Продолжаем серию статей о методах множественного доступа в беспроводной связи. В первой части мы рассмотрели методы разделения пользователей по частоте, по времени и с комбинированным частотно-временным разделением.
Во второй части будем рассматривать неортогональные методы разделения пользователей в новом ресурсном пространстве – мощности, а также методы, комбинирующие разделение по мощности с технологиями MIMO и OFDMA. Разделение по мощности – молодая и довольно перспективная технология. С её помощью можно значительно повысить спектральную эффективность системы связи и увеличить число обслуживаемых абонентов.
Ну что ж, давайте приступим к разбору этих необычных методов.
Неортогональный множественный доступ с разделением по мощности (PD-NOMA)
Начнём с базового метода, родоначальника всего класса методов NOMA – это неортогональный множественный доступ с разделением по мощности (power domain non-orthogonal multiple access, PD-NOMA, или иногда просто NOMA). Метод достаточно молодой, первые публикации по нему относится к 2012 году. Он основан на технологии суперпозиционного кодирования. Технология суперпозиционного кодирования позволяет одновременно передавать информацию нескольким абонентам в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени. Идея PD-NOMA очень проста: каналы различных пользователей имеют существенно отличающуюся друг от друга мощность, а общий сигнал на выходе передатчика – это сумма сигналов всех пользователей с различной мощностью.
Но декодировать такой сигнал на приёмной стороне довольно непросто. Для декодирования сигнала в системе PD-NOMA был разработан метод последовательной компенсации помех (successive interference cancellation, SIC). В этом методе сначала происходит декодирование данных для пользователя с большей мощностью, для чего используется обычный демодулятор. При этом сигналы всех остальных пользователей рассматриваются как шум. После этого восстанавливаются символы, переданные этим пользователем, а затем они вычитаются из принятого сигнала. Затем такая же процедура проводится для пользователя с более слабой мощностью и т.д., пока не будут декодированы данные самого “слабого” пользователя. Эти операции могут производиться итерационно для улучшения качества приёма.
Следует отметить, что первый обнаруженный пользователь больше всех подвержен межпользовательским помехам. Кроме того, ошибка обнаружения в данных первого пользователя будет передаваться другим пользователям, поэтому необходимо выделить достаточную мощность для первого обнаруживаемого пользователя. При увеличении числа пользователей в PD-NOMA помехи множественного доступа становятся серьёзными, и производительность системы значительно ухудшается.
Структурная схема нисходящего канала передачи сигнала (от базовой станции к абонентам) в системе PD-NOMA в случае двух абонентов изображена на рис. 1.
Технология PD-NOMA вызывает интерес исследователей и инженеров благодаря следующим преимуществам по сравнению с традиционными частотно-временными методами разделения пользователей:
PD-NOMA обеспечивает высокую спектральную эффективность за счет одновременного обслуживания нескольких пользователей в одном и том же частотном ресурсе.
Данная технология увеличивает количество одновременно обслуживаемых абонентов, и, следовательно, в перспективе с помощью NOMA может быть организована связь с большим массивом пользователей.
PD-NOMA позволяет уменьшить задержку в сети при передаче данных, т.к. пользователю не нужно ожидать запланированного временного интервала для передачи информации.
Благодаря гибкому управлению мощностью между сильными и слабыми пользователями PD-NOMA может обеспечить требуемое качество обслуживания для каждого абонента.
Однако для успешного внедрения PD-NOMA необходимо преодолеть некоторые технические трудности и ограничения:
Каждому пользователю до кодирования собственной информации необходимо декодировать информацию всех других пользователей с худшим коэффициентом усиления канала. Это приводит к повышению сложности приёма и дополнительным затратам вычислительных и энергетических ресурсов абонентского устройства.
При возникновении ошибки в системе SIC, вероятнее всего, последующее декодирование информации для других пользователей будет выполнено ошибочно.
Для получения преимуществ мультиплексирования по мощности с использованием PD-NOMA требуется значительная разность коэффициентов усиления канала между сильными и слабыми пользователями, что ограничивает эффективное количество пользователей в системе PD-NOMA.
Для работы PD-NOMA каждый пользователь должен отправлять базовой станции информацию о коэффициенте усиления своего канала, а технология PD-NOMA довольно чувствительна к неточности определения этого коэффициента.
Пока не до конца решена задача реализации алгоритма выделения мощностных ресурсов для каждого абонента, который должен быть не слишком сложным для наилучшей производительности PD-NOMA.
Кооперативный NOMA (Co-NOMA)
Теперь рассмотрим одну из разновидностей метода PD-NOMA – кооперативный неортогональный множественный доступ (cooperative NOMA, Co-NOMA). Он заключается в дополнительной ретрансляции сигнала от одного абонента к другому при условии, что канал связи между абонентами является благоприятным. Процедура ретрансляции производится в дополнительном частотно-временном ресурсе, например, временном слоте. Таким образом, для абонента с низким отношением сигнал/шум обеспечивается дополнительное качество связи. Применение ретрансляции на базе NOMA (в отличие от OFDMA) наиболее эффективно, т.к. групповой сигнал NOMA уже содержит в себе сигналы всех абонентов, поэтому не требуется выделение дополнительного ресурса для передачи ретранслируемого сигнала.
Пример распределения ресурса связи между двумя абонентами UE1 и UE2 в Co-NOMA приведен на рис. 2. На стороне абонента UE2 происходит гибкая демодуляция двух принятых сигналов – сигнала от базовой станции, принятого в первый временной слот, и ретранслированного сигнала от другого абонента, принятого во второй временной слот. Таким образом, отношение сигнал/шум на входе демодулятора сообщения UE2 повышается и достигается улучшение качества связи.
