Delta-OMA (D-OMA): Neue 6G-Massen-Mehrfachzugriffsmethode. Teil 1

Noch einige Tage bis zum Kursbeginn „Network Engineer“ . In diesem Zusammenhang möchten wir Ihnen den ersten Teil des Materials zum Thema "Delta-OMA (D-OMA): Eine neue Methode des Massen-Mehrfachzugriffs in 6G" vorstellen. Lass uns gehen.

Zusammenfassung - Eine neue Methode des Mehrfachzugriffs, nämlich der Delta-orthogonale Mehrfachzugriff (D-OMA - Delta-orthogonaler Mehrfachzugriff), wird für den Massenzugriff in zukünftigen 6G-Mobilfunknetzen vorgestellt. D-OMA basiert auf dem Konzept eines verteilten großen koordinierten nicht orthogonalen Mehrfachzugriffs (NOMA - nicht orthogonaler Mehrfachzugriff) unter Verwendung teilweise überlappender Teilbänder für NOMA-Cluster. Die Wirksamkeit dieses Schemas wird anhand des Durchsatzes für verschiedene Überlappungsgrade der NOMA-Teilbänder demonstriert. D-OMA kann auch verwendet werden, um eine verbesserte Sicherheit in drahtlosen Zugangsnetzwerken sowohl im Uplink als auch im Downlink bereitzustellen. Es werden auch praktische Implementierungsprobleme und offene Probleme für die DOMA-Optimierung erörtert.



Schlüsselwörter - 5G (B5G) / 6G, breite drahtlose Funktionen, koordinierter Empfang / Übertragung, orthogonaler und nicht orthogonaler Mehrfachzugriff, Bandbreite, drahtlose Sicherheit

1. Einleitung

Jede Generation von zellularen Funksystemen zeichnet sich durch eine neue Methode des Mehrfachzugriffs aus. Insbesondere basierten die Systeme der ersten Generation (1G) auf dem Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff (FDMA), während die zweite, dritte und vierte Generation auf dem Zeitmultiplex-Mehrfachzugriff (TDMA) basierten. , CDMA (Code Division Multiple Access) bzw. OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access). In Bezug auf die Mobilfunkkommunikation der 5. Generation (5G) ist klar, dass es keine revolutionäre Mehrfachzugriffstechnologie geben wird, außer der Verwendung eines extrem breiten Spektrums (bis zu 60 GHz) und der Einführung nicht orthogonaler Schemata, obwohl noch viele Entwicklungs- und Standardisierungsbemühungen im Gange sind Mehrfachzugriff (NOMA) zusätzlich zum orthogonalen Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff (OFDMA) [1] - [3]. Die Verwendung höherer Frequenzbänder in der 5G-Funkschnittstelle, wie z. B. Millimeterwellenbänder (mm-Bänder), führt aufgrund des hohen Pfadverlusts und der Anforderungen an die Strahlrichtwirkung zu ernsthaften Ausbreitungsproblemen. Hier kann die ultradichte Bereitstellung von Zugangspunkten (Access Points, APs) etwas helfen, was wiederum eine komplexe Koordination und Zusammenarbeit zwischen verteilten APs erfordert, um den Einfluss von Gleichkanalstörungen zu minimieren, die durch überlappende Dienstbereiche benachbarter Zellen entstehen.

Es wird jedoch erwartet, dass 5G drei einzigartige Hauptdienste bereitstellt: verbesserte mobile Breitbandkommunikation (eMBB - verbesserte mobile Breitbandkommunikation), äußerst zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz und massenartige Massenkommunikation (mMTC - massive maschinelle Kommunikation) [4 ]. Das Ziel von eMBB ist es, Betriebsmodi mit höheren Datenraten und einem erweiterten Abdeckungsbereich (im Vergleich zu LTE) bereitzustellen, während äußerst zuverlässige Dienste mit geringer Latenz authentifizierte Dienste für geschäftskritische Anwendungen wie autonome Fahr- und Gesundheitsüberwachungsgeräte bereitstellen. Die Rolle von mMTC besteht darin, den Datenfluss zu / von einer großen Anzahl von drahtlosen Geräten mit einem garantierten Leistungsniveau zu steuern.

