CC BY
26
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ СХЕМ ОРГАНИЗАЦИИ НЕОРТОГОНАЛЬНОГО МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА NOMA
DOI: 10.36724/2072-8735-2023-17-1-4-11
Бакулин Михаил Германович,
Московский технический университет связи Manuscript received 07 November 2022;
и информатики, Москва, Россия, m.g.bakulin@gmail.com Accepted 15 December 2023
Бен Режеб Тауфик Бен Камель,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, benrejebt@yandex.ru
Крейнделин Виталий Борисович,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, vitkrend@gmail.com
Панкратов Денис Юрьевич,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, dpankr@mail.ru
Смирнов Алексей Эдуардович,
Московский технический университет связи и информатики, Москва, Россия, smirnov.al.ed@gmail.com
Ключевые слова: мстемы 6G, неортогональный множественный доступ, NOMA, кодовая книга, SCMA, WSMA
Большое количество исследований направлено на системы беспроводной связи шестого поколения 6G (Sixth Génération). Особый интерес представляет будущий стандарт проекта 3GPP, определяющий ключевые технологии, которые будут использованы в новом поколений систем беспроводной связи. Технология неортогонального множественного доступа NOMA (Non-orthogonal multiple access) является одной из фундаментальных для систем 6G. Благодаря технологии NOMA возможно реализовать концепцию "Massive connectivity" для систем 6G, предполагающую обеспечение высокой емкости будущих систем связи и более эффективное, чем в системах 4G и 5G, использование радиочастотного спектра. Существует несколько схем организации множественного доступа NOMA. Наиболее перспективными из них являются SCMA (Sparse Code Multiple Access) -множественный доступ с прореженными последовательностями и WSMA (Welch-bound equality Spread Multiple Access). Целью данной статьи является сравнение эффективности схем неортогонального доступа SCMA и WSMA.
Информация об авторах:
Бакулин Михаил Германович, доцент, к.т.н., МТУСИ, Москва, Россия Бен Режеб Тауфик Бен Камель, декан, к.т.н., МТУСИ, Москва, Россия
Крейнделин Виталий Борисович, заведующий кафедрой, профессор, д.т.н., МТУСИ, Москва, Россия Панкратов Денис Юрьевич, доцент, к.т.н., МТУСИ, Москва, Россия Смирнов Алексей Эдуардович, доцент, к.т.н., МТУСИ, Москва, Россия
Для цитирования:
Бакулин М.Г., Бен Режеб Т.Б.К., Крейнделин В.Б., Панкратов Д.Ю., Смирнов А.Э. Анализ эффективности различных схем организации неортогонального множественного доступа NOMA // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2023. Том 17. №1. С. 4-11.
For citation:
Bakulin M.G., Ben Rejeb T.B.K., Kreyndelin V.B., Pankratov D.Y., Smirnov A.E. (2023) Analysis of different NOMA schemes efficiency. T-Comm, vol. 17, no.1, pр. 4-11. (in Russian)
1. Введение
От поколения к поколению систем мобильной связи менялись частотные диапазоны, методы модуляции, методы помехоустойчивого кодирования, шифрования и многое другое. Однако, эволюция систем мобильной связи от первого до пятого поколения (1G - 5G) не затронула технологии множественного доступа и по сей день мы используем методы ортогонального множественного доступа ОМА (Orthogonal Multiple Access).
Основной причиной перехода от систем ОМА к системам NOMA [2, 5, 13, 15] является резко возросшие требования к емкости сети. Традиционные технологии множественного доступа не могут обеспечить требования к емкости, диктуемые Интернетом вещей и новыми услугами. Кроме того, дальнейшее использование систем ОМА становится очень затруднительным, так как связано с ограничением количества ортогональных ресурсов. Таким образом, возможности традиционных технологий ортогонального множественного доступа исчерпаны и требуется использование новых схем множественного доступа NOMA в качестве новой фундаментальной технологии сетей связи будущего.
Частично попытки внедрения неортогонального доступа NOMA были предприняты в стандарте систем 5G New Radio [2], [6], [15], но это были лишь попытки. Идея использования одного и того же ортогонального ресурса (частотного или временного) для организации связи с несколькими абонентами очень перспективна, и именно поэтому ведущие мировые производители телекоммуникационного оборудования направили все силы своих научно-исследовательских подразделений на работу в этом направлении. Исследовательский ажиотаж и конкурентные исследования разработчиков привели к появлению разных разновидностей неортогонального множественного доступа NOMA.
