До запуска курса «Сетевой инженер» остаются считанные дни. В связи с этим хотим поделиться с вами первой частью материала по теме «Delta-OMA (D-OMA): новый метод массового множественного доступа в 6G». Поехали.
Аннотация — Новый метод множественного доступа, а именно дельта-ортогональный множественный доступ (D-OMA — delta orthogonal multiple access), представлен для массового доступа в сотовых сетях 6G будущего поколения. D-OMA основан на концепции распределенного большого координированного неортогонального множественного доступа с поддержкой многоадресной передачи (NOMA — non-orthogonal multiple access) с использованием частично перекрывающихся поддиапазонов для кластеров NOMA. Эффективность этой схемы демонстрируется с точки зрения пропускной способности для различных степеней перекрытия поддиапазонов NOMA. D-OMA также может использоваться для обеспечения повышенной безопасности в сетях беспроводного доступа как в восходящей линии связи, так и в нисходящей линии связи. Также обсуждаются вопросы практической реализации и открытые проблемы для оптимизации DOMA.
Ключевые слова — 5G (B5G)/6G, широкие возможности беспроводной связи, координированная прием/передача, ортогональный и неортогональный множественный доступ, пропускная способность, безопасность беспроводной связи
1. Вступление
Каждое поколение сотовых беспроводных систем характеризуется новым методом множественного доступа. В частности, системы первого поколения (1G) были основаны на множественном доступе с частотным разделением (FDMA — frequency division multiple access), тогда как второе, третье и четвертое поколения были основаны на множественном доступе с временным разделением (TDMA — time division multiple access), множественном доступе с кодовым разделением (CDMA — code division multiple access) и ортогональным частотным разделением (OFDMA — orthogonal frequency division multiple access) соответственно. Что касается сотовой связи 5-го поколения (5G), хотя многие усилия по разработке и стандартизации все еще продолжаются, ясно, что не будет никакой революционной технологии множественного доступа, за исключением использования чрезвычайно широкого диапазона спектра (до 60 ГГц) и принятие схем неортогонального множественного доступа (NOMA) в дополнение к множественному доступу с ортогональным частотным разделением (OFDMA) [1] — [3]. Принятие полос более высоких частот в радиоинтерфейсе 5G, таких как полосы миллиметровых волн (мм-волны), создаст серьезные проблемы с распространением из-за высоких потерь на трассе и требований к направленности луча. Здесь может немного выручить ультраплотное развертывание точек доступа (AP — access point), что, в свою очередь, требует сложной координации и сотрудничества между распределенными AP, чтобы минимизировать влияние помех в совмещенном канале, возникающих из-за перекрывающихся зон обслуживания соседних сот.
Тем не менее, ожидается, что 5G предоставит три основных уникальных сервиса, а именно: расширенную мобильную широкополосную связь (eMBB — enhanced mobile broadband communication), сверхнадежную связь с малой задержкой и массовую связь машинного типа (mMTC — massive machine type communication) [4]. Целью eMBB является обеспечение режимов работы с более высокими скоростями передачи данных и расширенной зоной покрытия (по сравнению с LTE), в то время как сверхнадежные сервисы с малой задержкой будут предоставлять аутентифицированные сервисы для критически важных приложений, таких как автономное вождение и устройства мониторинга работоспособности. Роль mMTC заключается в управлении потоком данных в/из огромного количества беспроводных устройств с гарантированным уровнем производительности.