Während 5G-Mobilfunknetze viele deutliche Verbesserungen gegenüber 4G-Netzen beinhalten werden, um höhere Übertragungsgeschwindigkeiten mit reduzierter Latenz, erhöhter Systemzuverlässigkeit und -leistung, reduzierter Größe von Endgeräten und energiesparenden Hardware- und Netzwerkdesigns bereitzustellen, werden fortschrittliche Technologien aufkommen stimulieren seine weitere Entwicklung in Richtung 5G-Mobilfunknetze (B5G - über 5G hinaus) oder der sogenannten sechsten Generation (6G). Die Hauptziele für 6G-Mobilfunknetze lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Verbundene Netzwerke: Mit der Verbreitung der Dienste Internet of Things (IoT) und mMTC wird jedes drahtlose Gerät mit einem oder mehreren drahtlosen Zugangsnetzwerken verbunden, die von mehreren Zugangspunkten (APs) oder Basisstationen (BSs) bedient werden, die wiederum mit einer gemeinsamen verbunden werden ein Cloud-Netzwerk für den Zugriff auf Cloud-Dienste (z. B. Edge-Computing- und Caching-Dienste). Beispiele für solche Anwendungen / Dienste sind virtuelle Realität, autonomes Fahren, Anwendungen für intelligente Städte und intelligente Netzwerke, industrielle Steuerung und intelligente Fertigung, Überwachung und Sicherheit sowie zahlreiche Gesundheitsüberwachungsdienste. Drahtlose Geräte verfügen außerdem über eine Peer-to-Peer-Verbindung über eine Einzel- oder Mehrfachverbindungsverbindung. Darüber hinaus werden terrestrische zellulare Systeme in luftgestützte (oder nicht terrestrische / Luft / unbemannte) mobile BS / AP-Netzwerke integriert. Dementsprechend werden traditionelle Modelle zellularer Systeme nicht ausreichen, um diese neuen Systeme zu beschreiben. Darüber hinaus werden diese Netzwerke Anwendungs- und Inhaltsnetzwerke sein, nicht nur Datennetzwerke. Folglich werden neue Methoden für die Netzwerkplanung und -optimierung erforderlich sein.
• Minimierung der Energie auf Geräte- und Netzwerkebene: Da Benutzer, Maschinen, APs / BSs sowie andere Netzwerkknoten fortschrittliche Signalverarbeitungsmethoden verwenden und mehr Daten verarbeiten müssen (z. B. für Anwendungen und Dienste mit künstlicher Intelligenz), steigt der Stromverbrauch erheblich . Darüber hinaus muss der Energieverbrauch in Funksendern (z. B. in Leistungsverstärkern, Analog-Digital- und Digital-Analog-Wandlern) bei Frequenzen von Millimeter- und Nanometerwellen minimiert werden. Aufgrund der extrem dichten Bereitstellung von Zugriffspunkten sowie der weit verbreiteten Bereitstellung von peripheren Computer- / Caching-Servern in einem drahtlosen Zugriffsnetzwerk werden dringend neue Konzepte für Energieeinsparung, Aufladung, Erfassung und Interaktion zwischen Netzwerkknoten erforderlich.
• Effiziente Nutzung des Spektrums und / oder seiner Erweiterung: Das neue Radio (NR) 5G erweitert den Frequenzbereich von 4G-Netzen (0,6–6 GHz) auf mehrere höhere Frequenzbänder (Millimeterwellen im Bereich 30–300 GHz [mmW] und optische Systeme in Freiraum [FSO - Freespace Optical]] im Bereich von 200–385 THz). In diesen neuen Bändern müssen neue Technologien für den drahtlosen Zugang und das Backhaul sowie für die Koexistenz (im Fall von nicht lizenziertem Spektrum) entwickelt werden.