Первой и одной из наиболее распространенных в литературе схемой стала PD-NOMA [2] (Power domain NOMA), предполагающая разделение абонентов внутри одного ортогонального ресурса по уровню мощности. Схеме PD-NOMA посвящено большое количество публикаций по причине того, что ее использование порождает большое количество вспомогательных задач, таких как: группирование пользователей, управление мощностью и последовательная демодуляция. В качестве второго глобального направления среди схем NOMA необходимо выделить множественный доступ с разделением по структуре сигнала. Именно в качестве направления, так как в данный момент существует несколько схем, организующих множественный доступ с разделением по структуре сигнала, например, с помощью кодовых книг или кодовых последовательностей.
Конкурентная борьба разработчиков привела к появлению множества разновидностей систем NOMA и на текущий момент многие из них рассматриваются в качестве технологий-кандидатов в рамках международной стандартизации систем мобильной связи 5G, B5G (Beyond 5G)h 6G. Следует выделить наиболее перспективные и получившие широкое распространение в литературе схемы неортогонального доступа NOMA [2], [7], [8], [13], [15]:
- множественный доступ кодовым разделением с прореженными последовательностями LDS-CDMA (Low Density Spreading Code DivisionMultiple Access);
- множественный доступ с прореженным кодовым разделением SCMA (Sparse Code Multiple Access);
- множественный доступ с расширением на основе последовательностей Велча WSMA (Welch-bound equality Spread Multiple Access)
- множественный доступ с разделением по перемежению IDMA (Interleave DivisionMultiple Access);
- множественный доступ с разделением по шаблону PDMA (Pattern DomainMultiple Access);
- многопользовательский общий доступ MUSA (MultiUser Shared Access).
В данной статье рассмотрены схемы SCMA и WSMA как наиболее конкурирующие между собой разновидности технологии NOMA, произведено их сравнение между собой, а также с традиционной схемой ортогонального доступа ОМА.
2. Множественный доступ с прореженными последовательностями SCMA
Рассмотрим сначала подробнее схему неортогонального множественного доступа с прореженными кодовыми последовательностями SCMA [14]. Для лучшего понимания принципа работы такой схемы будем оперировать следующими ключевыми обозначениями:
• K— количество абонентов в системе;
• Nres - число имеющихся ортогональных ресурсов, выделенных для организации множественного доступа.
Система SCMA работает в режиме перегрузки [9], т.е. выполняется следующие условие, являющееся особенностью всех разновидностей систем NOMA:
K > N
(1)
Это означает, что К абонентов используют Ы^ ресурсов, т.е. сигналы К абонентов передаются с помощью ограниченного количества Ы^ физических ресурсов, что подразумевает использование одного и того же ресурса несколькими абонентами одновременно. Таким образом, если, например, два абонента используют один и тот же ресурс, то можно говорить о системе как перегруженной.
Правило распределения ресурсов между абонентами системы определяется кодовой книгой [12], представляющей собой набор матриц, содержащих столбцы (кодовые слова), с заданными точками созвездия для каждого используемого ресурса для каждого пользователя системы.
Третьим важным параметром систем 8СМА является кратность модуляции, а если точнее, то количество столбцов (кодовых слов) Ысоа^оы*, которое содержит каждая матрица кодовой книги, предназначенная определенному абоненту. При этом говорить о модуляции применительно для систем 8СМА будет некорректно в контексте понимания принципов ее работы. Для традиционных систем ОМА кратность модуляции говорит о количестве точек выбранного метода модуляции, например, 0Р8К (4 точки созвездия) или 64-ОАМ (64 точки созвездия).
Следует отметить, что для системы 8СМА смена конфигурации (параметров К и Ыге!) требует также и смены используемой кодовой книги. В связи с этим, одной из наиболее перспективных задач в развитии систем множественного доступа с прореженными последовательностями является синтез
новых кодовых книг для различных конфигураций системы NOMA.
Рассмотрим подробнее процесс формирования сигнала SCMA на примере известной кодовой книги [1] для конфигурации 4x4x6 (Nres = 4, Ncodewords = 4, K = 6). Представленная в [1] кодовая книга имеет следующую структуру (рис. 1).
