Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập mã thưa SCMA và ứng dụng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GTVT

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
BỘ MÔN KỸ THUẬT VIỄN THÔNG
KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan nội dung và kết quả nghiên cứu trong đồ án này là do
tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Minh Tuấn. Các nội dung, dữ liệu
tham khảo trong đồ án đều đã được trích dẫn đầy đủ. Mọi sao chép không hợp
lệ, vi phạm quy chế đào tạo, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Người cam đoan


Nguyễn Minh Cường


ii

LỜI NÓI ĐẦU
I. Tính cấp thiết của đề tài:
Công nghệ thông tin truyền thông đang trên đà phát triển theo sự đòi hỏi của
con người, cùng với sự phát triển của các ngành công nghệ khác như điện tử, tin
học, quang học… công nghệ thông tin truyền thông đã trở thành một phần
không thể thiếu trong xã hội. Nó làm phong phú thêm cuộc sống hàng ngày của
chúng ta với rất nhiều dịch vụ vui chơi, giải trí, cho tới ứng dụng trong tất cả
các lĩnh vực như: kinh tế, giáo dục, văn hóa, y học, ngoại giao, thông tin quảng
bá…
Sự ra đời của hệ thống 4G/LTE đã mở ra khả năng tích hợp tất cả các dịch
vụ và cung cấp băng thông rộng, dung lượng lớn, truyền dẫn dữ liệu tốc độ cao.
Tuy nhiên, nhu cầu của con người luôn tác động lớn đến đến sự ra đời và phát
triển các công nghệ mới. Để đáp ứng được điều đó một thế hệ truyền thông
không dây mới đang được nghiên cứu để giải quyết nhu cầu và bối cảnh thông
tin truyền thông trong tương lai, đó là thế hệ thứ năm của hệ thống truyền thông
không dây 5G. Vì vậy, em chọn đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật đa truy nhập mã
thưa SCMA và ứng dụng” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp cho mình.
II. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
Đối tượng nghiên cứu ở đây là giải pháp đa truy nhập không trực giao
NOMA cho hệ thống mạng không dây thế hệ mới 5G, cụ thể là kỹ thuật đa
truy nhập theo mã thưa SCMA và ứng dụng thực tế của nó trong 5G.
III. Phương pháp nghiên cứu:
Phân tích, tổng hợp lý thuyết thông qua việc đọc giáo trình của các trường
có cùng chuyên ngành, sách, báo, tài liệu tham khảo trong và ngoài nước để
tóm tắt được nội dung chính của đồ án sau đó triển khai chi tiết từng vấn đề có
liên quan đến nội dung nghiên cứu của đồ án.


iii

Công cụ, thiết bị hỗ trợ gồm có: Máy tính, mạng Internet, sách, báo, các
website tài liệu tiếng Anh.
IV. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:

- Tìm hiểu nguyên lý của công nghệ đa truy nhập không trực giao NOMA


cho hệ thống truyền thông không dây 5G.

- Tìm hiểu nguyên lý của kỹ thuật đa truy nhập mã thưa SCMA.
- Ứng dụng của kỹ thuật đa truy nhập mã thưa SCMA truyền thông không
dây 5G.
V. Kết cấu của đề tài:
Chương 1. “Đa truy nhập không trực giao NOMA cho truy nhập vô tuyến
tương lai”
Trình bày khái quát về phương pháp đa truy nhập không trực giao NOMA và
các kỹ thuật đa truy nhập có trong phương pháp này.
Chương 2. “Kỹ thuật đa truy nhập theo mã thưa SCMA”
Chương này sẽ trình bày chi tiết về nguyên lý hoạt động trên cả đường lên và
đường xuống, cùng với mô hình hoạt động của hệ thống SCMA giúp ta có cái
nhìn cụ thể hơn về kỹ thuật đa truy nhập theo mã thưa SCMA.
Chương 3. “Ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập SCMA trong 5G”
Chương này sẽ đề cập đến khả năng ứng dụng của kỹ thuật đa truy nhập
SCMA trong mạng không dây 5G trên cho đường lên.
Hà Nội, ngày … tháng … năm 2018
Sinh viên thực hiện

Nguyễn Minh Cường


iv

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..................................................................... 0
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... I
LỜI NÓI ĐẦU ..................................................................................................... II
DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ......................................... VI
DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... X
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. X
CHƯƠNG 1. ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO NOMA CHO
TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TƯƠNG LAI ......................................................... 1
1.1 Giới thiệu tổng quan ........................................................................................ 1
1.2 Định hướng tiêu chuẩn mạng không dây 5G .................................................. 6
1.2.1 Tốc độ dữ liệu đỉnh 5G ............................................................................. 6
1.2.2 Mật độ kết nối 5G ..................................................................................... 6
1.2.3 Tốc độ di chuyển trong 5G ....................................................................... 6
1.2.4 Hiệu quả năng lượng của 5G .................................................................... 7
1.2.5 Độ trễ của 5G ............................................................................................ 7
1.2.6 Hiệu suất băng tần 5G............................................................................... 7
1.2.7 Tốc độ dữ liệu 5G trong thế giới thực ...................................................... 8
1.3 Tổng quát về hệ thống NOMA........................................................................ 8
1.4. Phân loại NOMA .......................................................................................... 13
1.4.1. Miền công suất - Power Domain ........................................................... 13
1.4.2. Miền mã - Code domain ........................................................................ 14
1.4.3. Lai ghép giữa miền năng lượng với miền mã ........................................ 14
1.5 Sự khác nhau giữa NOMA với OMA ........................................................... 16
1.6

