Phương thức lựa chọn relay trong truyền thông D2D với đa truy nhập phi trực giao

ông trực tiếp giữa các thiết bị với phương thức đa truy nhập phi trực giao (NOMA) thu hút rất nhiều sự quan tâm và là ứng cử viên cho mạng thế hệ thứ 5 (5G). Trong nghiên cứu này chúng tôi muốn đưa ra phương pháp để chọn được kênh truyền tốt nhất giữa các thiết bị người dùng thông qua các bộ chuyển tiếp khuếch đại (AF) dựa trên mô hình NOMA. Nghiên cứu cũng phân tích đánh giá hiệu suất của sơ đồ NOMA với các thông số của kênh truyền gần như hoàn hảo, phân tích xác suất dừng và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống để xây dựng các mô hình toán học dựa trên mô hình hệ thống theo phương pháp xác suất, sau đó thực hiện so sánh mô phỏng Monte-Carlo để cho ra kết quả phù hợp. Từ khóa: 5G, D2D, NOMA, relay, xác suất dừng ABSTRACT Direct communication between the device to device with the non-orthogonal multi-access method (NOMA) has attracted a lot of interest and is a candidate for the 5th generation network (5G). This study had proviedea method to select the best transmission channel between user devices through amplifying and forward (AF) based on the NOMA scheme. The study also analyzed the performance evaluation of the NOMA diagram assuming perfect transmission channel estimation, calculated the probability of stopping the device and the factors affecting the performance of the magnetic system. Therefore, building a mathematical models based on the system model by probability method and compared to Monte-Carlo simulation. Keywords: 5G, D2D, NOMA, relay, outage probability 1. Giới thiệu Đa truy nhập không phụ thuộc vào yếu tố trực giao và truyền thông giữa các thiết bị đã thu hút nhiều sự chú ý trên thế giới là một trong những công nghệ quan trọng trong mạng thế hệ mới. Đây được coi là một trong những công nghệ hiện đại được áp dụng trong các mạng di động với mục đích giải quyết vấn đề về nghẽn mạng và giảm tải lưu lượng cho mạng di động đồng thời tăng cường hiệu quả phổ do sự tăng trưởng lớn trong các thiết bị di động được kết nối. Một trong những ưu điểm của (NOMA) là người dùng có thể sử dụng cùng tài nguyên băng thông nhờ sự phân bổ tài nguyên không trực giao vì vậy nhiều Email: minhtriet@tvu.edu.vn PHẠM MINH TRIẾT và cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 143 thiết bị có thể truy cập vào mạng cùng lúc. Để cải thiện hiệu suất của hệ thống các tác giả trong [1] đã nghiên cứu giải pháp sử dụng NOMA kết hợp với mạng đa anten. J. Men và J. Ge đã đề xuất sơ đồ mới đó là C-NOMA nhằm tối ưu tham số phân chia công suất phát [2]. Nghiên cứu về cải thiện công suất truyền trong mô hình các mạng chuyển tiếp [3] được mô tả bởi nhóm Ding giúp tối ưu về năng lượng của hệ thống. Trong thực tế hệ thống LTE và các hệ thống khác thì không thể thiếu những kỹ thuật tiên tiến như kỹ thuật lựa chọn các thiết bị thu phát, kỹ thuật lựa chọn trạm relay, kỹ thuật chọn mô hình.v.v. Vì vậy Nguyen và các cộng sự [4] đã thực hiện phân tích về phương pháp chọn relay dựa trên NOMA kết quả cho thấy relay và NOMA cải