डेल्टा-ओएमए (डी-ओएमए): नई 6 जी मास मल्टीपल एक्सेस विधि। भाग 1

कोर्स "नेटवर्क इंजीनियर" के शुरू होने से पहले कुछ दिन बचे हैं। इस संबंध में, हम आपके साथ "डेल्टा-ओएमए (डी-ओएमए)" विषय पर सामग्री का पहला हिस्सा साझा करना चाहते हैं: 6 जी में बड़े पैमाने पर बहु ​​एक्सेस की एक नई विधि। चलो चलते हैं।

सार - भविष्य में 6G सेलुलर नेटवर्क में बड़े पैमाने पर उपयोग के लिए कई एक्सेस अर्थात्, डेल्टा-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (D-OMA - डेल्टा ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस) की एक नई विधि प्रस्तुत की गई है। D-OMA NOMA समूहों के लिए आंशिक रूप से ओवरलैपिंग सबबैंड का उपयोग करके वितरित बड़े समन्वित गैर-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (NOMA) की अवधारणा पर आधारित है। इस योजना की प्रभावशीलता एनओएमए सबबैंड के ओवरलैप के विभिन्न डिग्री के लिए थ्रूपुट के संदर्भ में प्रदर्शित की जाती है। D-OMA का उपयोग अपलिंक और डाउनलिंक दोनों में वायरलेस एक्सेस नेटवर्क में बढ़ी हुई सुरक्षा प्रदान करने के लिए किया जा सकता है। व्यावहारिक कार्यान्वयन मुद्दों और DOMA अनुकूलन के लिए खुले मुद्दों पर भी चर्चा की जाती है।



कीवर्ड - 5G (B5G) / 6G, विस्तृत वायरलेस क्षमताएं, समन्वित स्वागत / ट्रांसमिशन, ऑर्थोगोनल और नॉन-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस, बैंडविड्थ, वायरलेस सिक्योरिटी

1. परिचय

सेलुलर वायरलेस सिस्टम की प्रत्येक पीढ़ी को मल्टीपल एक्सेस की एक नई विधि की विशेषता है। विशेष रूप से, पहली पीढ़ी (1G) सिस्टम आवृत्ति डिवीजन मल्टीपल एक्सेस (FDMA) पर आधारित थे, जबकि दूसरी, तीसरी और चौथी पीढ़ी टाइम डिवीजन मल्टीपल एक्सेस (TDMA) पर आधारित थी , कोड डिवीजन मल्टीपल एक्सेस (सीडीएमए) और ऑर्थोगोनल फ्रीक्वेंसी डिवीजन मल्टीपल एक्सेस (ओएफडीएमए), क्रमशः। 5 वीं पीढ़ी (5 जी) सेलुलर संचार के संबंध में, हालांकि कई विकास और मानकीकरण के प्रयास अभी भी जारी हैं, यह स्पष्ट है कि स्पेक्ट्रम की एक अत्यंत व्यापक श्रेणी (60 गीगाहर्ट्ज तक) के उपयोग और गैर-ऑर्थोगोनल योजनाओं को अपनाने के अलावा कोई क्रांतिकारी एकाधिक एक्सेस तकनीक नहीं होगी। ऑर्थोगोनल फ्रीक्वेंसी डिवीजन मल्टीपल एक्सेस (OFDMA) [1] - [3] के अलावा मल्टीपल एक्सेस (NOMA)। 5G रेडियो इंटरफेस में उच्च आवृत्ति बैंडों को अपनाने, जैसे कि मिलीमीटर-वेव (मिमी-वेव) बैंड, उच्च पथ हानि और बीम डायरेक्टिविटी आवश्यकताओं के कारण गंभीर प्रसार समस्याएं पैदा करेंगे। यहां, एक्सेस पॉइंट्स (APs) की अल्ट्रा-डेंस तैनाती थोड़ी मदद कर सकती है, जिससे पड़ोसी कोशिकाओं के अतिव्यापी सेवा क्षेत्रों से उत्पन्न सह-चैनल हस्तक्षेप के प्रभाव को कम करने के लिए वितरित APs के बीच जटिल समन्वय और सहयोग की आवश्यकता होती है।

