Tài liệu Giải pháp phân bổ tài nguyên hệ thống d2d noma trong mạng di động.

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của cán bộ hướng dẫn. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào trước đây. Các kết quả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định. Hà Nội, Ngày 25 tháng 10 năm 2021 Tác giả Lê Thanh Tuyền LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ luôn phát triển từng ngày, và cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 hiện tại đang cho thấy điều đó. Trong cuộc cách mạng này, giao tiếp giữa thiết bị với thiết bị sử dụng nhiều ăng ten thu phát (Multi Input Multi Output - MIMO) đóng vai trò không thể thiếu trong việc tận dụng tài nguyên có hạn. Bên cạnh đó, công nghệ đa truy nhập không trực giao (Non Orthogonal Multi Access - NOMA) giúp cải thiện vấn đề tận dụng tài nguyên. Vậy nên việc áp dụng kết hợp hai công nghệ MIMO và NOMA làm cải thiện hệ thống, tăng tốc độ truyền có ý nghĩa rất lớn trong việc truyền dữ liệu ở thế hệ mạng thông tin di động tiếp theo - yếu tố đóng vai trò cốt lõi dẫn đến sự thành công của cuộc cách mạng công nghiệp. Do vậy, trong luận văn này, em đề xuất một phương pháp có thể ứng dụng kết hợp công nghệ MIMO và NOMA nhằm tăng hiệu suất hệ thống, tốc độ truyền dữ liệu. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Tiến Hòa đã định hình đề tài cũng như có những góp ý quý báu về hướng nghiên cứu cũng như nội dung luận văn và cung cấp mẫu LaTex phục vụ hoàn thành luận văn. Sẽ không có luận văn này nếu như không có sự hướng dẫn và hỗ trợ tận tình của thầy. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình vì tình yêu, sự khích lệ, giúp đỡ không giới hạn trong quãng thời gian đi học cũng như trong suốt cuộc đời. Hà Nội, Ngày 25 tháng 10 năm 2021 Lê Thanh Tuyền TÓM TẮT LUẬN ÁN Để tăng cường hiệu quả sử dụng phổ của đa truy nhập không trực giao (NOMA) trong các hệ thống giao tiếp nhiều ăng ten (MIMO), chúng ta đề xuất thuật toán sắp xếp và ghép cặp người dùng, có thể đồng thời ghép cặp người dùng được chọn với người dùng thích hợp cho việc truyền dữ liệu. Thông qua việc chọn một cách độc lập người dùng thứ nhất và thứ hai trong mỗi cặp, thuật toán đề xuất đảm bảo cả hai người dùng trong mỗi cặp có thể đóng góp để đạt được tốc độ dữ liệu của cả hệ thống là tốt nhất. Các ma trận tiền mã hóa được xây dựng nhằm mục đích giảm nhiễu giữa các người dùng. Kết quả mô phỏng cho thấy được rằng thuật toán đề xuất mạng lại hiệu năng hệ thống đối với tiêu chí tổng thông lượng truyền dẫn cao hơn, và xác suất rớt mạng thấp hơn so với các thuật toán ghép đôi người dùng truyền thống. Abstract To enhance the spectral efficiency of non-orthogonal multiple access (NOMA) in multiple input multiple output (MIMO) systems, we propose a user pairing and pair scheduling proposed method, which can, simultaneously, pair the selected users and schedule suitable user pairs for data transmission. Through dividually selecting the first user and the second user for each user pair, the proposed algorithm can make sure that both the two users in each user pair can make the greatest contribution to the system sum rate. To suppress the interpair interference, we design an interference cancellation precoding matrix, which firstly breaks through the constraint between antenna numbers of base station (BS) and users. Theoretical analyses and computer simulations show that, the proposed algorithm has excellent sum rate and outage performance compared with traditional user pairing algorithms. Mục lục MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ iii v DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Chương 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN viii 1 1.1. Xu hướng phát triển của thông tin vô tuyến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2. Tính cấp thiết của luận văn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.3. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.4. Hệ thống MIMO-NOMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.5. Đóng góp của luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.6. Bố cục luận văn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.7. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1. Lý thuyết xác suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.1. Phân bố Gaussian phức . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.1.2. Luật số lớn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.3. Tính hội tụ của biến ngẫu nhiên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.1.4. Lý thuyết tổng quan về tối ưu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 i 2.1.5. Lý thuyết ma trận ngẫu nhiên (Random Matrix Theory) . . . . . . . 22 2.1.6. Giới thiệu về thuật toán SVD - Singular Value Decomposition . 23 2.1.7. Giới thiệu về ứng dụng véc tơ không gian rỗng - Null Space . . . . 24 2.2. Giới thiệu kỹ thuật truyền dẫn MIMO sử dụng cực nhiều ăng-ten (Massive MIMO) và khái niệm Beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.2.1. Giới thiệu kỹ thuật truyền dẫn MIMO sử dụng cực nhiều ăng-ten . . 25 2.2.2. Khái niệm beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3. Mô hình hệ thống NOMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Chương 3 MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ ĐỀ CẬP VẤN ĐỀ 33 3.1. Xử lý tín hiệu trong hệ thống MIMO-NOMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2. Vấn đề tối ưu dung lượng trong hệ thống MIMO-NOMA . . . . . . . . . . . 39 3.3. Giải pháp lựa chọn nhóm người dùng thứ nhất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.4. Đề xuất xây dựng ma trận tiền mã hóa cùng véc tơ kết hợp . . . . . . . . 41 3.5. Giải pháp lựa chọn người dùng hai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.6. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THẢO LUẬN 47 4.1. Phân tích hiệu suất . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 4.2. Kết quả mô phỏng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 4.3. Kết luận chương . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Viết tắt Tên tiếng Anh Tên tiếng Việt OFDM Orthogonal Frequency Duplexing Ghép kênh phân chia Modulation theo tần số trực giao GSM Global System for Hệ thống thông tin di động LTE Long Term Evolution Tiến hóa dài hạn Mobile communication thế hệ thứ 2 WCDMA Wideband Code Division Đa truy cập phân mã Multiple Access băng rộng CSI Channel State Information Thông tin kênh SNR Signal-to-Noise Ratio Tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm OMA Orthogonal Multiple Access Đa truy nhập trực giao MIMO Multiple Input Multiple Output Kết nối sử dụng nhiều ăng ten ICC Interference Cancellation ma trận kết hợp khử nhiễu Combining (ICC) BS Base Station Trạm gốc SVD Singular Value Decompisition Thuật toán phân tách giá trị số ít D2D Device to Device giao tiếp giữa thiết SINR Signal to Interference Tỷ lệ công suất tín hiệu plus Noise Ratio trên công suất nhiễu và công suất tạp âm bị với thiết bị iii FU Far User Người dùng ở xa TU Terminal User Người dùng cuối SIC Successive Interference Kỹ thuật triệt nhiễu Cancellation liên tục QoS Quality of Service Chất lượng dịch vụ CU Cellular User Người dùng di động DU Device User Người dùng thiết bị iv Danh sách hình vẽ 1.1 Mật độ thuê bao tại một số khu vực trên thế giới theo tỷ lệ dân số (Nguồn – Ericsson Mobility Report) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.2 Thống kê số lượng thiết bị theo khu vực (Nguồn – Ericsson Mobility Report) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Dự báo thiết bị đầu cuối đến 2025 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Dự báo thiết bị đầu cuối đến 2025 – Tách riêng điện thoại thông minh3 1.5 Dung lượng sử dụng hàng tháng của mỗi thuê bao . . . . . . . . . . . 4 1.6 Dự báo tăng trưởng của số lượng các thiết bị có kết nối từ năm 2015 và dự đoán đến năm 2025 (nguồn từ IHS Statista 2019) . . . . . 