Delta-OMA (D-OMA): nouvelle méthode d'accès multiple en masse 6G. Partie 1

Il reste quelques jours avant le début du cours "Ingénieur réseau" . À cet égard, nous souhaitons partager avec vous la première partie du matériel sur le thème "Delta-OMA (D-OMA): une nouvelle méthode d'accès multiple de masse en 6G". Allons-y.

Résumé - Une nouvelle méthode d'accès multiple, à savoir l'accès multiple delta-orthogonal (D-OMA - accès multiple delta orthogonal), est présentée pour l'accès de masse dans les futurs réseaux cellulaires 6G. D-OMA est basé sur le concept d'accès multiple non orthogonal coordonné distribué (NOMA) utilisant des sous-bandes se chevauchant partiellement pour les clusters NOMA. L'efficacité de ce schéma est démontrée en termes de débit pour différents degrés de chevauchement des sous-bandes NOMA. D-OMA peut également être utilisé pour améliorer la sécurité des réseaux d'accès sans fil à la fois en liaison montante et en liaison descendante. Les problèmes pratiques de mise en œuvre et les problèmes ouverts pour l'optimisation DOMA sont également abordés.



Mots - clés - 5G (B5G) / 6G, capacités sans fil étendues, réception / transmission coordonnées, accès multiple orthogonal et non orthogonal, bande passante, sécurité sans fil

1. Introduction

Chaque génération de systèmes sans fil cellulaires se caractérise par une nouvelle méthode d'accès multiple. En particulier, les systèmes de première génération (1G) étaient basés sur l'accès multiple par répartition en fréquence (FDMA), tandis que les deuxième, troisième et quatrième générations étaient basés sur l'accès multiple par répartition dans le temps (TDMA) , Accès multiple par répartition en code (CDMA) et accès multiple par répartition orthogonale de la fréquence (OFDMA), respectivement. En ce qui concerne les communications cellulaires de 5e génération (5G), bien que de nombreux efforts de développement et de normalisation soient toujours en cours, il est clair qu'il n'y aura pas de technologie révolutionnaire à accès multiple, à l'exception de l'utilisation d'une gamme extrêmement large de spectre (jusqu'à 60 GHz) et de l'adoption de schémas non orthogonaux. accès multiple (NOMA) en plus de l'accès multiple par répartition en fréquence orthogonale (OFDMA) [1] - [3]. L'adoption de bandes de fréquences plus élevées dans l'interface radio 5G, telles que les bandes à ondes millimétriques (ondes mm), créera de graves problèmes de propagation en raison de la perte de chemin élevée et des exigences de directivité du faisceau. Ici, le déploiement ultra-dense de points d'accès (AP) peut aider un peu, ce qui, à son tour, nécessite une coordination et une coopération complexes entre les AP distribués pour minimiser l'influence des interférences dans le même canal résultant du chevauchement des zones de service des cellules voisines.

Néanmoins, la 5G devrait fournir trois principaux services uniques, à savoir: communication mobile à large bande améliorée (eMBB - communication mobile à large bande améliorée), communication ultra-fiable à faible latence et type de machine de communication de masse (mMTC - communication de type machine massive) [4 ]. L'objectif d'eMBB est de fournir des modes de fonctionnement avec des débits de données plus élevés et une zone de couverture étendue (par rapport au LTE), tandis que les services ultra-fiables à faible latence fourniront des services authentifiés pour les applications critiques telles que la conduite autonome et les dispositifs de surveillance de la santé. Le rôle de mMTC est de contrôler le flux de données vers / depuis un grand nombre d'appareils sans fil avec un niveau de performance garanti.

Alors que les réseaux cellulaires 5G incluront de nombreuses améliorations distinctives par rapport aux réseaux 4G pour fournir des vitesses de transmission accrues avec une latence réduite, une fiabilité et des performances système accrues, une taille réduite des terminaux et des conceptions matérielles et réseau à économie d'énergie, stimuler son développement vers les réseaux cellulaires 5G (B5G - au-delà de 5G) ou la sixième génération (6G). Les principaux objectifs des réseaux cellulaires 6G peuvent être résumés comme suit:

• Réseaux connectés: avec la propagation de l'Internet des objets (IoT) et des services mMTC, chaque appareil sans fil sera connecté à un ou plusieurs réseaux d'accès sans fil qui seront desservis par plusieurs points d'accès (AP) ou stations de base (BS), qui à leur tour seront connectés à un commun un réseau cloud pour l'accès aux services cloud (par exemple, les services de périphérie et de mise en cache). Des exemples de ces applications / services sont la réalité virtuelle, la conduite autonome, les applications pour les villes intelligentes et les réseaux intelligents, le contrôle industriel et la fabrication intelligente, la surveillance et la sécurité, ainsi que de nombreux services de surveillance de la santé. Les appareils sans fil auront également une connexion poste à poste via une connexion simple ou multi-jonction. De plus, les systèmes cellulaires terrestres seront intégrés aux réseaux BS / AP mobiles aéroportés (ou non terrestres / aériens / sans pilote). En conséquence, les modèles traditionnels de systèmes cellulaires ne suffiront pas à décrire ces nouveaux systèmes. De plus, ces réseaux seront des réseaux d'applications et de contenu, pas seulement des réseaux de données. Par conséquent, de nouvelles méthodes seront nécessaires en termes de planification et d'optimisation du réseau.
• Minimiser l'énergie au niveau de l'appareil et du réseau: puisque les utilisateurs, les machines, les AP / BS, ainsi que d'autres nœuds de réseau devront utiliser des méthodes avancées de traitement du signal et traiter plus de données (par exemple, pour les applications et services avec intelligence artificielle), la consommation d'énergie augmentera considérablement . De plus, la consommation d'énergie des émetteurs radio (par exemple, dans les amplificateurs de puissance, les convertisseurs analogique-numérique et numérique-analogique) devra être minimisée aux fréquences des ondes millimétriques et nanométriques. Avec le déploiement ultra-dense de points d'accès, ainsi que le déploiement généralisé de serveurs informatiques / cache périphériques dans un réseau d'accès sans fil, cela créera un besoin urgent de nouveaux concepts d'économie d'énergie, de charge, de collecte et d'interaction entre les nœuds du réseau.
• Utilisation efficace du spectre et / ou de son expansion: la nouvelle radio (NR) 5G étend la gamme de fréquences des réseaux 4G (0,6–6 GHz) à plusieurs bandes de fréquences plus élevées (ondes millimétriques dans la gamme 30–300 GHz [mmW] et systèmes optiques en espace libre [FSO - optique à espace libre]] dans la gamme 200–385 THz). De nouvelles technologies devront être développées pour l'accès sans fil et le raccordement, ainsi que la coexistence (dans le cas du spectre sans licence) dans ces nouvelles bandes.

2. Architecture cellulaire pour les futurs réseaux sans fil

D'une manière générale, le concept d'architecture de réseau cellulaire ne conviendra pas aux futurs réseaux sans fil, en particulier dans les scénarios d'accès sans fil urbains ultra-denses dans lesquels plusieurs dispositifs sans fil sont servis simultanément en utilisant des transmissions multipoint et des associations d'utilisateurs multipoint (Fig.1). En utilisant des canaux de rétroaction très rapides entre différents BS / AP, l'ensemble du réseau ressemblera à un système distribué sans entrées multiples distribuées massives avec plusieurs sorties (réseau MIMO) du point de vue du périphérique final. En particulier, tous les points d'accès connaîtront tous les appareils actifs à proximité. Les points d'accès peuvent être considérés comme des têtes radio distantes (RRH - têtes radio distantes), comme dans le cas des réseaux d'accès radio basés sur le cloud (CRAN - réseaux d'accès radio cloud) [5]. Chaque appareil peut être desservi sur plus de RRH soit en coordonnant la transmission, soit par multiplexage. Il peut être utile de considérer cette architecture sans cellule comme une version généralisée de la réception / transmission coordonnée bien connue (CoMP), dans laquelle les points d'accès interagissant ensemble desservent tous les dispositifs dans leur zone de couverture (dispositifs à la limite de la cellule et au centre de la cellule). Cela peut être réalisé en utilisant des unités de traitement centralisées très rapides qui allouent des ressources à divers périphériques terminaux, tandis que le traitement des données peut être effectué dans le pool dit d'unité de bande de base (BBU), comme dans le cas du CRAN. Avec une coordination complète entre les différents RRH, la gestion des interférences peut être effectuée de manière optimale ou presque optimale dans certaines méthodologies d'optimisation centralisées ou distribuées.

