Đa truy nhập phi trực giao (NOMA, Non-Orthogonal Multiple Access)

1. Tổng quan

A. Định nghĩa

Công nghệ đa truy nhập cấp phát chồng chập cùng một tài nguyên thời gian·tần số cho nhiều người dùng dựa trên chênh lệch công suất (hoặc mã), và tại phía thu tách tín hiệu bằng khử nhiễu liên tiếp (SIC). Khác với phương thức trực giao hiện có (OMA), NOMA không chia tài nguyên mà dùng chồng lên nhau, nhờ đó nâng cao đáng kể hiệu suất phổ tần và dung lượng phục vụ.

Chìa khóa để hiểu NOMA là sự chuyển đổi tư duy 'không chia tài nguyên mà dùng chồng lên nhau'. Đa truy nhập trực giao (OMA, Orthogonal Multiple Access) truyền thống chia cho mỗi người dùng thời gian (TDMA)·tần số (FDMA)·mã (CDMA)·sóng mang con (OFDMA) không chồng lấn (trực giao) để chúng không gây nhiễu cho nhau. Phương thức này có xử lý thu đơn giản và ổn định, nhưng vì tài nguyên bị giới hạn về mặt vật lý nên mang giới hạn căn bản là số lượng tài nguyên trực giao chính là trần số người dùng có thể phục vụ.

NOMA đảo ngược tiền đề này. Nhiều người dùng cùng dùng chung một thời gian·tần số, nhưng được cấp cường độ công suất (Power Domain) khác nhau. Trạm gốc cấp công suất yếu cho người dùng có kênh tốt (ở gần) và công suất mạnh cho người dùng có kênh xấu (ở xa), chồng nhiều tín hiệu thành một (mã hóa chồng chập, Superposition Coding) rồi truyền đi. Tại phía thu, kỹ thuật khử nhiễu liên tiếp (SIC, Successive Interference Cancellation) lần lượt khôi phục·loại bỏ từ tín hiệu có công suất mạnh để tách ra tín hiệu của chính mình. Nhờ vậy có thể phục vụ đồng thời nhiều người dùng hơn trên cùng tài nguyên và nâng cao hiệu suất phổ tần, nên NOMA liên tục được nghiên cứu như một công nghệ ứng viên cho 5G/6G — nơi đòi hỏi siêu kết nối.

B. Bối cảnh xuất hiện và sự cần thiết

Đằng sau sự nổi lên của NOMA là mâu thuẫn mang tính cấu trúc 'tần số thì hữu hạn nhưng nhu cầu truy nhập bùng nổ'. Khi số thiết bị truy nhập tăng vọt do Internet vạn vật (IoT)·siêu kết nối, số thiết bị đầu cuối mà một ô (cell) phải phục vụ đã lớn hơn không thể so sánh với thời kỳ truyền thông lấy con người làm trung tâm. Đặc biệt, trong ba kịch bản sử dụng do 5G định nghĩa, mMTC (truyền thông kiểu máy quy mô lớn) phải phục vụ số lượng cực lớn thiết bị tốc độ thấp trong một khu vực hẹp, và OMA — vốn chia từng tài nguyên trực giao một — khó đáp ứng được mật độ này.

Ngoài ra, phổ tần hữu hạn là tài nguyên quốc gia với chi phí đấu giá·phân bổ rất cao, nên chở được bao nhiêu thông tin·người dùng trên cùng một băng thông (hiệu suất phổ tần, spectral efficiency) trở thành năng lực cạnh tranh cốt lõi của nhà mạng di động. NOMA có thể nâng trần lý thuyết của hiệu suất này bằng cách dùng chồng tài nguyên, nên đã được nghiên cứu như một phương án thay thế triển vọng để vượt qua giới hạn dung lượng của OMA.

