Tài liệu Kỹ thuật đa truy nhập theo mã thưa scma trong 5g

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG KHOA VIỄN THÔNG I Báo cáo tiểu luận môn học ĐỀ TÀI: Kỹ thuật đa truy nhập theo mã thưa SCMA trong 5G GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Nhóm: Thành viên: KHÓA: HỆ: ThS. PHẠM THỊ THÚY HIỀN 10 Lê Văn Anh D12VT4 Hà Anh Sơn D12VT5 Nguyễn Đình Quang D12VT7 2012 – 2017 ĐẠI HỌC CHÍNH QUY Hà Nội - 2017 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU............................................................................................................2 1. Giới Thiệu...............................................................................................................4 1.1 Kỹ Thuật đa nhập theo mã thưa SCMA trong 5G..........................................4 1.2 Một số kỹ thuật đa truy nhập hiện nay.............................................................4 2. Nguyên Lý Hoạt Động Của Đa Truy Nhập Theo Mã Thưa SCMA...................7 2.1 Truyền Dữ Liệu Đường Lên............................................................................7 2.1.1 Tổng Quan Tranh chấp UpLink Dựa Trên Truyền Số Liệu........................7 2.1.2 Cơ chế truyền..............................................................................................9 2.1.3 Hiệu Năng Và Phân Tích..........................................................................11 2.1.4 Kết Luận...................................................................................................13 2.2 Truyền Dữ Liệu Đường Xuống.....................................................................14 2.2.1 Cơ sở lý thuyết..........................................................................................14 2.2.2 SCMA đường xuống.................................................................................16 2.2.3 Sự tương đương giữa MIMO và chuỗi thưa tuyến tính............................17 3. Mô hình hoạt động của hệ thống SCMA............................................................19 3.1 Mô hình kỹ thuật đa truy nhập SCMA.............................................................19 3.2 Mã hóa SCMA.................................................................................................20 3.3 Giải mã SCMA...............................................................................................22 3.4 Các thông số cơ bản........................................................................................23 3.5 Kết Luận..........................................................................................................23 Tổng Kết................................................................................................................... 24 Tài liệu tham khảo...................................................................................................25 1 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC LỜI MỞ ĐẦU Nhu cầu trao đổi thông tin là nhu cầu thiết yếu trong xã hội hiện đại. Các hệ thống thông tin di động với khản năng giúp con người trao đổi thông tin mọi lúc, mọi nơi đã phát triển rất nhanh và đang trở thành không thể thiếu được trong xã hội thông tin ngày nay. Bắt đầu từ các hệ thống thông tin di động thế hệ đầu tiên ra đời vào năm 1946, các hệ thống thông tin di động số thế hệ 2 (2G) ra đời với mục tiêu chủ yếu là hỗ trợ dịch vụ thoại và truyền số lệu tốc độ thấp. Hệ thống thông tin di động 2G đánh dấu sự thành công của công nghệ GSM với hơn 70% thị phần thông tin di động trên toàn cầu hiện nay. Trong tương lai, nhu cầu các dịch vụ số liệu sẽ ngày càng tăng và có khản năng vượt quá thông tin thoại. Hệ thống thông tin di động thế hệ 3 (3G) ra đời nhằm thỏa mãn nhu cầu của con người về các dịch vụ số liệu tốc độ cao như: điện thoại thấy hình, video streaming, hội nghị truyền hình, nhắn tin đa phương tiện (MMS)…Đến nay các hệ thống thông tin di động thế hệ thứ 3 (3G) đã được đưa vào khai thác thương mại ở nhiều nước trên thế giới. Không dừng ở đó, tại một số quốc gia phát triển đã đưa vào sử dụng công nghệ mạng 4G LTE có tốc độ cao hơn chuẩn mạng 3G rất nhiều. Mạng 4G vẫn hỗ trợ các dịch vụ tương tự như 3G nhưng có tốc độ tải xuống (download) lên đến 100 Mb/giây. Thêm vào đó, mạng 4G có băng thông rộng hỗ trợ chức năng quản lý chất lượng dịch vụ QoS (Quality