thiện được hiệu năng của hệ thống, kết quả đã xây dựng được phương trình toán học tính xác suất dừng và đưa ra giải pháp bộ chuyển tiếp giải mã Decode-and-Forward (DF) trong sơ đồ hai giai đoạn. Cũng liên quan đến kỹ thuật lựa chọn relay T. L. Nguyen và Dinh-Thuan Do [5] đã nghiên cứu và đưa ra phương trình tiệm cận và gần đúng của tổng tốc độ trung bình trong chế độ Amplifying-and- Forward (AF). Nhóm S.Lee [6] đã nghiên cứu mô hình kết hợp lựa chọn relay trong NOMA dựa trên các yếu tố về tương quan kênh Fading sau đó tính toán xác xuất dừng của mô hình dựa trên hai giai đoạn. Những kết quả của các tác giả trên cho thấy hiệu suất của mô hình phụ thuộc vào phương pháp chọn relay. Sơ đồ đấu nối Device To Device (D2D) được coi là một kỹ thuật tiên tiến giúp giảm lượng dữ liệu truyền trong mạng nhờ các thiết bị gần nhau truyền không cần thông qua các bộ điều khiển trạm gốc. Tận dụng ưu điểm của D2D và NOMA [7]. Trong nghiên cứu này chúng tôi cung cấp một sơ đồ D2D-NOMA với phương thức là tín hiệu truyền từ thiết bị phát đến các thiết bị thu thông qua các trạm relay và đưa ra phương pháp lựa chọn phù hợp với ảnh hương của kênh Fading Rayleigh xác định. Với sơ đồ này chúng tôi đã khắc phục được hạn chế của Men và Ge [2] vì mô hình này dùng đa anten phát đa anten thu nên chi phí hệ thống sẽ rất cao và rất phức tạp để tách tín hiệu ở đầu thu. Ngoài ra kết quả nghiên cứu này sẽ giải quyết vấn đề sử dụng hiệu quả phổ, xây dựng được công thức tính xác suất dừng gần đúng nhất và các công thức này được kiểm chứng bằng phương pháp mô phỏng để xác định tính chính xác của phân tích trong NOMA. Ưu điểm của sơ đồ D2D-NOMA là có thể tìm được lựa chọn kênh truyền tốt nhất. 2. Mô hình hệ thống Mô hình cơ bản của đường xuống một hệ thống NOMA bao gồm một thiết bị ( 0U ), nhiều thiết bị khác ( 1U , 2U ) được đặt cách ( 0U ) một khoảng xa và N thiết bị đặt ở trung gian giữa ( 0U ) và ( 1U , 2U ) ( 1 2R , ,..., NR R với 1N  ), 0U muốn truyền dữ liệu của đến ( 1U , 2U ) sẽ được truyền đến một trong N bộ chuyển tiếp, nó không thể truyền ngay đến thiết bị 1U , 2U và iU bởi vì chúng có khoảng cách rất xa. Mỗi thiết bị chỉ có một anten nên sẽ hoạt động ở chế độ bán song công. Trong kiến trúc của NOMA nó bao gồm hai khe thời gian liên tiếp. Vì vậy lựa chọn thiết bị chuyển tiếp được dựa vào một số thông số để lựa chọn. Trong bài báo này để đơn giản trong quá trình tính toán nên tác giả chọn hai thiết bị di động ở xa ( 0U ) để tính toán đó là ( 1U , 2U ) không tính thiết bị iU với ảnh hưởng SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 71 (05/2020) 144 của kênh Fading, nhiễu trắng giữa 0U và NR là 0 0( 0, )N NU R U Rh CN  Fading 0 ( )0,NR CN NM  , nhiễu trắng giữa NR và iU , 1,2i  là (0 ) , N i N iR U R U g CN  và 0( ) 0,N iR U CN NM  . 1U và 2U kết hợp với nhau dựa vào NOMA. Hình 1. Mô hình hệ thống NOMA lựa chọn relay [8] Trong khe thời gian thứ nhất, 0U sẽ gửi dữ liệu của nó đến các 1 2R , ,..., NR R được thực hiện theo công thức sau: 0 0 01 0 021 2U U U U U x P x P x    (1) Với 1 và 2 là các hệ số phân bố công suất. 01U x và 02U x là dữ liệu cho 1U và 2U . 