Delta-OMA (D-OMA): nuevo método de acceso múltiple en masa 6G. Parte 1

Quedan unos días antes del inicio del curso "Ingeniero de redes" . En este sentido, queremos compartir con ustedes la primera parte del material sobre el tema "Delta-OMA (D-OMA): un nuevo método de acceso múltiple en masa en 6G". Vamos

Resumen : se presenta un nuevo método de acceso múltiple, a saber, el acceso múltiple delta-ortogonal (D-OMA - acceso múltiple delta ortogonal), para el acceso masivo en las redes celulares 6G futuras. D-OMA se basa en el concepto de acceso múltiple no ortogonal distribuido grande coordinado (NOMA) que utiliza subbandas parcialmente superpuestas para grupos NOMA. La eficacia de este esquema se demuestra en términos de rendimiento para diversos grados de superposición de las subbandas NOMA. D-OMA también se puede utilizar para proporcionar seguridad mejorada en redes de acceso inalámbrico tanto en el enlace ascendente como en el enlace descendente. También se discuten problemas prácticos de implementación y problemas abiertos para la optimización DOMA.



Palabras clave : 5G (B5G) / 6G, amplias capacidades inalámbricas, recepción / transmisión coordinada, acceso múltiple ortogonal y no ortogonal, ancho de banda, seguridad inalámbrica

1. Introducción

Cada generación de sistemas inalámbricos celulares se caracteriza por un nuevo método de acceso múltiple. En particular, los sistemas de primera generación (1G) se basaron en el acceso múltiple por división de frecuencia (FDMA), mientras que la segunda, tercera y cuarta generación se basaron en el acceso múltiple por división de tiempo (TDMA) , Acceso múltiple por división de código (CDMA) y Acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA), respectivamente. Con respecto a las comunicaciones celulares de 5a generación (5G), aunque todavía se están realizando muchos esfuerzos de desarrollo y estandarización, está claro que no habrá una tecnología revolucionaria de acceso múltiple, excepto por el uso de un rango extremadamente amplio de espectro (hasta 60 GHz) y la adopción de esquemas no ortogonales acceso múltiple (NOMA) además del acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA) [1] - [3]. La adopción de bandas de frecuencia más altas en la interfaz de radio 5G, como las bandas de onda milimétrica (onda mm), creará serios problemas de propagación debido a los altos requisitos de pérdida de trayectoria y directividad del haz. Aquí, el despliegue ultradenso de puntos de acceso (AP) puede ayudar un poco, lo que, a su vez, requiere una coordinación y cooperación complejas entre los AP distribuidos para minimizar la influencia de la interferencia cocanal que surge de la superposición de áreas de servicio de las celdas vecinas.

Sin embargo, se espera que 5G brinde tres servicios únicos principales, a saber: comunicación de banda ancha móvil mejorada (eMBB - comunicación de banda ancha móvil mejorada), comunicaciones de baja latencia ultra confiables y comunicación masiva tipo máquina (mMTC - comunicación tipo máquina masiva) [4 ] El objetivo de eMBB es proporcionar modos operativos con velocidades de datos más altas y un área de cobertura extendida (en comparación con LTE), mientras que los servicios ultra confiables y de baja latencia proporcionarán servicios autenticados para aplicaciones de misión crítica, como dispositivos autónomos de conducción y monitoreo de salud. El papel de mMTC es controlar el flujo de datos hacia / desde una gran cantidad de dispositivos inalámbricos con un nivel de rendimiento garantizado.

Si bien las redes celulares 5G incluirán muchas mejoras distintivas sobre las redes 4G para proporcionar mayores velocidades de transmisión con latencia reducida, mayor confiabilidad y rendimiento del sistema, tamaño reducido de dispositivos terminales y hardware y diseños de red que ahorran energía, la llegada de tecnologías avanzadas sí estimular su mayor desarrollo en la dirección de las redes celulares 5G (B5G - más allá de 5G) o la llamada sexta generación (6G). Los objetivos clave para las redes celulares 6G se pueden resumir de la siguiente manera:

• Redes conectadas: con la difusión de los servicios de Internet de las cosas (IoT) y mMTC, cada dispositivo inalámbrico se conectará a una o más redes de acceso inalámbrico que serán atendidas por múltiples puntos de acceso (AP) o estaciones base (BS), que a su vez se conectarán a una red común una red en la nube para acceder a servicios en la nube (por ejemplo, servicios de computación de borde y almacenamiento en caché). Ejemplos de tales aplicaciones / servicios son realidad virtual, conducción autónoma, aplicaciones para ciudades inteligentes y redes inteligentes, control industrial y fabricación inteligente, vigilancia y seguridad, así como numerosos servicios de monitoreo de salud. Los dispositivos inalámbricos también tendrán una conexión de igual a igual a través de una conexión de unión única o múltiple. Además, los sistemas celulares terrestres se integrarán con redes móviles BS / AP móviles (no terrestres / aéreas / no tripuladas). En consecuencia, los modelos tradicionales de sistemas celulares no serán suficientes para describir estos nuevos sistemas. Además, estas redes serán redes de aplicaciones y contenido, no solo redes de datos. En consecuencia, se requerirán nuevos métodos en términos de planificación y optimización de la red.
• Minimizando la energía a nivel de dispositivo y red: dado que los usuarios, máquinas, AP / BS, así como otros nodos de red necesitarán utilizar métodos avanzados de procesamiento de señales y procesar más datos (por ejemplo, para aplicaciones y servicios con inteligencia artificial), el consumo de energía aumentará significativamente . Además, el consumo de energía en transmisores de radio (por ejemplo, en amplificadores de potencia, convertidores de analógico a digital y de digital a analógico) deberá minimizarse a frecuencias de ondas milimétricas y nanométricas. Con el despliegue ultradenso de puntos de acceso, así como el despliegue generalizado de servidores periféricos de computación / almacenamiento en caché en una red de acceso inalámbrico, esto creará una necesidad urgente de nuevos conceptos de ahorro de energía, carga, recolección e interacción entre los nodos de la red.
• Uso eficiente del espectro y / o su expansión: la nueva radio (NR) 5G extiende el rango de frecuencia de las redes 4G (0.6–6 GHz) a varias bandas de frecuencia más altas (ondas milimétricas en el rango 30–300 GHz [mmW] y sistemas ópticos en espacio libre [FSO - espacio libre óptico]] en el rango 200–385 THz). Será necesario desarrollar nuevas tecnologías para el acceso inalámbrico y la red de retorno, así como la coexistencia (en el caso del espectro sin licencia) en estas nuevas bandas.

2. Arquitectura celular para redes inalámbricas futuras.

En términos generales, el concepto de arquitectura de red celular no será adecuado para redes inalámbricas futuras, especialmente en escenarios de acceso inalámbrico urbano ultradenso en los que se sirven múltiples dispositivos inalámbricos simultáneamente utilizando transmisiones multipunto y asociaciones de usuarios multipunto (Fig.1). Usando canales de retroalimentación muy rápidos entre diferentes BS / AP, toda la red se verá como un sistema distribuido sin múltiples entradas distribuidas masivas con múltiples salidas (matriz MIMO) desde el punto de vista del dispositivo final. En particular, todos los puntos de acceso estarán al tanto de todos los dispositivos activos en su vecindad. Los AP se pueden considerar como cabezales de radio remotos (RRH - cabezales de radio remotos), como en el caso de las redes de acceso de radio basadas en la nube (CRAN - redes de acceso de radio en la nube) [5]. Cada dispositivo se puede servir en más de RRH ya sea coordinando la transmisión o multiplexando. Puede ser útil considerar esta arquitectura libre de células como una versión generalizada de la conocida recepción / transmisión coordinada (CoMP), en la que los AP interactivos sirven conjuntamente a todos los dispositivos dentro de su área de cobertura (dispositivos en el límite de la célula y el centro de la célula). Esto se puede lograr utilizando unidades de procesamiento centralizadas muy rápidas que asignan recursos a varios dispositivos terminales, mientras que el procesamiento de datos se puede llevar a cabo en el denominado grupo de unidades de banda base (BBU), como en el caso de CRAN. Con la coordinación completa entre diferentes RRH, la gestión de interferencia puede realizarse de manera óptima o casi óptima dentro de algunas metodologías de optimización centralizadas o distribuidas.