of Service), các ứng dụng truy cập mạng không dây băng tần rộng (Wireless roadband access), tin nhắn đa phương tiện MMS (Multimedia Messaging Service), truyền hình trực tuyến độ phân giải cao (HDTV), DVB (Digital Video Broadcasting) và các dịch vụ cần đến băng thông rộng khác. Dự kiến trong những năm tới, mạng công nghệ 4,5G được triển khai nhằm cung cấp cho người dùng các video độ phân giải ultra HD, công nghệ 3D holographic. Tương tự khi chuyển đổi từ 3G lên 4G, công nghệ 4,5G có tốc độ nhanh hơn, độ trễ thấp hơn và các tính năng ưu việt hơn so với công nghệ 4G hiện nay. Nó cũng sẽ mở ra một cơ hội khai thác doanh thu mới cho các nhà mạng khi băng rộng di động trở nên ngày càng mạnh mẽ và hiệu quả hơn. Ở một khía cạnh khác, nhiều quốc gia trên thế giới vẫn chưa chính thức nâng cấp công nghệ 4G. Tuy nhiên với sự phát triển mạnh mẽ của những thiết bị có khả năng 2 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC nối mạng (IoT - Internet of Things) cùng sự tăng trưởng về số lượng thiết bị di động trong tương lai đã đặt ra bài toán về việc tìm kiếm một nền tảng công nghệ di động mới có thể đáp ứng nhu cầu trên. Dự kiến đến năm 2020 sẽ có khoảng 50 tỷ thiết bị có khả năng nối mạng. Đây cũng là tiền đề cho việc phát triển mạng công nghệ 5G kế tiếp.. Xuất phát từ định hướng này mà nhóm em chọn đề tài nghiên cứu về 5G. Đề tài “Kỹ thuật đa truy nhập theo mã thưa SCMA trong 5G” gồm có 4 Phần:  Phần I : Giới Thiệu  Phần II : Nguyên lý hoạt động của kỹ thuật SCMA  Phần III : Mô hình hoạt động của hệ thống SCMA  Phần IV : Kết Luận Mặc dù đã có rất nhiều cố gắng trong việc hoàn thành việc tìm hiểu đề tài nhưng với thời gian, trình độ có hạn và nội dung đề tài khá mới mẻ nên nội dung báo cáo còn có nhiều thiếu sót,nhóm em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp và chỉ dẫn thêm từ các thầy cô và các bạn. Nhóm em xin chân thành cảm ơn 3 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC 1. Giới Thiệu 1.1 Kỹ Thuật đa nhập theo mã thưa SCMA trong 5G SCMA là một bảng mã đa chiều dựa trên kỹ thuật trải mã không trực giao để giải quyết các yêu cầu của truyền thông không dây 5G như hỗ trợ nhiều lưu lượng, phạm vi và số lượng thiết bị kết nối lớn, QoS cao, trễ thấp…Trong SCMA, các bit đến được ánh xạ trực tiếp đến các từ mã phức đa chiều được chọn từ một tập các bảng mã được xác định trước. Đối với các từ mã khác, trong SCMA, các bộ ánh xạ QAM và các bộ trải mã CDMA được kết hợp cùng nhau để trực tiếp ánh xạ một tập các bit sang một vec tơ phức thưa được gọi là từ mã. Mỗi một lớp đều có một tập các từ mã SCMA riêng. SCMA cung cấp chất lượng liên kết tốt hơn và lớn hơn 300% Số lượng Kết nối liên kết vật lý qua LTE, bảng mã SCMA Thiết kế linh hoạt có thể thích ứng để đáp ứng đa dạng yêu cầu hệ thống. Khả năng ứng dụng kỹ thuật đa truy nhập SCMA đã thu hút được nhiều chú ý. Các hệ thống ứng dụng kỹ thuật này có thể cung cấp nhiều dịch vụ (điện thoại, truyền hình, dữ liệu,..) mà chỉ cần dùng một bộ phát quang và thu quang cho mỗi người dùng nếu các dịch vụ khác nhau sử dụng các sóng mang phụ khác nhau, nhờ thế đã giải quyết tốt vấn đề về chi phí cho các thiết bị đầu cuối Ưu điểm chính của SCMA là có thể phục vụ được NxM người sử dụng, trong đó N là số bước sóng quang sử dụng trong mạng và M là số lượng sóng mang viba. Vì thế làm tăng dung lượng của hệ thống, các bước sóng quang khá cách xa nhau nên rất thuận tiện tách sóng trực tiếp 1.2 Một số kỹ thuật đa truy nhập hiện nay a. OFDM-CDMA 4 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC + Kỹ thuật điều chế OFDM, về cơ bản, là một trường hợp đặc biệt của phương pháp điều chế FDM, chia luồng dữ liệu thành nhiều đường truyền băng hẹp trong vùng tần số sử dụng, trong đó các sóng mang con (hay sóng mang phụ, sub-carrier) trực giao với nhau. Do vậy, phổ tín hiệu của các sóng mang phụ này được phép chồng lấn lên nhau mà phía đầu thu vẫn khôi phục lại được tín hiệu ban đầu. Sự chồng lấn phổ tín hiệu này làm cho hệ thống OFDM có hiệu suất sử dụng phổ lớn hơn nhiều so với các kĩ thuật điều chế thông thường + Kỹ thuật OFDM còn kết hợp với các phương pháp mã hóa kênh sử dụng trong thông tin vô tuyến, gọi là Coded OFDM, nghĩa là tín hiệu trước khi điều chế sẽ được mã hóa với nhiều loại mã khác nhau để hạn chế các lỗi xảy ra trên kênh truyền. Do chất lượng kênh (độ fading và tỉ số S/N) của mỗi sóng mang con phụ là khác nhau, người ta thực hiện điều chế tín hiệu trên mỗi sóng mang đó với các mức điều chế khác nhau, gọi là điều chế thích nghi (adaptive modulation) hiện đang được sử dụng trong hệ thống thông tin máy tính băng rộng HiperLAN của ETSI ở Châu Âu.  