Une telle architecture de réseau devra connecter des millions d'appareils (par exemple, des appareils mMTC) pour lesquels des services automatiques devraient être fournis sans interaction humaine directe. Les schémas traditionnels d'accès multiple orthogonal (OMA) ne seront pas suffisants et les méthodes d'accès multiple non orthogonal pur (NOMA) n'auront pas la flexibilité de prendre en charge la connectivité sans fil pour les appareils ayant des exigences de service différentes [6]. Par conséquent, il est nécessaire de développer de nouvelles méthodes d'allocation d'accès / ressources multiples et de gestion des interférences pour ces réseaux sans cellules, étant donné les ressources de spectre limitées. Dans la section suivante, nous proposons une nouvelle méthode d'accès multiple de masse sur un réseau qui utilise une architecture de réseau 6G sans cellule pour prendre en charge la connectivité sans fil à grande échelle.

3. Accès multiple delta-orthogonal (D-OMA)

Cette section discute d'abord brièvement le principe de base de NOMA par rapport au principe de OMA. Il discute ensuite de l'utilisation potentielle de NOMA massifs dans la bande dans la nouvelle architecture de réseau sans cellule. Enfin, un nouveau schéma D-OMA est discuté et évalué.

A. OMA vs NOMA

OMA a été utilisé pour les générations cellulaires de 1G à 4G. En raison de l'orthogonalité entre les différentes porteuses et des exigences relativement élevées de séparation de la bande passante entre elles, l'accès multiple par répartition en fréquence orthogonale (OFDMA), qui est utilisé dans les réseaux 4G, peut ne pas fournir une solution efficace pour les réseaux de génération future. Par conséquent, la technique NOMA a été récemment adoptée par les normes 3GPP version 16 (5G) [7]. En règle générale, NOMA utilise le concept de superposition de nombreux signaux dans le domaine de puissance dans la même sous-bande et d'utilisation de l'annulation d'interférence successive (SIC) du côté du récepteur pour filtrer les signaux parasites indésirables. En utilisant NOMA, chaque sous-bande OMA individuelle peut desservir plusieurs appareils en même temps, et dans ce processus, la majeure partie de la puissance d'émission est fournie à ceux qui ont une qualité de ligne inférieure (Fig. 2).

En particulier, dans l'appareil M / utilisateur du cluster NOMA pour la transmission en liaison descendante, l'AP enverra x = PM m = 1 √ Pmsm de sorte que PM m = 1 Pm ≤ Pt, où Pm est la puissance de transmission allouée par le mème NOMA périphérique, sm est le signal à envoyer au m-ème périphérique, et Pt est le budget de puissance maximal attribué à la sous-bande d'un cluster NOMA spécifique. Ensuite, le signal reçu sur le mième appareil est défini comme ym = hmx + wm, où hm est le gain de canal complexe entre l'AP et le mième appareil, wm est le bruit gaussien blanc additif (AWGN) plus le signal d'interférence d'autres grappes. Si les gains de canal de périphérique dans un cluster particulier sont ordonnés comme h1 ≤. ,, ≤ hM, alors les niveaux de puissance de transmission seront attribués à chaque périphérique, donc P1 ≥. ,, ≥ PM. Côté récepteur, les signaux parasites provenant de dispositifs ayant des puissances reçues plus élevées sont supprimés par l'opération SIC jusqu'à ce que le signal souhaité soit décodé. En conséquence, la vitesse réalisable sur le m-ème dispositif dans un certain cluster NOMA de taille M est définie comme



où où Im et Nm représentent respectivement les puissances d'interférence intercluster (ICI) et AWGN à l'entrée du mième dispositif. En règle générale, chaque sous-bande desservira un cluster NOMA. Les appareils d'un cluster particulier souffriront de deux types d'interférences, à savoir les interférences intra-NOMA (INI) causées par un signal d'interférence résiduel non filtré de NOMA, qui est causé par d'autres appareils NOMA du même cluster, et par les interférences inter-cluster (ICI) qui sont causées par l'utilisation la même sous-bande par d'autres grappes voisines. La taille du cluster NOMA peut être considérée comme un paramètre de conception pour parvenir à un compromis entre plusieurs facteurs, à savoir: les exigences de taux de transfert de données pour les appareils / utilisateurs, le niveau de complexité des récepteurs NOMA, le budget total de puissance du cluster NOMA et la résistance du périphérique NOMA à la propagation des erreurs INI , ICI et SIC


Fig. Architecture réseau 1: 6G sans cellules.


Fig. 2: Le concept NOMA pour desservir plusieurs appareils sans fil sur la même sous-bande.

La fin de la première partie.

Amis, nous publierons bientôt la suite de l'article, mais pour l'instant, selon la tradition établie, nous attendons vos commentaires et vous invitons à un cours pratique sur la théorie de l'interaction réseau d'OTUS.