Dicha arquitectura de red tendrá que conectar millones de dispositivos (por ejemplo, dispositivos mMTC) para los cuales se deben proporcionar servicios automáticos sin interacción humana directa. Los esquemas tradicionales de acceso múltiple ortogonal (OMA) no serán suficientes, y los métodos de acceso múltiple no ortogonal puro (NOMA) no tendrán la flexibilidad para admitir conectividad inalámbrica para dispositivos con diferentes requisitos de servicio [6]. Por lo tanto, es necesario desarrollar nuevos métodos de acceso múltiple / asignación de recursos y gestión de interferencia para estas redes sin células, dados los recursos de espectro limitados. En la siguiente sección, proponemos un nuevo método de acceso múltiple en masa en una red que utiliza una arquitectura de red 6G sin células para admitir conexiones inalámbricas a gran escala.

3. Acceso múltiple Delta-ortogonal (D-OMA)

Esta sección primero discute brevemente el principio básico de NOMA en comparación con el principio de OMA. Luego discute el uso potencial de NOMA masivo en banda en la nueva arquitectura de red libre de células. Finalmente, se discute y evalúa un nuevo esquema D-OMA.

A. OMA vs NOMA

OMA se ha utilizado para generaciones celulares de 1G a 4G. Debido a la ortogonalidad entre las diferentes portadoras y los requisitos relativamente altos para la separación del ancho de banda entre ellas, el acceso múltiple por división de frecuencia ortogonal (OFDMA), que se utiliza en redes 4G, puede no proporcionar una solución efectiva para redes de generación futura. Por lo tanto, la técnica NOMA fue adoptada recientemente por los estándares 3GPP versión 16 (5G) [7]. Como regla general, NOMA utiliza el concepto de superponer muchas señales en el dominio de potencia dentro de la misma subbanda y usar la cancelación de interferencia sucesiva (SIC) en el lado del receptor para filtrar las señales interferentes no deseadas. Usando NOMA, cada subbanda OMA individual puede servir a varios dispositivos al mismo tiempo, y en este proceso, la mayor parte de la potencia de transmisión se proporciona a aquellos con una calidad de línea más baja (Fig. 2).

En particular, en el dispositivo / usuario M del grupo NOMA para la transmisión de enlace descendente, el AP enviará x = PM m = 1 √ Pmsm de modo que PM m = 1 Pm ≤ Pt, donde Pm es la potencia de transmisión asignada por el mth NOMA dispositivo, sm es la señal para enviar al dispositivo m-ésimo, y Pt es el presupuesto de potencia máxima asignado a la subbanda de un grupo NOMA específico. Luego, la señal recibida en el dispositivo mth se define como ym = hmx + wm, donde hm es la ganancia de canal compleja entre el AP y el dispositivo mth, wm es el ruido gaussiano blanco aditivo (AWGN) más la señal de interferencia de otros grupos. Si las ganancias del canal del dispositivo dentro de un grupo particular se ordenan como h1 ≤. ,, ≤ hM, entonces los niveles de potencia de transmisión se asignarán a cada dispositivo, por lo que P1 ≥. ,, ≥ PM. En el lado del receptor, la operación SIC elimina las señales interferentes de los dispositivos con mayores potencias recibidas hasta que se decodifica la señal deseada. En consecuencia, la velocidad alcanzable en el dispositivo m-ésimo dentro de un determinado grupo NOMA de tamaño M se establece como



donde donde Im y Nm representan la interferencia intercluster (ICI) y las potencias AWGN en la entrada del dispositivo mth, respectivamente. Por lo general, cada subbanda servirá a un clúster NOMA. Los dispositivos en un grupo particular sufrirán dos tipos de interferencia, a saber, la interferencia intra-NOMA (INI) causada por una señal de interferencia residual no filtrada de NOMA, que es causada por otros dispositivos NOMA en el mismo grupo, y de interferencia entre grupos (ICI), esto es causado por el uso la misma subbanda por otros grupos vecinos. El tamaño del grupo NOMA puede considerarse como un parámetro de diseño para lograr un compromiso entre varios factores, a saber: los requisitos de velocidad de transferencia de datos para dispositivos / usuarios, el nivel de complejidad en los receptores NOMA, el presupuesto de energía total para el grupo NOMA y la resistencia del dispositivo NOMA a la propagación de errores INI , ICI y SIC


Fig. Arquitectura de red 1: 6G sin celdas.


Fig. 2: El concepto NOMA para servir múltiples dispositivos inalámbricos en la misma subbanda.

El final de la primera parte.

Amigos, en un futuro cercano publicaremos la continuación del artículo, pero por ahora, de acuerdo con la tradición establecida, estamos esperando sus comentarios y los invitamos a un curso práctico sobre la teoría de la interacción de redes de OTUS.