Ưu điểm:  Hệ thống OFDM có thể loại bỏ hiện tượng nhiễu xuyên kí hiệu ISI (InterSymbol Interference) nếu độ dài chuỗi bảo vệ (guard interval) lớn hơn độ trễ truyền dẫn lớn nhất của kênh truyền.  OFDM phù hợp cho việc thiết kế hệ thống truyền dẫn băng rộng.  Cấu trúc máy thu đơn giản.  Nhược điểm:  Việc sử dụng chuỗi bảo vệ giúp giảm hiện tượng ISI do phân tập đa đường nhưng chuỗi bảo vệ không mang thông tin có ích, chiếm một phần băng thông của đường truyền làm giảm hiệu suất đường truyền  Do yêu cầu về tính trực giao giữa các sóng mang phụ nên hệ thống OFDM khá nhạy cảm với hiệu ứng Dopler, dịch tần (frequency offset) và dịch thời ( time offset) do sai số đồng bộ.  Đường bao biên độ của tín hiệu phía phát không bằng phẳng, gây ra méo phi tuyến ở các bộ khuếch đại công suất ở đầu phát và đầu thu. 5 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC +CDMA (code division multiple access- đa truy nhập phân chia theo mã) được xây dựng trên nguyên tắc trải phổ  Ưu điểm:  Sử dụng hiệu quả băng tần  Về mặt lý thuyết, hệ thống sử dụng CDMA không giới hạn số lượng người sử dụng  Giảm được ảnh hưởng của nhiễu đa đường  Tính bảo mật cao do người ngoài rất khó xác định được quy luật của chỗi sử dụng, do đó khó khôi phục được tín hiệu thu  Nhược điểm:  Chất lượng thông tin giảm khi số lượng người dùng tang  Bị ảnh hưởng của hiện tượng gần – xa, do đó cần phải áp dụng kỹ thuật điều khiển công suất một cách chính xác  Cần phải có sự đồng bộ mã trải phổ chính xác để thu đúng tín hiệu + Hệ thống OFDM-CDMA thừa kế tất cả những đặc điểm của CDMA. Nó có tính bền vững với nhiễu đa đường, hiệu quả trong việc sử dụng băng thông. Ngoài ra nó còn có những ưu điểm của OFDM đó là chống lại nhiễu liên ký hiệu, tận dụng được phân tập tần số giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng đường truyền do mõi sóng mang bị ảnh hưởng bỏi pha đinh phẳng độc lập. Ngoài việc kết hợp OFDM và CDMA có ưu điểm do khoảng cách ký hiệu dài dễ thực hiện đồng bộ hơn. b. OFDMA + OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access - Đa truy nhập phân tần trực giao ) là một công nghệ đa sóng mang phát triển dựa trên nền kĩ thuật OFDM. Trong OFDMA, một số các sóng mang con, không nhất thiết phải nằm kề nhau, được gộp lại thành một kênh con (sub-channel) và các user khi truy cập vào tài nguyên sẽ được cấp cho một hay nhiều kênh con để truyền nhận tùy theo nhu cầu lưu luợng cụ thể + OFDMA có một số ưu điểm như là tăng khả năng linh hoạt, thông lượng và tính ổn định đươc cải thiện.Việc ấn định các kênh con cho các thuê bao cụ thể, việc truyền nhận từ một số thuê bao có thể xảy ra đồng thời mà không cần sự can thiệp 6 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC nào, do đó sẽ giảm thiểu những tác động như nhiễu đa truy xuất (Multi access Interfearence- MAI) + Việc cho phép nhảy với các mẫu nhảy khác nhau cho mỗi user làm biến đổi thực sự hệ thống OFDM trong hệ thống CDMA nhảy tần. Điều này có lợi là tính phân tập theo tần số tăng lên bởi vì mỗi user dùng toàn bộ băng thông có sẵn cũng như là có lợi về xuyên nhiễu trung bình, điều rất phổ biến đối với các biến thể của CDMA. Bằng cách sử dụng mã sửa lỗi hướng đi (Forward Error Correcting - FEC) trên các bước nhảy, hệ thống có thể sửa cho các sóng mang phụ khi bị fading sâu hay các sóng mang bị xuyên nhiễu bởi các user khác. Do đặc tính xuyên nhiễu và fading thay đổi với mỗi bước nhảy, hệ thống phụ thuộc vào năng lượng tín hiệu nhận được trung bình hơn là phụ thuộc vào user và năng lượng nhiễu trong trường hợp xấu nhất. +Ưu điểm cơ bản của hệ thống OFDMA nhảy tần hơn hẳn các hệ thống DSCDMA và MC-CDMA là tương đối dễ dàng loại bỏ được xuyên nhiễu trong một tế bào bằng cách sử dụng các mẫu nhảy trực giao trong một tế bào. 2. Nguyên Lý Hoạt Động Của Đa Truy Nhập Theo Mã Thưa SCMA 2.1 Truyền Dữ Liệu Đường Lên 2.1.1 Tổng Quan Tranh chấp UpLink Dựa Trên Truyền Số Liệu Một bộ mã hóa SCMA được định nghĩa là một bản đồ từ bit để một bảng mã phức tạp kích thước ba chiều. Các chiều từ mã phức tạp của một