Beberapa hari tersisa sebelum dimulainya kursus
"Network Engineer" . Dalam hal ini, kami ingin berbagi dengan Anda bagian pertama dari materi tentang topik "Delta-OMA (D-OMA): metode baru akses banyak massa dalam 6G". Ayo pergi.
Abstrak - Metode baru akses berganda, yaitu, akses berganda delta-ortogonal (D-OMA - akses berganda ortogonal delta), disajikan untuk akses massal di jaringan seluler 6G mendatang. D-OMA didasarkan pada konsep Terdistribusi Besar Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) Terdistribusi Besar yang menggunakan subbands yang tumpang tindih sebagian untuk kluster NOMA. Efektivitas skema ini ditunjukkan dalam hal throughput untuk berbagai tingkat tumpang tindih dari subo NOMA. D-OMA juga dapat digunakan untuk memberikan keamanan yang ditingkatkan di jaringan akses nirkabel di uplink dan downlink. Masalah implementasi praktis dan masalah terbuka untuk optimasi DOMA juga dibahas.
Kata kunci - 5G (B5G) / 6G, kapabilitas nirkabel luas, penerimaan / transmisi terkoordinasi, akses multipel ortogonal dan non-ortogonal, bandwidth, keamanan nirkabel
1. PendahuluanSetiap generasi sistem nirkabel seluler ditandai dengan metode baru akses berganda. Secara khusus, sistem generasi pertama (1G) didasarkan pada pembagian frekuensi pembagian ganda (FDMA), sedangkan generasi kedua, ketiga dan keempat didasarkan pada pembagian waktu pembagian ganda (TDMA) , Multiple Division Division Access (CDMA) dan Orthogonal Frequency Division Multiple Access (OFDMA), masing-masing. Berkenaan dengan komunikasi seluler generasi ke-5 (5G), meskipun banyak upaya pengembangan dan standardisasi masih berlangsung, jelas bahwa tidak akan ada teknologi akses berganda yang revolusioner, kecuali untuk penggunaan spektrum spektrum yang sangat luas (hingga 60 GHz) dan adopsi skema non-ortogonal multiple access (NOMA) selain pembagian frekuensi orthogonal multiple access (OFDMA) [1] - [3]. Adopsi pita frekuensi yang lebih tinggi di antarmuka radio 5G, seperti band gelombang-milimeter (gelombang-mm), akan menciptakan masalah propagasi serius karena kehilangan jalur yang tinggi dan persyaratan directivity beam. Di sini, penyebaran titik akses (AP) yang sangat padat dapat membantu sedikit, yang, pada gilirannya, membutuhkan koordinasi dan kerja sama yang kompleks antara AP yang didistribusikan untuk meminimalkan pengaruh interferensi saluran bersama yang timbul dari tumpang tindih area layanan sel tetangga.
Namun, 5G diharapkan menyediakan tiga layanan unik utama, yaitu: komunikasi broadband seluler yang disempurnakan (eMBB - komunikasi broadband seluler yang disempurnakan), komunikasi latensi rendah yang sangat andal, dan komunikasi massa tipe mesin (mMTC - komunikasi tipe mesin besar-besaran) [4 ] Tujuan dari eMBB adalah untuk menyediakan mode operasi dengan kecepatan data yang lebih tinggi dan area jangkauan yang luas (dibandingkan dengan LTE), sementara layanan ultra-dapat diandalkan, latensi rendah akan menyediakan layanan terautentikasi untuk aplikasi-aplikasi penting seperti mengemudi otonom dan perangkat pemantauan kesehatan. Peran mMTC adalah untuk mengontrol aliran data ke / dari sejumlah besar perangkat nirkabel dengan tingkat kinerja yang terjamin.
Sementara jaringan seluler 5G akan mencakup banyak perbaikan khas pada jaringan 4G untuk memberikan kecepatan transmisi yang meningkat dengan latensi yang berkurang, peningkatan keandalan dan kinerja sistem, berkurangnya ukuran perangkat terminal dan perangkat keras dan desain jaringan hemat energi, munculnya teknologi canggih akan merangsang pengembangan lebih lanjut ke arah jaringan seluler 5G (B5G - melampaui 5G) atau yang disebut generasi keenam (6G). Tujuan utama untuk jaringan seluler 6G dapat diringkas sebagai berikut:
- Jaringan yang terhubung: dengan penyebaran Internet of Things (IoT) dan layanan mMTC, setiap perangkat nirkabel akan terhubung ke satu atau lebih jaringan akses nirkabel yang akan dilayani oleh beberapa titik akses (AP) atau stasiun pangkalan (BS), yang pada gilirannya akan terhubung ke jaringan umum jaringan cloud untuk akses ke layanan cloud (mis., komputasi tepi dan layanan caching). Contoh aplikasi / layanan tersebut adalah kenyataan virtual, mengemudi otonom, aplikasi untuk kota pintar dan jaringan pintar, kontrol industri dan manufaktur pintar, pengawasan dan keamanan, serta berbagai layanan pemantauan kesehatan. Perangkat nirkabel juga akan memiliki koneksi peer-to-peer melalui koneksi tunggal atau multi-persimpangan. Selain itu, sistem seluler terestrial akan diintegrasikan dengan jaringan BS / AP seluler (atau non-terrestrial / udara / tak berawak) yang ada di udara. Dengan demikian, model tradisional sistem seluler tidak akan cukup untuk menggambarkan sistem baru ini. Selain itu, jaringan ini akan menjadi jaringan aplikasi dan konten, bukan hanya jaringan data. Akibatnya, metode baru akan diperlukan dalam hal perencanaan dan optimalisasi jaringan.
