IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

Возрастающие требования к мобильному интернету и Интернету Вещей представляют собой большие сложности для беспроводных сетей 5G, такие как высокая спектральная эффективность и массовые подключения.

В истории беспроводных технологий от первого поколения (1G) до 4G, схема множественного доступа была ключевой технологией, различающей различные беспроводные сети. Известно, что множественный доступ с частотным разделением (FDMA) используется в 1G, множественный доступ с временным разделением (TDMA) используется в основном в 2G, множественный доступ с кодовым разделением (CDMA) в 3G, множественный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMA) в 4G, в основном схемы ортогонального множественного доступа (OMA).

В связи со стихийным развитием интернета вещей (ИВ, IOT), 5G должен поддерживать множество подключений от пользователей и/или устройств при этом обеспечивая малую задержку для этих недорогих устройств, а также для различных видов услуг. Для обеспечения таких требований необходимо улучшение технологий. На данный момент представлены некоторые потенциальные кандидаты для решения проблем связанных с 5G, такие как массивное MIMO, использование миллиметрового диапазона, сети повышенной плотности (UDN) и неортогональный множественный доступ (NOMA).

В последнее время несколько схем NOMA привлекли наибольшее внимание, в целом мы можем разделить их на две категории – мультиплексирование в области мощности и мультиплексирование в кодовой области, включая множественный доступ с малой плотностью распространения (LDS), множественный доступ с разреженным кодом (SCMA), многопользовательский коллективный доступ (MUSA) и так далее.

Повышение эффективности использования спектра: Согласно анализу многопользовательской вместимости, в новаторской работе [1], на рисунке 1 показано сравнение вместимости каналов OMA и NOMA с двумя пользователями в канале с аддитивным белым гауссовским шумом без потерь. В канале многолучевых замираний с межсимвольной интерференцией (ISI), несмотря на то, что OMA может достигнуть суммарного объема в нисходящей линии связи, NOMA будет оптимальной, когда OMA будет строго неоптимальной, если информация о состоянии канала (CSI) известна лишь в мобильном приемнике [1].

Рисунок 1 – Сравнение емкости канала OMA и NOMA

Массивное подключение: Не ортогональное распределение ресурсов в NOMA обозначает, что количество поддерживаемых пользователей или устройств не строго ограничено количеством доступных ресурсов и их планируемой неравномерностью. Таким образом, NOMA может вместить значительно больше пользователей чем ОМА используя не ортогональное распределение ресурсов; например, MUSA по-прежнему может достичь достаточно хорошей производительности при перегрузке в 300 процентов [2].

Малая задержка передачи и стоимость передачи сигнала: в обычном ОМА с передачей, основанной на грантах, пользователь, в первую очередь, должен отправить запрос на распределение базовой станции (BS). Затем, на основании принятого запроса, БС выполняет планирование для передачи восходящей линии связи и передает грант по каналу нисходящей линии связи. Эта процедура приводит к большим задержкам и высокой стоимости передачи сигналов, которая становится хуже или даже неприемлемой в случае ожидаемого массового подключения в 5G. С другой стороны, такое динамическое распределение не требуется в некоторых восходящих линиях связи NOMA, что делает передачу восходящей линии связи свободной от грантов, что может значительно уменьшить задержку передачи данных и затраты на передачу сигнала.

Из-за приведенных выше потенциальных преимуществ, NOMA активно исследуется в качестве перспективной технологии для 5G.

NOMA через мультиплексирование в области мощности. Базисный NOMA с приемником SIC (с последовательным подавлением помех), на рисунке 2а продемонстрирована базисная схема NOMA через мультиплексирование в области мощности с SIC приемником в нисходящей линии. Отметим что эта схема NOMA может быть применена и к восходящей линии.

Рисунок 2 – NOMA через мультиплексирование в области мощности

В приемнике SIC обычно используется для реализации детектирования в множестве пользователей. Из-за эффекта ближний-дальний” условия канала могут существенно отличаться для различных пользователей. SIC нацелена на пользователей с довольно высоким соотношением (полезного) сигнала к интерферирующему и шуму (SINIR), и должна осуществляться в порядке убывания показателя SINIR.

NOMA в системах с массивным MIMO: NOMA может использоваться в сочетании с многопользовательской технологией множества входов множества выходов (MU-MIMO) с целью дальнейшего улучшения спектральной эффективности системы. В приемнике межлучевая интерференция может быть подавлена с помощью пространственной фильтрации, затем для удаления помех между пользователями внутри луча может использоваться алгоритм SIC. Расширение NOMA в системах массивного MIMO может дополнительно повысить спектральную эффективность.

NOMA сеть: когда распределение мощности передачи смещается в сторону дальних пользователей в нисходящей линии NOMA, пользователи на краях соты испытывают сильные помехи от соседних сот.

Для снижения помех между сотами можно рассмотреть совместное предварительное кодирование на всех соседних сотах сигналов пользователей NOMA. Для этого нужно, чтобы данные всех пользователей были доступны на нескольких БС, однако нахождение оптимального прекодера не является тривиальной задачей.

NOMAчерез мультиплексирование в кодовой области. Идея LDS-CDMA (CDMA с низкой плотностью распространения) заключается в использовании разряженных расширяющих последовательностей вместо плотностных расширяющих последовательностей в обычном CDMA для уменьшения помех на каждой микросхеме. Таким образом, LDS-CDMA может повысить производительность системы путем использования LDS последовательностей в CDMA, что является ключевым отличием CDMA и LDS-CDMA. Таким образом, помехи будут эффективно сокращаться среди множества пользователей с соответствующей схемой расширяющей последовательности и перегрузка может быть достигнута.

OFDM с низкой плотностью распространения: LDS мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов может рассматриваться как комбинированная версия LDS-CDMA и OFDM, в которой используются элементарные сигналы поднесущих OFDM для борьбы с многолучевыми замираниями. В LDS-OFDM переданные символы сначала сопоставляются определенным последовательностям LDS, а затем передаются на разных поднесущих OFDM. Количество символов может быть больше, чем число поднесущих, т.е. перегрузка позволяет повысить спектральную эффективность. MPA в LDS-CDMA так же может быть использован и в приемнике LDS-OFDM. По существу, LDS-OFDM можно рассматривать как улучшенную версию CDMA с несколькими несущими (MC-CDMA) с заменой плотностных расширяющих последовательностей на LDS.

1. D. Tse and P. Viswanath, Fundamentals of Wireless Communication, Cambridge Univ. Press, 2005.

2. Z. Yuan, G. Yu, and W. Li, “Multi-User Shared Access for 5G,” Telecommun. Network Technology, vol. 5, no. 5, May 2015, pp. 28–30

3. L. Dai, B. Wang, Y. Yuan, S. Han, C. l. I and Z. Wang, "Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends," in IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 9, pp. 74-81, September 2015. doi: 10.1109/MCOM.2015.7263349

Код для цитирования: Скопировать