2. Nguyên lý hoạt động — Chồng chập công suất và SIC

Hoạt động của NOMA có thể hiểu theo hai trục 'chồng lên ở phía phát, bóc tách ở phía thu'. Sơ đồ khái niệm dưới đây thể hiện cấu trúc tổng thể của NOMA đường xuống.

flowchart TB
  BS["Trạm gốc (Base Station)"] --> SC["Mã hóa chồng chập (cấp công suất phân biệt)"]
  SC --> CH["Cùng một kênh thời gian·tần số"]
  CH --> U1["Người dùng ở gần (cấp công suất yếu)"]
  CH --> U2["Người dùng ở xa (cấp công suất mạnh)"]
  U1 --> SIC1["SIC: khôi phục·loại bỏ tín hiệu người dùng xa trước rồi dò tín hiệu của mình"]
  U2 --> DIRECT["Tín hiệu mạnh nên dò ngay"]
  style SC fill:#e8f0fe,stroke:#2f6fed,stroke-width:2px

Trạm gốc gộp tín hiệu của hai người dùng thành một với công suất khác nhau rồi gửi trên cùng tài nguyên. Nguyên lý quan trọng ở đây là 'cấp công suất lớn hơn cho người dùng có kênh xấu'. Nghe có vẻ ngược trực giác, nhưng người dùng có kênh xấu (ở xa) bị suy hao tín hiệu lớn nên ngay từ đầu phải mang công suất mạnh mới bảo đảm được chất lượng thu tối thiểu, còn người dùng có kênh tốt (ở gần) thì công suất yếu cũng đủ. Chính tính bất đối xứng trong phân bổ công suất này là chìa khóa giúp SIC khả thi.

Người dùng ở xa (công suất mạnh) có tín hiệu của mình chiếm phần lớn tổng công suất thu, nên coi tín hiệu yếu của người dùng ở gần như nhiễu và dò ngay tín hiệu của mình. Ngược lại, người dùng ở gần (công suất yếu) trước tiên khôi phục tín hiệu của người dùng ở xa có công suất mạnh, trừ nó khỏi tín hiệu thu (khử nhiễu), rồi mới dò tín hiệu của mình từ phần tín hiệu còn lại. Quá trình 'lần lượt bóc tách từ cái mạnh nhất' này là bản chất của SIC, và là lý do mỗi người dùng có thể tách được tín hiệu của mình dù nhiều người dùng bị chồng lên nhau.

Nhìn quá trình này từ góc độ quy trình, có thể tổng hợp thành chuỗi xử lý tuần tự như sau.

flowchart LR
  R["Thu tín hiệu chồng chập"] --> D1["Khôi phục tín hiệu mạnh nhất"]
  D1 --> C1["Tái tạo tín hiệu đã khôi phục rồi loại bỏ"]
  C1 --> Q{"Có phải tín hiệu của mình?"}
  Q -- "Có" --> OUT["Hoàn tất dò tín hiệu"]
  Q -- "Không" --> D1
  style D1 fill:#e8f0fe,stroke:#2f6fed,stroke-width:2px

Do cấu trúc tuần tự này, hiệu năng của NOMA phụ thuộc lớn vào độ chính xác của SIC. Nếu ở bước trước không khôi phục·loại bỏ chính xác tín hiệu mạnh, sai số đó lan truyền nguyên vẹn sang việc dò tín hiệu phía sau (lan truyền lỗi, Error Propagation), khiến hiệu năng giảm mạnh. Do đó, trong hiện thực thực tế, tối ưu phân bổ công suất, ghép cặp người dùng (ghép những người dùng nào với nhau) và độ chính xác ước lượng kênh trở thành các biến số cốt lõi của thiết kế.