bảng mã là vectơ chế độ thưa với mục khác không. Trong tranh chấp đường lên dựa trên đa truy nhập, một người sử dụng được cấu hình với một bảng mã. Bit dữ liệu của người dùng được ánh xạ tới một - từ mã chiều chọn từ bảng mã và truyền về tài nguyên vô tuyến (ví dụ như OFDMA sóng mang con). là chiều dài của một từ mã SCMA, hoặc tương đương với nó đại diện cho yếu tố lây lan của hệ thống. Mỗi block SCMA được thực hiện qua tones OFDMA. Tùy thuộc vào kích thước của một khu vực tranh chấp, nhiều khối không chồng chéo SCMA có thể phù hợp trong các nguồn lực thời gian-tần số được giao. Trường hợp là vector nhận được hơn một khối SCMA, là vector của SCMA từ mã của người sử dụng là nhận được điện tín hiệu của người sử dụng, là vector kênh 7 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC của người dùng trên tones OFDMA của một khối SCMA, là một ma trận đường chéo nơi sử dụng có thể giúp làm tăng yếu tố quá tải hiệu quả và số lượng kết nối để nhận ra sự kết nối lớnDo đó, người sử dụng va chạm xảy ra chỉ khi hai hoặc nhiều hơn hai người sử dụng chọn các chuỗi thí điểm giống nhau trong một khu vực tranh chấp. Va chạm thí điểm cần phải được giải quyết thông qua các cơ chế back-off ngẫu nhiên như được mô tả trong tiểu mục tiếp theo. Bằng cách điều chỉnh các yếu tố lây lan, K,và số lượng các mục khác không, N,mức độ khác nhau của quá tải có thể đạt được với số lượng khác nhau của bảng mã. Để hỗ trợ kết nối lớn, nó là mong muốn có một yếu tố quá tải lớn hơn nhiều so với 1. bảng mã có thể được tạo ra từ Một minh họa được cung cấp trong Hình 2.1.1. Hai bit(b1, b2)từ một dòng dữ liệu được ánh xạ tới một từ mã. Các dữ liệu này sau đó được lan truyền trên 4 sóng mang con, dòng dữ liệu của nhiều người dùng được phủ với từ mã từ bảng mã khác nhau. Các nguồn lực thời gian-tần số mà trên đó các bảng mã là hình thức che phủ một khu vực tranh chấp. Điều này được thể hiện trong các nguồn lực thời gian-tần số được chỉ trong Hình 2.1.2. Kích thước và số lượng các khu vực truy cập phụ thuộc vào nhiều yếu tố như số lượng dự kiến của thiết bị đầu cuối hoặc các ứng dụng phù hợp với UL SCMA. Hình 2.1.1 Bảng mã SCMA, mã hóa và ghép kênh 8 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC Hình 2.1.2 vùng tranh chấp dựa trên đường truyền ngược trong một mặt phẳng OFDMA thời gian-tần số. 2.1.2 Cơ chế truyền Mỗi UE truyền dữ liệu trong các khu vực tranh chấp được xác định trước với một CTU. Việc xác định các khu vực truy cập và CTU có thể được chỉ định một cách rõ ràng bởi mạng thông qua tín hiệu bán tĩnh hoặc ngầm có nguồn gốc từ ID UE. Một ví dụ về một quy tắc lập bản đồ UE-to-CTU đơn giản có thể CTU_index = UE_ID mod, nơi chỉ số CTU rằng một UE truyền dữ liệu của nó hơn là một chức năng của các ID UE và tổng số phép, phổ tần số không có giấy phép và cao. Số khác nhau của người dùng được bỏ ngẫu nhiên trong mạng và thống kê được thu thập cho một khu vực trong các tế bào trung tâm. Giao thông đường lên cho mỗi người sử dụng tuân theo phân phối với một gói tin có nghĩa là thời gian liên đến 160 ms cho mỗi người dùng Poisson. Một tải giao thông cụ thể trong từng lĩnh vực thu được bằng cách cấu hình một số khác nhau của người sử dụng hoạt động trong lĩnh vực này. Một khu vực tranh chấp với một kích thước của 4 khối tài nguyên LTE (RB) cặp được mô phỏng và kênh fading Rayleigh phẳng được mô hình hóa. Một cặp RB là tương đương với 12 sóng mang con trong tần số và 14 OFDM biểu tượng trong thời gian. Để so sánh hợp lý của đề án SCMA và OFDMA, cùng kích thước dữ liệu phù hợp vào tương đương với một RB tài nguyên cặp OFDMA được xem xét cho từng truyền với một hiệu năng phổ cố định của 1 bit / s / Hz. Các dữ liệu được truyền trong SCMA được lan truyền trên 4 cặp RB. Đối với OFDMA, nó 9 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC được truyền ở một trong 4 cặp RB. Điều khiển công suất vòng hở cho LTE được áp dụng để xác định sức mạnh truyền tại các thiết bị đầu cuối người dùng với MCS cố định. Kết quả là, sự can thiệp từ các khu vực lân cận đến các khu vực trung tâm có thể được chụp, mà thay đổi theo thời gian. Người nhận MPA được sử dụng cho SCMA để xử lý xử lý tín hiệu không trực giao. Một MMSE tuyến tính được sử dụng cho OFDMA như một kịch bản LTE đường cơ sở. Để hỗ trợ UL SCMA với tranh chấp dựa trên truy cập, tài nguyên vô tuyến