0U P là công suất phát của 0U . Dựa vào NOMA ta giả định 1 2   với 1 2 1   . Tại NR tín hiệu nhận được là:   0 0 0 0 01 0 021 2 N N N N N R U R U R U R U U U U R y h x M h P x P x M        (2) Giả định công suất truyền là như nhau, 1 2 0 ... NR R R U P P P P P     . Tín hiệu trên nhiễu trung bình SNR 0 0 U P N   , và biến ngẫu nhiên là 0 0 2 NN U U R H h và 0 2 N iiN U R U Q g của tín hiệu trên nhiễu cho 0 NU R và N iR U . Trong khe thời gian thứ hai SINR tại NR của đường liên kết chọn 01Ux được tính như sau: 0 01 1 , 2 1 N U N U R x N H H      (3) Tại NR của đường liên kết 02Ux SINR được tính bằng cách triệt nhiễu liên tiếp và được tính như sau: 0 02 , 2N UU R x N H   (4) Với tín hiệu truyền tới từ 0U , bộ chuyển tiếp sẽ truyền N NR N R x G y đến ( 1U , 2U ), độ lợi của bộ chuyển tiếp tại khe thời gian thứ hai được tính như sau: PHẠM MINH TRIẾT và cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 145 0 0 2 2 0 N N R N U U R P G P h N   (5) Thông tin tín hiệu được truyền đến 1U và 2U thông qua bộ chuyển tiếp bởi NR như sau: 1 1 1 1 0 0 01 1 0 0 02 1 1 1 2 N N N N N N N N N N N R U R U R R U R U U R U U R U U R U U R U R R U y g x M Gg h P x Gg h P x Gg M M         (6) 2 2 2 2 0 0 01 2 0 0 02 2 2 1 2 N N N N N N N N N N N R U R U R R U R U U R U U R U U R U U R U R R U y g x M Gg h P x Gg h P x Gg M M         Theo khe thời gian thứ nhất SINR ở 1U của đường truyền từ trạm chuyển tiếp đến 1U được tính như sau: 1 01 1 1 , 2 1 1 1 N U N N R U x N N N N H Q H Q H Q        (7) SINR ở 2U của đường truyền từ trạm chuyển tiếp đến 2U để loại bỏ 01Ux , được tính như sau: 2, 01 02 1 2 2 2 2 1 N U N N R U x N N N N H Q H Q H Q         2 02 2 2 , 2 1 N U N N R U x N N H Q H Q      (8) 3. Xác suất dừng hoạt động Để đảm bảo được các yêu cầu về chất lượng dịch vụ đòi hỏi phải xem xét đến yếu tố xác suất dừng [8]. Vì vậy mỗi thiết bị trong mô hình sẽ được cung cấp các ngưỡng SNR riêng ith  , 1,2i  . Bước kế tiếp sẽ phân tích xác suất dừng của hai thiết bị được gửi dữ liệu đến là 1U và 2U . Khi phân tích mô hình ta giả định các ngưỡng SINR của ( 1U , 2U ) là như nhau 1 2th th th     . 3.1. Xác suất dừng ở 1U để lấy được tín hiệu 01U x Đầu tiên ta tính được xác suất dừng ở nút chuyển tiếp được chọn *NR có liên quan đến tín hiệu 01U x và 02U x . Các hàm phân phối tích lũy (CDFs) của biến ngẫu nhiên *NH và *iNQ theo công thức trên là:   0 * 0 * 1 11 exp 1 exp 1 ( ) N N N th H th n n N U R N n U th R F N n                                           * exp1 i iN N t R Q th U hF              (9) Trong đó *0 0 0N N URU U R   và * *0i iN NR U R UU    đại diện giá trị trung bình SNRs của các đường từ *0 NU R và * iNR U . Trong mô hình NOMA xác suất dừng sẽ xảy ra nếu thực hiện chuyển tiếp không thành công, vì vậy xác suất dừng được tính toán bằng công thức sau:     1 ,01 1 01 1 , N U R U xN UR U x th th O P Fr     (10) Trong đó       * * ,1 01 * * * * 1 1 2 1 1 1 21 1 Pr P 1 r R U xN U N N th th N N N N th th th thN N N H Q H Q H Q H Q Q F                            (11) Dựa vào