Kết luận chương ........................................................................................ 17

CHƯƠNG 2. KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP THEO MÃ THƯA SCMA... 19
2.1. Giới thiệu về đa truy nhập mã thưa SCMA ................................................. 20
2.1.1. Các phương pháp đa truy nhập đã có trong hệ thống thông tin di động 20


v

2.1.2. Khái niệm về đa truy nhập mã thưa SCMA .......................................... 20
2.2. Nguyên lý hoạt động của đa truy nhập theo mã thưa SCMA ...................... 21
2.2.1 Mô hình kỹ thuật đa truy nhập SCMA ................................................... 21
2.2.2 Mã hóa SCMA ........................................................................................ 33
2.2.3 Ánh xạ codebook .................................................................................... 26
2.2.4 Giải mã SCMA ....................................................................................... 27
2.3. Kết luận chương 2 ........................................................................................ 28
CHƯƠNG 3. ỨNG DỤNG KỸ THUẬT ĐA TRUY NHẬP SCMA TRONG
MẠNG KHÔNG DÂY 5G ................................................................................ 29
3.1. SCMA sử dụng cho đường lên đa truy nhập cạnh tranh .............................. 29
3.1.1. Tổng quan về truy nhập cạnh tranh dựa trên SCMA ............................. 29
3.1.1.1 Hạn chế của công nghệ LTE hiện tại ................................................... 29
3.1.1.2 Tổng quan truy nhập cạnh tranh dựa trên SCMA ............................... 30
3.1.2. Mô hình hệ thống ................................................................................... 32
3.1.2.1 Truyền dẫn và tách tín hiệu đa truy nhập SCMA ................................ 32
3.1.2.2 Khả năng mở rộng của SCMA cho kết nối số lượng lớn .................... 33
3.1.3 Tài nguyên trong truy nhập cạnh tranh dựa trên SCMA ........................ 34
3.1.4 Mô phỏng và các kết quả số ................................................................... 36
3.1.4.1 Thiết lập mô phỏng và giả định hệ thống ............................................ 36
3.1.4.2 Hiệu năng hệ thống .............................................................................. 37
3.2. SCMA sử dụng cho đa truy nhập đường xuống .......................................... 40
3.2.1. Hệ thống đường xuống SCMA .............................................................. 40
3.2.2 Các thuật toán sử dụng trong đường xuống MU-SCMA ....................... 41
3.2.2.1 Ghép cặp người dùng để tối đa tổng tốc độ truyền dẫn ....................... 41
3.2.2.2 Điều chỉnh tốc độ ................................................................................. 42
3.2.3 Kết quả mô phỏng hệ thống .................................................................... 43
3.3. Kết luận chương 3 ........................................................................................ 45
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 48


vi

DANH MỤC KÝ HIỆU, THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Từ viết

Từ đầy đủ

tắt
1G

2G

3G

3GPP

4G

5G
802.11
AMC

ATSC

AWGN

First Generation Cellular

Tiếng Việt
Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ
nhất

Second Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

Cellular

hai

Third Generation Cellular
The 3rd Generation
Partnership Project

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ
ba
Dự án đối tác thế hệ thứ 3

Fourth Generation

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ

Cellular



Fifth Generation Cellular
Wireless Standard
Adaptive Coding and
Modulation
Advanced Television
Systems Committee
Additive White Gaussian
Noise

Hệ thống thông tin di động thế hệ thứ
năm
Tiêu chuẩn không dây
Điều chế và mã hóa thích nghi
Ủy ban hệ thống truyền hình tiên tiến
Nhiễu Gauss trắng cộng

BS

Base Station

Trạm gốc

CB_i

Codebook_i

Bộ mã của người dùng thứ i

CDMA
Cisco

Code Division Multiple
Access
Cisco Visual Networking

Đa truy nhập phân chia theo mã
Chỉ số mạng trực quan của Cisco


vii

VNI
CTU

DPC

FDMA

Index
Contention Transmission
Unit
Dirty Paper Coding
Frequency Division
Multiple Access

Đơn vị truyền dẫn tranh chấp
Kỹ thuật truyền tải dữ liệu số qua
kênh truyền chịu tác động của nhiễu
Đa truy nhập phân chia theo tần số

