Luận văn Kỹ thuật đa truy cập phi trực giao trong hệ thống 5G

ến (birth) và lƣu lƣợng ngƣời dùng đi (death). Với mô hình lƣu lƣợng này, lƣu lƣợng ngƣời dùng đƣợc chỉ định một tải trọng hữu hạn để truyền hoặc nhận khi nó đến và khi nó rời khỏi hệ thống sau khi quá tải hoặc nhận tín hiệu đƣợc hoàn thành. Quá trình truy cập đến ngƣời dùng của mô hình này cho thấy thực tế là các lƣu lƣợng ngƣời dùng trong mạng không đồng thời hoạt động cùng lúc, nhƣng họ trở nên hoạt động khi họ bắt đầu phiên dữ liệu yêu cầu tải xuống / tải lên dữ liệu Dung lƣợng vùng lƣu lƣợng là một thƣớc đo mức lƣu lƣợng truy cập mà một mạng có thể thực hiện trên một đơn vị diện tích. Nó phụ thuộc vào mật độ diện tích, băng thông và hiệu quả phổ. Trong trƣờng hợp đặc biệt của một hệ thống đơn lớp- đơn dải (single-layer single band), nó có thể đƣợc biểu diễn nhƣ sau [1]: Dung lượng vùng lưu lượng (bps/ ) = mật độ trạm (site/ ) băng thông (Hz) hiệu suất phổ (bps/Hz/site) Dựa vào các kết quả trên, ngƣời ta đề xuất sử dụng hiệu suất phổ không chỉ là tỷ số của bps với băng thông mà còn trên mật độ trạm để có đƣợc thông tin quan trọng (KPI) này về dung lƣợng vùng lƣu lƣợng một cách định lƣợng. Mục tiêu chỉ số KPI này là: 10Mbit/s/ 14 - Mật độ kết nối Mật độ kết nối đề cập đến tổng số thiết bị thực hiện QoS (Quality of Service) cụ thể trên mỗi đơn vị diện tích ( ). Định nghĩa QoS nên tính đến lƣợng dữ liệu hoặc yêu cầu truy cập đƣợc tạo ra trong thời gian X (đƣợc nghiên cứu trong tƣơng lai) có thể đƣợc gửi hoặc nhận trong một khoảng thời gian nhất định, Y (sẽ đƣợc nghiên cứu trong tƣơng lai), với Z% đƣợc nghiên cứu trong tƣơng lai) xác suất.Mục tiêu mật độ kết nối cần là 1.000.000 thiết bị / trong môi trƣờng đô thị. + Tính di động Tính di động là tốc độ ngƣời sử dụng tối đa (km / h) mà tại đó một QoS đƣợc xác định có thể đạt đƣợc. Mục tiêu là 500 km/h. 1.3 ĐA TRUY CẬP TRONG MẠNG THÔNG TIN DI ĐỘNG Trong mạng thông tin di động sử dụng truyền thông không dây, không gian (môi trƣờng truyền tin) cùng đƣợc sử dụng chung cho tất cả các trạm. Do đó các trạm truyền tin không dây trong một mạng phải tuân thủ cơ chế đa truy cập áp dụng cho mạng đó. Hai cơ chế đa truy cập cơ bản là: + Truy cập kênh tĩnh sử dụng các kênh trực giao để truyền dữ liệu mỗi khi một trạm đƣợc phép truyền thông không dây để truyền dữ liệu của mình theo cơ chế kênh, tránh xung đột hay nhiễu từ dữ liệu ngƣời dùng này tới dữ liệu ngƣời dụng kia. + Truy cập kênh động sử dụng truyền dữ liệu dạng gói với hai cơ chế cơ bản - Truy cập ngẫu nhiên (Random Access): Một kênh dùng chung cho các trạm truyền thông tin báo hiệu (điều khiển) để đăng kí yêu cầu truyền tin. Cơ chế giải quyết xung đột đƣợc sử dụng để nhận thông tin điều khiển theo từng mạng. Vào những năm 1970, Norman Abramson cùng các đồng sự tại Đại học Hawaii đã phát minh ra một phƣơng pháp mới ƣu hạng dùng để giải quyết bài toán về cấp phát kênh truyền. Ở đây, chúng ta sẽ thảo luận về hai phiên bản của ALOHA: pure (thuần túy) và slotted (đƣợc chia khe). Slotted ALOHA: Thời gian đƣợc chia thành nhiều