] và [20].
Gần đây, đa truy nhập không trực giao (NOMA) sử dụng kỹ thuật kết hợp tỷ
số tối đa (MRC) đã được nghiên cứu để tăng cường sự đa dạng không gian trong [21].
Hệ thống chuyển tiếp cộng tác sử dụng NOMA cho các sóng truyền qua không gian
có thể tăng cường được hiệu suất phổ tần. NOMA cho phép một máy phát truyền
nhiều tín hiệu dữ liệu đồng thời với nhiều máy thu [19] [20], và do đó nó cho phép
truyền hai tín hiệu dữ liệu khác nhau bằng nguồn trong CRS. Do đó, đa truy cập
không trực giao (NOMA) đã được công nhận là một kỹ thuật đa truy nhập đầy hứa
hẹn cho các mạng thế hệ thứ 5 (5G) nhờ hiệu suất phổ tần cao [17].

1.3.1 Khái niệm đa truy nhập

Hình 1.5: Mô tả mô hình đa truy nhập

Thông thường một hệ thống thông tin đa truy nhập vô tuyến có nhiều trạm đầu
cuối và một số trạm có nhiệm vụ kết nối các trạm đầu cuối này lại với mạng hoặc
chuyển tiếp các tín hiệu từ trạm đầu cuối đến một trạm khác. Các trạm đầu cuối trong
các hệ thống thông tin di động mặt đất là các máy di động còn các trạm đầu cuối trong
hệ thống thông tin vệ tinh là các trạm thông tin vệ tinh mặt đất. Trong hệ thống thông

với hệ thống 3G mới, khi mà các tài nguyên vô tuyến và tần số đã cạn kiệt, không
đáp ứng đủ nhu cầu thì các nhà nghiên cứu đã đề xuất một công nghệ đa truy nhập
mới, đó là công nghệ đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). CDMA sử dụng việc
cấp mã để có thể gia tăng số lượng người dùng có thể truy cập mạng. Tuy nhiên, bởi
vì hiện tại, vấn đề về việc phổ tài nguyên ngày càng khan hiếm, mạng 4G đã giới
thiệu công nghệ đa truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA). OFDMA
dựa trên công nghệ ghép kênh theo tần số trực giao OFDM. Trong OFDMA, vấn đề
đa truy nhập được thực hiện bằng cách cung cấp cho mỗi người dùng một phần trong
số các sóng mang có sẵn. Bằng cách này, OFDMA tương tự như phương thức đa truy
nhập phân chia theo tần số thông thường (FDMA). tuy nhiên nó không cần thiết có


15

dải phòng vệ lân cận rộng như trong FDMA để tách biệt những người dùng khác nhau
[22].
Một số ưu điểm của kỹ thuật OFDM và OFDMA khi áp dụng trong các hệ
thống mạng 4G:
Tăng hiệu quả sử dụng băng thông
− Tương thích với hệ thống MIMO bằng cách sử dụng các phép biến đổi
Fourier nhanh.
− Tránh được sự can thiệp từ bên trong của các tế bào bằng cách sử dụng một
cyclic prefix (CP).
✓ Công suất phát có thể được điều chỉnh với những người dùng khác
nhau.
✓ Chống được nhiễu liên tín hiệu ISI do chu kỳ tín hiệu dài hơn cùng với
việc chèn thêm khoảng bảo vệ cho mỗi tín hiệu OFDMA.
✓ Sự phức tạp của máy phát và máy thu giảm đáng kể nhờ sử dụng FFT
và IFFT
Tuy nhiên, đa truy nhập OFDMA vẫn tồn tại một số nhược điểm:

suất, mà trước đây chưa từng được sử dụng với 2G, 3G và hệ thống 4G [22]. Tại bên
phát, dữ liệu của nhiều người dùng được ghép lại trên miền công suất, có nghĩa là
năng lượng sẽ được cung cấp ít hơn cho những thiết bị người dùng (UE) ở gần trạm
gốc (BS) và sẽ cung cấp cho những thiết bị ở xa năng lượng lớn hơn. NOMA hỗ trợ
đồng thời nhiều kết nối, là công nghệ thích hợp để giải quyết các thách thức liên quan
đến số lượng kết nối người dùng khổng lồ. Tại máy nhận, phương pháp triệt nhiễu
nối tiếp (SIC) được sử dụng để lấy ra tín hiệu cần thiết. Những nghiên cứu gần đây
cho thấy, NOMA nâng cao năng lực nhận, hiệu năng hệ thống và hiệu quả sử dụng
băng thông [23]. Hơn nữa, NOMA sử dụng phương pháp mã hóa chồng chất (SC)
[24] cho đường truyền xuống, nơi mà tất cả dữ liệu được kết hợp với nhau và truyền
đi.