फिर भी, 5G को तीन मुख्य अनूठी सेवाएं प्रदान करने की उम्मीद है, जिसका नाम है: उन्नत मोबाइल ब्रॉडबैंड संचार (eMBB - बढ़ा हुआ मोबाइल ब्रॉडबैंड संचार), कम विलंबता और जन संचार मशीन प्रकार (mMTC - बड़े पैमाने पर मशीन प्रकार संचार) के साथ अति-विश्वसनीय संचार [4] ]। ईएमबीबी का लक्ष्य उच्च डेटा दरों और विस्तारित कवरेज क्षेत्र (एलटीई की तुलना में) के साथ ऑपरेटिंग मोड प्रदान करना है, जबकि अल्ट्रा-विश्वसनीय, कम-विलंबता सेवाएं मिशन-महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों जैसे कि स्वायत्त ड्राइविंग और स्वास्थ्य निगरानी उपकरणों के लिए प्रमाणित सेवाएं प्रदान करेंगी। एमएमटीसी की भूमिका प्रदर्शन के गारंटी स्तर के साथ भारी संख्या में वायरलेस उपकरणों से / के लिए डेटा के प्रवाह को नियंत्रित करना है।

जबकि 5 जी सेलुलर नेटवर्क में कम विलंबता, बढ़ी हुई प्रणाली की विश्वसनीयता और प्रदर्शन, टर्मिनल उपकरणों के कम आकार और ऊर्जा-बचत हार्डवेयर और नेटवर्क डिजाइनों के साथ उन्नत ट्रांसमिशन गति प्रदान करने के लिए 4 जी नेटवर्क पर कई विशिष्ट सुधार शामिल होंगे। 5G सेलुलर नेटवर्क (B5G - 5G से परे) या तथाकथित छठी पीढ़ी (6G) की दिशा में इसके आगे के विकास को प्रोत्साहित करें। 6 जी सेलुलर नेटवर्क के लिए प्रमुख लक्ष्यों को संक्षेप में प्रस्तुत किया जा सकता है:

• कनेक्टेड नेटवर्क: इंटरनेट ऑफ थिंग्स (IoT) और mMTC सेवाओं के प्रसार के साथ, प्रत्येक वायरलेस डिवाइस एक या एक से अधिक वायरलेस एक्सेस नेटवर्क से जुड़ा होगा जो कि कई एक्सेस पॉइंट्स (APs) या बेस स्टेशन (BS) द्वारा परोसा जाएगा, जो बदले में एक आम से जुड़ा होगा। क्लाउड सेवाओं (जैसे, बढ़त कंप्यूटिंग और कैशिंग सेवाओं) तक पहुंच के लिए एक क्लाउड नेटवर्क। ऐसे अनुप्रयोगों / सेवाओं के उदाहरण आभासी वास्तविकता, स्वायत्त ड्राइविंग, स्मार्ट शहरों और स्मार्ट नेटवर्क, औद्योगिक नियंत्रण और स्मार्ट विनिर्माण, निगरानी और सुरक्षा के साथ-साथ कई स्वास्थ्य निगरानी सेवाओं के लिए अनुप्रयोग हैं। वायरलेस उपकरणों में एक एकल या बहु-जंक्शन कनेक्शन के माध्यम से सहकर्मी से सहकर्मी कनेक्शन भी होगा। इसके अलावा, स्थलीय सेलुलर सिस्टम को एयरबोर्न (या गैर-स्थलीय / वायु / मानव रहित) मोबाइल बीएस / एपी नेटवर्क के साथ एकीकृत किया जाएगा। तदनुसार, सेलुलर सिस्टम के पारंपरिक मॉडल इन नई प्रणालियों का वर्णन करने के लिए पर्याप्त नहीं होंगे। इसके अलावा, ये नेटवर्क एप्लिकेशन और सामग्री नेटवर्क होंगे, न कि केवल डेटा नेटवर्क। नतीजतन, नेटवर्क योजना और अनुकूलन के मामले में नए तरीकों की आवश्यकता होगी।
• डिवाइस और नेटवर्क स्तर पर ऊर्जा को कम करना: चूंकि उपयोगकर्ता, मशीनें, एपी / बीएस, साथ ही अन्य नेटवर्क नोड्स को उन्नत सिग्नल प्रोसेसिंग विधियों का उपयोग करने और अधिक डेटा संसाधित करने की आवश्यकता होगी (उदाहरण के लिए, कृत्रिम बुद्धिमत्ता वाले अनुप्रयोगों और सेवाओं के लिए), बिजली की खपत में काफी वृद्धि होगी। । इसके अलावा, रेडियो ट्रांसमीटर (उदाहरण के लिए, पावर एम्पलीफायरों, एनालॉग-टू-डिजिटल और डिजिटल-से-एनालॉग कन्वर्टर्स) में ऊर्जा की खपत को मिलीमीटर और नैनोमीटर तरंगों की आवृत्तियों पर कम से कम करना होगा। एक्सेस पॉइंट्स के अल्ट्रा-घने परिनियोजन के साथ-साथ एक वायरलेस एक्सेस नेटवर्क में परिधीय कंप्यूटिंग / कैशिंग सर्वरों की व्यापक तैनाती से, यह नेटवर्क नोड्स के बीच ऊर्जा की बचत, चार्जिंग, संग्रह और इंटरैक्शन की नई अवधारणाओं की तत्काल आवश्यकता पैदा करेगा।
• स्पेक्ट्रम और / या उसके विस्तार का कुशल उपयोग: नया रेडियो (NR) 5G कई उच्च आवृत्ति बैंड (30-30 GHz [mmW] और ऑप्टिकल सिस्टम में मिलीमीटर तरंगों) में 4G नेटवर्क (0.6–6 GHz) की आवृत्ति रेंज को बढ़ाता है और ऑप्टिकल सिस्टम में 200-385 THz की सीमा में मुक्त स्थान [FSO - freespace ऑप्टिकल]]। वायरलेस तकनीकों और बैकहॉल के लिए नई तकनीकों को विकसित करने की आवश्यकता होगी, साथ ही इन नए बैंडों में सह-अस्तित्व (बिना लाइसेंस वाले स्पेक्ट्रम के मामले में)।

2. भविष्य के वायरलेस नेटवर्क के लिए सेलुलर वास्तुकला

सामान्यतया, सेलुलर नेटवर्क आर्किटेक्चर की अवधारणा भविष्य के वायरलेस नेटवर्क के लिए उपयुक्त नहीं होगी, विशेष रूप से शहरी अल्ट्रा-घने वायरलेस एक्सेस परिदृश्यों में जिसमें मल्टीपल ट्रांसमिशन का उपयोग करके और उपयोगकर्ता संघों (छवि 1) का उपयोग करके कई वायरलेस उपकरणों को एक साथ सेवा दी जाती है। विभिन्न बीएस / एपी के बीच बहुत तेज़ प्रतिक्रिया चैनलों का उपयोग करते हुए, पूरे नेटवर्क को अंतिम डिवाइस के दृष्टिकोण से बड़े पैमाने पर कई आउटपुट के साथ कई आउटपुट (एमआईएमओ सरणी) के बिना वितरित सिस्टम की तरह दिखेगा। विशेष रूप से, सभी एक्सेस पॉइंट उनके आसपास के सभी सक्रिय उपकरणों से अवगत होंगे। APs को दूरस्थ रेडियो प्रमुख (RRH - दूरस्थ रेडियो प्रमुख) के रूप में माना जा सकता है, जैसा कि क्लाउड-आधारित रेडियो एक्सेस नेटवर्क (CRAN - क्लाउड रेडियो एक्सेस नेटवर्क) [5] के मामले में है। प्रत्येक डिवाइस को आरआरएच से अधिक पर या तो ट्रांसमिशन समन्वय करके, या मल्टीप्लेक्सिंग द्वारा सेवा दी जा सकती है। इस सेल-फ्री आर्किटेक्चर पर विचार करने के लिए यह उपयोगी हो सकता है कि प्रसिद्ध समन्वित प्राप्त / प्रेषित (सीओएमपी) के सामान्यीकृत संस्करण के रूप में, जिसमें इंटरएक्टिंग एपीस अपने कवरेज क्षेत्र (सेल सीमा और सेल केंद्र पर डिवाइस) के भीतर सभी उपकरणों की संयुक्त रूप से सेवा करते हैं। यह बहुत तेजी से केंद्रीकृत प्रसंस्करण इकाइयों का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है जो विभिन्न टर्मिनल उपकरणों के लिए संसाधनों का आवंटन करते हैं, जबकि डेटा प्रसंस्करण तथाकथित बेसबैंड यूनिट पूल (बीबीयू) में किया जा सकता है, जैसा कि सीआरएएन के मामले में किया जाता है। विभिन्न आरआरएच के बीच पूर्ण समन्वय के साथ, हस्तक्षेप प्रबंधन को कुछ केंद्रीकृत या वितरित अनुकूलन पद्धतियों के भीतर या लगभग आशातीत रूप से किया जा सकता है।

