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

HOÀNG THANH HÒA

PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG CHO MẠNG CHUYỂN TIẾP
CỘNG TÁC SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ ĐA TRUY NHẬP
KHÔNG TRỰC GIAO NOMA
Chuyên ngành: KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
Mã số: 60.52.02.08

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – NĂM 2017


Luận văn được hoàn thành tại:
HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG

Người hướng dẫn khoa học:
TS. LÊ QUỐC CƯỜNG

Phản biện 1: ……………………………………………………
Phản biện 2: …………………………………………………

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn thạc sĩ
tại Học viện Công nghệ Bưu chính Viễn thông
Vào lúc: ....... giờ ....... ngày ....... tháng .......năm...........

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

mức năng lượng khác nhau. Đặc biệt, NOMA phân bổ ít năng lượng cho


4
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.
Luận văn này tập trung nghiên cứu, mô phỏng kiểm chứng hai vấn
đề thực tế đó là: So sánh hiệu năng của hệ thống mạng chuyển tiếp cộng tác
CRS dùng NOMA và mạng CRS thông thường trong các điều kiện khác nhau
về các thông số kênh truyền, tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR và hệ số phân bổ
công suất. Đồng thời, luận văn cũng tính toán và đề xuất một chương trình
phân bổ năng lượng tối ưu để hệ thống CRS dùng NOMA có hiệu năng tốt
nhất. Luận văn được chia làm 4 chương cụ thể như sau:
Chương 1 - Tổng quan về mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng
NOMA.
Chương 2 - Phân tích dung lượng mạng chuyển tiếp cộng tác sử dụng
NOMA.
Chương 3 - Mô phỏng và đánh giá kết quả.
Chương 4 - Kết luận và hướng phát triển đề tài.


5
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ MẠNG CHUYỂN TIẾP CỘNG TÁC SỬ
DỤNG NOMA
1.1. Các khái niệm liên quan
1.1.1. Dung lượng kênh truyền
Khái niệm “dung lượng” kênh truyền là khái niệm rất cơ bản của lý
thuyết truyền tin và là một đại lượng vật lý đồng thời cũng là đại lượng toán
học (có đơn vị là bit). Đại lượng này cho phép xác định tốc độ truyền tối đa


 P 

(1.6)

1.2. Tổng quan về mạng chuyển tiếp cộng tác
1.2.1. Giới thiệu về truyền thông cộng tác
1.2.2. Các giao thức hoạt động của nút chuyển tiếp
Khi nút chuyển tiếp tiếp nhận thông tin từ nút nguồn, chúng sẽ được
tiếp nhận và xử lý trước khi truyền đến nút đích. Các kỹ thuật hay cách thức
hoạt động của nút chuyển tiếp gọi là các kỹ thuật chuyển tiếp. Hai kỹ thuật


6
chuyển tiếp phổ biến thường được sử dụng nhiều trong các hệ thống truyền
thông họp tác là kỹ thuật chuyển tiếp cố định (fixed relaying) và kỹ thuật
chuyển tiếp thích nghi (adaptive relaying).
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 nó 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.
1.2.2.2. Kỹ thuật khuếch đại và chuyển tiếp (AF)
Với mô hình sử dụng kỹ thuật này, nút chuyển tiếp chỉ đơn giản là
khuếch đại những gì nó nhận được từ nút nguồn. Quá trình khuếch đại tương
ứng với 1 biến đổi tuyến tính xảy ra tại nút chuyển tiếp. AF còn được gọi là
mô hình chuyển tiếp không tái tạo và cơ bản là nó thực hiện những phương
thức xử lý tương tự cho tín hiệu.

trên các nhánh thành phần. SNR của tín hiệu thu sẽ tăng tuyến tính theo số
nhánh phân tập.
1.2.3.2. Kỹ thuật kết hợp độ lợi cân bằng (Equal-gain Combining:
EGC)
Về bản chất EGC cũng giống MRC, đều sử dụng tất cả các tín hiệu
thu được tại các nhánh để đưa vào xử lý, tuy nhiên, tỉ số SNR đầu ra trong
phương pháp EGC thoả điều kiện công suất nhiễu trên các nhánh như nhau.
Tuy nhiên, hiệu quả của kỹ thuật này có thể thấy là không cao như đối với kỹ
thuật MRC nhưng EGC dễ thực thi trong thực tế hơn kỹ 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:
- Giảm thiểu công suất truyền cần thiết.