slot có kích cỡ bằng nhau để mô hình hóa cơ chế kênh (bằng thời gian truyền một khe thời gian). Một trạm muốn truyền một khung thì phải đợi đến đầu slot thời gian kế tiếp mới đƣợc truyền. Dĩ nhiên là sẽ xảy ra xung đột và khung bị đụng độ sẽ bị hƣ. Tuy nhiên, dựa trên tính phản hồi của việc truyền quảng bá, trạm phát luôn có thể theo dõi xem khung 15 của nó phát đi có bị hủy hoại hay không bằng cách lắng nghe kênh truyền. Những trạm khác cũng làm theo cách tƣơng tự. Trong trƣờng hợp vì lý do nào đó mà trạm không thể dùng cơ chế lắng nghe đƣờng truyền, hệ thống cần yêu cầu bên nhận trả lời một khung báo nhận (acknowledgement) cho bên phát. Nếu phát sinh đụng độ, trạm phát sẽ gởi lại khung tại đầu slot kế tiếp với xác suất p cho đến khi thành công. Pure ALOHA: Kỹ thuật Pure ALOHA đơn giản hơn Slotted ALOHA do không có sự đồng bộ hóa giữa các trạm, nó mô hình hóa cơ chế truyền thông gói. Mỗi khi muốn truyền một khung thông tin, trạm sẽ truyền nó ngay mà không cần đợi đến đầu của slot thời gian kế tiếp. - Truy cập lập lịch (Scheduling): Dữ liệu gói của các trạm đƣợc lập lịch để truyền trên các kênh trực giao dùng chung, tránh xung đột hay nhiễu từ dữ liệu ngƣời dùng này tới dữ liệu ngƣời dụng kia trên kênh dùng chung đó 1.3.1 Đa truy cập mạng 2G/3G Sử dụng cơ chế truy cập kênh tĩnh. Phƣơng pháp đa truy cập dùng trong GSM kết hợp GPRS truyền song công dựa trên phân chia theo tần số (FDMA) và đa truy cập theo phân chia thời gian (TDMA). Trong suốt một kết nối cuộc gọi, ngƣời dùng đƣợc gán cho một cặp khe thời gian tƣơng ứng với kênh tần số tải lên và kênh tần số tải xuống. Có tới 8 khe thời gian trong một khung trên một kênh tần số và có tới 124 kênh tần số đƣờng lên hay đƣờng xuống cho hệ thống GSM chuẩn. Điều này sẽ giúp cho vài ngƣời dùng có thể chia sẻ cùng một kênh tần số. Các khe thời gian có độ dài cố định cho phép truyền dữ liệu ngƣời dùng với tốc độ 13 kb/s. CDMA (Code Division Multiple Access) là đa truy nhập (đa ngƣời dùng) phân chia theo mã. Khác với GSM phân phối tần số thành những kênh nhỏ, rồi chia sẻ thời gian các kênh ấy cho ngƣời sử dụng. Trong khi đó thuê bao của mạng di động CDMA chia sẻ cùng một giải tần chung. Mọi khách hàng có thể đồng thời truyền tín hiệu của mình trên cùng một giải tần, trong suốt thời gian cuộc gọi. Dữ liệu mỗi ngƣời dùng đƣợc truyền trên một kênh mã, mỗi ngƣời dùngsử dụng các kênh mã khác nhau và trực giao với nhau. Các tín hiệu của nhiều thuê bao khác nhau sẽ đƣợc mã hoá bằng các tín hiệu giả ngẫu nhiên, sau đó đƣợc trộn lẫn và phát đi trên cùng một giải tần chung và chỉ đƣợc phục hồi duy nhất ở thiết bị thuê bao (máy điện thoại di động) với mã giả ngẫu nhiên tƣơng ứng. 16 1.3.2 Đa truy cập mạng 4G Sử dụng cơ chế lập lịch cho phép truyền dữ liệu ngƣời dùng trên các sóng mang con trực giao. LTE là một chuẩn cho công nghệ truyền thông dữ liệu không dây và là một sự tiến hóa của các chuẩn GSM/UMTS. Mục tiêu của LTE là tăng dung lƣợng và tốc độ dữ liệu của các mạng dữ liệu không dây bằng cách sử dụng các kỹ thuật điều chế và DSP (xử lý tín hiệu