được định nghĩa cho các chương trình đa truy nhập đề xuất. Các nguồn tài nguyên cơ bản để truyền tranh chấp được gọi là một đơn vị truyền tải tranh chấp (CTU). Một sự kết hợp của thời gian, tần số, bảng mã SCMA, và chuỗi thí điểm xác định một CTU như hình. 2. Có J bảng mã duy nhất xác định trên một tài nguyên thời gian-tần số. Đối với mỗi bảng mã, L trình tự thí điểm được liên kết với nó. Tổng cộng có chuỗi thí điểm duy nhất được định nghĩa. Có tổng cộng CTUs trong khu vực thời gian-tần số nhất định. Hình 2.1.3 Định nghĩa của một đơn vị truyền tải tranh chấp CTU Một số thiết bị đầu cuối có thể chia sẻ các bảng mã giống nhau, và do tính chất truy cập ngẫu nhiên, những thiết bị đầu cuối tích cực có thể truyền tải cùng một lúc. Như bảng mã đi qua các kênh không dây khác nhau, người nhận MPA vẫn có thể 10 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC phát hiện các dòng dữ liệu ngay cả khi chúng được thực hiện trong bảng mã giống hệt nhau miễn là chuỗi thí điểm khác nhau được sử dụng. Người nhận có thể ước lượng kênh của thiết bị đầu cuối khác nhau với các phi công khác nhau. Vì vậy, trong một kịch bản thực tế, số lượng người dùng hoạt động () tại một khe thời gian cụ thể có thể có khả năng hơn. Bảng mã tái tài nguyên, quy tắc lập bản đồ này có thể được thay đổi một cách xác định trước từ thời gian để thời gian để cung cấp va chạm đa dạng. Cơ chế đa truy nhập cho phép tranh chấp xảy ra như nhiều UE có thể được gán cùng một nguồn (CTU) như thể hiện trong hình. 3. Mạng lưới phát hiện các gói uplink bằng cách cố gắng tiếp nhận sử dụng tất cả các mã truy cập có thể được giao cho các khu vực tranh chấp được xác định trước. Một số phát hiện mù và kỹ thuật cảm biến nén có thể được sử dụng để thực hiện các dữ liệu và các hoạt động phát hiện doanh [7]. Ngoài ra, cyclic redundancy check đeo mặt nạ với ID UE hoặc chứng tiêu đề có thể được sử dụng như là tiêu chí phát hiện và enablers cho việc truyền phát lại HARQ. Đồng bộ đường lên có thể được duy trì với một thủ tục trước thời gian tương tự như hệ thống LTE hiện [2]. Trong trường hợp liên kết thời gian đường lên bị mất và chỉ có giao thông chuyển sang tranh chấp dựa trên SCMA có sẵn, thủ tục thời gian trước đi trước truyền dữ liệu thực tế. Trong một kịch bản giao thông hỗn hợp, một UE có thể duy trì sự liên kết thời gian đường lên bằng cách dựa trên trao đổi lưu lượng truyền đi theo lịch trình thường xuyên. M Do UE có thể được ánh xạ tới cùng CTU để truyền dữ liệu, va chạm có thể xảy ra khi có nhiều hơn một UE có dữ liệu để truyền tải cùng một lúc. Giải quyết va chạm có thể sử dụng các thủ tục trở lại-off ngẫu nhiên. Mỗi UE chọn một thời gian trở lại-off ngẫu nhiên (trong đơn vị của khoảng thời gian truyền dẫn (TTI)) từ một cửa sổ lại-off và truyền lại trên CTU được xác định trước như các truyền bản gốc. Với các khu vực được xác định trước tranh chấp và bài tập CTU để UE, và các kỹ thuật phát hiện mù cấp UL động là không còn cần thiết cho sự tranh chấp 11 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC SCMA dựa. Kể từ khi các khoản tài trợ UL chiếm DL kênh nguồn lực kiểm soát, loại bỏ các khoản trợ cấp tín hiệu cho giao thông với UL tranh chấp dựa SCMA nghĩa là DL mào đầu báo hiệu có thể được giảm 2.1.3 Hiệu Năng Và Phân Tích Có thể thấy rằng bằng cách thay đổi các yếu tố lây lan và số lượng các mục khác không, số lượng bảng mã có thể được tăng lên đáng kể. Như một ví dụ, khi 70 bảng mã có thể được tạo ra. Khi có nhiều bảng mã được tạo ra, số lượng người dùng trong một khu vực tranh chấp tăng lên. Mô phỏng hệ thống cấp cho một kịch bản ứng dụng gói nhỏ được thực hiện trên một 19-cell mạng 3 ngành. Đánh giá được thực hiện trên các tần số sóng mang 2GHz. Cần lưu ý rằng ban nhạc di động hiện tại sẽ là một phần của hệ thống 5G đó bao gồm cấp Mô phỏng hệ thống cấp cho một kịch bản ứng dụng gói nhỏ được thực hiện trên một 19-cell mạng 3 ngành. Đánh giá được thực hiện trên các tần số sóng mang 2GHz. Cần lưu ý rằng ban nhạc di động hiện tại sẽ là một phần của hệ thống 5G đó bao gồm cấp phép, phổ tần số không có giấy phép và cao. Số khác nhau của người dùng được bỏ ngẫu nhiên trong mạng và thống kê được thu thập cho một khu vực trong các tế bào trung tâm. Giao thông đường lên cho mỗi người sử dụng tuân theo phân phối với một gói tin có nghĩa là thời gian liên đến 160 