В то время как сотовые сети 5G будут включать в себя множество отличительных улучшений по сравнению с сетями 4G, чтобы обеспечить повышенные скорости передачи с уменьшенной задержкой, повышенную надежность и производительность системы, уменьшенные размеры терминальных устройств и энергосберегающие аппаратные и сетевые конструкции, появление передовых технологий будет стимулировать ее дальнейшее развитие в направлении сетей сотовой связи 5G (B5G — beyond 5G) или так называемого шестого поколения (6G). Ключевые цели для сотовых сетей 6G можно суммировать следующим образом:
2. Безсотовая архитектура для будущих беспроводных сетей
Вообще говоря, концепция сотовой сетевой архитектуры не будет подходить для будущих беспроводных сетей, особенно в городских сценариях сверхплотного беспроводного доступа, в которых многочисленные беспроводные устройства обслуживаются одновременно с использованием многоточечных передач и многоточечных пользовательских ассоциаций (рис. 1). Используя очень быстрые каналы обратной связи между различными BS/AP, вся сеть будет выглядеть как распределенная система без массовых распределенных множественных входов с множеством выходов (массив MIMO) с точки зрения конечного устройства. В частности, все точки доступа будут знать обо всех активных устройствах в их окрестностях. AP могут рассматриваться как удаленные радиоголовки (RRH — remote radio heads), как в случае облачных сетей радиодоступа (CRAN — cloud radio access networks) [5]. Каждое устройство может обслуживаться более чем по RRH либо путем координации передачи, либо путем мультиплексирования. Может быть полезно рассматривать эту бесклеточную архитектуру как обобщенную версию хорошо известной координированной прием/передачи (CoMP), в которой взаимодействующие AP совместно обслуживают все устройства в пределах их зоны покрытия (устройства на границе ячейки и центр ячейки). Это может быть обеспечено использованием очень быстрых централизованных блоков обработки, которые назначают ресурсы различным оконечным устройствам, в то время как обработка данных может проводиться в так называемом пуле блоков основной полосы частот (BBU — baseband unit pool), как в случае CRAN. При полной координации между различными RRH управление помехами может выполняться оптимально или почти оптимально в рамках некоторых централизованных или распределенных методологий оптимизации.
Такая сетевая архитектура должна будет соединять миллионы устройств (например, mMTC-устройств), для которых автоматические услуги должны предоставляться без прямого взаимодействия с человеком. Традиционные схемы ортогонального множественного доступа (OMA) не будут достаточными, а также методы чистого неортогонального множественного доступа (NOMA) не будут иметь гибкости для поддержки беспроводного соединения для устройств с различными требованиями к обслуживанию [6]. Поэтому необходимо разработать новые методы множественного доступа/распределения ресурсов и управления помехами для этих сетей без сот, учитывая ограниченные ресурсы спектра. В следующем разделе мы предлагаем новый метод массового множественного доступа в такой сети, который использует архитектуру сети 6G без ячейки для поддержки масштабного беспроводного соединения.
3. Дельта-ортогональный множественный доступ (D-OMA)
В этом разделе сначала кратко обсуждается основной принцип NOMA по сравнению с принципом OMA. Затем обсуждается потенциальное применение массивного внутриполосного NOMA в новой безсотовой сетевой архитектуре. Наконец, обсуждается и оценивается новая схема D-OMA.
А. OMA против NOMA
OMA был использован для сотовых поколений от 1G до 4G. Из-за ортогональности между различными носителями и относительно высоких требований к разделению полосы пропускания среди них множественный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMA — orthogonal frequency-division multiple access), который используется в сетях 4G, может не обеспечивать эффективного решения для сетей будущего поколения. Поэтому методика NOMA была принята в последнее время стандартами 3GPP версии 16 (5G) [7]. Как правило, NOMA использует концепцию наложения многих сигналов в области мощности в пределах одного и того же поддиапазона и использования последовательного подавления помех (SIC — successive interference cancellation) на стороне приемника для фильтрации нежелательных мешающих сигналов. Используя NOMA, каждый отдельный поддиапазон OMA может обслуживать несколько устройств одновременно, и в этом процессе большая часть мощности передачи предоставляется тем, кто имеет более низкое качество линии (рис. 2).
В частности, в M-устройстве/пользователе NOMA-кластера для передачи по нисходящей линии связи AP отправит x = PM m = 1 v Pmsm так, что PM m = 1 Pm ? Pt, где Pm — мощность передачи, выделенная m-й NOMA device, sm — это сигнал, который нужно отправить m-му устройству, а Pt — максимальный бюджет мощности, назначенный поддиапазону конкретного кластера NOMA. Затем принятый сигнал на m-м устройстве определяется как ym = hmx + wm, где hm — комплексное усиление канала между AP и m-м устройством, wm — аддитивный белый гауссов шум (AWGN) плюс интерференционный сигнал других кластеров. Если коэффициенты усиления каналов устройств в пределах определенного кластера упорядочены как h1 ?.,, ? hM, то уровни мощности передачи будут назначаться каждому устройству, так что P1 ?.,, ? PM. На стороне приемника мешающие сигналы от устройств с более высокими принимаемыми мощностями удаляются посредством операции SIC до тех пор, пока требуемый сигнал не будет декодирован. Соответственно, достижимая скорость на m-м устройстве в пределах определенного кластера NOMA размера M задается как
где
, где Im и Nm представляют межкластерные помехи (ICI) и мощности AWGN на входе m-го устройства соответственно. Как правило, каждый поддиапазон будет обслуживать один кластер NOMA. Устройства в определенном кластере будут страдать от помех двух типов, а именно от помех внутри-NOMA (INI), вызванных остаточным нефильтрованным сигналом помех от NOMA, который вызывается другими устройствами NOMA в том же кластере, и от межкластерных помех (ICI) это вызвано использованием того же поддиапазона другими соседними кластерами. Размер кластера NOMA можно рассматривать как параметр проектирования для достижения компромисса между несколькими факторами, а именно: требования к скорости передачи данных для устройств / пользователей, уровень сложности в приемниках NOMA, общий бюджет мощности на кластер NOMA и устойчивость устройства NOMA к распространению ошибок на основе INI, ICI и SIC
Рис. 1: Архитектура сети 6G без сот.
