Delta-OMA (D-OMA): Novo método de acesso múltiplo em massa 6G. Parte 1

Alguns dias faltam para o início do curso "Engenheiro de Rede" . Nesse sentido, queremos compartilhar com você a primeira parte do material sobre o tópico "Delta-OMA (D-OMA): um novo método de acesso múltiplo em massa em 6G". Vamos lá

Resumo - Um novo método de acesso múltiplo, chamado acesso múltiplo delta-ortogonal (D-OMA - acesso múltiplo ortogonal delta), é apresentado para acesso em massa em futuras redes celulares 6G. O D-OMA é baseado no conceito de Acesso Múltiplo Não Ortogonal e Coordenado Grande Distribuído (NOMA), usando sub-bandas parcialmente sobrepostas para clusters NOMA. A eficácia desse esquema é demonstrada em termos de taxa de transferência para vários graus de sobreposição das sub-bandas NOMA. O D-OMA também pode ser usado para fornecer segurança aprimorada em redes de acesso sem fio, tanto no uplink quanto no downlink. Questões práticas de implementação e questões abertas para otimização de DOMA também são discutidas.



Palavras - chave - 5G (B5G) / 6G, amplos recursos sem fio, recepção / transmissão coordenada, acesso múltiplo ortogonal e não-ortogonal, largura de banda, segurança sem fio

1. Introdução

Cada geração de sistemas sem fio celulares é caracterizada por um novo método de acesso múltiplo. Em particular, os sistemas de primeira geração (1G) foram baseados no acesso múltiplo por divisão de frequência (FDMA), enquanto as segunda, terceira e quarta gerações foram baseadas no acesso múltiplo por divisão no tempo (TDMA) , Acesso Múltiplo por Divisão de Código (CDMA) e Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência Ortogonal (OFDMA), respectivamente. Com relação às comunicações celulares de 5ª geração (5G), embora muitos esforços de desenvolvimento e padronização ainda estejam em andamento, é claro que não haverá tecnologia revolucionária de acesso múltiplo, exceto pelo uso de uma gama extremamente ampla de espectro (até 60 GHz) e adoção de esquemas não ortogonais acesso múltiplo (NOMA), além do acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal (OFDMA) [1] - [3]. A adoção de bandas de frequência mais altas na interface de rádio 5G, como bandas de onda milimétrica (onda mm), criará sérios problemas de propagação devido a alta perda de caminho e requisitos de diretividade do feixe. Aqui, a implantação ultra-densa de pontos de acesso (APs) pode ajudar um pouco, o que, por sua vez, exige coordenação e cooperação complexas entre os APs distribuídos para minimizar a influência da interferência de co-canal resultante da sobreposição de áreas de serviço das células vizinhas.

No entanto, espera-se que o 5G forneça três serviços exclusivos principais, a saber: comunicação de banda larga móvel aprimorada (eMBB - comunicação de banda larga móvel aprimorada), comunicações ultra-confiáveis ​​de baixa latência e comunicação de massa do tipo máquina (mMTC - comunicação do tipo máquina massiva) [4 ] O objetivo do eMBB é fornecer modos de operação com taxas de dados mais altas e uma área de cobertura estendida (em comparação com o LTE), enquanto serviços ultraconfiáveis ​​e de baixa latência fornecerão serviços autenticados para aplicativos essenciais, como dispositivos autônomos de direção e monitoramento de saúde. O papel do mMTC é controlar o fluxo de dados de / para um grande número de dispositivos sem fio com um nível de desempenho garantido.

Embora as redes celulares 5G incluam muitas melhorias distintas nas redes 4G para fornecer maiores velocidades de transmissão com latência reduzida, maior confiabilidade e desempenho do sistema, tamanho reduzido de dispositivos terminais e hardware e design de rede que economizam energia, o advento de tecnologias avançadas estimular seu desenvolvimento adicional na direção das redes celulares 5G (B5G - além de 5G) ou da chamada sexta geração (6G). Os principais objetivos das redes celulares 6G podem ser resumidos da seguinte forma:

• Redes conectadas: com a expansão dos serviços Internet das Coisas (IoT) e mMTC, cada dispositivo sem fio será conectado a uma ou mais redes de acesso sem fio que serão atendidas por vários pontos de acesso (APs) ou estações base (BSs), que por sua vez serão conectadas a uma rede comum. uma rede em nuvem para acesso a serviços em nuvem (por exemplo, serviços de computação em cache e cache). Exemplos de tais aplicativos / serviços são realidade virtual, direção autônoma, aplicativos para cidades e redes inteligentes, controle industrial e fabricação inteligente, vigilância e segurança, além de vários serviços de monitoramento de saúde. Os dispositivos sem fio também terão uma conexão ponto a ponto através de uma conexão única ou com várias junções. Além disso, os sistemas celulares terrestres serão integrados às redes móveis / aéreas BS / AP não terrestres / aéreas / não tripuladas. Consequentemente, os modelos tradicionais de sistemas celulares não serão suficientes para descrever esses novos sistemas. Além disso, essas redes serão redes de aplicativos e conteúdo, não apenas redes de dados. Conseqüentemente, novos métodos serão necessários em termos de planejamento e otimização da rede.
• Minimizar a energia no nível do dispositivo e da rede: como usuários, máquinas, APs / BSs e outros nós da rede precisarão usar métodos avançados de processamento de sinal e processar mais dados (por exemplo, para aplicativos e serviços com inteligência artificial) O consumo de energia aumentará significativamente . Além disso, o consumo de energia em transmissores de rádio (por exemplo, em amplificadores de potência, conversores analógico-digital e digital-analógico) precisará ser minimizado nas frequências de ondas milimétricas e nanométricas. Com a implantação ultra-densa de pontos de acesso, bem como a implantação generalizada de servidores de computação / cache periféricos em uma rede de acesso sem fio, isso criará uma necessidade urgente de novos conceitos de economia de energia, cobrança, coleta e interação entre os nós da rede.
• Uso eficiente do espectro e / ou sua expansão: o novo rádio (NR) 5G estende a faixa de frequência das redes 4G (0,6 a 6 GHz) a várias bandas de frequência mais altas (ondas milimétricas na faixa de 30 a 300 GHz [mmW] e sistemas ópticos em espaço livre [FSO - espaço livre óptico]] na faixa de 200 a 385 THz). Novas tecnologias precisarão ser desenvolvidas para acesso sem fio e backhaul, bem como coexistência (no caso de espectro não licenciado) nessas novas bandas.

2. Arquitetura celular para futuras redes sem fio

De um modo geral, o conceito de arquitetura de rede celular não será adequado para futuras redes sem fio, especialmente em cenários urbanos de acesso sem fio denso, nos quais vários dispositivos sem fio são servidos simultaneamente usando transmissões multiponto e associações de usuários multiponto (Fig. 1). Usando canais de feedback muito rápidos entre diferentes BS / APs, toda a rede se parecerá com um sistema distribuído sem entradas múltiplas distribuídas em massa com várias saídas (matriz MIMO) do ponto de vista do dispositivo final. Em particular, todos os pontos de acesso estarão cientes de todos os dispositivos ativos nas proximidades. Os pontos de acesso podem ser considerados cabeças de rádio remotas (RRH - cabeças de rádio remotas), como no caso de redes de acesso via rádio baseadas na nuvem (CRAN - redes de acesso via rádio na nuvem) [5]. Cada dispositivo pode ser servido em mais de RRH, coordenando a transmissão ou multiplexando. Pode ser útil considerar essa arquitetura sem célula como uma versão generalizada do bem conhecido recebimento / transmissão coordenada (CoMP), na qual os APs interagindo juntos servem todos os dispositivos dentro de sua área de cobertura (dispositivos no limite da célula e no centro da célula). Isso pode ser conseguido usando unidades de processamento centralizadas muito rápidas que alocam recursos para vários dispositivos de terminal, enquanto o processamento de dados pode ser realizado no chamado pool de unidades de banda de base (BBU), como no caso do CRAN. Com a coordenação total entre diferentes RRHs, o gerenciamento de interferências pode ser realizado de forma ideal ou quase ideal dentro de algumas metodologias de otimização centralizada ou distribuída.