Таблица 1
Кодовая книга SCMA для конфигурации 4x4x6
№ абонента Кодовая книга
" 0 0 0 0
1 -0,1815 - 0,1318/ -0,6351 - 0,4615/ 0,6351 + 0,4615/ 0,1815 + 0,1318/
0 0 0 0
0,7851 -0,2243 0,2243 -0,7851
" 0,7851 -0,2243 0,2243 -0,7851
2 0 0 0 0
-0,1815 - 0,1318/ -0,6351 - 0,4615/ 0,6351 + 0,4615/ 0,1815 + 0,1318/
0 0 0 0
-0,6351 + 0,4615/ 0,1815 - 0,1318/ -0,1815 + 0,1318/ 0,6351 - 0,4615/ "
3 0,1392 - 0,1759/ 0,4873 - 0,6156/ -0,4873 + 0,6156/ -0,1392 + 0,1759/
0 0 0 0
_ 0 0 0 0
" 0 0 0 0 "
0 0 0 0
4 0,7851 -0,2243 0,2243 -0,7851
-0,0055 - 0,2242/ -0,0193 - 0,7848/ 0,0193 + 0,7848/ 0,0055 + 0,2242/
"-0,0055 - 0,2242/ -0,0193 - 0,7848/ 0,0193 + 0,7848/ 0,0055 + 0,2242/
0 0 0 0
Э 0 0 0 0
-0,6351 + 0,4615/ 0,1815 - 0,1318/ -0,1815 + 0,1318/ 0,6351 - 0,4615/
" 0 0 0 0 "
6 0,7851 0,1392 - 0,1759/ -0,2243 0,4873 - 0,6156/ - 0,2243 0,4873 + 0,6156/ -0,7851 -0,1392 + 0,1759/
0 0 0 0
На рисунке 1 показан пример формирования группового сигнала 8СМА [3]. Основной идеей, изложенной на рисунке 1, является иллюстрация использования кодовых слов (столбцов) каждой кодовой матрицы в качестве выбранного значения комплексного информационного символа, соответствующего заданной последовательности бит. На рисунке 1 проиллюстрирована кодовая книги, каждая матрица которой содержит четыре кодовых слова, что соответствует двухбитовой модуляции.
Следует отметить, что представленная в таблице 1 и на рисунке 1 кодовая книга содержит нулевые элементы, именно поэтому такие книги являются прореженными. Прореженный характер кодовых книг позволяет обеспечить низкую вычислительную сложность при демодуляции информационных символов сигналов всех пользователей.
Из рисунка 1 видно, что каждый пользователь выбирает кодовое слово из своей кодовой книги, соответствующее передаваемой битовой информационной последовательности, после чего все выбранный кодовые слова складываются, образуя групповой сигнал 8СМА. Значения ненулевых элементов и их расположение внутри кодовых книг выбираются путем оптимизации характеристик помехоустойчивости системы 8СМА, что является одной из серьезных исследовательских задач в области систем беспроводной связи будущих поколений.
При использовании кодовой книги каждому из К пользователей выделяется кодовая матрица, состоящая из строк и Ысоатопь столбцов. Поэтому каждая кодовая матрица Х^ имеет размерность N х NсоЛеког^ и может быть представлена в виде:
X, =
'-к!
Ч 2
■■kN„
^ Nres х Ncodewords
(2)
Рис. 1. Процесс формирования сигнала SCMA
Каждый столбец кодовой матрицы Хк (2) соответствует своему значению комплексного информационного символа. Например, если используется модуляция с четырьмя точками созвездия, то Ысой<™ог<ъ = 4, а число бит, соответствующих одному символу, будет равно (М ) = (4) = 2 •
Тогда кодовая книга каждого пользователя будет иметь Ысойе^огй% = 4 столбца и
• для передачи комбинации бит {00} используется 1-й столбец Х^;
• для передачи комбинации бит {01} используется 2-й столбец Х^;
• для передачи комбинации бит {10} используется 3-й столбец Х^;
• для передачи комбинации бит {11} используется 4-й столбец Хь.
Рассмотрим подробнее модель сигнала 8СМА в «нисходящем» канале (рис. 2
Рис. 2).