công thức (11), nếu  1 1 2 0N th thQ       thì xác suất dừng sẽ chắc chắn xảy ra, trong khi nếu  1 1 2 0N th thQ       hoặc 1 1 2 th thN th Q         thì xác suất dừng chưa chắc xảy ra, có thể có hoặc không. Nên xác suất dừng được tính như sau: SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 71 (05/2020) 146             ,1 101 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 R U xN NU N N th N N N th N N N th thth Q th th H Q th th thQ H Q th th thQ H Q th F F z F f z z F F z dz z dz z dz f z z F F f z                                                                                   (12) Với f là hàm mật độ xác suất (PDF) của kênh ,   1 x f x e     . Ta được:         0 * * 1 0 ,1 101 1 * 1 1 1 1 1 1 1 exp 1 1 1 1 ex ( ) p ) ( R U xN N N N U th N N thth Q n th Q th n th t N n h U R N n R U U R N n z d F F zn f z N z n z n z                                                                                 * 1 0 * * 1 1 1 1 exp 1 1( 1 exp 2 2 ) N t N N h n t R U N n U R R U h z d k N N n z                                            (13) Trong đó 0 * * 1N N th th th U R R U n         Kết quả xác suất dừng ở 1U để lấy được tín hiệu 01U x được phân tích mô tả như sau:   0 * * 1 1 1 1 1 1 ( )1 1 exp 2 2 N N n N n U R t U h R N n n O N                               (14) 3.2. Xác suất dừng ở 2U để lấy được tín hiệu 02U x Tại thiết bị 2U đầu tiên sẽ yêu cầu nhận và loại trừ đi tín hiệu của 1U , xác suất dừng ở 2U phụ thuộc vào xác suất dừng ở giai đoạn đầu tiên và giai đoạn thứ hai. Vì vậy xác suất dừng ở 2U được tính như sau:    2, 01 02 1 2 * 2 02 ,2 UNN UR U x th thR U I I xO Pr Pr       (15) Khi có xác suất dừng ở 1U để tìm được tín hiệu 01U x , thì xác suất dừng ở 2U tìm được tín hiệu 02U x theo công thức (16):     2, 0 * 0 * 2 01 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ex ( 2 2 ) p N U N N R U x N n U R h R t U th n N n I Pr n N                                     (16) Trong đó 0 * * 2 1 N N th th t U R R U hn          ,* 2 02 * * ,* 2 02 * * 2 2 2 2 Pr 1 R U x UN R U x UN th N N th N N H Q H Q I F                 (17)         * * ,* 2 02 * * 0 * 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 2 2 2 1 1 Pr 1 1 1 1 1 exp( ) R U x UN N N N N N N th N N th th th Q Y Q th th nth Q t N n U R h Q H Q z F F f z dz z z n F F n z N                                                                                   * 2 0 * 2 2 * 2 0 * * 2 2 1 2 2 1 2 1 1 ( ) ex 1 1 1 1 exp 1 1 1 e) xp p ( N N t t N N N h N h N n R U U R R U N n U R Q th n th n U h R t N z n f z dz z n dz nN z n                                                                                    2 1 22 2N           (18) Trong đó 0 * * 2 2 2 2 1 N N th th U R R U n              . 2 1 2O I I  (19) 3.3. Các tiêu chí để lựa chọn bộ relay Để tách tín hiệu 02U x tại 2U , trước tiên PHẠM MINH TRIẾT và cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 147 nó sẽ thu được tín hiệu của 01U x sau đó sử dụng bộ lọc SIC để tách tín hiệu của nó. Vì thế, xác suất dừng để thu được tín hiệu có liên quan đến 1U và 2U nên được thực hiện như sau:  * 2 * 1 2,02 01 02011 1 2, , , ,U N UUN NR U x R U x R U xth th thS O O         (20) Tiêu chí lựa chọn relay được xác định như sau: 0 * arg max NU R n  and * 1,2...,N max nn n H H   (21) Trong đó 0 NU R  là SNR tại bộ chuyển tiếp N . 