5 1.7 Tăng trưởng thiết bị di động trên toàn cầu từ 2017, dự đoán đến 2022 (nguồn: Cisco VNI Mobile, 2019) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.8 Tăng trưởng về lượng dữ liệu trao đổi hàng tháng giữa các thiết bị di động từ 2017, dự đoán đến 2022 (nguồn: Cisco VNI Mobile, 2019) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.1 SVD cho ma trận A khi: m > n (hình trên) và m < n (hình dưới). Σ là một ma trận đường chéo với các phần tử trên đó giảm dần và không âm. Màu đỏ càng đậm thể hiện giá trị càng cao. Các ô màu trắng trên ma trận này thể hiện giá trị 0 . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2 Mô hình đường lên của hệ thống Massive MIMO với nhiều người dùng cùng kết nối với một trạm BTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.3 Mô hình kỹ thuật beamforming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4 So sánh tốc độ bit giữa hệ thông NOMA và OMA . . . . . . . . . . . 31 3.1 Mô hình hệ thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 v 3.2 Mô hình chia cặp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.1 So sánh tốc độ bít giữa phương pháp ghép cặp đề xuất với phương pháp ghép cặp ngẫu nhiên. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4.2 So sánh tốc độ bít của nhóm người thứ hai khi giá trị SNR tăng giữa hệ thống sử dụng cách ghép cặp đề xuất, hệ thống sử dụng cách ghép cặp ngẫu nhiên, hệ thống sử dụng OMA và hệ thống MIMO-NOMA truyền thống . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3 So sánh tốc độ bít khi số lượng người dùng tăng giữa hệ thống sử dụng cách ghép cặp đề xuất, hệ thống sử dụng cách ghép cặp ngẫu nhiên và hệ thống sử dụng OMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.4 Xác suất rớt mạng của nhóm người dùng thứ nhất giữa hệ thống sử dụng cách ghép cặp đề xuất và hệ thống sử dụng cách ghép cặp ngẫu nhiên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.5 Xác suất rớt mạng của nhóm người dùng thứ hai giữa hệ thống sử dụng cách ghép cặp đề xuất, hệ thống sử dụng cách ghép cặp ngẫu nhiên và hệ thống MIMO-NOMA truyền thống . . . . . . . . . . 54 vi Danh sách bảng 4.1 Thông số mô phỏng. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU TOÁN HỌC Ký hiệu ∗ (.) T (.) H (.) Ý nghĩa Phép lấy liên hiệp phức Phép chuyển vị vectơ hoặc ma trận Phép chuyển vị vectơ hoặc ma trận đồng thời lấy liên hiệp phức (Hermitan transpose) E(X) m×n Kỳ vọng của X (.) Ma trận kích thước m × n (m hàng, n cột) s Tín hiệu truyền từ trạm gốc yk Tín hiệu thu tại người dùng k P Ma trận tiền mã hóa pi véc tơ tiền mã hóa cho người dùng i H ma trận kênh hk Kênh truyền giữa trạm gốc và người dùng k R Tốc độ dữ liệu (rate) N Số lượng ăng ten trang bị cho trạm gốc M Số lượng ăng ten trang bị cho người dùng ζ Tín hiệu nhiễu tuân theo phân bố Gauss viii PT Tổng công suất phát của trạm gốc Pi Công suất phát cho người dùng i αk,i Hệ số cấp phát công suất cho người dùng thứ k tại cặp thứ i wk,i véc tơ kết hợp cho người dùng thứ k tại cặp thứ i ix Chương 1 GIỚI THIỆU LUẬN VĂN 1.1. Xu hướng phát triển của thông tin vô tuyến Công nghệ di động đang phát triển nhanh chóng, mạng di động 4G đã chín muồi, thế giới đang hướng tới mạng di động 5G để tạo ra nền tảng hạ tầng cho IoT với hàng tỷ kết nối. Báo cáo Di động năm 2019 của Ericsson (Ericsson Mobility Report) chỉ rõ: Thuê bao 4G LTE đã tăng trưởng 40% trong năm 2018 tại khu vực Đông Nam Á và Châu Đại Dương, tăng trưởng tương đương vào năm 2019 và dự kiến đạt tới 63% tổng thuê bao di động vào năm 2024. Những thiết bị thương mại 5G đầu tiên cũng đã được ra mắt trong khu vực. Dự báo đến cuối năm 2024 gần 12% thuê bao di động trong khu vực sẽ là 5G. Ở những khu vực khác, tốc độ tăng trưởng của thuê bao 5G được dự báo nhanh nhất ở Bắc Mỹ với 63% thuê bao di động sẽ chuyển sang 5G vào năm 2024, Đông Bắc châu Á đứng thứ 2 (47%), và châu Âu xếp thứ 3 (40%). Tổng số thuê bao di động là khoảng 8 tỷ, 6.2/8 tỷ là loại mobile broad band với 61 triệu thuê bao đăng ký được thêm vào trong mỗi quý. Mức độ thâm nhập thuê bao