2. Mobilfunkarchitektur für zukünftige drahtlose Netzwerke

Im Allgemeinen ist das Konzept der zellularen Netzwerkarchitektur nicht für zukünftige drahtlose Netzwerke geeignet, insbesondere in städtischen Szenarien mit ultradichtem drahtlosem Zugriff, in denen mehrere drahtlose Geräte gleichzeitig über Mehrpunktübertragungen und Mehrpunktbenutzerzuordnungen bedient werden (Abb. 1). Bei Verwendung sehr schneller Rückkopplungskanäle zwischen verschiedenen BS / APs sieht das gesamte Netzwerk aus Sicht des Endgeräts wie ein verteiltes System ohne massiv verteilte Mehrfacheingänge mit mehreren Ausgängen (MIMO-Array) aus. Insbesondere kennen alle Access Points alle aktiven Geräte in ihrer Nähe. APs können als Remote-Funkköpfe (RRH - Remote-Funkköpfe) betrachtet werden, wie im Fall von Cloud-basierten Funkzugangsnetzwerken (CRAN - Cloud-Funkzugangsnetzwerke) [5]. Jedes Gerät kann entweder durch Koordinieren der Übertragung oder durch Multiplexen auf mehr als RRH bedient werden. Es kann nützlich sein, diese zellfreie Architektur als eine verallgemeinerte Version des bekannten koordinierten Empfangs / Sendens (CoMP) zu betrachten, bei der die interagierenden APs zusammen alle Geräte innerhalb ihres Abdeckungsbereichs (Geräte an der Zellgrenze und im Zellzentrum) bedienen. Dies kann erreicht werden, indem sehr schnelle zentralisierte Verarbeitungseinheiten verwendet werden, die Ressourcen verschiedenen Endgeräten zuweisen, während die Datenverarbeitung im sogenannten Basisbandeinheitenpool (BBU) wie im Fall von CRAN durchgeführt werden kann. Bei vollständiger Koordination zwischen verschiedenen RRHs kann das Interferenzmanagement innerhalb einiger zentraler oder verteilter Optimierungsmethoden optimal oder nahezu optimal durchgeführt werden.

Eine solche Netzwerkarchitektur muss Millionen von Geräten (z. B. mMTC-Geräte) verbinden, für die automatische Dienste ohne direkte menschliche Interaktion bereitgestellt werden sollten. Herkömmliche OMA-Schemata (Orthogonal Multiple Access) sind nicht ausreichend, und reine NOMA-Methoden (Non-Orthogonal Multiple Access) bieten nicht die Flexibilität, drahtlose Konnektivität für Geräte mit unterschiedlichen Dienstanforderungen zu unterstützen [6]. Daher ist es angesichts der begrenzten Frequenzressourcen notwendig, neue Methoden für die Mehrfachzugriffs- / Ressourcenzuweisung und das Interferenzmanagement für diese Netzwerke ohne Zellen zu entwickeln. Im nächsten Abschnitt schlagen wir eine neue Methode für den Massen-Mehrfachzugriff in einem Netzwerk vor, die eine zellfreie 6G-Netzwerkarchitektur verwendet, um eine umfassende drahtlose Konnektivität zu unterstützen.

3. Delta-orthogonaler Mehrfachzugriff (D-OMA)

In diesem Abschnitt wird zunächst kurz das Grundprinzip von NOMA im Vergleich zum Prinzip von OMA erörtert. Anschließend wird die mögliche Verwendung von massivem In-Band-NOMA in der neuen zellfreien Netzwerkarchitektur erörtert. Schließlich wird ein neues D-OMA-Schema diskutiert und evaluiert.