4. Kết quả mô phỏng Trong phần này để mô tả xác suất dừng và phương thức lựa chọn relay trong truyền thông D2D được thực hiện bằng phương pháp mô phỏng tiến hành tương ứng. Các tham số được xác định giá trị cụ thể để đưa ra các kết quả tương ứng để có sự so sánh phù hợp. Những kết quả mô phỏng được xử lý bằng phần mềm Matlab dựa trên các công thức đã đưa ra sau đó so sánh với phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Phương pháp mô phỏng Monte Carlo là phương pháp thử thống kê biểu diễn nghiệm các bài toán dưới dạng các tham số và sử dụng dãy số ngẫu nhiên để xây dựng mẫu từ đó thu được ước lượng thống kê của các tham số. Nói cách khác, phương pháp Monte Carlo cung cấp những lời giải gần đúng cho các bài toán bằng cách thực hiện các thí nghiệm lấy mẫu thống kê sử dụng số ngẫu nhiên và được thực hiện bằng các công cụ toán học. Trong bài báo này tất cả những kết quả mô phỏng đã được xử lý thông qua việc lấy trung bình của các thử nghiệm ngẫu nhiên trong khoảng 610 . Trong bài báo này những kết quả của nhóm tác giả được dùng để đánh giá hiệu suất dừng của hai thiết bị cách xa trong mô hình NOMA với những kết quả có được theo phương pháp mô phỏng Monte Carlo. Hình 2. Xác suất dừng tại 1U , 1 0.8  , 0 11, 10, 1N NU R R U th     . SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 71 (05/2020) 148 Trong Hình 2 kết quả mô phỏng hiển thị xác suất dừng SNR 0U khi số lượng các bộ chuyển tiếp thay đổi giúp chuyển tiếp tín hiệu để truyền thông giữa thiết bị gần với thiết bị xa. Trong mô phỏng này tác giả phân bổ công suất trong mô hình NOMA cho các thiết bị ở xa và kết quả cho thấy mô hình được đưa ra với nhiều trạm chuyển tiếp sẽ có nhiều ưu điểm so với mô hình chỉ dùng một nút relay. Khi SNR lớn thì khoảng cách hiệu suất sẽ tăng từ trong Hình 2 ta thấy rằng xác suất dừng ở số lượng relay bằng hai hoặc ba gần như nhau điều này có nghĩa là xác suất dừng chỉ xảy ra ở số lượng chuyển tiếp ít. Trong Hình 2 chứng tỏ rằng D2D-NOMA giúp tăng đáng kể hiệu suất dừng ở thiết bị thứ nhất với SNR cao. Đặc biệt là các đường cong dựa theo phân tích hoàn toàn tương ứng với kết quả theo mô phỏng Monte-Carlo. Hình 3. Xác suất dừng tại 2U , 1 0.8  , 0 21, 1, 1N NU R R U th     . Trong hình trên khi số lượng relay cao thì xác suất dừng để tách tín hiệu của 2U được cải thiện với tất cả các SNR có nghĩa là khi ta sử dụng nhiều trạm chuyển tiếp sẽ đem lại nhiều lợi ích, giúp nâng cao độ tin cậy trong mạng NOMA. PHẠM MINH TRIẾT và cộng sự TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN 149 Hình 4. So sánh xác suất dừng giữa 1O và 2O , 1 0.8  , 0 1 21, 10, 1N N NU R R U R U     . Trong Hình 4 cho thấy số lượng nút chuyển tiếp trong mô hình sẽ ảnh hưởng nhiều đến xác suất dừng ở tất cả các SNR. Với số lượng trạm chuyển tiếp được chọn tại các giá trị SNR cụ thể của