1
MỞ ĐẦU

Gần đây, kỹ thuật đa truy nhập không trực giao (Non-Orthogonal
Multiple Access (NOMA)) [1],[2] đã trở thành một chủ đề “nóng”, thu hút
sự quan tâm của các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Đây là kỹ thuật
hiệu quả cải thiện đáng kể tốc độ truyền dẫn cho các mạng thông tin vô tuyến.
Ý tưởng cơ bản của NOMA đó là máy phát ghép các tín hiệu khác nhau một
cách tuyến tính lại với nhau, bằng cách phân bổ công suất khác nhau cho từng
tín hiệu [1],[2]. Rồi thì, các tín hiệu này được truyền đồng thời đến máy thu.
Ở máy thu, các tín hiệu lần lượt được giải mã. Cụ thể, tín hiệu nào được phân
bổ với công suất phát lớn hơn sẽ được giải mã trước. Sau khi giải mã xong
tín hiệu nào đó, thiết bị thu loại bỏ tín hiệu này từ tín hiệu tổng nhận được,
rồi tiến hành giải mã các tín hiệu tiếp theo. Tiến trình này được gọi là khử
giao thoa tuần tự (Successive Interference Cancellation (SIC)). Kết quả là
máy thu có thể đồng thời nhận được cùng một lúc các tín hiệu khác nhau,
điều này nâng cao đáng kể độ lợi ghép kênh (Multiplexing gain) cho hệ thống.
Do đó, đa truy nhập không trực giao (NOMA) được xem như là một ứng viên
tiềm năng cho các mạng thông tin vô tuyến thế hệ mới, và đây cũng chính là
lý do mà học viên theo đuổi hướng nghiên này.
Trong đề cương khoa học này, Học viên nghiên cứu các giao thức
chuyển tiếp đa chặng (multi-hop relay protocol) [3],[4] sử dụng kỹ thuật đa
truy nhập không trực giao. Chuyển tiếp đa chặng là một kỹ thuật hiệu quả
nhằm nâng cao chất lượng dịch vụ cho các mạng thông tin vô tuyến, đặc biệt
đối với các thiết bị hạn chế về công suất phát và năng lượng. Tuy nhiên,
nhược điểm của chuyển tiếp đa chặng đó là độ trễ lớn và hơn nữa là tốc độ
truyền dẫn thấp. Cụ thể, trong hệ thống chuyển tiếp đa chặng thông thường,


2
nhiều khe thời gian được sử dụng chỉ để truyền một dữ liệu từ nguồn đến đích



3

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ TRUYỀN THÔNG
ĐA CHẶNG
1.1. Mạng vô tuyến chuyển tiếp
1.1.1. Giới thiệu

S

R1

R2

Rn-1

D

Hình 1.1: Mô hình chuyển tiếp
1.2. Mạng chuyển tiếp đa chặng

Các nút chuyển tiếp

T0

T1

T2


1.4. Phần cứng không hoàn hảo
Cho đến nay, hầu hết các nghiên cứu vẫn chưa xét đến sự ảnh hưởng
của suy hao phần cứng (hardware impairments) lên hiệu năng của các mạng
chuyển tiếp sử dụng kỹ thuật NOMA. Trong thực tế, phần cứng của các thiết
bị, đặc biệt là các thiết bị rẻ tiền, là không hoàn hảo [10],[13] bởi nhiễu gây
ra từ sự nhiễu pha, sự không cân bằng I/Q, sự không tuyến tính trong bộ
khuếch đại, v.v. Do đó, đưa nhiễu do phần cứng gây ra vào đánh giá hiệu
năng sẽ cho những kết quả gần với thực tế hơn.
1.5. Tổng quan về đề tài và lý do chọn đề tài
Nội dung của luận văn là nghiên cứu và thiết kế một số giao thức
chuyển tiếp đa chặng mới sử dụng kỹ thuật đa truy nhập không trực giao,
nhằm kết hợp các ưu điểm của hai kỹ thuật này: một là nâng cao chất lượng
truyền dữ liệu và hai là cải thiện hiệu quả phổ tần cho hệ thống.
1.6. Các nghiên cứu liên quan
Theo sự hiểu biết tốt nhất của Học viên, hầu hết các nghiên cứu về
đa truy nhập không trực giao đều tập trung vào các mạng truyền trực tiếp
hoặc chuyển tiếp hai chặng [14],[16].
Không như các công trình [14],[16], các giao thức đề xuất sẽ cải
thiện tốc độ truyền dẫn.
Trong thực tế, phần cứng của các thiết bị, đặc biệt là các thiết bị rẻ
tiền, là không hoàn hảo bởi nhiễu gây ra từ sự nhiễu pha, sự không cân bằng
I/Q, sự không tuyến tính trong bộ khuếch đại, v.v.