- Meminimalkan energi pada tingkat perangkat dan jaringan: karena pengguna, mesin, AP / BS, serta simpul jaringan lainnya perlu menggunakan metode pemrosesan sinyal canggih dan memproses lebih banyak data (misalnya, untuk aplikasi dan layanan dengan kecerdasan buatan), konsumsi daya akan meningkat secara signifikan . Selain itu, konsumsi energi dalam pemancar radio (misalnya, dalam amplifier daya, konverter analog-ke-digital dan digital-ke-analog) perlu diminimalkan pada frekuensi milimeter dan gelombang nanometer. Dengan penyebaran titik akses yang sangat padat, serta penyebaran luas server komputasi / caching periferal dalam jaringan akses nirkabel, ini akan menciptakan kebutuhan mendesak akan konsep baru penghematan energi, pengisian, pengumpulan, dan interaksi antara node jaringan.
- Penggunaan spektrum yang efisien dan / atau perluasannya: radio baru (NR) 5G memperluas jangkauan frekuensi jaringan 4G (0,6–6 GHz) ke beberapa pita frekuensi yang lebih tinggi (gelombang milimeter dalam kisaran 30-300 GHz [mmW] dan sistem optik di ruang kosong [FSO - optik freespace]] di kisaran 200-385 THz). Teknologi baru perlu dikembangkan untuk akses nirkabel dan backhaul, serta koeksistensi (dalam hal spektrum tanpa izin) di pita baru ini.
2. Arsitektur seluler untuk jaringan nirkabel di masa depanSecara umum, konsep arsitektur jaringan seluler tidak akan cocok untuk jaringan nirkabel di masa depan, terutama dalam skenario akses nirkabel ultra-padat perkotaan di mana beberapa perangkat nirkabel dilayani secara bersamaan menggunakan transmisi multipoint dan asosiasi pengguna multipoint (Gbr. 1). Menggunakan saluran umpan balik yang sangat cepat antara BS / AP yang berbeda, seluruh jaringan akan terlihat seperti sistem terdistribusi tanpa banyak input terdistribusi besar dengan beberapa output (array MIMO) dari sudut pandang perangkat akhir. Secara khusus, semua titik akses akan mengetahui semua perangkat aktif di sekitarnya. AP dapat dianggap sebagai kepala radio jarak jauh (RRH - kepala radio jarak jauh), seperti dalam kasus jaringan akses radio berbasis cloud (CRAN - jaringan akses radio awan) [5]. Setiap perangkat dapat dilayani lebih dari RRH baik dengan mengoordinasikan transmisi, atau dengan multiplexing. Mungkin bermanfaat untuk mempertimbangkan arsitektur bebas sel ini sebagai versi umum dari penerimaan / pengiriman terkoordinasi (CoMP) yang terkenal, di mana AP yang berinteraksi bersama-sama melayani semua perangkat dalam area jangkauan mereka (perangkat di batas sel dan pusat sel). Hal ini dapat dicapai dengan menggunakan unit pemrosesan terpusat yang sangat cepat yang mengalokasikan sumber daya ke berbagai perangkat terminal, sementara pemrosesan data dapat dilakukan dalam apa yang disebut pool unit baseband (BBU), seperti dalam kasus CRAN. Dengan koordinasi penuh antara RRH yang berbeda, manajemen gangguan dapat dilakukan secara optimal atau hampir secara optimal dalam beberapa metodologi optimisasi terpusat atau terdistribusi.
Arsitektur jaringan seperti itu harus menghubungkan jutaan perangkat (misalnya, perangkat mMTC) yang layanan otomatisnya harus disediakan tanpa interaksi manusia secara langsung. Skema ortogonal multiple access (OMA) tradisional tidak akan mencukupi, dan metode non-orthogonal multiple access (NOMA) murni tidak akan memiliki fleksibilitas untuk mendukung konektivitas nirkabel untuk perangkat dengan persyaratan layanan yang berbeda [6]. Oleh karena itu, perlu untuk mengembangkan metode baru akses ganda / alokasi sumber daya dan manajemen interferensi untuk jaringan ini tanpa sel, mengingat sumber daya spektrum yang terbatas. Pada bagian berikutnya, kami mengusulkan metode baru akses ganda massa pada jaringan yang menggunakan arsitektur jaringan 6G bebas sel untuk mendukung konektivitas nirkabel skala besar.