Рис. 2: Концепция NOMA для обслуживания нескольких беспроводных устройств в одном и том же поддиапазоне.
Конец первой части.
Друзья, в скором времени мы опубликуем продолжение статьи, а пока, по устоявшейся традиции, ждем ваши комментарии и приглашаем на практический курс о теории сетевого взаимодействия от OTUS.
Аннотация — Новый метод множественного доступа, а именно дельта-ортогональный множественный доступ (D-OMA — delta orthogonal multiple access), представлен для массового доступа в сотовых сетях 6G будущего поколения. D-OMA основан на концепции распределенного большого координированного неортогонального множественного доступа с поддержкой многоадресной передачи (NOMA — non-orthogonal multiple access) с использованием частично перекрывающихся поддиапазонов для кластеров NOMA. Эффективность этой схемы демонстрируется с точки зрения пропускной способности для различных степеней перекрытия поддиапазонов NOMA. D-OMA также может использоваться для обеспечения повышенной безопасности в сетях беспроводного доступа как в восходящей линии связи, так и в нисходящей линии связи. Также обсуждаются вопросы практической реализации и открытые проблемы для оптимизации DOMA.
Ключевые слова — 5G (B5G)/6G, широкие возможности беспроводной связи, координированная прием/передача, ортогональный и неортогональный множественный доступ, пропускная способность, безопасность беспроводной связи
1. Вступление
Каждое поколение сотовых беспроводных систем характеризуется новым методом множественного доступа. В частности, системы первого поколения (1G) были основаны на множественном доступе с частотным разделением (FDMA — frequency division multiple access), тогда как второе, третье и четвертое поколения были основаны на множественном доступе с временным разделением (TDMA — time division multiple access), множественном доступе с кодовым разделением (CDMA — code division multiple access) и ортогональным частотным разделением (OFDMA — orthogonal frequency division multiple access) соответственно. Что касается сотовой связи 5-го поколения (5G), хотя многие усилия по разработке и стандартизации все еще продолжаются, ясно, что не будет никакой революционной технологии множественного доступа, за исключением использования чрезвычайно широкого диапазона спектра (до 60 ГГц) и принятие схем неортогонального множественного доступа (NOMA) в дополнение к множественному доступу с ортогональным частотным разделением (OFDMA) [1] — [3]. Принятие полос более высоких частот в радиоинтерфейсе 5G, таких как полосы миллиметровых волн (мм-волны), создаст серьезные проблемы с распространением из-за высоких потерь на трассе и требований к направленности луча. Здесь может немного выручить ультраплотное развертывание точек доступа (AP — access point), что, в свою очередь, требует сложной координации и сотрудничества между распределенными AP, чтобы минимизировать влияние помех в совмещенном канале, возникающих из-за перекрывающихся зон обслуживания соседних сот.
Тем не менее, ожидается, что 5G предоставит три основных уникальных сервиса, а именно: расширенную мобильную широкополосную связь (eMBB — enhanced mobile broadband communication), сверхнадежную связь с малой задержкой и массовую связь машинного типа (mMTC — massive machine type communication) [4]. Целью eMBB является обеспечение режимов работы с более высокими скоростями передачи данных и расширенной зоной покрытия (по сравнению с LTE), в то время как сверхнадежные сервисы с малой задержкой будут предоставлять аутентифицированные сервисы для критически важных приложений, таких как автономное вождение и устройства мониторинга работоспособности. Роль mMTC заключается в управлении потоком данных в/из огромного количества беспроводных устройств с гарантированным уровнем производительности.