Hãy cụ thể hóa nguyên lý bằng một ví dụ số đơn giản. Giả sử trạm gốc chia tổng công suất cho hai người dùng: 80% cho người dùng ở xa có kênh xấu, 20% cho người dùng ở gần có kênh tốt (các giá trị chỉ là ví dụ minh họa). Với người dùng ở xa, tín hiệu của mình chiếm phần lớn công suất thu, còn tín hiệu 20% của người dùng ở gần tương đối yếu nên dù xử lý như nhiễu vẫn dò được. Người dùng ở gần có kênh tốt, tỷ số tín hiệu trên nhiễu cao, nên trước tiên khôi phục·loại bỏ một cách dư dả tín hiệu mạnh 80% (của người dùng ở xa), rồi dò sạch sẽ tín hiệu 20% thuộc phần mình. Như vậy, trực giác cốt lõi của NOMA là khi tính bất đối xứng của tỷ lệ công suất và tính bất đối xứng của độ lợi kênh ăn khớp với nhau, hai người dùng dù dùng cùng tài nguyên vẫn khôi phục được tín hiệu của riêng mình.

C. Khác biệt giữa đường xuống và đường lên

NOMA có dạng hoạt động khác nhau ở đường xuống (Downlink, trạm gốc→thiết bị đầu cuối) và đường lên (Uplink, thiết bị đầu cuối→trạm gốc). Ở đường xuống, trạm gốc biết tín hiệu của mọi người dùng và kiểm soát công suất để chồng lên, nên trạm gốc có thể tối ưu đồng bộ mã hóa chồng chập và phân bổ công suất, còn SIC do từng thiết bị đầu cuối thực hiện. Ngược lại, ở đường lên, các thiết bị đầu cuối ở những vị trí khác nhau phát độc lập nên tín hiệu tự nhiên đến trạm gốc với công suất khác nhau, và SIC do trạm gốc thực hiện. NOMA đường lên dễ kết hợp với phương thức không cấp phép trước (Grant-free) — truyền ngay mà không cần yêu cầu lập lịch —, nên đặc biệt được chú ý trong các kịch bản IoT quy mô lớn cần giảm độ trễ truy nhập. Tuy nhiên, việc điều khiển công suất giữa các thiết bị đầu cuối khó khăn và có khả năng xung đột, nên năng lực tách tín hiệu của trạm gốc trở nên quan trọng hơn so với đường xuống.

3. Các công nghệ thành phần cốt lõi

NOMA vận hành nhờ ba công nghệ thành phần ăn khớp hữu cơ với nhau. Mỗi công nghệ không tồn tại đơn lẻ mà là tiền đề của nhau.

Phân bổ công suất (Power-domain Multiplexing) là điểm xuất phát của NOMA. Dựa trên thông tin trạng thái kênh (CSI), cường độ công suất được cấp phân biệt theo từng người dùng, và sự phân bổ này quyết định sự cân bằng giữa tính công bằng (Fairness) và tổng dung lượng (Sum-rate) của toàn ô. Nếu không nới đủ chênh lệch công suất thì SIC không phân biệt được tín hiệu, còn nếu nới quá rộng thì phát sinh bất công khi chỉ một người dùng nhất định nhận được chất lượng tốt.

Mã hóa chồng chập (Superposition Coding) là kỹ thuật phía phát gộp tín hiệu của nhiều người dùng với công suất khác nhau thành một để truyền. Về mặt lý thuyết thông tin, nó được biết đến là kỹ thuật đạt dung lượng của kênh quảng bá (Broadcast Channel), và có thể xem NOMA là việc áp dụng lý thuyết lâu đời này vào đa truy nhập thực tế.

Khử nhiễu liên tiếp (SIC) là kỹ thuật cốt lõi của phía thu; như đã giải thích, nó khôi phục·loại bỏ từ tín hiệu mạnh để tách tín hiệu của mình. Phần lớn độ phức tạp của bộ thu phát sinh ở đây, nên trong môi trường IoT nơi năng lực tính toán và mức tiêu thụ điện của thiết bị đầu cuối bị hạn chế, cần có sự thỏa hiệp thực tế là giới hạn số tầng SIC (số người dùng chồng đồng thời). Chia quy trình xử lý của SIC thành các bước như sau.