Рис. 2. Структура системы БСМА на линии "вниз" БЬ
В случае нисходящего канала формирование группового сигнала 8СМА, состоящего из сигналов, предназначенных абонентам, производится на передающей стороне базовой станции. Наблюдаемый сигнал на входе приемника /-го пользователя можно представить в следующей форме [3], [5]:
у г = diag (h. )■
Pk xk + Ч,
(3)
k=1
где у. ya y.2 ... yN - наблюдаемый сигнал на входе приемника i-ro пользователя; h =\h h h
i il i2 iNres I
- вектор комплексных множителеи канала для ,-го пользова-
теля; х, =
k
Xk 1 Xk 2 ••• XkNr,
передаваемое
кодовое слово пользователя; Рк - мощность сигнала для к-го пользователя; ^ - комплексный вектор шума наблюдения, имеющий нулевое среднее и корреляционную матрицу • 1 •
В случае «восходящего» канала каждый пользователь формирует собственный сигнал 8СМА и сложение сигналов пользователей производится уже в канале (рис. 3).
Рис. 3. Структура системы SCMA на линии "вверх" UL
Сигнал, наблюдаемый на входе приёмника базовой станции, можно представить следующим образом:
K
у• dia§ (hk )•х k+n >
k=i
(4)
где у - вектор наблюдаемых сигналов абонентов на входе приёмника базовой станции; hk = [hjk h2k ... hN k
вектор комплексных множителей канала для k-ro пользователя; ^ - Nes-мерный комплексный вектор шума наблюдения, имеющий нулевое среднее и корреляционную матрицу • 1 • Остальные обозначения соответствуют обозначениям, принятым в (3).
Кодовая книга определяет порядок распределения физических ресурсов между пользователями. Однако, часто в литературе, посвященной технологии NOMA, для случая прореженных кодовых последовательностей SCMA используются фактор-графы [1], [3], [4], позволяющие наглядно проиллюстрировать порядок распределения физических ресурсов между пользователями.
Фактор-граф содержит вершины (узлы) пользователей (изображены в виде кружков) и вершины (узлы) ортогональных ресурсов (изображены в виде квадратов). Пример фактор-графа приведен на рисунке 4.
Рис. 4. Пример фактор-графа системы SCMA
T
Изображенный на рисунке 4 фактор-граф соответствует системе 8СМА конфигурации 4x4x6. Читать фактор-граф необходимо следующим образом: если узел пользователя соединен с узлом ресурса, то значит этот ресурс используется пользователем, в противном случае ресурс не используется данным пользователем. В фактор-графе на рисунке 4 каждый пользователь использует только два ресурса из имеющихся четырех ресурсов. В то же время на каждом ортогональном ресурсе размещены сигналы трех пользователей.
Вторым удобным и наглядным способом представления правил распределения ресурсов между пользователями в системе 8СМА, встречающимся в литературе, является матрица распределения ресурсов.
Фактор-графу, изображенному на рисунке 5, соответствует следующая матрица распределения ресурсов:
F =
0 110 10 10 10 0 1 0 10 10 1 10 0 110
(5)
Столбцы матрицы (5) соответствуют пользователям, а строки физические ресурсы. При этом, если k-й пользователь использует/'-й ресурс, то элемент матрицы принимает значение 1, в противном случае значение 0.
Описанные способы распределения ресурсов между пользователями системы SCMA являются эквивалентными.
3. Множественный доступ с расширением на основе последовательностей Велча WSMA
Второй рассматриваемой разновидностью системы NOMA является схема множественного доступа с расширением на основе последовательностей Велча WSMA (Welch-bound equality Spread Multiple Access).
Синтез таких последовательностей Велча осуществляется путем сравнения общей корреляции TSC (Total Squared Correlation) с границей Велча [10]. При генерировании кодовых последовательностей WSMA одновременно оптимизируются такие показатели, как емкость системы и уровень корреляции между последовательностями. Однако, использование последовательностей Велча может привести к резкому увеличению сложности приёмника. Во избежание повышенной сложности реализации приёмника необходимо обеспечить ортогональность между определенным подмножеством векторов в данном наборе и соответствие границе Велча. Сгенерированный набор последовательностей, удовлетворяющих границе Велча формирует результирующую кодовую книгу WSMA.
Количество последовательностей соответствует количеству абонентов K в системе WSMA. Таким образом, имеется K векторов Sk,k= 1,..K длиной обозначающих кодовые последовательности пользователей, для которых
|| sk ||=^L skl2 = 1. При этом матрица последовательностей имеет структуру S = [sj,s2, • • -,sK] иразмер Nres х K.
Рассмотрим общее векторное представление многопользовательской системы WSMA для линии «вниз» DL в следующем виде:
у г = diag (h, skxk + цг
(6)
k=1
Аналогично на линии «вверх» UL имеем следующую модель
у = £diag(hk)Skxk + Ц ■
(7)
k=1
В схеме WSMA для каждого абонента задается конкретный вектор из набора заранее спроектированных векторов (последовательностей) размерности Эти векторы обладают определенными корреляционными свойствами.