В то время как сотовые сети 5G будут включать в себя множество отличительных улучшений по сравнению с сетями 4G, чтобы обеспечить повышенные скорости передачи с уменьшенной задержкой, повышенную надежность и производительность системы, уменьшенные размеры терминальных устройств и энергосберегающие аппаратные и сетевые конструкции, появление передовых технологий будет стимулировать ее дальнейшее развитие в направлении сетей сотовой связи 5G (B5G — beyond 5G) или так называемого шестого поколения (6G). Ключевые цели для сотовых сетей 6G можно суммировать следующим образом:
- Связанные сети: распространением услуг интернета вещей (IoT) и mMTC каждое беспроводное устройство будет подключено к одной или нескольким сетям беспроводного доступа, которые будут обслуживаться несколькими точками доступа (AP) или базовыми станциями (BS), которые в свою очередь, будут подключены к общей облачной сети для доступа к облачным службам (например, к пограничным вычислениям и службам кэширования). Примерами таких приложений/услуг являются виртуальная реальность, автономное вождение, приложения для интеллектуальных городов и интеллектуальных сетей, промышленный контроль и интеллектуальное производство, наблюдение и безопасность, а также многочисленные службы мониторинга состояния здоровья. Беспроводные устройства также будут иметь одноранговое соединение через одно- или многопереходную связь. Кроме того, наземные сотовые системы будут интегрированы с бортовыми (или не наземными/ воздушными/беспилотными) сетями с подвижными BS/AP. Соответственно, традиционных моделей сотовых систем будет недостаточно для описания этих новых систем. Кроме того, эти сети будут сетями приложений и контента, а не только сетями передачи данных. Следовательно, потребуются новые методы с точки зрения планирования и оптимизации сети.
- Минимизация энергии на уровне устройства и сети: поскольку пользователям, машинам, APs/BSs, а также другим узлам сети необходимо будет использовать передовые методы обработки сигналов, а также обрабатывать больше данных (например, для приложений и служб с искусственным интеллектом) Потребляемая мощность значительно возрастет. Кроме того, потребление энергии в радиопередатчиках (например, в усилителях мощности, аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователях) необходимо будет минимизировать на частотах миллиметровых и нанометровых волн. С ультра-плотным развертыванием точек доступа, а также широким развертыванием периферийных вычислительных/кеширующих серверов в сети беспроводного доступа это создаст острую потребность в новых концепциях энергосбережения, зарядки, сбора и взаимодействия между сетевыми узлами.
- Эффективное использование спектра и/или его расширение: новое радио (NR) 5G расширяет диапазон частот сетей 4G (0,6–6 ГГц) на несколько более высоких полос частот (миллиметровые волны в диапазоне 30–300 ГГц [ммВт] и оптические системы в свободном пространстве [FSO — freespace optical] ] в диапазоне 200?385 ТГц). Необходимо будет разработать новые технологии для беспроводного доступа и транзитного соединения, а также сосуществования (в случае нелицензируемого спектра) в этих новых полосах.
2. Безсотовая архитектура для будущих беспроводных сетей
Вообще говоря, концепция сотовой сетевой архитектуры не будет подходить для будущих беспроводных сетей, особенно в городских сценариях сверхплотного беспроводного доступа, в которых многочисленные беспроводные устройства обслуживаются одновременно с использованием многоточечных передач и многоточечных пользовательских ассоциаций (рис. 1). Используя очень быстрые каналы обратной связи между различными BS/AP, вся сеть будет выглядеть как распределенная система без массовых распределенных множественных входов с множеством выходов (массив MIMO) с точки зрения конечного устройства. В частности, все точки доступа будут знать обо всех активных устройствах в их окрестностях. AP могут рассматриваться как удаленные радиоголовки (RRH — remote radio heads), как в случае облачных сетей радиодоступа (CRAN — cloud radio access networks) [5]. Каждое устройство может обслуживаться более чем по RRH либо путем координации передачи, либо путем мультиплексирования. Может быть полезно рассматривать эту бесклеточную архитектуру как обобщенную версию хорошо известной координированной прием/передачи (CoMP), в которой взаимодействующие AP совместно обслуживают все устройства в пределах их зоны покрытия (устройства на границе ячейки и центр ячейки). Это может быть обеспечено использованием очень быстрых централизованных блоков обработки, которые назначают ресурсы различным оконечным устройствам, в то время как обработка данных может проводиться в так называемом пуле блоков основной полосы частот (BBU — baseband unit pool), как в случае CRAN. При полной координации между различными RRH управление помехами может выполняться оптимально или почти оптимально в рамках некоторых централизованных или распределенных методологий оптимизации.