3. Delta-orthogonal multiple access (D-OMA)Bagian ini membahas secara singkat prinsip dasar NOMA dibandingkan dengan prinsip OMA. Ini kemudian membahas potensi penggunaan NOMA in-band besar dalam arsitektur jaringan bebas sel baru. Akhirnya, skema D-OMA baru dibahas dan dievaluasi.
A. OMA vs NOMA
OMA telah digunakan untuk generasi seluler dari 1G hingga 4G. Karena ortogonalitas antara operator yang berbeda dan persyaratan yang relatif tinggi untuk pemisahan bandwidth di antara mereka, akses ganda pembagian frekuensi (OFDMA) orthogonal, yang digunakan dalam jaringan 4G, mungkin tidak memberikan solusi yang efektif untuk jaringan generasi mendatang. Oleh karena itu, teknik NOMA baru-baru ini diadopsi oleh standar 3GPP versi 16 (5G) [7]. Sebagai aturan, NOMA menggunakan konsep melapiskan banyak sinyal dalam domain daya dalam subband yang sama dan menggunakan pembatalan interferensi berturut-turut (SIC) pada sisi penerima untuk menyaring sinyal interferensi yang tidak diinginkan. Dengan menggunakan NOMA, setiap subband OMA individu dapat melayani beberapa perangkat pada saat yang bersamaan, dan dalam proses ini sebagian besar daya pancar diberikan kepada perangkat dengan kualitas saluran yang lebih rendah (Gbr. 2).
Secara khusus, di perangkat M / pengguna cluster NOMA untuk transmisi downlink, AP akan mengirim x = PM m = 1 √ Pmsm sehingga PM m = 1 Pm ≤ Pt, di mana Pm adalah daya pancar yang dialokasikan oleh NOMA ke-m perangkat, sm adalah sinyal untuk dikirim ke perangkat m-th, dan Pt adalah anggaran daya maksimum yang ditetapkan untuk subband dari cluster NOMA tertentu. Kemudian, sinyal yang diterima pada perangkat mth didefinisikan sebagai ym = hmx + wm, di mana hm adalah gain saluran kompleks antara AP dan perangkat mth, wm adalah aditif white Gaussian white (AWGN) ditambah sinyal interferensi dari cluster lain. Jika saluran perangkat memperoleh dalam kelompok tertentu dipesan sebagai h1 ≤. ,, ≤ hM, maka level daya pancar akan ditetapkan untuk setiap perangkat, jadi P1 ≥. ,, ≥ PM. Di sisi penerima, sinyal interferensi dari perangkat dengan daya yang diterima lebih tinggi dihilangkan oleh operasi SIC sampai sinyal yang diinginkan diuraikan. Dengan demikian, kecepatan yang dapat dicapai pada perangkat m-th dalam kelompok NOMA ukuran M tertentu diatur sebagai
dimana
di mana Im dan Nm masing-masing mewakili interferensi interferensi (ICI) dan AWGN pada input perangkat mth. Biasanya, setiap subband akan melayani satu cluster NOMA. Perangkat dalam cluster tertentu akan menderita dari dua jenis interferensi, yaitu interferensi intra-NOMA (INI) yang disebabkan oleh sinyal interferensi tanpa filter residual dari NOMA, yang disebabkan oleh perangkat NOMA lain di cluster yang sama, dan dari interferensi antar-cluster (ICI) ini disebabkan oleh penggunaan subband yang sama oleh cluster tetangga lainnya. Ukuran cluster NOMA dapat dianggap sebagai parameter desain untuk mencapai kompromi antara beberapa faktor, yaitu: persyaratan laju transfer data untuk perangkat / pengguna, tingkat kompleksitas penerima NOMA, total anggaran daya untuk cluster NOMA, dan ketahanan perangkat NOMA terhadap penyebaran kesalahan berdasarkan INI. , ICI dan SIC
Fig. Arsitektur jaringan 1: 6G tanpa sel.
Fig. 2: Konsep NOMA untuk melayani beberapa perangkat nirkabel pada subband yang sama.Akhir dari bagian pertama.
Teman-teman, dalam waktu dekat kami akan menerbitkan kelanjutan artikel, tetapi untuk sekarang, sesuai dengan tradisi yang ada, kami menunggu komentar Anda dan mengundang Anda ke
kursus praktis tentang teori interaksi jaringan dari OTUS.