FEC

Forward Error Correction

Hiệu chỉnh lỗi chuyển tiếp

FN

Function node

Nút hàm

GSM

Global System for Mobile
communications

Hệ thống thông tin di động toàn cầu

IoT

Internet of Things

Internet kết nối vạn vật

IP

Internet Protocol

Giao thức Internet

LLR

Log-Likelihood-Rate

Tỷ lệ khả năng đăng nhập

LTE

Long-term Evolution

Sự phát triển dài hạn

MIMO

MMSE

MPA

Multiple-input and
Multiple-output
Minimum Mean Square
Error
Message Passing
Algorithm

Đa đầu vào và đa đầu ra
Bộ cân bằng tối thiểu lỗi Mean Square
Thuật toán truyền thông điệp

MUD

Multi-user Detection

Phát hiện đa người dùng

MUSA

Multi‐user Shared Access

Truy cập chia sẻ nhiều người dùng

NOMA
OF
OFDM

Non-orthogonal Multiple
Access

Đa truy nhập không trực giao

Overloading Factor

Hệ số quá tải

Orthogonal Frequency

Ghép kênh phân chia theo tần số trực

Division Multiplexing

giao


viii

OFDMA

OMA

PDCCH

PDMA

PRACH
PRE
QAM
QoS
QPSK
RAN
RB
RSMA

Orthogonal Frequency

Đa truy nhập phân chia theo tần số

Division Multiple Access

trực giao

Orthogonal Multiple
Access
Physical Downlink
Control Channel
Pattern Division Multiple
Access
Physical Random Access
Channel
Physic Resource Element
Quadrature amplitude
modulation
Quality of Service
Quadrature Phase Shift
Keying

Đa truy nhập trực giao
Kênh vật lý điều khiển đường xuống
Đa truy nhập phân chia theo mẫu
Kênh vật lý truy cập ngẫu nhiên
Phần tử tài nguyên vật lý
Điều chế biên độ cầu phương
Chất lượng dịch vụ
Điều chế pha cầu phương

Radio Access Network

Mạng truy nhập vô tuyến

Resource Block

Khối tài nguyên

Resource Spread Multiple
Access

Đa truy nhập trải tài nguyên
Mã hóa chồng chất

SC

Superposition Coding

SC-

Single Carrier - Frequency Đa truy nhập phân chia theo tần số

FDMA
SCMA

SDMA
SE

Division Multiple Access
Sparse Code Multiple
Access

đơn sóng mang
Đa truy nhập mã thưa

Spatial Division Multiple

Đa truy nhập phân chia theo không

Access

gian

Spectral efficiency

Hiệu suất quang phổ


ix

SIC

SIMO

TDMA

Successive Interference
Cancellation
Single-input and Multipleoutput
Time Division Multiple
Access

Hủy nhiễu liên tiếp
Một đầu vào đa đầu ra
Đa truy nhập phân chia theo thời gian

UE

User Equiqment

Thiết bị người dùng

VN

Variable Node

Nút biến

Wideband Code Division

Đa truy cập phân chia theo mã dải

Multiple Access

rộng

WCDMA


x

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Biểu đồ thể hiện sự tăng trưởng lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu ... 2
Hình 1.2. Kịch bản và các yêu cầu cho các công nghệ truy cập thế hệ tiếp theo.
(Theo TR38.913 V0.3.0, 3GPP RAN1 Meeting #85)........................................... 3
Hình 1.3. Một số kỹ thuật đa truy nhập theo phương pháp trực giao. .................. 5
Hình 1.4. Tốc độ truyền dữ liệu khi di chuyển trong 5G ...................................... 6
Hình 1.5. Một mô hình hệ thống của hệ thống truyền thông NOMA. .................. 8
Hình 1.6. Chia sẻ phổ tần của NOMA và OFDMA ............................................ 10
Hình 1.7. SIC giải mã tín hiệu ở phía thu. .......................................................... 11
Hình 1.8. NOMA đường xuống cho K người dùng. ........................................... 12
Hình 1.9. NOMA đường lên cho K người dùng. ................................................ 12
Hình 1.10. Hủy bỏ sự can nhiễu liên tục SIC được áp dụng cho các UE phía thu
ở đường xuống..................................................................................................... 13
Hình 1.11. Sơ đồ phương án mã hóa SCMA ...................................................... 15
Hình 1.12. Sự khác nhau về chia sẻ phổ tần giữa NOMA và OFDMA.............. 16
Hình 2.1 Sự kết hợp tạo nên SCMA ................................................................... 21
Hình 2.2. Hệ thống SCMA Uplink đơn giản được triển khai ............................. 21
Hình 2.3 Biểu diễn biểu đồ hệ số của hệ thống SCMA với J=6, K=4, d_f = 3. . 23
Hình 2.4. Quá trình mã hóa SCMA.................................................................... 25
Hình 2.5. Ánh xạ trực tiếp các bit đến các từ mã phức từ các codebook ........... 26
Hình 2.6. Quá trình giải mã SCMA .................................................................... 27
Hình 3.1. Bảng mã SCMA cho trường hợp K=4, N=2, J=6 ............................... 33
Hình 3.2. Đơn vị tài nguyên cơ bản CTU ........................................................... 34
Hình 3.3. Ánh xạ các UE đến CTU ..................................................................... 35
Hình 3.4. Tỷ lệ rớt gói với các tải lưu lượng đối với SCMA và OFDMA ......... 38
Hình 3.5. Dung lượng hỗ trợ dựa trên các sự cố hệ thống khác nhau. ............... 39
Hình 3.6. Độ lợi khả năng mất hệ thống của SCMA trên OFDMA. .................. 39
Hình 3.7. Độ lợi lưu lượng và bao phủ của hệ thống sử dụng SCMA và MUSCMA so với hệ thống sử dụng OFDMA........................................................... 45


xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Các tham số liên quan đến Codebook ................................................ 24
Bảng 2.2. Codebook trong Storage (V=6, F=4, df=3, dv=2, M=4) .................... 24
Bảng 3.1. Thông số mô phỏng hệ thống đường lên đa truy nhập cạnh tranh dựa
trên SCMA. ......................................................................................................... 37
Bảng 3.2 Giải pháp và tham số mô phỏng cho mạng lưới mạng ........................ 43
Bảng 3.3: Lưu lượng và tốc độ bao phủ của hệ thống sử dụng OFDMA, SCMA
và MU-SCMA ..................................................................................................... 44


1

CHƯƠNG 1. ĐA TRUY NHẬP KHÔNG TRỰC GIAO NOMA
CHO TRUY NHẬP VÔ TUYẾN TƯƠNG LAI
Giới thiệu chương : Trong chương này, chúng ta tìm hiểu khái niệm về lược đồ
NOMA “đa truy nhập không trực giao” cho truy cập vô tuyến 5G trong tương
lai. Chương này cung cấp các nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật cho cả hai kênh
xuống và đường lên và sau đó thảo luận về tối ưu hóa dung lượng mạng theo
các ràng buộc công bằng. Cuối cùng là tìm hiểu sự khác nhau giữa công nghệ
NOMA so với các công nghệ đa truy nhập ở các thế hệ trước.
1.1. Giới thiệu tổng quan
Hệ thống truy cập 5G thế hệ tiếp theo đang được nghiên cứu như một giải
pháp cho sự gia tăng bùng nổ (gấp 1000 lần so với năm 2010) trong dự báo lưu
lượng dữ liệu không dây cho những năm 2020 và sự xuất hiện nhanh chóng của
nhiều dịch vụ mới. Ngày nay, các yêu cầu không đồng nhất và nghiêm ngặt đối
với hệ thống truyền thông không dây 5G được áp dụng để trang bị sự phát triển
nhanh chóng của Internet di động và sự phát triển nhanh chóng của IoT. Ví dụ,
dự kiến sẽ có 50 tỷ thiết bị truyền thông không dây vào năm 2020 do việc tung
ra IoT. Dựa trên dữ liệu được phát hành từ “Dự báo lưu lượng dữ liệu di động”
của Cisco VNI (2015 - 2020) [4], như được cung cấp trong Hình 1.1, dữ liệu di
động toàn cầu dự kiến tăng gấp 8 lần từ năm 2015 - 2020 và lưu lượng dữ liệu
dự đoán sẽ đạt 30,6 exabyte mỗi tháng. Tuy nhiên, tài nguyên phổ tần bị giới
hạn trong các hệ thống thực tế. Do đó, các yêu cầu cho thế hệ tiếp theo của hệ
thống truyền thông không dây phải được nâng cấp để có thể xử lý lưu lượng dữ
liệu bùng nổ, nói cách khác, đạt được hiệu suất phổ cao với quang phổ hạn chế
là cần thiết.


2

Hình 1.1. Biểu đồ thể hiện sự tăng trưởng lưu lượng dữ liệu di động toàn cầu
(Nguồn Cisco VNI, 2015 – 2020)
Ba phương pháp tiếp cận đang được thực hiện để hỗ trợ cho việc tăng lưu
lượng truy cập khổng lồ này, đó là: sử dụng hiệu quả hơn các tần số có sẵn, tăng
tốc độ mạng và mở các băng tần mới. Việc sử dụng hiệu quả hơn các tần số có
sẵn có liên quan chặt chẽ đến việc tăng tốc lớp vật lý cho các công nghệ truy cập
không dây và đa truy cập. Ví dụ, tăng từ 2,5 đến 10 lần đã được đề xuất làm mục
tiêu để tăng hiệu quả của tần số 5G.
Các hệ thống thông tin di động thông thường đang hướng tới các công nghệ
không dây kỹ thuật số nhanh hơn dựa trên những tiến bộ trong các thiết bị bán
dẫn như mô tả dưới đây. Thế hệ đầu tiên (1G) đã sử dụng đa truy nhập phân chia
theo tần số (FDMA), thế hệ thứ hai (2G) đã sử dụng đa truy nhập phân chia theo
thời gian (TDMA), thế hệ thứ ba (3G) đang sử dụng đa truy cập phân chia theo
mã (CDMA) và 3.9G và thế hệ thứ tư (4G) đang sử dụng hệ thống đa truy nhập
phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) hỗ trợ việc sử dụng tần số hiệu quả và
khả năng chống fading tốt [2]. Các đề xuất cho các hệ thống 5G nhằm tăng hiệu
quả quang phổ hơn nữa bằng cách đẩy nhanh các công nghệ hiện có, sử dụng