Коэффициент загрузки системы WSMA определяется соотношением КЫгез, причем для поддержки большого числа абонентов необходимо, чтобы (К/Ые > 1).
Граница Велча, используемая для формирования набора последовательностей может быть выражена следующим образом:
BWelch K INres '
(8)
Равенство (8) представляет собой границу взаимной корреляции любого набора из K последовательностей длины Nres (суммы квадратов взаимной корреляции последовательностей).
Коэффициент общей корреляции TSC, который ограничивается равенством (8), задается с помощью соотношения [10]:
K K
TSC = i's /I2 * K 7 Nn
(9)
г=1 /=1
где 8г- и ву - последовательности для абонентов системы, образующие матрицу последовательностей WBE ^^хК _$ §К], в случае выполнения (9) множество
последовательностей 8 соответствует границе Велча, при этом векторы вк,к = 1,...,К соответствуют границе Велча в
совокупности, но не по отдельности.
В системах WSMA обработка производится на уровне символов, т.е. преобразования с помощью последовательностей WBA производятся над символами на выходе модулятора. Результатом умножения символов на выходе модулятора на последовательности WBA является матричная структура. Выбор последовательностей производится исходя из критерия максимизации пропускной способности.
На рисунке рисунке 5 приведена структура системы WSMA на линии «вниз» БЬ.
В таблице 2 приведен пример набора последовательностей, указанный в документе ЗвРР [11], и предназначенный для восьми активных абонентов (К = 8, = 4).
Конфигурация системы WSMA К= 8, Ые = 4 подразумевает, что загрузка системы составляет 200%. Каждый столбец кодовой книги - это комплексная WBE-пocлeдoвaтeльнocть с единичной нормой, которая назначается соответствующему абоненту.
Рис. 5. Структура системы ШБМА иа линии «вниз» БЬ
Таблица 2
Пример кодовой книги WSMA, предложенной в стандарте ЗСРР, для конфигурации К =8, N^1 = 4 [11]
№
Отсчеты
-0,6617 + 0,1004/ 0,0953+0,4784/ -0,4233 - 0,1399/ -0,1265 + 0,3153/
-0,4727 - 0,1234/ 0,0592 - 0,6432/ 0,3493 - 0,1988/ -0,0975 + 0,4161/
-0,0912 + 0,4191/ -0,4246 - 0,0859/ -0,4782 + 0,3752/ -0,4936 + 0,1233/
-0,3413 + 0,1257/ 0,3671 - 0,1430/ 0,6514 - 0,0660/ 0,2174 + 0,4864/
0,4151 + 0,3329/ 0,2554 - 0,3140/ -0,3808 + 0,1569/ 0,6130+ 0,0873/
0,4216+0,1187/ -0,0241-0,5620/ -0,4507 - 0,0958/ -0,5167 + 0,1116/
0,2736 - 0,4366/ 0,5452+ 0,2068/ -0,4690 - 0,2225/ -0,3399+0,0974/
0,4603 + 0,2142/ 0,0048 - 0,4244/ 0,4047 + 0,1601/ -0,4908 + 0,3629/
Для системы ОМА при моделировании использовалась модуляция ОР8К.
Результаты моделирования получены с переменным количеством экспериментов для разных точек ОСШ для повышения адекватности моделирования. Результаты моделирования для точек от 2 до 12 дБ получены с помощью усреднения наблюдений 5000 экспериментов, для точек ОСШ от 14 до 18 дБ с помощью 10000 экспериментов, для точек ОСШ от 20 до 28 использовались результаты усреднения 20000 экспериментов. Кратко параметры моделирования приведены в таблице 3
Таблица 3
Параметры компьютерного моделирования
Множественный доступ 1. Не тогональный доступ БСМА (4 физических канала); 2. Не тогональный доступ ШБМА (4 физических канала); 3. Ор гональныйдоступОМА ^физических каналов), Модуляция QPSK.
Количество абонентов ОМА - 4 абонента; БСМА - 6 абонентов; ШБМА - 6 абонентов.
Канал Релеевский канал с замираниями (дружные по ресурсам, времени и по абонентам) на линии БЬ; Релеевский канал с замираниями (дружные по ресурсам и по времени, независимые по абонентам) на линии ЦЪ.