① Sắp xếp: từ tín hiệu chồng chập thu được, xác định thứ tự xử lý bắt đầu từ tín hiệu có công suất mạnh (độ lớn công suất = thứ tự ưu tiên xử lý).
② Khôi phục: giải điều chế·giải mã (decoding) tín hiệu mạnh nhất trước để ước lượng dữ liệu.
③ Tái tạo: dùng dữ liệu đã ước lượng để tạo lại tín hiệu đó (điều chế lại), khôi phục dạng sóng ban đầu.
④ Loại bỏ: trừ tín hiệu tái tạo khỏi tín hiệu thu để khử nhiễu.
⑤ Lặp·kết thúc: lặp lại ②~④ với tín hiệu còn lại, khi đến tín hiệu của mình thì kết thúc việc dò.

Trong quy trình này, nếu bước khôi phục ② sai thì việc loại bỏ ở ③~④ trở nên không chính xác và lỗi lan truyền về sau, nên khó khăn căn bản của thiết kế SIC là độ chính xác của từng bước được nối với nhau như một chuỗi xích.

Công nghệ	Vị trí	Vai trò	Thách thức cốt lõi
Phân bổ công suất	Phát	Cấp công suất phân biệt theo trạng thái kênh	Cân bằng tổng dung lượng-công bằng
Mã hóa chồng chập	Phát	Chồng nhiều tín hiệu để truyền	Đạt dung lượng kênh quảng bá
SIC	Thu	Loại bỏ·tách từ tín hiệu mạnh	Độ phức tạp·lan truyền lỗi

4. So sánh với OMA — Lý do phát sinh khác biệt

Khác biệt giữa NOMA và OMA không đơn thuần là 'hiệu suất đối lập với sự đơn giản' mà bắt nguồn từ khác biệt về triết lý xử lý nhiễu. OMA là chiến lược 'tránh nhiễu (interference avoidance)' — tách tài nguyên trực giao để nhiễu ngay từ đầu không phát sinh —, còn NOMA là chiến lược 'quản lý nhiễu (interference management)' — chấp nhận nhiễu nhưng chủ động loại bỏ ở phía thu. Khác biệt quan điểm này tạo ra mọi khác biệt về đặc tính về sau.

Tiêu chí	OMA (trực giao)	NOMA (phi trực giao)
Cấp phát tài nguyên	Tách theo người dùng (trực giao)	Chia sẻ chồng chập cùng tài nguyên
Xử lý nhiễu	Tránh (chặn tận gốc bằng trực giao)	Quản lý (loại bỏ bằng SIC)
Cách phân biệt	Tách thời gian·tần số·mã	Chênh lệch công suất (hoặc mã)
Xử lý thu	Đơn giản (độ phức tạp thấp)	Khử nhiễu liên tiếp (độ phức tạp cao)
Hiệu suất phổ tần	Tương đối thấp	Cao
Dung lượng phục vụ	Bị giới hạn bởi số tài nguyên trực giao	Lớn (siêu kết nối)
Độ trễ·điện năng	Thấp	Tăng do SIC

Hàm ý thực tế quan trọng nhất trong bảng này là 'không có bữa trưa miễn phí'. Cái giá để NOMA nâng hiệu suất phổ tần và dung lượng phục vụ là độ phức tạp bộ thu·độ trễ tính toán·mức tiêu thụ điện tăng lên và phát sinh rủi ro lỗi SIC. Do đó NOMA không vượt trội trong mọi tình huống, mà lợi ích được tối đa hóa khi ghép những người dùng có chênh lệch độ lợi kênh lớn. Giữa những người dùng có trạng thái kênh tương tự nhau thì khó nới rộng chênh lệch công suất nên SIC hoạt động không tốt, và khi đó OMA lại có thể có lợi hơn.