Essa arquitetura de rede precisará conectar milhões de dispositivos (por exemplo, dispositivos mMTC) para os quais os serviços automáticos devem ser fornecidos sem interação humana direta. Os esquemas tradicionais de acesso múltiplo ortogonal (OMA) não serão suficientes e os métodos puros de acesso múltiplo não-ortogonal (NOMA) não terão flexibilidade para oferecer suporte à conectividade sem fio para dispositivos com requisitos de serviço diferentes [6]. Portanto, é necessário desenvolver novos métodos de acesso múltiplo / alocação de recursos e gerenciamento de interferência para essas redes sem células, dados os recursos de espectro limitados. Na próxima seção, propomos um novo método de acesso múltiplo em massa em uma rede que usa uma arquitetura de rede 6G sem célula para suportar conexões sem fio em larga escala.

3. Acesso múltiplo delta-ortogonal (D-OMA)

Esta seção discute brevemente brevemente o princípio básico do NOMA em comparação com o princípio do OMA. Em seguida, ele discute o uso potencial de NOMA em banda massiva na nova arquitetura de rede sem células. Finalmente, um novo esquema de D-OMA é discutido e avaliado.

A. OMA vs NOMA

O OMA tem sido usado por gerações celulares de 1G a 4G. Devido à ortogonalidade entre diferentes operadoras e aos requisitos relativamente altos de separação de largura de banda entre elas, o OFDMA (acesso múltiplo por divisão de frequência ortogonal), usado em redes 4G, pode não fornecer uma solução eficaz para redes de geração futura. Portanto, a técnica NOMA foi recentemente adotada pelos padrões 3GPP versão 16 (5G) [7]. Como regra, o NOMA usa o conceito de sobreposição de muitos sinais no domínio de energia dentro da mesma sub-banda e o uso de cancelamento de interferência sucessivo (SIC) no lado do receptor para filtrar sinais de interferência indesejados. Usando o NOMA, cada sub-banda OMA individual pode atender a vários dispositivos ao mesmo tempo e, nesse processo, a maior parte da energia de transmissão é fornecida para aqueles com qualidade de linha inferior (Fig. 2).

Em particular, no dispositivo M / usuário do cluster NOMA para transmissão de downlink, o AP enviará x = PM m = 1 √ Pmsm, de modo que PM m = 1 Pm ≤ Pt, em que Pm é a potência de transmissão alocada pelo mésimo NOMA device, sm é o sinal a ser enviado ao m-ésimo dispositivo e Pt é o orçamento máximo de energia atribuído à sub-banda de um cluster NOMA específico. Então, o sinal recebido no m-ésimo dispositivo é definido como ym = hmx + wm, onde hm é o ganho de canal complexo entre o AP e o m-ésimo dispositivo, wm é o ruído gaussiano aditivo branco (AWGN) mais o sinal de interferência de outros clusters. Se os ganhos do canal do dispositivo em um determinado cluster forem ordenados como h1 ≤. ,, ≤ hM, os níveis de potência de transmissão serão atribuídos a cada dispositivo, então P1 ≥. ,, ≥ PM. No lado do receptor, os sinais interferentes dos dispositivos com maiores potências recebidas são removidos pela operação SIC até que o sinal desejado seja decodificado. Consequentemente, a velocidade alcançável no m-ésimo dispositivo em um determinado cluster NOMA de tamanho M é definida como



onde em que Im e Nm representam potências de interferência de cluster (ICI) e AWGN na entrada do mésimo dispositivo, respectivamente. Normalmente, cada sub-banda atenderá a um cluster NOMA. Os dispositivos em um cluster específico sofrerão com dois tipos de interferência, a interferência intra-NOMA (INI) causada por um sinal de interferência residual não filtrada do NOMA, causado por outros dispositivos NOMA no mesmo cluster, e pela interferência entre cluster (ICI) causada pelo uso de a mesma sub-banda por outros clusters vizinhos. O tamanho do cluster NOMA pode ser considerado como um parâmetro de design para alcançar um compromisso entre vários fatores, a saber: os requisitos de taxa de transferência de dados para dispositivos / usuários, o nível de complexidade nos receptores NOMA, o orçamento total de energia para o cluster NOMA e a resistência do dispositivo NOMA à propagação de erros INI , ICI e SIC


Fig. Arquitetura de rede 1: 6G sem células.


Fig. 2: O conceito NOMA para atender a vários dispositivos sem fio na mesma sub-banda.

O fim da primeira parte.

Amigos, em breve publicaremos a continuação do artigo, mas, por enquanto, de acordo com a tradição estabelecida, aguardamos seus comentários e convidamos você para um curso prático sobre a teoria da interação em rede da OTUS.