Длина кадра 568 бит
Помехоустойчивое кодирование Турбокодер со скоростью 1/2
Демодуляция Мягкая оценка. Логарифм отношений правдоподобия.
Количество экспериментов 5000 - 20000
На рисунке 6 приведены зависимости величин FER (вероятность появления ошибочного кадра) от отношения сигнал/шум в канале для систем SCMA, WSMA и традиционной схемы ортогонального доступа ОМА для случая применения помехоустойчивого кодирования в «нисходящем» канале.
4. Результаты компьютерного моделирования
Сравнение эффективности схем 8СМА и WSMA производилось с помощью компьютерного моделирования. Результаты компьютерного моделирования позволяют сравнить помехоустойчивость систем 8СМА и WSMA, работающих в режиме перегрузки (150%, 4 физических ресурса, 6 абонентов), и обычной системы ОМА работающей в обычном режиме без перегрузки (4 физических ресурса, 4 абонента). Данные конфигурации выбраны специально для отображения преимуществ в спектральной эффективности систем 8СМА и WSMA по сравнению с традиционной системой ОМА. Результаты получены при использовании 4 физических ресурсов, но при этом системы 8СМА и WSMA позволяют увеличить емкость системы в 1,5 раза при приемлемых потерях в помехоустойчивости. Результаты моделирования получены для канала связи с дружными замираниями с использованием турбоко-дирования со скоростью 'А
Рис. 6. Сравнение помехоустойчивости схем БСМА, ШБМА и ОМА в нисходящем канале с помехоустойчивым кодированием
Энергетический выигрыш традиционной схемы ОМА составляет 2,1 дБ и 3,2 дБ по уровню FER 10~2 для схем SCMA и WSMA, соответственно. Схемы неортогонального доступа проигрывают по помехоустойчивости, но важно помнить, что этот энергетический проигрыш является платой за увеличенную емкость системы. Для рассмотренных конфигураций схем неортогонального доступа перегрузка составляет 150% и отмеченный энергетических проигрыш является компромиссом увеличенной в 1,5 раза емкости сети.
На рисунке 7 приведены зависимости величин FER для случая применения помехоустойчивого кодирования в «восходящем» канале.
Рис. 7. Сравнение помехоустойчивости схем SCMA, WSMA и ОМА в восходящем канале с помехоустойчивым кодированием
В восходящем канале результаты помехоустойчивости выглядят иначе. Энергетический выигрыш традиционной схемы ОМА составляет всего лишь 0.2 дБ по сравнению со схемами SCMA и WSMA по уровню FER 10"2 Между собой схемы SCMA и WSMA не имеют значительного лидерства в помехоустойчивости в восходящем канале, наблюдается лишь незначительный выигрыш схемы WSMA перед схемой SCMA в 0,02 дБ по уровню FER 10"2.
Методы неортогонального доступа позволяют ощутимо увеличить емкость сети, при этом в нисходящем канале схема SCMA обладает лучшей помехоустойчивостью. Кроме того, необходимо отметить, что в рамках данной работы при моделировании использовался одинаковый алгоритм демодуляции. Однако, схема SCMA относится к разряду прореженных разновидностей NOMA, что позволяет использовать более простые итерационные алгоритмы типа МРА (Message Passing Algorithm) [1, 13].
Заключение
Главный принцип неортогонального множественного доступа - использование одного частотно-временного ресурса несколькими пользователями. Конечно, эта идея известна разработчикам и исследователям, но она до сих пор не использовалась в качестве ключевой фундаментальной технологии систем мобильной связи. Сейчас использование этой идеи уже диктуется эволюцией самих систем связи, а точнее их резко возросшей емкостью.
Технологии множественного доступа, основанные на этой идее, в том числе рассмотренные схемы SCMA и WSMA, были предложены относительно недавно. Здесь в этой статье мы попытались лишь изложить основные принципы этих схем множественного доступа, а также проиллюстрировать их преимущества перед традиционными системами ОМА. Огромное количество задач еще стоит перед исследователями и разработчиками: необходимы новые алгоритмы приёма, оптимизация кодовых книг, снижение вычислительной сложности. Кроме того, одним из самых интересных направлений исследований является возможность применения технологий множественного доступа с уже хорошо зарекомендовавшими себя другими технологиями, например, методы полного дуплекса FD или технология MIMO.