Làm ví dụ cụ thể, nếu ghép thành một cặp người dùng ở xa tại biên ô và người dùng ở gần sát trạm gốc thì chênh lệch độ lợi kênh lớn nên lợi ích của NOMA lớn. Ngược lại, nếu cả hai người dùng đều ở trung tâm ô với khoảng cách tương tự thì việc phân biệt trong miền công suất trở nên mơ hồ. Vì thế, trong các thảo luận chuẩn hóa thực tế, NOMA đã được xem xét không phải như phương thức độc lập mà ở dạng đặt tùy chọn lên trên OFDMA, hoặc dạng kết hợp với MIMO·beamforming.

5. Chuyên sâu — Xu hướng chuẩn hóa và hướng tiến hóa

NOMA đã được nghiên cứu lâu dài như một công nghệ ứng viên triển vọng, nhưng khó có thể khẳng định rằng nó đã được chấp nhận toàn diện vào các chuẩn thông tin di động thương mại. 3GPP trong quá trình chuẩn hóa 5G NR đã xem xét nhiều ứng viên đa truy nhập, và NOMA miền công suất là một trong số đó, nhưng được biết là vì các lý do như độ phức tạp bộ thu và mức độ chín muồi tại thời điểm chuẩn hóa, dòng OFDMA vẫn được giữ làm đa truy nhập cơ bản của 5G. Tuy nhiên, các kỹ thuật mang tính NOMA đang được tận dụng·nghiên cứu một phần trong các kịch bản như quảng bá·chuyển tiếp (relay)·một số kịch bản đường lên đặc thù, và phạm vi chấp nhận chi tiết khác nhau theo phiên bản (release) và thời điểm, nên hiểu một cách khái quát là an toàn hơn.

Hướng tiến hóa kỹ thuật về đại thể có hai nhánh. Thứ nhất là mở rộng sang NOMA miền mã (Code-domain). Đây là phương thức phân biệt người dùng bằng mã thưa (SCMA, Sparse Code Multiple Access) hoặc mã trải phổ mật độ thấp thay cho miền công suất, hướng tới truy nhập quy mô lớn đồng thời giảm độ phức tạp SIC. Thứ hai là kết hợp với MIMO·beamforming (MIMO-NOMA). Đây là cấu trúc phân cấp tận dụng đồng thời miền không gian (anten·chùm tia) và miền công suất, trong đó bên trong nhóm người dùng đã được chia bằng chùm tia lại dùng NOMA để chồng và phục vụ.

Từ góc nhìn 6G, NOMA đang được chú ý trở lại trong môi trường đồng thời đòi hỏi siêu kết nối (vô số thiết bị IoT) và siêu độ trễ thấp·độ tin cậy cao. Đặc biệt, khi kết hợp với truy nhập đường lên không cấp phép trước (Grant-free), thiết bị đầu cuối truyền ngay mà không qua thủ tục yêu cầu lập lịch và trạm gốc tách các tín hiệu chồng nhau, nhờ đó giảm mạnh độ trễ truy nhập, nên được thảo luận như ứng viên cho kịch bản kết hợp mMTC·URLLC. Tuy nhiên đây cũng là lĩnh vực đang trong quá trình nghiên cứu·chuẩn hóa, nên chính xác hơn là không khẳng định nó là công nghệ thương mại đã được xác lập.

Tổng hợp các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu đang được xem xét sẽ giúp hiểu cụ thể hơn. Thứ nhất là vệ tinh·mạng phi mặt đất (NTN). Ô vệ tinh có vùng phủ rộng nên chênh lệch độ lợi kênh giữa người dùng tự nhiên bị nới rộng, tiền đề của NOMA (bất đối xứng công suất·kênh) được thỏa mãn tốt, nên được nghiên cứu như phương án phục vụ nhiều thiết bị bằng tài nguyên vệ tinh hạn chế. Thứ hai là các môi trường có mật độ người dùng và độ lệch kênh lớn như truyền thông phương tiện (V2X)·ô nhỏ sóng milimet. Thứ ba là trường hợp như quảng bá·multicast, dùng một tài nguyên để truyền phân cấp nội dung có chất lượng khác nhau tới nhiều người nhận (mã hóa phân cấp). Điểm chung của các trường hợp này là đều 'chênh lệch độ lợi kênh lớn hoặc tài nguyên cực kỳ hạn chế', qua đó cho thấy ngược lại khi nào NOMA mang lại lợi ích.