6
CHƯƠNG 2 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
2.1. Mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống (MHTT)

Các nút chuyển tiếp



đạt được để giải mã tín hiệu

 mx 
1

x1

đến nút
tại

Tm

Tm , m  1, 2,..., M .

Tỷ số SNR

là:

a1m1,m

m1,m  a2m1,m  1

,

Tỷ số SNR đạt được cho việc giải mã tín hiệu
sau:

m, ở


2.2.2. Mô hình cải tiến 2 (MHCT2)
Để nâng cao hơn nữa hiệu quả sử dụng phổ tần, ta có thể sử dụng kỹ
thuật khử giao thoa tuần tự (SIC). Luận văn sẽ đề xuất một kỹ thuật cải tiến
(đặt tên là MHCT2) như sau:

T0

x2

x1

x1

T1

T2

T3

Hình 2.2: Trong khe thời gian thứ ba:

T0

gửi

x1

đến

x2

Hình 2.3: Trong khe thời gian thứ tư:

T1

T2

T2 .

x1
T3

T3

T4
gửi

x1

đến


8
x3

T0

T1

x2


T4

T4

đến

gửi

T5

x1

đến

T5 ,

T1.

Tiến trình này cứ tiếp tục cho đến khi các dữ liệu được gửi đến đích.
Ta xét một tín hiệu

xu  u  1, 2,3, 4,...

bất kỳ được gửi từ nguồn đến

đích Dựa vào các công thức đưa ra ở trên, ta có thể quy nạp tỷ số SNR đạt
được ở chặng thứ

m  m  1, 2,..., M 


lim 
 .
u  M  2  u  1 

 2

(2.4)

Công thức (2.4) cho thấy rằng MHCT2 có thể đạt được hiệu quả phổ
tối đa là 1 gói dữ liệu / 2 khe thời gian.
2.2.3. Mô hình cải tiến 3 (MHCT3)
Để có thể đạt được tốc độ truyền dẫn cao hơn nữa, kỹ thuật NOMA
có thể được áp dụng để truyền dữ liệu trên mỗi chặng như trong MHCT1. Có
thể nói, MHCT3 là sự kết hợp giữa MHCT1 và MHCT2.


9

z2

T0

z1

T1

z1

T2


z3 z3  a1 Px5  a2 P x6
gửi



z1

đến

T1 , T2

đến

T5 .

Tương tự như trên, ta xét tín hiệu
, ở đây hai tín hiệu
tín hiệu

zu

x2 u 1

và

x2u

gửi

z1

và

T4

zu  a1Px2u 1  a2 Px2u

được cộng tuyến tính với nhau để tạo thành

để gửi trên các chặng. Xét các tỷ số SNR đạt được tại nút thu

Tm  m  1, 2,..., M 
Đối với tín hiệu
SNR đạt được tại

Tm

để giải mã các tín hiệu

x2 u 1

và

x2u .

x2 u 1 , bởi vì tín hiệu này được giải mã trước, tỷ số

để giải mã tín hiệu này có thể đưa ra dưới dạng sau:


10


a2 m1,m
 L m

m1,m     m 2l 1,m   1
 l 1


.

(2.6)
Hiệu quả phổ mà MHCT3 đạt được khi đích nhận được tín hiệu tổng
hợp

zu

là:

2u
M  2  u  1

(2.7)

Rõ ràng rằng, khi số lượng dữ liệu gửi đủ lớn thì hiệu quả phổ tần
tối đa của MHCT3 sẽ là 1 gói dữ liệu / 1 khe thời gian.


12
CHƯƠNG 3 - MÔ HÌNH HỆ THỐNG
3.1. Mô hình kênh truyền

  ma ,b 

,

(3.1)
Khi

ma,b  N

là một số nguyên dương thì hàm CDF

Fa ,b  x 

có thể biểu diễn dưới dạng sau (xem [25]):
N 1

Fa ,b  x   1  exp   N a ,b x  

 N 
a ,b

t!

t 0

t

xt

,



13
3.2. Xác suất dừng (Outage Probability (OP))
3.2.1. Mô hình MHTT
Từ các công thức (3.2), ta có xác suất dừng của mô hình MHTT như
sau:

OPMHTT  1  PMHTT
t
t

  N 1  N u 1,u     


 1   exp   N u 1,u  
  .
  t 0
t!

 
u 1 


M

(3.4)
3.2.2. Mô hình MHCT1
Trên kênh truyền fading Rayleigh sẽ được viết lại như:
M

OPMHCT2 1 exp 0,1 

exp

 
 1,2 
 
  t0 t!      
  t0 t!    
 