Литература
1. Altera Innovate Asia website, Presentation "1st 5G Algorithm Innovation Competition-ENVl .0-SCMA", http://www.innovateasia.com/5g/en/gp2.html.
2. Qu Luo, Pengyu Gao, Zilong Liu, Lixia Xiao, Zeina Mheich, Pei Xiao, Amine Maaref An Error Rate Comparison ofPower Domain NonOrthogonal Multiple Access and Sparse Code Multiple Access II IEEE Open Journal ofthe Communications Society, 2021, vol. 2, pp. 500-511.
3. Manish Mandloi, Devendra Gurjar, Prabina Pattanayak, Ha Nguyen. 5G and Beyond Wireless Systems. PHY Layer Perspective. Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2021,425 p.
4. КлиментъевВ.П. Методы приема сигналов в системах множественного доступа с разреженным кодированием: дис. ... канд. техн. наук. Санкт-Петербург, 2018. 167 с.
5. Mojtaba Vaezi, Zhiguo Ding, H. Vincent Poor. Multiple Access Techniques for 5G Wireless Networks and Beyond. Switzerland, Springer, 2019. 670 p.
6. 3GPP TR 38.812 V16.0.0 (2018-12), Technical Report, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for NR (Release 16), 2018.
7. БакулинМ.Г., БенРежебТ.Б.К., КрейнделинВ. Б., ПанкратовД.Ю., Смирнов А.Э. Схемы NOMA с обработкой на уровне символов II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2022. Т. 16.№ 5. С. 4-14.
8. БакулинМ.Г., Бен Режеб Т.Б.К., КрейнделинВ.Б., МироновЮ.Б., Панкратов Д.Ю., Смирнов А.Э. Многостанционный доступ в системах связи пятого и последующих поколений II Электросвязь. 2022. -№5. С. 16-21.
9. Nikopour Н., Baligh Н. Sparse code multiple access II IEEE Proc. of Personal, Indoor, and Mobile Radio Commun. (PIMRC), Sep. 2013, pp. 332-336.
10. БакулинМТ., БенРежеб ТБ.К, КрейнделинВ Б., Панкратов Д.Ю., Смирнов А.Э. Технология NOMA с кодовым разделением в 3GPP: 5G или 6G? II T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2022. Том 16. №1. С. 4-14.
11. 3GPP, -166056, Final Minutes report RAN185-vl00, http://www.3gpp.org/ftp/tsgran/WGl RL1/TSGR1 86/Docs/
12. БакулинМ.Г., Бен Режеб Т.Б.К., КрейнделинВ.Б., Смирнов А.Э. Способы минимизации объёма передаваемой информации в обратном канале многоантенных систем MIMO II T-Comm: Телекоммуни-кацииитранспорт. 2021. Т. 15. № 3. С. 17-24.
13. Y. Liu, Z. Qin, M. Elkashlan, Z. Ding, A. Nallanathan and L. Hanzo. Non-orthogonal Multiple Access for 5G and Beyond II Proc. IEEE, vol. 105. no. 12. Dec. 2017, pp. 2347-2381.
14. Lisu Yu, Zilong Liu, Miaowen Wen, Donghong Cai, Shuping Dang, Yuhao Wang, and Pei Xiao. Sparse Code Multiple Access for 6G Wireless Communication Networks: Recent Advances and Future Directions. Submitted on 3 Apr 2021. HTTPS://ARXIV.ORG/ABS/2104.01402V1
15. Douglas H. Morais. Key 5G Physical Layer Technologies. Enabling Mobile and Fixed Wireless Access. Springer Nature Switzerland AG, 2020. 297 p.
ANALYSIS OF DIFFERENT NOMA SCHEMES EFFICIENCY
Mikhail G. Bakulin, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, m.g.bakulin@gmail.com Ben Rejeb Taoufik, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, benrejebt@yandex.ru Vitaly B. Kreyndelin, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, vitkrend@gmail.com Denis Y. Pankratov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, dpankr@mail.ru Alexey E. Smirnov, Moscow Technical University of Communications and Informatics, Moscow, Russia, smirnov.al.ed@gmail.com
Abstract
Sixth generation 6G (Sixth Generation) wireless communication systems are the most popular direction of articles and literature. The main interest is the future standard of the 3GPP project, which defines the key technologies that will be used in the new generation of wireless communication systems. NOMA (Non-orthogonal multiple access) technology is one of the fundamental technologies for 6G systems. Using NOMA technology, it is possible to implement the concept of "Massive connectivity" for 6G systems, which assumes the provision of high capacity of future communication systems and more efficient use of the radio frequency spectrum. There are several schemes for organizing multiple NOMA access. The most promising of them are SCMA (Sparse Code Multiple Access) -and WSMA (Welch-bound equality Spread Multiple Access). The main goal of this article is to compare the performance of non-orthogonal SCMA and WSMA schemes.