thiết bị phát, tại 1U và 2U có xác xuất dừng là gần giống nhau và chỉ khác khi SNR lớn và chúng ta thấy rằng việc thay đổi số lượng trạm chuyển tiếp trong mô hình D2D-NOMA làm ảnh hưởng đến xác suất dừng của cả mô hình và xác suất dừng sẽ được cải thiện khi SNR tăng đáng kể. Hình 5. So sánh xác suất dừng của hệ thống D2D-NOMA SCIENTIFIC JOURNAL OF SAIGON UNIVERSITY No. 71 (05/2020) 150 Trong Hình 5 mô phỏng xác suất dừng của hệ thống D2D-NOMA trong trường hợp dùng một bộ relay và dùng ba bộ relay. Kết quả trên cho thấy hệ thống D2D-NOMA khi sử dụng ba bộ relay thì xác suất dừng của hệ thống được cải thiện rất nhiều so với hệ thống chỉ sử dụng một bộ relay. 5. Kết luận Trong bài báo này tác giả đã xây dựng mô hình kết hợp D2D và NOMA để đạt được mục tiêu chính là nâng cao hiệu quả phổ của mô hình và đã xây dựng được sơ đồ lựa chọn nút chuyển tiếp để có được điều kiện kênh truyền tốt nhất cho các thiết bị. Hiệu suất của mô hình đưa ra được đánh giá dựa vào việc phân tích xác suất dừng trong các phép toán, các hệ số phân bố xác suất và xác suất dừng của mô hình. Thông qua mô phỏng đã chứng minh rằng các kết quả của tác giả đưa ra là phù hợp. Kết quả mô phỏng có thể dễ dàng nhận ra rằng số lượng nút chuyển tiếp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của mô hình. Mô hình tác giả đưa ra có thể làm tăng hiệu quả phổ của hệ thống dựa trên sơ đồ D2D- NOMA. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J. B. Kim, M. S. Song, I-H Lee, “Achievable rate of best relay selection for non- orthogonal multiple access-based cooperative relaying systems”, International conference on information and communication technology convergence (ICTC), 960– 962, 2016. [2] J. Men, J. Ge, “Non-orthogonal multiple access for multiple-antenna relaying networks”, IEEE Communications Letters, 19(10), 1686–1689, 2015. [3] Z. Ding, H. Dai, H. V. Poor, “Relay selection for cooperative NOMA”, IEEE Communications Letters, 5(4), 416–419, 2016. [4] Tan. N. Nguyen, Dinh-Thuan Do, P. T. Tran and M. Voznak, “Time Switching for Wireless Communications with Full-Duplex Relaying in Imperfect CSI Condition”, KSII Transactions on Internet and Information Systems, 10(9), 4223-4239, 2016. [5] T. L. Nguyen, Dinh-Thuan Do, “A new look at AF two-way relaying networks: energy harvesting architecture and impact of co-channel interference”, Annals of Telecommunications, 72(11), 669-678, 2017. [6] S. Lee, D. B. da Costa, T. Q. Duong, “Outage probability of Non-Orthogonal Multiple Access Schemes with partial Relay Selection”, 2016 IEEE 27th Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), 1–6, 2016. [7] M. Xu, F. Ji, M. W. Wen, W. Duan, “Novel receiver design for the cooperative relaying system with non-orthogonal multiple access”, IEEE Communications Letters, 20(8), 1679–1682, 2016. [8] Deyue Zou, Dan Deng, Yanyi Rao, Xingwang Li, Kai Yu, “Relay selection for cooperative NOMA system over correlated fading channel”, Article in Physical Communication, 1-7, 2019. Ngày nhận bài: 09/7/2019 Biên tập xong: 15/5/2020 Duyệt đăng: 20/5/2020