số) mới đƣợc phát triển vào đầu thế kỷ 21 này. Một mục tiêu cao hơn là thiết kế lại và đơn giản hóa kiến trúc mạng thành một hệ thống dựa trên nền IP với độ trễ truyền dẫn tổng giảm đáng kể so với kiến trúc mạng 3G. Giao diện không dây LTE không tƣơng thích với các mạng 2G và 3G, do đó nó phải hoạt động trên một phổ vô tuyến riêng biệt. Một trong những ƣu điểm quan trọng của mạng 4G LTE là tăng hiệu suất sử dụng tần số và tiết kiệm băng thông. Nguyên nhân là do mạng 4G sử dụng kĩ thuật truy cập OFDMA ở đƣờng xuống và SC-FDMA ở đƣờng lên [6]. Kỹ thuật OFDM (Orthogonal frequency-division multiplexing) là một trƣờng hợp đặc biệt của phƣơng pháp điều chế đa sóng mang, trong đó các sóng mang phụ trực giao với nhau, nhờ vậy phổ tính hiệu ở các sóng mang phụ cho phép chồng lấn lên nhau mà phía thu vẫn có thể khôi phục lại tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với kỹ thuật điều chế thông thƣờng. Trong OFDM chuỗi dữ liệu đầu vào nối tiếp có tốc độ cao (R) đƣợc chia thành N chuỗi con song song (1,2,, N) có tốc độ thấp hơn (R/N). N chuỗi con này đƣợc điều chế bởi N sóng mang con trực giao, sau đó các sóng mang này đƣợc cộng với nhau và đƣợc phát lên kênh truyền đồng thời. Bản chất trực giao của các sóng mang con OFDM cho phép phổ của các chuỗi con sau điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và vẫn tránh đƣợc nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter-carrier Interference). Ta có thể thấy đƣợc điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiệu FDM trên Hình 1.2 17 Hình 1.2: Phổ tín hiệu của OFDM và FDM Công trình khoa học của Weistein và Ebert đã chứng minh rằng phép điều chế OFDM có thể thực hiện đƣợc thông qua phép biến đổi IDFT và phép giải điều chế OFDM có thể thực hiện đƣợc bằng phép biến đổi DFT [2]. Phát minh này cùng với sự phát triển của kỹ thuật số làm cho kỹ thuật điều chế OFDM đƣợc ứng dụng trở nên rộng rãi. Thay vì sử dụng IDFT ngƣời ta có thể sử dụng phép biến đổi nhanh IFFT cho bộ điều chế OFDM. Giả sử tín hiệu x(n) có chiều dài là N (n = 0,1, 2, , N-1). Công thức của phép biến đổi DFT là:      1 0 2 )()( N n j N kn enxkX  (1.1) FFT đƣợc sử dụng để giải điều chế OFDM:     1 0 1 2 )()( N k j N N kn ekXnx  (1.2) Các sóng mang con trong mỗi chu kì của một biểu tƣợng trực giao với nhau đƣợc biểu diễn qua biểu thức: ∫ ( ) ( ) 2 (1.3) Các sóng mang con sẽ đƣợc lập lịch để truyền dữ liệu các ngƣời dùng. Cơ chế điều chế và giải điều chế OFDM chỉ ra trong Hình 1.3. 18 Hình 1.3: Cơ chế điều chế và giải điều chế OFDM Hình 1.4: Các sóng mang con lí tưởng trực giao Hai cơ chế đa truy cập riêng biệt đƣợc sử dụng cho mạng LTE là OFDMA tại đƣờng xuống và SC-FDMA tại đƣờng lên. Ngày nay kỹ thuật OFDM còn kết hợp với phƣơng pháp mã kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến. Các hệ thống này còn đƣợc gọi COFDM (code OFDM). Trong hệ thống này tín hiệu trƣớc khi đƣợc điều chế OFDM sẽ đƣợc mã kênh với các loại mã khác nhau nhằm mục đích chống lại các lỗi đƣờng truyền. Do chất lƣợng kênh (fading và SNR) của mỗi sóng mang con là