8
- Nâng cao dung lượng kênh Shanon.
- Nâng cao độ tin cậy của truyền dẫn, vùng phủ sóng của mạng.
Cân bằng chất lượng dịch vụ QoS.
Tiết kiệm cơ sở hạ tầng xây dựng mạng.
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.
1.2.4.2. Nhược điểm
− Sử dụng truyền thông cộng tác sẽ tiêu tốn nhiều tài nguyên vô
tuyến hơn so với truyền trực tiếp.
− Một hệ thống truyền thông cộng tác đòi hỏi các yêu cầu cao hơn
về điều khiển truy nhập, đồng bộ, lập lịch, các biện pháp bảo mật.
− Trễ tại các bước xử lý ở nút chuyển tiếp rõ ràng không có lợi.
− Việc lập lịch phức tạp.
1.3. Tổng quan về công nghệ đa truy nhập không trực giao (NOMA)

phát và ăng ten thu. Trong đường truyền xuống, các trạm phát đi một tín hiệu
2
cho người sử dụng thứ i ( i = 1, 2) , si , trong đó E  s   1 , với công suất

truyền

Pi , tổng số Pi

bằng tổng công suất truyền của máy phát. Trong NOMA,

s1 và s 2 đang chồng chất được mã hóa như sau:

x  P1 s1  P2 s2 ,

(1.14)

khi đó, tín hiệu nhận được tại người dùng thứ i sẽ là:
yi  hi x  ni ,

(1.15)

1.4. Tổng quan về mạng truyền thông cộng tác sử dụng NOMA
Chương 2 - PHÂN TÍCH DUNG LƯỢNG CHO MẠNG CHUYỂN
TIẾP CỘNG TÁC SỬ DỤNG NOMA
2.1. Mô hình hệ thống


10
Chúng ta xem xét một mạng CRS đơn giản bao gồm một nguồn (S),
một mạng chuyển tiếp bán song công (R), và một đích (D), nơi mà nó được


(2.4)

2

Mặt khác, đích đến xử lý tín hiệu s2 như nhiễu để có được tín hiệu
s1 từ (2.2). Sau đó, SNR nhận được cho tín hiệu s1 tại đích đến thu được như

sau:


11

 SD 

| hSD |2 a1Pt
| hSD |2 a2 Pt   2

(2.5)

Trong khe thời gian thứ hai, chỉ có chuyển tiếp truyền tín hiệu giải
mã s2 với nguồn Pt đến đích. Giả sử rằng chuyển tiếp hoàn toàn giải mã tín
hiệu s2 , tín hiệu thu được tại đích trong khe thời gian thứ hai được biểu diễn
bằng:
rRD  hRD Pt s2  nRD

(2.6)

Trong đó 𝑛𝑅𝐷 là nhiễu Gaussian trắng với độ sai lệch  2 , và SNR
nhận được cho tín hiệu s2 trong (2.6) thu được là:

2

Cs1 

(2.10)
Theo mô hình đã cho ban đầu ta có a1  1  a2 . Dựa vào thực tế là
dung lượng từ đầu cuối đến đầu cuối của giải mã và chuyển tiếp được quyết


12
định

liên

bởi

Error!

kết

yếu

Reference

và

nhất,

sử


NOMA sau đó là:

C pro  Cs1  Cs2 .