3

các băng tần mới mở và tăng mật độ mạng và hỗ trợ cho các điều kiện dự kiến
cần thiết đang được khảo sát.
Hình dưới đây là kịch bản và các yêu cầu cho các công nghệ truy cập thế hệ
tiếp theo mà 3GPP đang nghiên cứu:
 Nâng cao băng thông rộng cho hệ thống thông tin di động.
 Truyền thông độ trễ thấp đáng tin cậy.
 Truyền thông kiểu máy với số lượng lớn.

Hình 1.2. Kịch bản và các yêu cầu cho các công nghệ truy cập thế hệ tiếp theo.
(Theo TR38.913 V0.3.0, 3GPP RAN1 Meeting #85)
Do nhu cầu ngày càng tăng của Internet-of-Things (IoT) với các yêu cầu chất
lượng dịch vụ (QoS) khác nhau, các công nghệ đa truy cập mới phải có khả năng
hỗ trợ kết nối lớn của người dùng và/hoặc thiết bị, yêu cầu phải có độ trễ thấp
trong truyền dẫn. Ngoài các yêu cầu như đã nêu ở trên, phạm vi phủ sóng sâu và
phổ quát cũng là một trong những nhu cầu trong mạng 5G, điều đó có nghĩa là
các công nghệ đa truy cập mới đủ điều kiện được khuyến khích tiếp cận các địa
điểm đầy thử thách [1]. Do đó, việc đảm bảo tính công bằng của người dùng là


4

bắt buộc trong các mạng 5G và người dùng yếu trong hệ thống nên được coi là
quan trọng như những người dùng khác, thay vì bỏ qua chúng. Một giải pháp
đầy hứa hẹn là phá vỡ trực giao → NOMA. Ý tưởng chính của NOMA là
khuyến khích chia sẻ phổ [1]. Chi tiết về lợi thế của NOMA sẽ được đưa ra
trong phần còn lại của chương này. NOMA đang giành được sự cạnh tranh của
nhiều kỹ thuật truy cập cho các mạng không dây thế hệ tiếp theo. Được chấp
nhận bởi nhiều khái niệm đa truy nhập trong 5G, bao gồm cả tên miền (PD)
NOMA, truy cập nhiều mã thưa thớt (SCMA), truy cập chia sẻ nhiều người
dùng (MUSA), truy nhập đa phân chia mẫu (PDMA), truy cập nhiều phân vùng
mạng (LPMA), v.v. . Được sử dụng bởi 4G LTE-A, được gọi là truyền dẫn
chồng chất đa người dùng. Được bao gồm trong tiêu chuẩn truyền hình kỹ thuật
số sắp tới (ATSC 3.0). Kết quả là, NOMA đã được coi là một ứng viên đầy hứa
hẹn cho các mạng di động 5G để đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt này.
Nhiều kỹ thuật đa truy nhập có thể được phân loại rộng rãi thành hai phương
pháp tiếp cận khác nhau, đó là đa truy nhập trực giao (OMA - orthogonal
multiple access) và đa truy nhập không trực giao (NOMA - Non-orthogonal
multiple access). Một sơ đồ trực giao cho phép người nhận tách các tín hiệu
không mong muốn khỏi tín hiệu mong muốn bằng các hàm cơ sở khác nhau. Nói
cách khác, các tín hiệu từ những người dùng khác nhau là trực giao với nhau
trong các sơ đồ trực giao. Đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa
truy nhập phân chia theo tần số trực giao (OFDMA) là các ví dụ về các sơ đồ
trực giao OMA.


5

Hình 1.3. Một số kỹ thuật đa truy nhập theo phương pháp trực giao.
Trong TDMA, một số người dùng chia sẻ cùng một kênh tần số trên cơ sở
phân chia thời gian. Người dùng giao tiếp liên tục một cách nhanh chóng, cái
này tiếp nối cái kia, mỗi cái sử dụng các khe thời gian được chỉ định. OFDMA
cho phép truyền thông đa người dùng thông qua kỹ thuật ghép kênh phân chia
theo tần số trực giao (OFDM), trong đó tần số sóng mang con được chọn để các
sóng mang con đó trực giao với nhau [2].
Đa truy nhập không trực giao (NOMA - Non-orthogonal multiple access) là
một trong những công nghệ đa truy nhập tương lai và hứa hẹn có tác động đáng
kể đến sự phát triển của các hệ thống truyền thông không dây 5G. Từ các cuộc
gọi điện thoại tương tự cho đến các dịch vụ IP, bao gồm thoại và tin nhắn, mỗi
sự thay đổi được khuyến khích bởi sự cần thiết phải đáp ứng những yêu cầu của
công nghệ di động thế hệ mới [3]. Với phạm vi rộng lớn cho người tiêu dùng và
trong ngành công nghiệp, 5G được dự kiến sẽ phát triển mạnh vào năm 2020.
Nó đòi hỏi một sự thay đổi về tốc độ dữ liệu và giảm thiểu đáng kể độ trễ từ đầu
đến cuối. Nhiều tài nguyên công nghiệp đã tiến bộ với cô
ng việc trên 5G tuyên bố rằng tốc độ dữ liệu mạng trong 5G sẽ là 10-20 Gbps
(tức là gấp 10-20 lần tốc độ dữ liệu đỉnh trong 4G) và tốc độ dữ liệu người dùng
sẽ là 1 Gbps (gấp 100 lần tốc độ dữ liệu người dùng trong 4G) [3]. Họ cũng thiết