khác nhau, ngƣời ta điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang với các mức điều chế khác nhau. Kỹ thuật này đã đƣợc sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN/2 ở châu Âu. Trên thế giới hệ thống này đƣợc chuẩn hóa theo tiêu chuẩn IEEE.802.11a. 19 CHƢƠNG 2: ĐA TRUY CẬP PHI TRỰC GIAO 2.1 GIỚI THIỆU CHUNG Kết nối vật lý cơ bản trong mạng di động đƣợc gọi là công nghệ truy cập vô tuyến, đƣợc thực hiện bởi một mạng truy nhập vô tuyến (RANradio access network). Một RAN về cơ bản sử dụng một kỹ thuật truy cập kênh để cho phép các thiết bị đầu cuối di động đƣợc kết nối với mạng truy cập. Việc thiết kế một kỹ thuật đa truy cập phù hợp là một trong những khía cạnh quan trọng nhất trong việc nâng cao năng lực hệ thống. Đa truy cập cho phép nhiều ngƣời dùng chia sẻ kênh truyền thông một cách hiệu quả. Ngƣời gửi tín hiệu một cách độc lập tới ngƣời nhận thông thƣờng thông qua các kênh tƣơng ứng. Việc truyền phải nằm trong phạm vi băng thông của toàn bộ hệ thống với những hạn chế về năng lƣợng của ngƣời sử dụng. Thông thƣờng, việc truyền tải dữ liệu từ ngƣời dùng phải đƣợc phối hợp và đồng bộ với các trạm cơ sở, sao cho các tín hiệu nhận đƣợc kết hợp. Đa truy cập có thể dựa trên cơ chế đa truy cập trực giao (OMA) và đa truy cập phi trực giao (NOMA) [7]. Đa truy cập trực giao (OMA) cho phép ngƣời dùng truy cập các kênh trực giao sao cho không có nhiễu vào dạng sóng tín hiệu của ngƣời dùng kia. Do đó, tín hiệu từ máy thu phát cho mỗi cặp ngƣời dùng không có nhiễu từ cặp ngƣời dùng khác với lỗi tƣơng tự nhƣ của một cặp ngƣời dùng. Cơ chế đa truy cập trực giao cho phép bộ thu hoàn hảo tách hoàn toàn các tín hiệu không mong muốn khỏi tín hiệu mong muốn khi sử dụng các chức năng cơ bản khác nhau. Đa truy cập hợp kênh phân chia thời gian (TDMA) và đa truy cập hợp kênh phân chia tần số (FDMA) và đa truy cập hợp kênh phân chia tần số trực giao (OFDMA) là một vài ví dụ về các chƣơng trình OMA. NOMA là một công nghệ đầy hứa hẹn nhằm tăng cƣờng thông lƣợng hệ thống và độ tin cậy cao [11]. NOMA cho phép nhiều ngƣời dùng chia sẻ tài nguyên thời gian và tần suất trong cùng một lớp không gian thông qua chồng chất tuyến tính đơn giản hoặc mul-tiplexing tên miền. Trong OMA, mặc dù ngƣời dùng ghép kênh trực giao có thể loại bỏ hoàn toàn hiện tƣợng giao thoa giữa các ký hiệu (ISI) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval length) lớn hơn trễ truyền dẫn lớn nhất của 20 kênh. Tuy nhiên việc sử dụng chuỗi bảo vệ tránh đƣợc nhiễu phân tập đa đƣờng nhƣng làm giảm đi một phần hiệu suất sử dụng đƣờng truyền, do bản thân chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích. Ngƣợc lại với OMA, NOMA cho phép phân bổ một kênh tần số cho nhiều ngƣời dùng cùng một lúc trong cùng một tế bào và mang lại một số lợi thế, bao gồm hiệu suất phổ đƣợc cải thiện, cao hơn tế bào LTE-A, phản hồi kênh thoải mái (chỉ nhận đƣợc cƣờng độ tín hiệu, thông tin trạng thái kênh chính xác), và độ trễ truyền thấp. Các kỹ thuật NOMA sẵn có có thể đƣợc thực hiện trong các miền: NOMA miền công suất (Power-Domain), NOMA miền mã (Code- Domain) và 1 số miền khác: NOMA PDMA. 2.2 TRUY CẬP NOMA MIỀN MÃ –WCDMA Giống nhƣ kĩ thuật đa truy cập hợp kênh theo mã (CDMA), Code-Domain NOMA chia sẻ toàn bộ tài nguyên có sẵn thời gian - tần số. Nhƣng Code-Domain NOMA sử dụng chuỗi (dãy) trải ngƣời dùng cụ thể hoặc là các dãy thƣa thớt hoặc các dãy tƣơng quan chéo phi trực giao với hệ số tƣơng quan thấp 2.2.1 Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) Đa truy cập phân chia theo mã (CDMA) đƣợc minh họa trong Hình 2.14, ban đầu đƣợc phát triển cho quân đội để cho phép nhiều ngƣời dùng M truyền tải trên mạng cùng một lúc. Nó đƣợc thực hiện bằng cách nhân dữ liệu của mỗi ngƣời sử dụng với một trong những dãy trải duy nhất , -. Mã trải đƣợc tổ hợp chuẩn hóa N chip. Mã trải làm tốc độ truyền cao hơn nhiều so với tốc độ của ngƣời dùng dẫn dến việc băng thông đƣợc mở rộng. Máy thu biết rõ mã trải của mình sẽ giải phóng tín hiệu thu đƣợc trở lại băng thông ban đầu và trong quá trình này, hủy bỏ hoặc giảm thiểu nhiễu từ những ngƣời dùng khác. Hình 2.1 Phân bổ nguồn tài nguyên trong CDMA 21 Bản chất băng rộng của WCDMA làm cho nó rất dễ bị trải trễ giữa các tuyến độc lập ảnh hƣởng đến thu kết hợp để có độ phân tập cao và loại bỏ ảnh hƣởng fading đa đƣờng. Hơn nữa, truyền tín hiệu qua băng thông lớn dẫn đến khả năng phục hồi giảm do nhiễu theo băng thông lớn hơn, mức tín hiệu bị ẩn trong ồn. Ngoài ra, số lƣợng ngƣời dùng tối đa trên một kênh nhất định có tỷ lệ bit bằng nhau đƣợc giới hạn bởi số lƣợng các dãy trải phổ. 2.2.2 Trải mật độ thấp (LDS) Trải mật độ thấp (LDS-CDMA) là một phiên bản đƣợc cải tiến của CDMA với các dãy trải thƣa đƣợc sử dụng thay vì các dãy trải có mật độ thông thƣờng. Số lƣợng các dãy trải khác không nhỏ hơn nhiều so với CDMA, dẫn tới nhiễu giữa các chuỗi ít hơn tức là , -<< , -. Trong khi các dãy trải trực giao sẽ làm giảm đáng kể nhiễu của ngƣời sử dụng, chúng thƣờng không đƣợc thiết kế cho kênh quá tải. Tại máy thu, SIC hoặc bộ phát hiện đơn giản đƣợc gọi là thuật toán truyền tin (Message-Passing Algorithm - MPA) có thể đƣợc sử dụng để phát hiện đa ngƣời dùng (MUD). Trong MPA, một trạm có thể biến đổi biểu diễn biểu tƣợng truyền và tham số trạm tƣơng ứng với tín hiệu nhận đƣợc ở mỗi chip.Độ tin cậy của các biểu tƣợng đƣợc tráo đổi giữa các trạm giúp cải thiện hiệu suất lỗi. Hơn nữa, giả sử số lƣợng ngƣời dùng tối đa đƣợc chồng chất lên cùng một chip w, do cấu trúc LDS, độ phức tạp thu là O(Qw) so với tới O(QM), M > w cho CDMA thông thƣờng. Trong đó Q biểu thị bậc chòm sao. Một ƣu điểm nữa là LDS-CDMA có thể đƣợc chuyển đổi trực tiếp sang LDS- OFDM, tại đó chip đƣợc thay thế bởi các sóng mang con trong OFDM. Hệ thống hợp kênh phân chia tần số trực giao LDS (hay LDS-OFDM) có thể đƣợc coi là một phiên bản kết hợp của LDS-CDMA và OFDM, trong đó chip đƣợc thay thế bởi sóng mang con của OFDM nhằm chống lại fading đa đƣờng. Trong LDS- OFDM, các ký hiệu đƣợc truyền trƣớc tiên đƣợc ánh xạ tới các dãy LDS nhất định, sau đó truyền đi trên các sóng mang con OFDM khác nhau. Số