(2.13)
min{SR  a2 , SD } , và sử dụng chức

min{SD , SR } và Y

Đặt X

năng của hàm mật độ xác suất (PDF), các hàm phân phối tích lũy (CDF) của
X

và

Y

FY ( y )  1  e

 y(

tương
1

 SR  a2



1

. Lấy đạo hàm của 𝐹𝑋 (x) và 𝐹𝑌 (y), hàm PDF của X và

Y được tính là:
 1

1 

 1
1   x  SD  SR 
f X ( x)  

.
e
  SD  SR 


(2.14)


 1
1   y  SR  a2   RD  
fY ( y )  

.
e
  SR  a2  RD  
1

1


 

2ln 2 
    SD  SR  

1  1
1 



 SR 

 a2   SD

e




 e

1

 SR  a2



1

 1  1


 



1 1
 1  1
 1
log 2 e 
1 
1 
1  



 Ec  ln  
   ln 

   ln 

2 




a





0


(3.31)

1 

  RD  1
1   z  RD  SR 


.

e
  RD   SD   RD   SR  
1

Sử dụng (2.30), (2.31), và [3, eq. (4.337.2)], tốc độ trung bình thu
được bằng:
C

con



1
log 2 (1  z ) f Z ( z )dz
2
 1
1 







 e      
1
1 
 RD
Ei  

 .
 RD   SD



SR
RD  

SR

RD



Sử dụng Ei(-x)  E c  ln( x) và e x  1  x với x nhỏ, thì tốc độ tiệm
cận trung bình của CRS thông thường sau đó được thu là:
C

con


  log 2 


SR

 SD

(2.40)

.


Từ (2.26) và (2.40), người ta nhận ra rằng CRS sử dụng NOMA và
CRS thông thường đạt được dung lượng trung bình tương tự theo tỷ lệ
1 log  .
2 2

2.3. Phân bổ năng lượng cho NOMA
Gọi hệ số phân bổ năng lượng hiểu quả là 𝑎1∗ (=1-𝑎2∗ ) và khi đó 𝑎2∗
có thể được xác định để tối ưu hóa dung lượng trung bình. Tuy nhiên, C

pro

không cùng mặt lõm với a2 . Do đó, trong phần này ta sẽ cố gắng tìm a2* sử


15
pro


da2
da2  0
2
  SD  SR 






0


 1
1 
1 

log 2 1  g 


2
  SR  a2  RD  a2 



1

 
  e  g dg.


1 
g
g
.





e
dg


2
0  1
1


  SR  a2   SR  a2  RD  
  a     g 

RD
 SR 2



(2.42)
Sử dụng [3, eq. (3.353.5)], công thức (2.42) được giải quyết:
1  1
1 


 SR  a2



1




 RD  


 
1
1  
 SR
Ei  


 .
2
  SR  a2  RD     SR  a2   RD  a2 

(2.44)
Cuối cùng ta áp dụng các phép tính xấp xỉ sau với
Error! Reference source not found.: Ei(x)  Ec  ln( x) và e x  1  x với giá


16



  Ec  ln 

  
2 
2  a2   SD  SR  
  a2   SD  SR   

 1   log 2  SR
log 2 e 
+
 Ec  ln 
 
2 SR  a22 
2 RD
  SR  a2  
,

Khi đó, đạo hàm của C A theo a2 là
,
dC A log 2 e  2


da2
2  a23   SD


(2.45)


 1
 1 
1 
1
2

+
ln 


ln 
 
 .

  SR   SD  SR  
  SD  SR   SR  

Sử dụng công thức (2.46), điều kiện của a2 để đạo hàm

(2.46)

dC A'


C A' =0

khi ρ ở mức cao. Sử dụng công thức

Error! Reference source not found., Khi đó, giá trị a2 có thể thu được là:


17
a 22 

 RD
 E
  1
1 
ln a2  RD c  RD 


 SD  SR 
 SD  SR   SR    SD  SR 

(2.48)

1
 1
 
1 
RD
 ln  


    2 ln(  SR  ).
   SD  SR 
  SR 



Sử dụng hàm Lambert được biểu diễn bằng hàm W(.) [8.eq.(1)], 
trong công thức (2.49) thu được bằng:
1
2

   W( )  Ec   .

(2.50)

Với


2 SD  SR 

 RD

e2 Ec  2 .

(2.51)

1
 
  SD    1
1 

2

 



  0.3250 .

Reference

source

Kết
not

1


.



là,

quả
found.

(2.53)

vào

  Ec  




.