Keywords: 6G, Non-orthogonal multiple access, NOMA, codebook, SCMA, WSMA. References
1. Altera Innovate Asia website, Presentation "1st 5G Algorithm Innovation Competition-ENVI.O-SCMA", http://www.innovateasia.com/5g/en/gp2.html.
2. Qu Luo, Pengyu Gao, Zilong Liu, Lixia Xiao, Zeina Mheich, Pei Xiao, Amine Maaref. "An Error Rate Comparison of Power Domain Non-Orthogonal Multiple Access and Sparse Code Multiple Access," in IEEE Open Journal of the Communications Society, 2021, vol. 2, pp. 500-511.
3. Manish Mandloi, Devendra Gurjar, Prabina Pattanayak, Ha Nguyen. 5G and Beyond Wireless Systems. PHY Layer Perspective. Springer Nature Singapore Pte Ltd. 2021, 425 p.
4. V.P. Klimentev. Metods priema signalov v sistemah mnozhestvennogo dostupa s razrezhennim kodirovaniem: diss. kand. teh. nauk. St. Petersburg, 2018. 167 p. (in Russian)
5. Mojtaba Vaezi, Zhiguo Ding, H. Vincent Poor. Multiple Access Techniques for 5G Wireless Networks and Beyond. Switzerland, Springer, 2019, 670 p.
6. 3GPP TR 38.812 VI6.0.0 (2018-12), Technical Report, 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Radio Access Network; Study on Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for NR (Release 16), 2018.
7. M.G. Bakulin, T.B.K. Ben Rezheb, V. B. Kreyndelin, D.Yu. Pankratov, A.E. Smirnov (2022), "Skhemy NOMA s obrabotkoj na urovne simvolov," T-Comm. Vol. 16. No. 5, pp. 4-14. (in Russian)
8. M.G. Bakulin, T.B.K. Ben Rezheb, V.B. Krejndelin, Yu.B. Mironov, D.Yu. Pankratov, A.E. Smirnov (2022), "Mnogostancionnyj dostup v sistemah svyazi pyatogo i posleduyushchih pokolenij," Elektrosvyaz'. No. 5, pp. 16-21. (in Russian)
9. H. Nikopour and H. Baligh, "Sparse code multiple access," IEEE Proc. of Personal, Indoor, and Mobile Radio Commun. (PIMRC), Sep. 2013, pp. 332-336.
10. M.G. Bakulin, T.B.K. Ben Rezheb, V.B. Krejndelin, D.Yu. Pankratov, A.E. Smirnov, "Tekhnologiya NOMA s kodovym razdeleniem v 3GPP: 5G ili 6G? T-Comm. Vol 16. No.I, pp. 4-14. (in Russian)
11. 3GPP, -166056, Final Minutes report RANI85-vI00, http://www.3gpp.org/ftp/tsg ran/WGI RLI/TSGRI 86/Docs.
12. M.G. Bakulin, T.B.K. Ben Rezheb, V.B. Krejndelin, A.E. Smirnov (202I), "Sposoby minimizacii ob"yoma peredavaemoj informacii v obratnom kanale mnogoantennyh sistem MIMO," T-Comm. Vol. I5. No. 3, pp. I7-24.
13. Y. Liu, Z. Qin, M. Elkashlan, Z. Ding, A. Nallanathan and L. Hanzo (20I7), "Non-orthogonal Multiple Access for 5G and Beyond". Proc. IEEE, vol. I05. no. I2. Dec. 20I7, pp. 2347-238I.
14. Lisu Yu, Zilong Liu, Miaowen Wen, Donghong Cai, Shuping Dang, Yuhao Wang, and Pei Xiao. Sparse Code Multiple Access for 6G Wireless Communication Networks: Recent Advances and Future Directions. Submitted on 3 Apr 202I. https://ARXIV.ORG/ABS/2I04.0I402VI
15. Douglas H. Morais. Key 5G Physical Layer Technologies. Enabling Mobile and Fixed Wireless Access. Springer Nature Switzerland AG, 2020, 297 p.