ký hiệu có thể lớn hơn số sóng mang con, nghĩa là quá tải đƣợc phép cải thiện hiệu quả phổ. Thuật toán thông qua (MPA) trong LDS-CDMA cũng có thể đƣợc sử dụng trong bộ thu LDS-OFDM. Về cơ bản, LDS-OFDM có thể đƣợc xem nhƣ là một dạng cải tiến của CDMA đa sóng mang (MC-CDMA) bằng cách thay thế các dãy trải mật độ thông thƣờng với LDS. 22 Do cấu trúc biểu tƣợng mật độ thấp, mọi biểu tƣợng dữ liệu sẽ chỉ đƣợc truyền trên một tập con nhỏ các sóng mang con (hiệu quả điều chế đạt đƣợc) và cũng sẽ đƣợc sử dụng tất cả các sóng mang con bởi một tập con nhỏ các biểu tƣợng dữ liệu có thể thuộc về ngƣời dùng khác nhau. Cấu trúc LDS có thể bị chiếm bởi mật độ, do đó, tƣơng tự nhƣ việc áp dụng LDS cho CDMA, việc phát hiện LDS- OFDM có thể dựa trên thuật toán MPA. 2.2.3 Đa truy cập mã thƣa (SCMA) Để cải thiện hiệu suất trong điều chế bậc cao, đa truy cập mã thƣa (SCMA) đƣợc giới thiệu trong [11], đó là một kỹ thuật trải phi trực giao. Trong SCMA các dãy bit đến đƣợc ánh xạ trực tiếp tới các mã thƣa khác nhau. Tất cả các từ mã trong cùng một sách mã chứa các zero trong cùng không gian hai chiều và vị trí của các zero trong các sách mã khác nhau đƣợc phân biệt nhằm tránh xung đột từ mã đa chiều của các sách mã SCMA giữa hai ngƣời dùng bất kì nào. Mỗi lớp trong sách có từ mã riêng của nó. Hình dạng đạt đƣợc của chòm sao đa chiều là một trong những nguồn chính của cải tiến hiệu suất so với sự lặp lại đơn giản của các ký hiệu QAM trong LDS. Nhƣ vậy, LDS khác cơ bản với SCMA là có chòm sao đa chiều đƣợc thiết kế cho SCMA để tạo ra các sách mã, sách mã sẽ cho độ lợi “định hình” (sharping gain) mà LDS không thể có. Để đơn giản hóa thiết kế chòm sao đa chiều, một chòm sao mẹ đƣợc tạo ra bằng cách tối thiểu hóa năng lƣợng mẫu biểu tƣợng trung bình để có đƣợc khoảng cách Euclide tối thiểu cho trƣớc giữa các điểm chòm sao và cũng ảnh hƣởng đến hoạt động từ mã nhƣ quay pha, liên hợp phức và chiều hoán vị. Chòm sao con dựa vào đó đƣợc tạo ra để có sách mã dùng cho SCMA. Các hệ thống SDMA cho phép hai hoặc nhiều ngƣời dùng kết hợp cùng một trạm cơ sở, sử dụng cùng một khoảng thời gian và tần suất và tài nguyên mã dựa trên vị trí thực tế hoặc khoảng cách không gian. Vì vậy, chúng ta có thể phân biệt giữa những ngƣời sử dụng bằng cách khai thác thực tế là những ngƣời dùng khác nhau xung đột các tín hiệu không gian khác nhau trên mảng anten nhận. Điều này thƣờng đƣợc thực hiện với anten định hƣớng. Kỹ thuật SDMA có thể đƣợc sử dụng để tăng vùng phủ sóng di động. Ngoài ra, chúng còn hữu ích trong việc giảm nhiễu, cải thiện chất lƣợng dịch vụ [11]. 23 2.3 TRUY CẬP NOMA MIỀN CÔNG SUẤT ĐƠN SÓNG MANG PD-NOMA là một ứng cử viên hàng đầu cho đa truy cập trong mạng thông tin di động 5G [12]. Nó dựa trên các nguyên tắc mã chồng chất, trong đó tín hiệu đƣợc truyền là tổng các tín hiệu của ngƣời dùng trong miền công suất, nhƣ minh họa trong Hình 2.25. Cơ chế PD-NOMA khai thác sự khác biệt công suất nhận đƣợc do ảnh hƣởng gần-xa giữa ngƣời dùng để giải quyết vấn đề không rõ ràng khi phát hiện (detect). Tức là những ngƣời