(0.1)

Công thức (0.1) chính là sơ đồ phân bổ năng lượng tối ưu cho mạng
chuyển tiếp cộng tác sử dụng NOMA được đề xuất trong đề tài này.
Chương 3 - MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
3.1. Các tham số mô phỏng
Trong Chương 3, mô phỏng Monte Carlo sẽ được thực hiện để kiểm
chứng các kết quả lý thuyết trong Chương 2. Trong mỗi mô phỏng Monte
Carlo, 106 phép thử sẽ được thực hiện để xác định giá trị xác trị dung lượng
trung bình của hệ thống.
3.2. Kết quả mô phỏng

Hình 3.2: Dung lượng trung bình của mạng CRS đề xuất và mạng CRS thông


19
thường theo tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu SNR truyền khi SR =  RD =10

Từ Hình 2 ta có thể thấy hệ thống được đề xuất sử dụng NOMA
cung cấp hiệu năng mạng tốt hơn so với hệ thống mạng thông thường cho ρ
mức cao, nghĩa là tỷ số tín hiệu trên nhiễu càng lớn thì dung lượng trung bình

 RD trong 2 trường hợp tỷ số tín hiệu trên nhiễu lần lượt là  =30dB và 

=20dB. Đồng thời trong mô phỏng này, ta mặc định hệ thông số kênh truyền


21
tuyến S  D là SD =1.

Hình 3.7: Tốc độ trung bình của mạng CRS đề xuất và CRS thông thường theo
hệ số phân bổ năng lượng a2 khi SD =1

Trong Hình 3.7, ta thấy kết quả phân tích hoàn toàn phù hợp với kết
quả mô phỏng. Giá trị này cho thấy giá trị tối ưu của

a2 tồn tại để tối đa hóa

dung lượng trung bình của hệ thống, và dung lượng đạt được bởi hệ thống đề
xuất với hệ số phân bổ công suất tối ưu so với hệ thống mạng CRS thông
thường tăng lên khi hệ số ρ tăng lên và SR trở nên lớn hơn so với  RD .
Tiếp theo, ta tiếp tục tiến hành mô phỏng kiểm chứng dung lượng
trung bình của hệ thống CRS sử dụng NOMA với chương trình phân bổ năng
lượng tối ưu và so sánh với hệ thống CRS thông thường. Trong mô phỏng
này, ta quy ước giá trị SD =1 và tiến hành mô phỏng trong các trường SR =
 RD , SR >>  RD và SR

tồn tại để tối đa hóa dung lượng trung bình của hệ thống.
Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
4.1. Kết luận
Trong luận văn này, học viên tập trung nghiên cứu, tính toán và mô
phỏng dung lượng trung bình của mạng chuyển tiếp cộng tác CRS sử dụng
NOMA, đồng thời so sánh với mạng CRS thông thường, đồng thời tính toán
và đề xuất một công thức phân bổ năng lượng phát tối ưu để mạng CRS sử
dụng NOMA có được hiệu năng tốt nhất. Các kết quả đạt được trong luận
văn:
− Mô hình mạng CRS sử dụng NOMA đề xuất giúp tăng dung lượng
trung bình của hệ thống mạng. Các biểu thức tính toán dung lượng trung bình
được được đánh giá bằng các công cụ toán học và được mô phỏng bằng công
cụ Monte Carlo.
− Bằng việc tính toán công thức toán học của hệ thống, đã đưa ra
biểu thức chính xác và xấp xỉ dung lượng trung bình của cả hệ thống đề xuất


24
và hệ thống thông thường.
− Bằng cách cố định một vài thông số và thay đổi các thông số còn
lại, các kết quả mô phỏng đã cho thấy rằng dung lượng của mô hình đề xuất
sử dụng NOMA sẽ càng tăng và lớn hơn dung lượng mạng CRS thông thường
khi tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR ở mức cao, tuy nhiên trong trường hợp
ngược lại thì mạng đề xuất có hiệu năng tương đối tệ hơn.
− Cũng với việc cố định một vài thông số và thay đổi hệ số phân bổ
công suất, kết quả mô phỏng cho thấy có tồn tại giá trị tối ưu của hệ số phân
bổ công suất phát để dung lượng hệ thống đạt mức tốt nhất.
− Tính toán chính xác và xấp xỉ, đưa ra được công thức cho hệ số
phân bổ năng lượng tối ưu, đồng thời tiến hành mô phỏng thực nghiệm để