6

lập đỗ trễ (độ trễ vòng lặp từ đầu đến cuối) tại 1 ms (1/5 của độ trễ trong 4G)
[3]. Thiết kế của một kỹ thuật đa truy nhập thích hợp là một trong những khía
cạnh quan trọng nhất trong việc cải thiện dung lượng hệ thống. Trong vài năm
qua, nhu cầu về NOMA đã tăng đáng kể để đáp ứng yêu cầu 5G.
1.2. Định hướng tiêu chuẩn mạng không dây 5G
1.2.1. Tốc độ dữ liệu đỉnh 5G
Các trạm phát sóng phải đáp ứng tốc độ tối thiểu cho tải xuống là 20 Gbps và
tải lên là 10 Gbps. Đây là tổng lượng băng thông có thể được xử lý bởi một cell
đơn. Về lý thuyết, người dùng băng thông rộng không dây cố định có thể đạt đến
gần mức tốc độ này với 5G, nếu họ có một kết nối point-to-point dành riêng.
Trên thực tế, dung lượng 20 Gbps này sẽ được phân chia cho các người dùng
trong phạm vi phủ sóng của cell đó [12].
1.2.2. Mật độ kết nối 5G
Các trạm phát sóng 5G phải hỗ trợ cho ít nhất một triệu thiết bị kết nối trong
mỗi kilomet vuông. Con số này nghe có vẻ lớn, nhưng phần lớn trong số này là
các thiết bị Internet of Things (IoT) chứ không chỉ thiết bị của cá nhân người
dùng. Khi mọi đèn giao thông, bãi đậu xe, và phương tiện đều có kết nối mạng,
bạn sẽ thấy mật độ kết nối này cần thiết như thế nào [12].
1.2.3. Tốc độ di chuyển trong 5G

Hình 1.4. Tốc độ truyền dữ liệu khi di chuyển trong 5G


7

Tương tự như LTE và LTE-Advanced, các trạm phát sóng 5G có thể hỗ trợ
truy cập mạng cho mọi thứ di chuyển trên đường, với tốc độ từ 0 km/h cho đến
“phương tiện tốc độ cao tới 500 km/h” [12].
Trong khi, với những khu vực mật độ dân cư dày đặc như đô thị hay trong nhà
sẽ không phải lo lắng gì về vấn đề tốc độ, nhưng với các khu vực ngoại ô, việc
hỗ trợ cho người dùng di chuyển với tốc độ cao là rất cần thiết.
1.2.4. Hiệu quả năng lượng của 5G
Theo bản mô tả thông số kỹ thuật, giao diện vô tuyến 5G có mức tiêu thụ
năng lượng hiệu quả khi đang tải, nhưng khi không sử dụng, mức năng lượng
tiêu thụ cũng tụt về chế độ năng lượng thấp một cách nhanh chóng.
Để làm được việc này, bộ kiểm soát độ trễ sẽ được thiết lập ở mức độ lý tưởng
chỉ 10ms – nghĩa là một thiết bị 5G sẽ chuyển từ trạng thái tốc độ cao sang trạng
thái tiết kiệm năng lượng chỉ trong 10ms [12].
1.2.5. Độ trễ của 5G
Trong những trường hợp lý tưởng, mạng lưới 5G sẽ mang đến cho người
dùng độ trễ tối đa chỉ 4ms, thấp hơn hẳn so với mức 20ms trong các cell LTE
[12]. Thông số 5G cũng cho phép độ trễ thấp hơn nữa, chỉ 1ms cho việc truyền
tin độ trễ thấp siêu ổn định.
1.2.6. Hiệu suất băng tần 5G
Thông số này cho biết, có bao nhiêu bit được truyền qua không khí trên mỗi
hertz băng tần. Tiêu chuẩn của 5G rất gần LTE-Advanced, với 30 bit/Hz cho
đường tải xuống và 15 bit/Hz cho đường tải lên. Các con số này đang giả định
trong cấu hình MIMO 8x4 (8 ăng tên phát tín hiệu và 4 ăng ten nhận tín hiệu)
[12].