dùng yếu hơn sẽ đƣợc phân bổ nhiều công suất hơn so với ngƣời dùng mạnh hơn. Do đó, mức độ khác nhau về công suất lớn hơn của các tín hiệu ngƣời dùng, hiệu năng đạt tốt hơn cơ chế trực giao. Hình 2.2 Phân bổ nguồn lực trong PD-NOMA Trong hệ thống PD-NOMA, ngƣời dùng đƣợc ghép kênh trong cùng một khoảng thời gian và tần số nhƣng khác nhau về mức công suất. Mỗi sóng mang con có thể đƣợc gán cho nhiều ngƣời dùng đồng thời bằng cách áp dụng mã hóa chồng chất (SC), và mỗi ngƣời dùng loại bỏ các tín hiệu của ngƣời dùng khác bằng cách sử dụng kĩ thuật “loại bỏ nhiễu liên tiếp” (SIC). Dựa trên cách tiếp cận PD-NOMA, mỗi ngƣời dùng ở bên thu sẽ loại bỏ tín hiệu của ngƣời dùng khác thu đƣợc có đáp ứng kênh tồi tệ hơn và coi tín hiệu của ngƣời dùng khác nhƣ ồn. + Đƣờng xuống NOMA Xét một hệ truyền dẫn NOMA đƣờng xuống từ BS với đơn anten tới một số ngƣời dùng đơn anten có độ lợi kênh riêng biệt. Trong đƣờng xuống NOMA ngƣời dùng, máy phát BS không truyền trực tiếp m tín hiệu m khác biệt bằng cách chồng chúng lên cùng một tài nguyên phổ; trong khi đó, tất cả các máy thu UE m nhận tín hiệu mong muốn cùng với các nhiễu gây ra bởi các bản tin của các UE khác. Để thu 24 đƣợc tín hiệu mong muốn, mỗi bộ thu SIC trƣớc tiên giải mã các nhiễu ƣu thế và sau đó trừ chúng khỏi tín hiệu chồng chất [14]. Vì mỗi UE nhận đƣợc tất cả các tín hiệu (tín hiệu mong muốn và nhiễu) trên cùng một kênh, nên việc sử dụng tín hiệu nhiễu với các mức công suất di động là rất quan trọng để phân tập từng tín hiệu và thực hiện SIC tại một máy thu UE nhất định. Các bản tin ngƣời dùng NOMA đƣợc chồng chất với mức công suất tỷ lệ nghịch với mức độ lợi của kênh, tức là, một ngƣời dùng cụ thể đƣợc phân bổ cho công suất thấp hơn những ngƣời dùng có độ lợi kênh thấp hơn, trong khi đó công suất đƣợc phân bổ cao hơn cho tất cả những ngƣời dùng có độ lợi kênh cao hơn so với ngƣời dùng cụ thể. Nhƣ vậy, ngƣời dùng có độ lợi kênh thấp nhất (nhận đƣợc nhiễu thấp do công suất tƣơng đối của các bản tin ngƣời dùng có độ lợi kênh cao là thấp) không không cần chặn bất kỳ nhiễu. Tuy nhiên, ngƣời dùng có độ lợi kênh cao nhất (nhận đƣợc nhiễu mạnh mẽ do công suất tƣơng đối cao của các bản tin ngƣời dùng có độ lợi kênh thấp) cần chặn tất cả các tín hiệu gây nhiễu. Để thực hiện SIC, phân bổ công suất phát cho mỗi ngƣời dùng NOMA cần phải đƣợc thiết kế đúng cách.Các ràng buộc năng lƣợng cần thiết đối với SIC hiệu quả trong hệ thống NOMA đƣờng xuống của ngƣời dùng có thể đƣợc diễn tả nhƣ sau ∑ (2.1) Với là độ lợi kênh chuẩn hóa bới nhiễu liên cell-cộng công suất ồn cho ngƣời dùng thứ i Đại lƣợng ( ) đƣợc gọi là độ lợi kênh chuẩn hóa bởi công suất nhiễu liên cell-cộng công suất ồn cho ngƣời dùng thứ i, với Ii và Ni là mật độ công suất nhiễu liên cell và ồn tƣơng ứng. Trong đó B là tổng băng thông phát trong hệ thống NOMA. là công suất đƣợc phân bổ cho ngƣời dùng thứ i Đại lƣợng công suất là công suất sai khác tối thiểu cần phân biệt giữa tín hiệu đƣợc giải mã và các tín hiệu không đƣợc giải mã còn lại. + Đƣờng lên NOMA Nguyên tắc làm việc của