Такая сетевая архитектура должна будет соединять миллионы устройств (например, mMTC-устройств), для которых автоматические услуги должны предоставляться без прямого взаимодействия с человеком. Традиционные схемы ортогонального множественного доступа (OMA) не будут достаточными, а также методы чистого неортогонального множественного доступа (NOMA) не будут иметь гибкости для поддержки беспроводного соединения для устройств с различными требованиями к обслуживанию [6]. Поэтому необходимо разработать новые методы множественного доступа/распределения ресурсов и управления помехами для этих сетей без сот, учитывая ограниченные ресурсы спектра. В следующем разделе мы предлагаем новый метод массового множественного доступа в такой сети, который использует архитектуру сети 6G без ячейки для поддержки масштабного беспроводного соединения.
3. Дельта-ортогональный множественный доступ (D-OMA)
В этом разделе сначала кратко обсуждается основной принцип NOMA по сравнению с принципом OMA. Затем обсуждается потенциальное применение массивного внутриполосного NOMA в новой безсотовой сетевой архитектуре. Наконец, обсуждается и оценивается новая схема D-OMA.
А. OMA против NOMA
OMA был использован для сотовых поколений от 1G до 4G. Из-за ортогональности между различными носителями и относительно высоких требований к разделению полосы пропускания среди них множественный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMA — orthogonal frequency-division multiple access), который используется в сетях 4G, может не обеспечивать эффективного решения для сетей будущего поколения. Поэтому методика NOMA была принята в последнее время стандартами 3GPP версии 16 (5G) [7]. Как правило, NOMA использует концепцию наложения многих сигналов в области мощности в пределах одного и того же поддиапазона и использования последовательного подавления помех (SIC — successive interference cancellation) на стороне приемника для фильтрации нежелательных мешающих сигналов. Используя NOMA, каждый отдельный поддиапазон OMA может обслуживать несколько устройств одновременно, и в этом процессе большая часть мощности передачи предоставляется тем, кто имеет более низкое качество линии (рис. 2).
В частности, в M-устройстве/пользователе NOMA-кластера для передачи по нисходящей линии связи AP отправит x = PM m = 1 v Pmsm так, что PM m = 1 Pm ? Pt, где Pm — мощность передачи, выделенная m-й NOMA device, sm — это сигнал, который нужно отправить m-му устройству, а Pt — максимальный бюджет мощности, назначенный поддиапазону конкретного кластера NOMA. Затем принятый сигнал на m-м устройстве определяется как ym = hmx + wm, где hm — комплексное усиление канала между AP и m-м устройством, wm — аддитивный белый гауссов шум (AWGN) плюс интерференционный сигнал других кластеров. Если коэффициенты усиления каналов устройств в пределах определенного кластера упорядочены как h1 ?.,, ? hM, то уровни мощности передачи будут назначаться каждому устройству, так что P1 ?.,, ? PM. На стороне приемника мешающие сигналы от устройств с более высокими принимаемыми мощностями удаляются посредством операции SIC до тех пор, пока требуемый сигнал не будет декодирован. Соответственно, достижимая скорость на m-м устройстве в пределах определенного кластера NOMA размера M задается как
где
, где Im и Nm представляют межкластерные помехи (ICI) и мощности AWGN на входе m-го устройства соответственно. Как правило, каждый поддиапазон будет обслуживать один кластер NOMA. Устройства в определенном кластере будут страдать от помех двух типов, а именно от помех внутри-NOMA (INI), вызванных остаточным нефильтрованным сигналом помех от NOMA, который вызывается другими устройствами NOMA в том же кластере, и от межкластерных помех (ICI) это вызвано использованием того же поддиапазона другими соседними кластерами. Размер кластера NOMA можно рассматривать как параметр проектирования для достижения компромисса между несколькими факторами, а именно: требования к скорости передачи данных для устройств / пользователей, уровень сложности в приемниках NOMA, общий бюджет мощности на кластер NOMA и устойчивость устройства NOMA к распространению ошибок на основе INI, ICI и SICРис. 1: Архитектура сети 6G без сот.
Рис. 2: Концепция NOMA для обслуживания нескольких беспроводных устройств в одном и том же поддиапазоне.
Конец первой части.
Друзья, в скором времени мы опубликуем продолжение статьи, а пока, по устоявшейся традиции, ждем ваши комментарии и приглашаем на практический курс о теории сетевого взаимодействия от OTUS.