một số khu vực vượt trên 100%. Trong số thiết bị đầu cuối đưa vào, 52% là LTE. 1 Hình 1.1: Mật độ thuê bao tại một số khu vực trên thế giới theo tỷ lệ dân số (Nguồn – Ericsson Mobility Report) Hình 1.2: Thống kê số lượng thiết bị theo khu vực (Nguồn – Ericsson Mobility Report) Dự báo tương lai sẽ giảm dần các thiết bị đầu cuối 2G, 3G mà chuyển dịch sang các đầu cuối hỗ trợ 4G, 5G. 2 Hình 1.3: Dự báo thiết bị đầu cuối đến 2025 Nếu tách riêng điện thoại thông minh, thuê bao sử dụng mạng 4G, 5G là chủ yếu Hình 1.4: Dự báo thiết bị đầu cuối đến 2025 – Tách riêng điện thoại thông minh Dung lượng dữ liệu mỗi tháng trên mỗi máy smartphone sẽ tăng từ 3.6 GB lên tới 17 GB trong giai đoạn 2020-2025 với tỷ lệ tăng trưởng 29% tại Đông Nam Á và châu Đại Dương. Nguyên nhân dẫn đến sự tăng trưởng này là do số lượng thuê bao 4G LTE đang tăng mạnh, người dùng trẻ tuổi thích 3 xem video trên di động. Hình 1.5: Dung lượng sử dụng hàng tháng của mỗi thuê bao Thuê bao tiêu dùng nhiều lưu lượng data, chủ yếu lưu lượng phát sinh từ video. Lưu lượng video di động đang góp phần đáng kể làm tăng trưởng dữ liệu vì người dùng ngày càng dành nhiều thời gian hơn để phát và chia sẻ trực tuyến các nội dung video. Điều này dự báo tiếp tục tăng bởi xu thế video đang được nhúng trong mọi định dạng của nội dung trực tuyến. Theo thống kê được biểu diễn trong hình 1.7, số lượng người sử dụng di động đang tăng lên nhanh chóng trong những năm gần đây và dự đoán đến năm 2022 thiết bị di động sẽ tăng trưởng với tỉ lệ 85 % là thiết bị thông minh. 4 Hình 1.6: Dự báo tăng trưởng của số lượng các thiết bị có kết nối từ năm 2015 và dự đoán đến năm 2025 (nguồn từ IHS Statista 2019) Trong bối cảnh công nghệ phát triển với xu hướng 5G với yêu cầu đạt được tốc độ dữ liệu lớn hơn, hiệu quả sử dụng phổ tốt hơn [1], bên cạnh đó là IoT với mật độ kết nối dày đặc. Các nhà cung cấp dịch vụ có thể nhìn nhận ra ngay là trong tương lai, số lượng các thiết bị kết nối là rất khủng khiếp, đồng thời, lượng dữ liệu trao đổi là cực lớn (như số liệu thống kê trên). Như thống kê sau cho thấy tốc độ tăng trưởng về số lượng thiết bị di động nói riêng. 5 Hình 1.7: Tăng trưởng thiết bị di động trên toàn cầu từ 2017, dự đoán đến 2022 (nguồn: Cisco VNI Mobile, 2019) Với tốc độ phát triển như vậy, tốc độ phát triển của cơ sở hạ tầng cũng như công nghệ kết nối hiện tại khó có thể theo kịp với tốc độ phát triển về mặt số lượng của các thiết bị có nhu cầu kết nối. Do đó, các nhà cung cấp khó có khả năng đáp ứng được như cầu sử dụng trong thời gian tới. Vì vậy yêu cầu cấp thiết là cần tìm ra giải pháp, công nghệ mới để vừa tận dụng cơ sở hạ tầng cũ, vừa phát triển công nghệ lõi mới để dần đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về kết nối và trao đổi dữ liệu của số lượng cực lớn các thiết bị. Thống kê sau cho thấy lượng dữ liệu khổng lồ các thiết bị đó tạo ra hàng tháng. 6 Hình 1.8: Tăng trưởng về lượng dữ liệu trao đổi hàng tháng giữa các thiết bị di động từ 2017, dự đoán đến 2022 (nguồn: Cisco VNI Mobile, 2019) Từ thực tế đó, các nhà nghiên cứu đã đề xuất ra 3 hướng giải pháp chính để tăng dung lượng dữ liệu cho hệ thống thông tin di động tế bào: ˆ Tăng mật độ sử dụng tế bào mạng(sử dụng tế bào mạng nhỏ hơn). ˆ Sử dụng thêm phổ tần. ˆ Tăng hiệu suất sử dụng phổ. Trong 3 phương án trên, phương án thứ nhất đã được sử dụng nhiều trong các thế hệ thông tin di động trước đây nhằm tăng dung lượng tuy nhiên đánh đổi lại là tăng chi phí lắp đặt (cần nhiều trạm BTS hơn), can nhiễu gia tăng, và như đã nói ở trên, hệ thống thống tế bào đã quá dày đặc rồi. Và trong bối cảnh tài nguyên tần số đang trở nên ngày càng khan hiếm, phương án thứ hai cũng không kém phần đắt đỏ. Phương án còn lại, tăng hiệu suất sử dụng phổ đã trở thành nhân tố quyết định sự ra đời của các thế hệ thông tin di động mới trong suốt thời kỳ phát triển của hệ thống thông tin đi động tế bào. Qua các thế hệ 1G, 2G, 3G, 4G chúng ta đã chứng kiến sự xuất hiện của những công nghệ mới GSM, 7