6. Những điểm cần cân nhắc và hàm ý (góc nhìn Kỹ sư chuyên nghiệp)

Độ phức tạp và lan truyền lỗi của SIC là thách thức lớn nhất. SIC — loại bỏ tuần tự tín hiệu ở phía thu — có khối lượng tính toán tăng theo số người dùng, và lỗi khôi phục tín hiệu trước lan truyền về sau. Trong IoT nơi điện năng·tính toán của thiết bị đầu cuối bị hạn chế, thiết kế thực tế là giới hạn số người dùng ghép kênh đồng thời (số tầng SIC) hoặc thỏa hiệp với kỹ thuật miền mã có độ phức tạp thấp.
Ghép cặp người dùng và phân bổ công suất chi phối hiệu năng. Phải ghép những người dùng có chênh lệch độ lợi kênh lớn thì lợi ích mới lớn, nên bộ lập lịch phải tối ưu theo thời gian thực việc chồng những người dùng nào với nhau (pairing) và chia công suất ra sao (power allocation). Đây là bài toán giải đánh đổi giữa tối đa hóa tổng dung lượng và tính công bằng giữa người dùng, là thách thức thuật toán cốt lõi trong thực tiễn NOMA.
Ước lượng kênh chính xác và phản hồi CSI là tiền đề. Cả phân bổ công suất lẫn SIC đều phụ thuộc vào thông tin trạng thái kênh (CSI), nên nếu sai số ước lượng kênh·độ trễ phản hồi lớn thì lợi thế của NOMA bị triệt tiêu. Trong những tình huống kênh biến đổi nhanh như môi trường di chuyển tốc độ cao, tiền đề này yếu đi và ưu thế so với OMA có thể giảm.
Cần đánh giá tỉnh táo mức độ chín muồi về chuẩn hóa·thương mại hóa. NOMA có lợi ích lý thuyết rõ ràng, nhưng do độ phức tạp bộ thu·chi phí hiện thực·sự tương thích với chuẩn hiện có nên cần phán đoán thận trọng về thương mại hóa toàn diện. Từ góc nhìn Kỹ sư chuyên nghiệp, hợp lý là định vị nó như công nghệ 'triển vọng nhưng phụ thuộc tình huống', và đề xuất chiến lược áp dụng chọn lọc cho các kịch bản cụ thể có lợi ích lớn như mMTC·Grant-free.
Tiến hóa thông qua kết hợp với các công nghệ khác là lộ trình thực tế. Thay vì thay thế OMA như một phương thức độc lập, hướng đi thực chất là kết hợp với MIMO·beamforming·mmWave (MIMO-NOMA) hoặc mở rộng sang miền mã (SCMA). Phù hợp với yêu cầu siêu kết nối·siêu độ trễ thấp của 6G, nên hiểu NOMA không phải là 'đáp án duy nhất' của kỹ thuật đa truy nhập, mà là một trục trong hộp công cụ được lựa chọn tùy tình huống.

Tóm tắt một câu: NOMA là đa truy nhập phi trực giao chia sẻ chồng chập cùng một thời gian·tần số dựa trên chênh lệch công suất và tách tín hiệu bằng SIC ở phía thu; nó vượt qua giới hạn dung lượng của OMA để nâng hiệu suất phổ tần·dung lượng phục vụ nhưng phải trả giá bằng độ phức tạp SIC·lan truyền lỗi·sự phụ thuộc vào ước lượng kênh, và là công nghệ ứng viên 5G/6G đang tiến hóa bằng cách kết hợp với MIMO·miền mã trong các kịch bản siêu kết nối (mMTC) có chênh lệch độ lợi kênh lớn.