इस तरह के नेटवर्क आर्किटेक्चर को लाखों उपकरणों (उदाहरण के लिए, एमएमटीसी उपकरणों) को कनेक्ट करना होगा, जिसके लिए स्वचालित सेवाएं सीधे मानव सहभागिता के बिना प्रदान की जानी चाहिए। पारंपरिक ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (ओएमए) योजनाएं पर्याप्त नहीं होंगी, और शुद्ध गैर-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (एनओएमए) विधियों में विभिन्न सेवा आवश्यकताओं वाले उपकरणों के लिए वायरलेस कनेक्टिविटी का समर्थन करने का लचीलापन नहीं होगा [6]। इसलिए, सीमित स्पेक्ट्रम संसाधनों को देखते हुए, इन नेटवर्कों के लिए कई पहुँच / संसाधन आवंटन और हस्तक्षेप प्रबंधन के नए तरीकों को विकसित करना आवश्यक है। अगले भाग में, हम बड़े पैमाने पर वायरलेस कनेक्टिविटी का समर्थन करने के लिए सेल-फ्री 6G नेटवर्क आर्किटेक्चर का उपयोग करने वाले नेटवर्क पर मास मल्टीपल एक्सेस की एक नई विधि प्रस्तावित करते हैं।

3. डेल्टा-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (D-OMA)

यह खंड पहले ओएमए के सिद्धांत की तुलना में एनओएमए के मूल सिद्धांत पर संक्षेप में चर्चा करता है। इसके बाद नए सेल-फ्री नेटवर्क आर्किटेक्चर में बड़े पैमाने पर इन-बैंड NOMA के संभावित उपयोग की चर्चा होती है। अंत में, एक नई डी-ओएमए योजना पर चर्चा और मूल्यांकन किया जाता है।

उ। ओएमए बनाम एनओएमए

OMA का उपयोग सेलुलर पीढ़ियों के लिए 1G से 4G तक किया गया है। विभिन्न वाहकों के बीच आर्थोगोनॉलिटी और उनके बीच बैंडविड्थ पृथक्करण के लिए अपेक्षाकृत उच्च आवश्यकताओं के कारण, ऑर्थोगोनल फ्रिक्वेंसी-डिवीजन मल्टीपल एक्सेस (ओएफडीएमए), जो कि 4 जी नेटवर्क में उपयोग किया जाता है, भविष्य के पीढ़ी के नेटवर्क के लिए एक प्रभावी समाधान प्रदान नहीं कर सकता है। इसलिए, NOMA तकनीक को हाल ही में 3GPP संस्करण 16 (5G) मानकों [7] द्वारा अपनाया गया था। एक नियम के रूप में, एनओएमए एक ही सबबैंड के भीतर पावर डोमेन में कई सिग्नलों को सुपरइम्पोज़ करने की अवधारणा का उपयोग करता है और अवांछित हस्तक्षेप संकेतों को फ़िल्टर करने के लिए रिसीवर की तरफ लगातार हस्तक्षेप रद्दीकरण (एसआईसी) का उपयोग करता है। एनओएमए का उपयोग करते हुए, प्रत्येक व्यक्तिगत ओएमए सबबैंड एक ही समय में कई उपकरणों की सेवा कर सकता है, और इस प्रक्रिया में अधिकांश संचारित शक्ति कम लाइन गुणवत्ता (छवि 2) के साथ प्रदान की जाती है।