 

  m1,m 

exp 


 

M 

t
 N1 t L m N v
.
m1,m 

Ct  k  v 1! al,k
m3 




m 2l 1,m
max   

  exp  m1,m
.

  l 1 m 2l 1,m  m1,m max

m 3
L m

M

(3.7)
3.3. Thông lượng mạng (Throughput (TP))
3.3.1. Mô hình MHTT
Thông lượng TP của mô hình MHTT ở tại tốc độ yêu cầu

Rth  log 2 1   th  được định nghĩa như sau (xem [28]-[29]):
TPMHTT 

Rth
PMHTT .
M

(3.8)

Khi kênh truyền là kênh fading Rayleigh

M m1



(3.10)

3.3.3. Mô hình MHCT2
Mô hình MHCT2 có thể đạt được tốc độ 1/2, do đó, thông lượng của
mô hình này được viết như sau:
Với kênh truyền fading Rayleigh, ta đạt được:

TPMHCT2 

Rth 
 M  
 L m m 2l1, m 
exp 0,1 1,2  expm1,m 
.
2 
 m3  
 l1 m 2l1, m m1,m 


(3.11)

3.3.4. Mô hình MHCT3
Mô hình MHCT3 khi kênh truyền là kênh fading Rayleigh thì

 
 

những kỹ thuật khử nhiễu phức tạp (như SIC).


16
CHƯƠNG 4 - KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.1. Mô phỏng Monte Carlo
4.1.1. Xác suất dừng (OP)

Hình 4.1: Xác suất dừng vẽ theo



(dB) khi

a1  0.8 ,

M  7 , D  0.75 , N  2,   0.08 và  th  0.5
Nhìn vào hình 4.1, ta thấy rằng xác suất dừng của tất cả các mô
hình đều giảm khi tăng giá trị của

 . Tuy nhiên, xác suất dừng của mô

hình MHTT là thấp nhất bởi vì tín hiệu nhận được tại mỗi chặng không bị


17
tác động của nhiễu (nhiễu đồng kênh hay nhiễu gây ra do sự kết hợp các dữ
liệu khác nhau).

Hình 4.2: Xác suất dừng vẽ theo

ổn định hơn.

a1  0.8 , P  5

Hình 4.4: Xác suất dừng vẽ theo

D

khi

M  4 , N  4,   0

và

 th  1.25

(dB),

Hình vẽ cho ta thấy rằng OP của tất cả các mô hình đều tăng khi
khoảng cách giữa hai nút kề nhau tăng.


19
4.1.2. Thông lượng (TP)

Hình 4.5: Thông lượng vẽ theo



(dB) khi


khi

a1  0.75 , D  0.4 ,

 th  2

Nhìn vào hình 4.7, ta thấy rằng, hầu hết các trường hợp, thông
lượng của các mô hình tăng lên khi giá trị của N tăng (hay chất lượng của
kênh truyền sẽ tốt hơn).


21

Hình 4.8: Thông lượng vẽ theo M khi

N  1,   10

(dB),

a1  0.7 , D  1/ M

,

  0.05 và  th  0.5

Nhìn vào hình 4.8, ta thấy rằng thông lượng của tất cả mô hình đều
suy giảm khi tăng số chặng giữa nguồn và đích.



Hình 4.10 khảo sát sự ảnh hưởng của hệ số phân chia công suất
lên thông lượng TP của MHCT1 và MHCT3.

a1


23
CHƯƠNG 5 - KẾT LUẬN
5.1. Các kết quả đạt được của luận văn
Trong luận văn, Học viên đã trình bày tổng quan các khái niệm về
mạng chuyển tiếp đa chặng, về kỹ thuật đa truy nhập không trực giao
(NOMA), về suy hao phần cứng (Hardware Impairments), cũng như đã khảo
sát các nghiên cứu liên quan đến luận văn.
Kế tiếp, Học viên tiến hành mô phỏng và phân tích lý thuyết đánh
giá hiệu năng xác suất dừng và thông lượng mạng cho các mô hình trên kênh
truyền fading Nakagami-m. Hơn nữa, các công thức toán cũng được kiểm
chứng sự chính xác thông qua mô phỏng Monte Carlo. Các kết quả cho thấy
rằng, các mô hình cải tiến trong luận văn đạt được thông lượng cao hơn đáng
kể khi so với mô hình chuyển tiếp đa chặng truyền thống. Tuy nhiên, các mô
hình cải tiến chịu giá trị xác suất dừng lớn hơn mô hình truyền thống, bởi vì
sự tác động của nhiễu đồng kênh và nhiễu gây ra do quá trình kết hợp các dữ
liệu trong NOMA. Hơn nữa, các thông số hệ thống như số chặng giữa nguồn
và đích, mức suy hao phần cứng, khoảng cách giữa các nút kề nhau, hệ số
phân chia công suất cũng ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của hệ thống.
Đối với những mô hình sử dụng NOMA, hệ thống chỉ chịu được mức suy hao
phần cứng thấp hơn so với các mô hình còn lại. Các kết quả cũng cho thấy
rằng, để nâng cao thông lượng cho các mô hình cải tiến, ta cần trang bị những
thiết bị tốt hơn (giảm mức suy hao phần cứng) và thiết kế hệ số phân chia
công suất hợp lý hơn.