8

1.2.7. Tốc độ dữ liệu 5G trong thế giới thực
Cuối cùng, cho dù công suất đỉnh của mỗi cell 5G đến 20 Gbps, đặc điểm kỹ
thuật chỉ thiết lập tốc độ download của mỗi người dùng là 100 Mbps và tốc độ
upload 50 Mbps. Con số này gần tương tự với tốc độ bạn có thể đạt được với
mạng LTE-Advanced, tuy nhiên với mạng 5G, có vẻ bạn sẽ luôn đạt được tốc độ
này, thay vì chỉ vào một ngày đẹp trời như trước [12].
Dự thảo thông số kỹ thuật 5G cũng thiết lập việc tăng tính ổn định (ví dụ các
gói tin hầu như luôn tới được trạm phát sóng trong 1ms) và thời gian bị gián
đoạn khi di chuyển giữa các cell 5G sẽ chỉ là 0ms – tức là kết nối luôn là tức
thời, không bị ngắt quãng.

1.3. Tổng quát về hệ thống NOMA
Xét một kịch bản truyền thông đường xuống với một trạm gốc và hai người
dùng, giả sử rằng người dùng m và n người dùng được ghép nối với nhau cho sơ
đồ NOMA làm hình minh họa [4]. Trong công việc này, có hai người dùng trên
mỗi sóng mang con kể từ khi số lượng người dùng tăng lên được ghép kênh trên
cùng một sóng mang con làm tăng độ phức tạp của phần cứng và độ trễ xử lý.
Do đó, trường hợp của hai người dùng trên mỗi sóng mang con được nghiên cứu
trong mô hình hệ thống dưới đây:

Hình 1.5. Một mô hình hệ thống của hệ thống truyền thông NOMA.


9

Hình 1.5 cho thấy có hai người dùng ghép vào một sóng mang con. Người
dùng n gần với BS hơn so với người dùng m, có nghĩa là người dùng n có điều
kiện kênh tốt hơn so với người dùng m. Trạm gốc tối ưu hóa công suất phát cho
mỗi người dùng trên mỗi sóng mang con. Đặc biệt, thay vì phân bổ tất cả công
suất cho một người dùng, thì với người dùng n có điều kiện kênh mạnh hơn lại
được phân bổ ít công suất phát hơn, và công suất phát lớn hơn sẽ được phân bổ
cho người dùng m nhiều hơn. So với OMA thông thường, người dùng m được
phân bổ với công suất khác 0 với sự công bằng nhất định trong việc phân bổ tài
nguyên. Việc chỉ định người dùng n có ít công suất hơn dẫn đến giảm dung
lượng của nó nhưng hiệu quả đáng kể đối với người dùng m. Do đó, việc ghép
nối người dùng và phân bổ công suất có tạo ra sự cân bằng giữa hiệu suất hệ
thống và tính công bằng trong phân bổ tài nguyên.
Theo dự đoán, NOMA sẽ sử dụng những kỹ thuật truyền – nhận tiên tiến như
SIC (Successive Interference Cancellation) hay DPC (Dirty Paper Coding):
-

Hủy bỏ sự can nhiễu liên tục SIC là một kỹ thuật ở lớp vật lý, SIC cho
phép thu nhận được hai hay nhiều tín hiệu đồng thời ở máy thu mà không
gây ra va chạm giữa các tín hiệu này. Trong khi các thiết bị thu khác, chỉ
có những tín hiệu mạnh nhất mới được giải mã và khôi phục, thiết bị thu
sử dụng SIC lại cung cấp khả năng phục hồi tín hiệu thậm chí nó là một
tín hiệu yếu. SIC sẽ vẫn giải mã những bit thông tin của tín hiệu mạnh
trước. Các tín hiệu gốc tương ứng với các bit này sẽ được tái cấu trúc lại
và loại bỏ ra khỏi tập hợp các tín hiệu tới, và tín hiệu mạnh nhất tiếp theo
sẽ được giải mã. Quá trình này lặp đi lặp lại liên tục, và nhờ đó mà SIC có
thể khôi phục được tất cả tín hiệu.

-

DPC là một kỹ thuật truyền tải dữ liệu kỹ thuật số hiệu quả qua kênh
truyền chịu tác động của nhiễu. Mục tiêu của nó là gửi càng nhiều thông
tin có thể đọc được trên kênh truyền càng tốt. DPC sử dụng kỹ thuật tiền


10

mã hóa (precoding) dữ liệu, vì vậy mà dữ liệu sẽ ít bị nhiễu hơn. Quá trình
tiền mã hóa được sử dụng ở cả người gửi và người nhận.