A. OMA gegen NOMA

OMA wurde für zelluläre Generationen von 1G bis 4G verwendet. Aufgrund der Orthogonalität zwischen verschiedenen Trägern und der relativ hohen Anforderungen an die Bandbreitentrennung zwischen ihnen bietet der orthogonale Frequenzmultiplex-Mehrfachzugriff (OFDMA), der in 4G-Netzen verwendet wird, möglicherweise keine effektive Lösung für Netze der zukünftigen Generation. Daher wurde die NOMA-Technik kürzlich von den 3GPP-Standards der Version 16 (5G) übernommen [7]. In der Regel verwendet NOMA das Konzept, viele Signale im Leistungsbereich innerhalb desselben Teilbands zu überlagern und auf der Empfängerseite eine sukzessive Interferenzunterdrückung (SIC) zu verwenden, um unerwünschte Störsignale herauszufiltern. Bei Verwendung von NOMA kann jedes einzelne OMA-Teilband mehrere Geräte gleichzeitig bedienen, und bei diesem Vorgang wird der größte Teil der Sendeleistung an Geräte mit geringerer Leitungsqualität geliefert (Abb. 2).

Insbesondere in dem M-Gerät / Benutzer des NOMA-Clusters für die Downlink-Übertragung sendet der AP x = PM m = 1 √ Pmsm, so dass PM m = 1 Pm ≤ Pt ist, wobei Pm die vom m-ten NOMA zugewiesene Sendeleistung ist Gerät, sm ist das Signal, das an das m-te Gerät gesendet werden soll, und Pt ist das maximale Leistungsbudget, das dem Teilband eines bestimmten NOMA-Clusters zugewiesen ist. Dann ist das empfangene Signal auf dem m-ten Gerät definiert als ym = hmx + wm, wobei hm die komplexe Kanalverstärkung zwischen dem AP und dem m-ten Gerät ist, wm das additive weiße Gaußsche Rauschen (AWGN) plus das Interferenzsignal anderer Cluster ist. Wenn die Gerätekanalverstärkungen innerhalb eines bestimmten Clusters als h1 ≤. ,, ≤ hM geordnet sind, werden die Sendeleistungspegel jedem Gerät zugewiesen, also P1 ≥. ,, ≥ PM. Auf der Empfängerseite werden Störsignale von Geräten mit höheren Empfangsleistungen durch den SIC-Betrieb entfernt, bis das gewünschte Signal decodiert ist. Dementsprechend wird die erreichbare Geschwindigkeit auf dem m-ten Gerät innerhalb eines bestimmten NOMA-Clusters der Größe M als eingestellt



wo wobei Im und Nm Intercluster Interference (ICI) - und AWGN-Leistungen am Eingang des m-ten Geräts darstellen. Normalerweise bedient jedes Subband einen NOMA-Cluster. Geräte in einem bestimmten Cluster leiden unter zwei Arten von Interferenzen, nämlich Intra-NOMA-Interferenzen (INI), die durch ein verbleibendes ungefiltertes Interferenzsignal von NOMA verursacht werden, das von anderen NOMA-Geräten im selben Cluster verursacht wird, und durch Inter-Cluster-Interferenzen (ICI), die durch die Verwendung verursacht werden das gleiche Teilband von anderen benachbarten Clustern. Die Größe des NOMA-Clusters kann als Entwurfsparameter betrachtet werden, um einen Kompromiss zwischen mehreren Faktoren zu erzielen, nämlich den Anforderungen an die Datenübertragungsrate für Geräte / Benutzer, dem Komplexitätsgrad in NOMA-Empfängern, dem Gesamtleistungsbudget für den NOMA-Cluster und dem Widerstand des NOMA-Geräts gegen INI-Fehlerausbreitung , ICI und SIC


Abb. 1: 6G-Netzwerkarchitektur ohne Zellen.


Abb. 2: Das NOMA-Konzept zur Versorgung mehrerer drahtloser Geräte im selben Subband.

Das Ende des ersten Teils.

Freunde, in naher Zukunft werden wir die Fortsetzung des Artikels veröffentlichen, aber gemäß der etablierten Tradition warten wir vorerst auf Ihre Kommentare und laden Sie zu einem praktischen Kurs über die Theorie der Netzwerkinteraktion von OTUS ein.