ms cho mỗi người dùng Poisson. Một tải giao thông cụ thể trong từng lĩnh vực thu được bằng cách cấu hình một số khác nhau của người sử dụng hoạt động trong lĩnh vực này. Một khu vực tranh chấp với một kích thước của 4 khối tài nguyên LTE (RB) cặp được mô phỏng và kênh fading Rayleigh phẳng được mô hình hóa. Một cặp RB là tương đương với 12 sóng mang con trong tần số và 14 OFDM biểu tượng trong thời gian Để so sánh hợp lý của đề án SCMA và OFDMA, cùng kích thước dữ liệu phù hợp vào tương đương với một RB tài nguyên cặp OFDMA được xem xét cho từng truyền với một hiệu suất phổ cố định của 1 bit / s / Hz. Các dữ liệu được truyền trong SCMA được lan truyền trên 4 cặp RB. Đối với OFDMA, nó được truyền ở một trong 4 cặp RB. Điều khiển công suất vòng hở cho LTE được áp dụng để xác định sức mạnh truyền tại các thiết bị đầu cuối người dùng với MCS cố định. Kết quả là, sự can thiệp từ các khu vực lân cận đến các khu vực trung tâm có thể được chụp, mà thay đổi theo thời gian. Người nhận Khu bảo tồn biển được sử 12 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC dụng cho SCMA để xử lý xử lý tín hiệu không trực giao. Một MMSE tuyến tính được sử dụng cho OFDMA như một kịch bản LTE đường cơ sở. UL tranh dựa trên OFDMA, đề án SCMA được đánh giá cho việc truyền các gói tin nhỏ với yêu cầu độ trễ thấp như vậy mà sự chậm trễ là trong vòng 5 khoảng ms. Do yêu cầu độ trễ chặt chẽ, không có cơ hội truyền lại được cho phép. Hình 2.1.4 cho thấy sự phân bố tỷ lệ giảm sử dụng gói (hoặc lỗ) là một chức năng của tải giao thông cho tranh dựa SCMA và tranh dựa trên OFDMA. Theo định nghĩa, một gói tin bị mất nếu truyền dẫn của nó không thành công ở những nỗ lực đầu tiên. Nó được thể hiện rõ ràng rằng việc thực hiện lãi suất thả gói OFDMA làm giảm nhanh hơn nhiều với tải trọng tăng hơn SCMA. SCMA có một phân bố tỷ lệ giảm sử dụng gói thấp hơn so với OFDMA cho tải trọng giao thông khác nhau. Trong phần tiếp theo, hiệu năng hệ thống được đánh giá dựa trên các tiêu chí mất điện. Hệ thống này hoạt động trong một tải lưu lượng để đáp ứng các điều kiện QoS xác định 13 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC Hình 2.1.4 sự phân bố tỷ lệ giảm sử dụng gói 2.1.4 Kết Luận Trong phần này,nhóm đã trình bày một chương trình SCMA tranh chấp dựa trên đường lên được đề xuất. Các thông số SCMA có thể được điều chỉnh để cung cấp mức độ khác nhau của quá tải, do đó phù hợp để đáp ứng đa dạng giao thông yêu cầu kết nối mạng không dây 5G. Chúng tôi mô tả các khía cạnh thiết kế hệ thống của chương trình đa truy nhập mới. Đánh giá hệ thống cấp của một kịch bản ứng dụng gói nhỏ được cung cấp cho sự tranh chấp dựa trên UL SCMA. SCMA được so sánh với OFDMA về kết nối và thả tỷ lệ dưới một yêu cầu độ trễ chặt chẽ. Các kết quả mô phỏng cho thấy sự tăng tiềm năng của SCMA tranh chấp dựa trên sơ đồ OFDMA tranh chấp dựa trên để truyền gói tin nhỏ. SCMA có thể cung cấp khoảng 2,8 lần đạt trên OFDMA về số người dùng hoạt động hỗ trợ trong một hệ thống dựa trên sự tranh chấp với giao thông và độ trễ thấp. 14 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC 2.2 Truyền Dữ Liệu Đường Xuống 2.2.1 Cơ sở lý thuyết Đa người dùng MIMO(MU-MIMO) là mô ̣t kỹ thuâ ̣t đa truy nhâ ̣p nổi tiếng dùng để chia sẻ nguồn tài nguyên thời gian tần số và năng lượng giữa các người dùng trong mạng truy câ ̣p không dây đường xuống.Mục tiêu là để tăng băng thông đường xuống tổng thể thông qua ghép kênh.Nhiều chùm tia được hình thành trên mô ̣t mảng của anten tại mô ̣t điểm truyền (TP) để phục vụ nhiều người dùng phân bố trong mô ̣t cell.Mỗi lớp MIMO được gán cho mô ̣t người sử dụng trong khi các lớp được trực giao tách trong miền không gian giả định precoders tạo chùm sóng MIMO được lựa chọn đúng theo các kênh của người dùng mục tiêu.Tại bên nhâ ̣n,mỗi người dùng chỉ có thể phù hợp với bản thâ ̣n để lớp dự định của mình trong khi các lớp MIMO khác hoàn toàn biến mất với sự can thiê ̣p qua các lớp,cung cấp các mã được thiết kế đúng cách.Mă ̣c dù có sự tăng băng thông đầy hứa hẹn và sự đơn giản của phát hiê ̣n tại các nút dùng,MU-MIMO là mô ̣t hê ̣ thống khép kín bị mô ̣t số khó khan về lão hóa kênh và chi phí cao để duy trì các thông tin trạng thái kênh(CSI) của người dùng đến mô ̣t TP phục vụ.CSI là cần thiết để hình thành các tâ ̣p tốt nhất của bảng mã cho mô ̣t bô ̣ lựa chọng của người sử dụng ghép nối.Nếu CSI không phải là ước tính,giao diê ̣n qua lớp thực tế hạn chế tiềm năng đạt được của MU-MIMO. Mở vòng lă ̣p sử dụng ghép nối kênh là mô ̣t cách tiếp câ ̣n mong muốn để tránh giới hạn thực tế của MU-MIMO.Miền mã đa truy nhâ ̣p không trực giao là mô ̣t chương trình mở vòng lă ̣p để ghép nhiều người sử dụng chia sẻ tài nguyên thời gian và tần số.