Hình 1.6. Chia sẻ phổ tần của NOMA và OFDMA
Ở phía máy phát, các tín hiệu từ những người dùng khác nhau được chồng
lên nhau và tín hiệu thu được sau đó được truyền qua trên cùng một kênh (tức là
cùng tài nguyên tần số - thời gian). Ở phía máy thu, các thuật toán phát hiện đa
người dùng (MUD - multiuser detection), chẳng hạn như là hủy nhiễu liên tiếp
(SIC – successive interference cancellation) được sử dụng để phát hiện những
tín hiệu mong muốn. Trong NOMA, các UE sẽ bị mất một ít năng lượng, tuy
nhiên, kỹ thuật này lại đạt được hiệu suất băng thông đáng kể. Việc này cũng
góp phần làm tăng số lượng UE tham gia vào quá trình truy nhập trong một Cell.
NOMA đạt được hiệu suất quang phổ cao nhờ SC tại máy phát và với SIC tại
máy thu. Mã hóa chồng chất (SC - Superposition Coding) tại máy phát và hủy
nhiễu liên tiếp (SIC - Successive Interference Cancellation) tại máy thu có thể sử
dụng cùng phổ tần cho tất cả người dùng. Tại bên phía máy phát, tất cả các tín
hiệu thông tin cá nhân được ghép chồng vào một dạng sóng duy nhất, trong khi
tại máy thu, SIC giải mã tín hiệu từng cái một cho đến khi nó tìm thấy tín hiệu
mong muốn. Trong hình minh họa, ba tín hiệu thông tin được chỉ ra với các màu
khác nhau được chồng lên nhau tại bộ phát. Tín hiệu nhận được tại máy thu SIC


11

bao gồm cả ba tín hiệu này. Tín hiệu đầu tiên mà SIC giải mã là tín hiệu mạnh
nhất trong khi những tín hiệu khác là nhiễu. Tín hiệu giải mã đầu tiên sau đó
được loại ra khỏi tín hiệu nhận được và nếu giải mã là hoàn hảo, dạng sóng với
phần còn lại của tín hiệu thu được chính xác. SIC lặp lại quá trình cho đến khi
nó tìm thấy tín hiệu mong muốn. Sự thành công của SIC phụ thuộc vào việc hủy
bỏ hoàn toàn các tín hiệu trong các bước lặp lại. Bộ phát nên phân chia chính
xác sức mạnh giữa các dạng sóng thông tin người dùng và ghép chồng chúng.
Phương pháp phân chia năng lượng khác nhau giữa kênh uplink và downlink
[6].

Hình 1.7. SIC giải mã tín hiệu ở phía thu.
 NOMA cho đường xuống:
Trong đường xuống NOMA, trạm gốc sẽ chồng lên các dạng sóng thông tin
cho những người sử dụng dịch vụ của nó. Mỗi thiết bị người dùng (UE) sử dụng
SIC để phát hiện tín hiệu riêng của họ. Hình minh họa số BS và K của các UE
với các máy thu SIC. Trong mạng, giả định rằng UE1 là gần nhất với trạm gốc
(BS), và UEK là xa nhất. Thách thức đối với BS là quyết định cách phân bổ
công suất giữa các dạng sóng thông tin cá nhân, điều này rất quan trọng đối với
SIC [6]. Trong đường xuống NOMA, nhiều công suất được cấp cho UE nằm xa
BS và ít công suất nhất cho UE gần nhất với BS. Trong mạng, tất cả các UE đều
nhận được cùng một tín hiệu chứa thông tin cho tất cả người dùng. Mỗi UE giải
mã tín hiệu mạnh nhất đầu tiên, và sau đó trừ đi tín hiệu đã giải mã từ tín hiệu


12

nhận được. Bộ thu SIC lặp lại phép trừ cho đến khi nó tìm thấy tín hiệu riêng
của nó. UE nằm gần BS có thể hủy bỏ tín hiệu của các UE xa hơn. Vì tín hiệu
của UE xa nhất đóng góp nhiều nhất cho tín hiệu nhận được, nó sẽ giải mã tín
hiệu riêng của nó trước [6].

Hình 1.8. NOMA đường xuống cho K người dùng.
 NOMA cho đường lên:
Việc triển khai Uplink của NOMA hơi khác so với đường xuống. Hình 1.9
mô tả một mạng ghép các K UE trong đường lên bằng NOMA. Lần này, BS sử
dụng SIC để phân biệt tín hiệu người dùng [6].

Hình 1.9. NOMA đường lên cho K người dùng.


13

1.4. Phân loại NOMA
Các kỹ thuật NOMA có sẵn có thể được chia thành hai loại là miền công suất
và miền mã [7]. Có 3 loại lược đồ đa truy nhập được đề suất đó là :
 Miền công suất:

- Truyền dẫn chồng chất nhiều người dùng (MUST – Multi-user
Superposition Transmission)

- Kiểm soát chung Underlay
 Miền mã:

- Truy cập chia sẻ nhiều người dùng (MUSA - Multi‐user shared
access)

- Đa truy nhập trải tài nguyên (RSMA - Resource spread multiple
access)
 Lai ghép giữa miền năng lượng với miền mã:

- Đa truy nhập mã thưa (SCMA - Sparse code multiple access)

- Đa truy nhập phân chia theo mẫu (PDMA – Pattern division multiple
access)

- Đa truy nhập phân chia theo không gian (SDMA – Spatial Division
Multiple Access).
1.4.1. Miền công suất - Power Domain

Hình 1.10. Hủy bỏ sự can nhiễu liên tục SIC được áp dụng cho các UE phía thu
ở đường xuống.


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×