विशेष रूप से, डाउनलिंक ट्रांसमिशन के लिए NOMA क्लस्टर के M डिवाइस / उपयोगकर्ता में, AP x = PM m = 1 1 Pmsm भेजेगा ताकि PM m = 1 Pm, Pt, जहाँ Pm mm NOMA द्वारा आवंटित संचारित शक्ति है डिवाइस, sm, m-th डिवाइस पर भेजे जाने वाला सिग्नल है, और Pt एक विशिष्ट NOMA क्लस्टर के सबबैंड को सौंपा गया अधिकतम पावर बजट है। फिर, mth डिवाइस पर प्राप्त सिग्नल को ym = hmx + wm के रूप में परिभाषित किया जाता है, जहाँ hm AP और mth डिवाइस के बीच जटिल चैनल लाभ है, wm एडिटिव व्हाइट गॉसियन शोर (AWGN) और अन्य समूहों के हस्तक्षेप संकेत है। यदि किसी विशेष क्लस्टर के भीतर डिवाइस चैनल का लाभ h1 ≤।, M hM के रूप में दिया जाता है, तो संचारित शक्ति का स्तर प्रत्येक डिवाइस को सौंपा जाएगा, इसलिए P1 within। ,,।,। PM। रिसीवर की ओर से, उच्च प्राप्त शक्तियों वाले उपकरणों से संकेतों को दखल देने से एसआईसी ऑपरेशन द्वारा हटा दिया जाता है जब तक कि वांछित संकेत को डिकोड नहीं किया जाता है। तदनुसार, M के एक निश्चित NOMA क्लस्टर के भीतर m-th डिवाइस पर प्राप्त गति को निम्नानुसार सेट किया गया है



जहाँ जहां Im और Nm, क्रमशः mth डिवाइस के इनपुट पर इंटरक्लस्टर इंटरफेरेंस (ICI) और AWGN शक्तियों का प्रतिनिधित्व करते हैं। आमतौर पर, प्रत्येक सबबैंड एक NOMA क्लस्टर की सेवा देगा। किसी विशेष क्लस्टर में डिवाइस दो प्रकार के हस्तक्षेप से ग्रस्त होंगे, अर्थात् इंट्रा-एनओएमए हस्तक्षेप (आईएनआई) जो एनओएमए के एक अवशिष्ट अनफ़िल्टर्ड सिग्नल के कारण होता है, जो एक ही क्लस्टर में अन्य एनओएमए उपकरणों के कारण होता है, और इंटर-क्लस्टर हस्तक्षेप (आईसीआई) के कारण होता है। अन्य पड़ोसी समूहों द्वारा एक ही सबबैंड। NOMA क्लस्टर का आकार कई कारकों के बीच एक समझौता प्राप्त करने के लिए एक डिज़ाइन पैरामीटर के रूप में माना जा सकता है, अर्थात्: उपकरणों / उपयोगकर्ताओं के लिए डेटा अंतरण दर आवश्यकताएँ, NOMA रिसीवरों की जटिलता स्तर, NOMA क्लस्टर के लिए कुल बिजली बजट और INI पर आधारित त्रुटियों के प्रसार के लिए NOMA डिवाइस का प्रतिरोध। , ICI और SIC


अंजीर। 1: 6G नेटवर्क आर्किटेक्चर बिना सेल्स के।


अंजीर। 2: एक ही सबबैंड पर कई वायरलेस डिवाइस परोसने के लिए NOMA अवधारणा।

पहले भाग का अंत।

दोस्तों, हम जल्द ही लेख की निरंतरता को प्रकाशित करेंगे, लेकिन अभी के लिए, स्थापित परंपरा के अनुसार, हम आपकी टिप्पणियों की प्रतीक्षा कर रहे हैं और आपको OTUS से नेटवर्क इंटरैक्शन के सिद्धांत पर एक व्यावहारिक पाठ्यक्रम में आमंत्रित करते हैं।