Đa truy nhâ ̣p theo mã thưa (SCMA) là mô ̣t bảng mã dựa trên kỹ thuâ ̣t không trực giao gần với hiê ̣u suất băng tần tối ưu.Trong SCMA,bit đến sẽ được ánh xạ trực tiếp từ mã phức tạp đa chiều được lựa chọn từ bảng mã được xác định từ trước,dữ liê ̣u lan truyền được thực hiê ̣n trên các lớp siêu áp đă ̣t. SCMA phù hợp với người sử dụng ghép kênh như viê ̣c có thể phân bố các lớp mã miền cho người sử dụng khác nhay mà không cần kiến thức CSI của người sử dụng ghép nối.Trong bài báo này,nhiều người sử dụng SCMA(MU-SCMA) được đề xuất để cải thiê ̣n dung lượng mạng .Với nhu cầu rất hạn chế về kiến thức kênh cũng như chỉ số chất lượng kênh (CQI),TP chỉ đơn giản là că ̣p người dùng với nhau 15 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC trong khi công suất phát đường xuống được chia sẻ hợp lý giữa các lớp ghép.So với MU-MIMO,hê ̣ thống này là mạnh mẽ hơn chống lại thay đổi kênh.Ngoài ra vấn đề thông tin phản hồi CSI là hoàn toàn bị loại bỏ với chương trình đa truy nhâp vòng hở này. Kể từ khi các lớp không phân tách hoàn toàn trong mô ̣t hê ̣ thống đa truy nhâ ̣p không trực giao,mô ̣t máy thu phi tuyến tính là cần thiết để phát hiê ̣n các lớp dự định của mỗi người dùng.Vì vâ ̣y,nhìn xa hơn là sự phức tạp của viê ̣c phát hiê ̣n là chi phí của đa truy nhâ ̣p không trực giao là khi hê ̣ thống nă ̣ng nề quá tải với mô ̣t số lượng lớn các lớp ghép.Sự thưa thớt của từ mã SCMA cho phép chúng tôi tâ ̣n dụng lợi thế của thông điê ̣p phức tạp đi qua các thuâ ̣t toán thấp (MPA) phát hiê ̣n với hiê ̣u suẩt ML.MPA hoạt đô ̣ng tốt ngay cả khi hê ̣ thống bị quá tải với số lượng lớn các lớp. Mâ ̣t đô ̣ thấp LDS là mô ̣t dạng đă ̣c biê ̣t của SCMA.Trong LDS,từ mã được xây dựng bằng cách lan truyền các ký hiê ̣u QAM điều biến sử dụng mâ ̣t đô ̣ chữ ký lan thấp với mô ̣t vài số hiê ̣u của các yếu tố khác 0 trong mô ̣t chữ ký lớn.Bất chấp sự phức tạp phát hiê ̣n vừa phải ,LDS bị hiê ̣u suất kém nhất là đối với các kích cơ chòm lớn trên QPSK.Tất cả các chương trình CDMA và trong LDS cụ thể có thể được coi như các loại khác nhau của sự lă ̣p lại mã hóa trong các biến thể khác nhau của mô ̣t biểu tượng QAM được tạo bởi chữ ký lan rô ̣ng.Sự lă ̣p lại mã hóa không thể cung cấp hiê ̣u suất băng tần mong muốn với SNR trong mô ̣t phạm vi rô ̣ng.Để khắc phục vấn đề này,trong SCMA,bô ̣ sơ đồ QAM và hoạt đô ̣ng tuyến tính của sự thưa thớt lan rô ̣ng được sáp nhâ ̣p với nhau để trực tiếp đưa mô ̣t vecto thưa thớt phức tạp đến bản đồ bit được gọi là mô ̣t từ mã.Điều này cho phép SCMA được hưởng lợi từ viê ̣c định hình các chòm đa chiều như trái ngược với mã hóa lă ̣p lại đơn giản của chuỗi tuyến tính thưa thớt.Do đó SCMA cả thiê ̣n đáng kể hiê ̣u suất băng tần của chuỗi tuyến tính thưa thớt thông qua tăng hình đa chiều của bảng mã trong khi vẫn cung cấp các lợi ích khác về quá tải và phức tạp vừa phát hiê ̣n. Quản lý giao thoa và cường độ của các liên kết chất lượng là mối quan tâm hàng đầu trong các mạng tải nhẹ.Khi nhu cầu băng thông là thấp,việc sử dụng tài nguyên là giảm xuống.Trong LTE,lấy ví dụ với hệ thống OFDMA,đó là tương đương với việc làm câm lặng với một số khối tài nguyên trên băng thông một 16 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC TP.Trong tình hình này ,mức độ can thiệp vào một người dùng đường xuống thay đổi nhanh chóng trong mỗi khoảng thời gian lập kế hoạch ngay cả khi kênh fadinh là khá ổn định với sự thay đổi rất chậm.Mức độ nhiễu được RC tăng lên nếu phần lớn RBS của tế bào lân cận đang bị chiếm đóng và là nhỏ nhất nếu RBS tương ứng của tế bào lân cận là trống rỗng.Điều này thay đổi nhanh chóng mức độ can thiệp vào thời gian và tần số là không dự đoán trước được trong thực tế khi không có sự hợp tác của các tế bào lân cận.Hệ thống này không có sự lựa chọn để thích ứng với trường hợp kịch bản tồi tệ nhất về chất lượng kênh.Link kém liên kết thích ứng làm giảm hiệu quả của liên kết. Lan rộng trên OFDMA có thể cải thiện chất lượng của các thủ túc liên kết thích ứng do giá trị trung bình của giao thoa.Bằng cách sử dụng kỹ thuật SCMA lan rộng,sự can thiệp từ các TP khác nhau là trung bình xảy ra trên các vùng lây lan.