NOMA đƣờng lên khá khác với với NOMA đƣờng xuống. Trong NOMA đƣờng lên, nhiều bộ phát của UE khác nhau phát phi trực 25 giao tới một máy thu đơn tại BS trên cùng một nguồn tài nguyênphổ. Mỗi UE truyền một cách độc lập tín hiệu riêng của nó ở công suất phát lớn nhất hoặc công suất phát đƣợc điều khiển tùy thuộc vào độ lợi của kênh khác nhau trong số ngƣời dùng NOMA. Tất cả các tín hiệu nhận đƣợc tại BS là tín hiệu mong muốn, mặc dù chúng gây nhiễu sóng cho nhau. Vì các máy phát là khác nhau, mỗi tín hiệu nhận đƣợc tại máy thu SIC (BS) trải nghiệm độ lợi kênh riêng biệt. Lƣu ý rằng, để áp dụng SIC và giải mã các tín hiệu tại BS, cần phải duy trì sự khác biệt giữa các tín hiệu bản tin khác nhau. Nhƣ vậy, điều khiển công suất phát truyền thông thƣờng (nhằm để cân bằng công suất tín hiệu nhận đƣợc của tất cảc ngƣời dùng) là không khả thi trong các hệ thống dựa trên NOMA. Xét một hệ thống NOMA m người dùng chung đƣờng lên, trong đó m ngƣời dùng truyền đến một BS thông thƣờng trên cùng một nguồn tài nguyên, ở hoặc công suất phát lớn nhất hoặc công suất phát đƣợc điều khiển. BS nhận tín hiệu bản tin chồng chất của m ngƣời dùng di động và áp dụng SIC để giải mã từng tín hiệu. Vì tín hiệu nhận đƣợc từ ngƣời sử dụng có độ lợi kênh cao nhất có thể là ngƣời mạnh nhất tại BS; do đó, tín hiệu này đƣợc giải mã đầu tiên. Một cách tuần tự, ngƣời dùng có đƣợc độ lợi kênh cao nhất sẽ gặp phải nhiễu từ tất cả ngƣời dùng khác trong cụm NOMA. Sau đó, tín hiệu cho ngƣời dùng có độ lợi kênh cao thứ hai đƣợc giải mã và cứ nhƣ vậy. Kết quả là, trong NOMA đƣờng lên, tốc độ dữ liệu có thể đạt đƣợc của ngƣời dùng chứa nhiễu từ tất cả ngƣời dùng có độ lợi kênh tƣơng đối yếu hơn. Tức là, độ lợi kênh cao nhất thu hút ngƣời dùng trải nghiệm nhiễu từ tất cả ngƣời dùng có độ lợi kênh thấp và ngƣời dùng có độ lợi kênh thấp nhất đƣợc hƣởng tốc độ dữ liệu không có nhiễu. Các ràng buộc năng lƣợng cần thiết đối với SIC hiệu quả giải mã trong một cụm m ngƣời dùng NOMA đƣờng lên có thể đƣợc diễn tả nhƣ sau ∑ ( ) (2.2) 2.3.1 Mã hóa chồng chất (SC) SC (Superposition Coding) là một kỹ thuật đồng thời truyền thông tin tới nhiều ngƣời nhận bằng một nguồn duy nhất đƣợc dùng trong NOMA. Nói cách khác, nó cho phép máy phát truyền tải nhiều thông tin của ngƣời dùng cùng một lúc. 26 Để thực hiện SC thực tế, máy phát phải mã hoá thông tin liên quan đến mỗi ngƣời dùng. Ví dụ, đối với kịch bản có hai ngƣời sử dụng, máy phát sẽ phải chứa hai bộ mã hoá, các đầu vào tƣơng ứng của tín hiệu ngƣời dùng hai ngƣời. Sau đó, một thiết bị tổng hợp cung cấp một chuỗi đầu ra nhƣ sau: ∑√ (2.3) Trong truyền thông, việc nhiều ngƣời nhận tín hiệu từ một trạm phát theo đƣờng xuống gặp phải vấn đề đó là nhiễu giữa các kênh truyền. Để giải quyết vấn đề này, cách tiếp cận thông thƣờng là thiết lập các kênh trực giao cho từng ngƣời dùng theo thời gian / tần số / ghép kênh đƣợc mã hóa. Mặc dù cách tiếp cận này loại bỏ nhiễu giữa các kênh truyền dẫn, nhƣng nói chung không thể đạt đƣợc tốc độ truyền cao nhất có thể cho một gói tin với lỗi (hoặc độ tin cậy) n