Điều này làm cho giao thoa trắng đó có lợi thế của liên kết thích ứng tốt hơn và mạnh mẽ hơn.Ngoài ra lớp ghép thêm một mức độ tự do với khả năng liên kết thích ứng của hệ thống SCMA.Số lớp cùng với kích thước bảng mã,tỷ lệ mã hóa và mức năng lượng của các lớp ghép là các thông số đưa ra việc điều khiển tốc độ và chất lượng của mỗi liên kết. Phần này đánh giá lợi thế của SCMA trong mạng không dây đường xuống.Hai kịch bản được tạo ra là:i,một mạng nạp đầy đủ với nhu cầu băng thông cao,và ii,một mạng tải nhẹ hơn với một biến thể nhanh chóng can thiệp trong mỗi phần được kế hoạch sẵn.MU-SCMA được đề xuất và đánh giá trong một mạng tải mạnh hơn vì lợi ích của băng thông cải tiến.Các kỹ thuật liên quan đến MU-SCMA được phát triển để ghép sử dụng các nguồn tài nguyên thời gian-tần số.Tác động của giá trị nhiễu trung bình do SCMA lây lan cũng được đánh giá cho kịch bản mạng tải nhẹ. Trong suốt quá trình này, x là vecto dọc,X là đại diện cho một ma trận,1 N là một vecto giá trị 1 cơ N và I N mô tả dạng ma trận N x N . 2.2.2 SCMA đường xuống Một bộ giải mã SCMA bao gồm U người dùng, tương ứng Ju lớp, u=1,…,U. Các từ mã SCMA được mang trên K sóng mang con OFDMA. Trên đường xuống 17 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC của kênh SIMO, tín hiệu nhận của của một anten r của người dùng u 0 có thể được biểu diễn bởi: U y r u =diag(hr u ) ∑ 0 0 u=1 √ pu J x ju +n r u Ju ∑ j=1 u (3.3) 0 Với xju là từ mã SCMA thứ j của người dùng u mà ||xju||2=K và putổng công suất truyền tải trên mối sóng mang của người dùng u. Công suất của người sử dụng U u là bằng nhau giữa các lớp J u. Khi đó tổng công suất truyền tải là P= ∑ pu và tổng u =1 J số lớp là J=∑ J u. Véctơ kênh của anten nhận thứ r của người dùng u là h ru. Vectơ j=1 nhiễu của người dùng u ở anten nhận r được biểu thị bởi n ru. SCMA là một bộ điều chế không tuyến tính, do đó việc mô hình hóa nó khá phức tạp. Thay vào đó, mô hình chuỗi thưa tuyến tính được sử dụng để mô tả và xây dựng các thuật toán liên quan cho hệ thống MU-SCMA. 2.2.3 Sự tương đương giữa MIMO và chuỗi thưa tuyến tính Một chuỗi thưa tuyến tính là một phiên bản đơn giản của một kí hiệu QAM, xju=sjuqju với sju là véc tơ kí hiệu của người dùng u mà ||s ju||2=K và qju là kí hiệu QAM tương ứng của nó. Đặt Su= (s1u,…,sjuu) là ma trận kí hiệu của người dùng u, qu=( q1u,…,qjuu)T. Khi đó công thức (3.3) có thể được viết lại thành: U y r u =hr u 0 0 ∑ u=1 √ pu S q +n J u u u ru (3.4) 0 Tổng hợp tín hiệu thu của tất cả R anten, mô hình chuỗi thưa tuyến tính được biểu diễn như một hệ thống MIMO: U y u =∑ 0 u =1 √ Pu H q +n Ju u u u u 0 (3.5) 0 trong đó: y u=( y T1 u ,… , y TRu )T, nu =(nT1 u , …, n TRu)T, và H u u= hu ⨂ Su, hu = (h1 u,…,h Ru)T và dấu 0 0 ⨂ biểu thị cho phép Kronecker. Bằng việc ghép J lớp trên K sóng mang con, hệ số tải của hệ thống khi đó là J/K. 18 Nhóm 10 BÁO CÁO TIỂU LUẬN MÔN HỌC Giả sử tất cả J lớp đều cùng thuộc một người dùng, nghĩa là U=1, dung lượng của một hệ thống MIMO mở rộng được biểu diễn bởi công thức (3.6) với R nn là ma trận hiệp phương sai của nhiễu n. C=log 2 det ⁡(I RK + P H −1 H Rnn H ) J (3.6) Khái nghiệm MIMO mở rộng được dùng để chỉ một cách tiếp cận với mục đích tránh sự giới hạn người dùng của MU-MIMO. Đa truy nhập với miền mã không trực giao là một kỹ thuật mở rộng được sử dụng để ghép cặp nhiều người dùng trên nguồn tài nguyên thời gian-tần số chia sẻ. Đây là tốc độ kí hiệu (boud rate) của một hệ thống chuỗi trải phổ thưa đơn người sử dụng với vec tơ kênh, ma trận kí hiệu và công suất cho trước của một lớp. Kết quả này đúng cho điều chế QPSK, tuy nhiên sẽ có sai lệch đối với hệ thống có bậc điều chế cao hơn. Lợi ích của SCMA là bù những phần lệch hiệu năng này thông qua điều chế đa chiều. Giả sử Rnn=N1IRK, khi đó (3.6) tương đương với C=log 2 det ⁡(I RK + P N 1 H H H) J (3.7) trong đó HHH = ||h||2 ( S H PS ) (3.8) Thay (3.8) vào (3.7) ta được: γ C=log 2 det ⁡( I RK + S H PS) J (3.9) P trong đó γ := ||h||2 N là giá trị SNR tức thời của người dùng. Theo công thức (3.9), 1 tốc độ của hệ thống đơn người dùng phụ thuộc vào SNR cũng như số lượng các lớp và ma trận kí hiệu. +19 Nhóm 10