Технология Co-NOMA может эффективно использоваться в системах связи широкополосного беспроводного доступа в следующих случаях:
Абоненту с низким значением отношения сигнал/шум требуется обеспечить дополнительное качество связи, при этом имеется свободный частотно-временной и энергетический ресурс.
На трассе между базовой станцией и одним из абонентов присутствуют компоненты, вносящие существенное ослабление и помехи в сигнал (например, толстая стена), а трасса между абонентами имеет благоприятные условия для распространения сигнала (рис. 3).
Представим организацию нисходящего канала связи Co-NOMA для двух абонентов в виде следующего алгоритма:
На стороне базовой станции происходит формирование общего транспортного сигнала для двух абонентов, после чего сигнал излучается в радиоэфир во временной слот T1 (рис. 3).
На стороне первого абонента UE1 осуществляется демодуляция и компенсация сигнала второго абонента UE2 с последующей демодуляцией собственного сигнала (т.е. применяется знакомый нам алгоритм SIC демодуляции).
В течение второго временного слота T2 происходит передача сигнала второго абонента от первого ко второму абоненту (пунктирная линия на рис. 3). При этом процедура ретрансляции должна быть точно синхронизирована с системным временем и полностью завершена за время второго слота.
После приёма ретранслирующего сигнала на стороне второго абонента происходит гибкая демодуляция двух принятых сигналов. На этапе демодуляции могут применяться различные алгоритмы принятия решений при условии, что происходит когерентная обработка и установлена точная синхронизация.
Результаты моделирования показали, что системы Co-NOMA могут обладать большей информационной эффективностью, чем обычные системы PD-NOMA. Рассчитанное значение информационной эффективности системы Co-NOMA оказалось в 1,52 раза больше, чем в PD-NOMA.
Как объединить PD-NOMA с другими методами множественного доступа
При использовании метода PD-NOMA в мобильных системах связи возникает ряд трудностей. Увеличение вычислительных затрат при многоступенчатой обработке сигнала и погрешность оценки канала делают обслуживание большого числа пользователей очень сложной задачей. Это значит, что в чистом виде технология PD-NOMA малопригодна. Поэтому в последнее время развиваются идеи объединения PD-NOMA с другими современными технологиями, например, MIMO (система связи MIMO-NOMA) или OFDMA. Рассмотрим по очереди два этих решения.
При использовании технологии MIMO формируется узкий луч в направлении каждого пользователя и, таким образом, исключается межканальная интерференция. Каждому пользователю для организации канала связи выделяется весь частотно-временной ресурс системы. Группы из нескольких пользователей, имеющих близкие значения угловой координаты относительно базовой станции, могут быть мультиплексированы методом PD-NOMA в рамках одного луча (рис. 4).
Второе перспективное решение – это объединение методов PD-NOMA и OFDMA (PD/OFDMA), что позволяет использовать преимущества обоих методов. Комбинация PD-NOMA и OFDMA позволяет увеличить спектральную эффективность системы связи по сравнению с чистым OFDMA. OFDMA позволяет гибко распределять частотно-временной ресурс между абонентами, эффективно бороться с межсимвольной интерференцией, а PD-NOMA позволяет эффективно распределять энергетический ресурс между абонентами, основываясь на оценке канала связи. Пример распределения частотно-временного и энергетического ресурсов в методе PD/OFDMA для 6 пользователей приведён на рис. 5.
При этом разделение по мощности и формирование канальных символов происходит по схеме PD-NOMA, а распределение канальных символов в частотном ресурсе происходит по классической схеме OFDMA.
На приёмной стороне каждого абонента обработка сигнала начинается с OFDM-демодуляции, в результате чего из спектра PD/OFDMA символа выделяются поднесущие, содержащие символы модуляции этого абонента. Затем эти символы поступают в уже известный нам SIC-демодулятор.
Моделирование показало, что применение метода PD/OFDMA в случае 20 пользователей приводит к увеличению пропускной способности многоканальной системы связи в 1,25 раза по сравнению с обычным OFDMA. Выигрыш пропускной способности растёт с увеличением количества мультиплексируемых по мощности каналов.
Модифицированный NOMA/OFDMA
При использовании PD-NOMA совместно с OFDM несколько пользователей могут одновременно занимать одну и ту же поднесущую. Но при увеличении числа пользователей на одну поднесущую возрастает внутриканальная помеха, что ухудшает производительность системы. Для устранения этого недостатка была предложена модифицированная схема, сочетающая PD-NOMA с OFDMA (multinumerology NOMA, MN-NOMA). В этой схеме пользователи занимают поднесущие с различной шириной полосы (так называемые широкие и узкие поднесущие).
Для примера давайте рассмотрим случай мультиплексирования трёх пользователей в одной радиосистеме. В стандартной схеме PD-NOMA три пользователя должны занимать одни и те же поднесущие, а в модифицированной схеме MN-NOMA различным пользователям предоставляются различные группы поднесущих (рис. 6). В этом примере пользователи 1 и 3 передают на широких поднесущих, а пользователь 2 – на узких.
Из рис. 6 мы видим, что узкие поднесущие не создают помех на пиках широких поднесущих. Это уменьшает величину внутриканальной помехи, накладываемой на пользователей, которые передают на широких поднесущих. Однако хвосты широких поднесущих создают помехи на пиках узких поднесущих.
Посмотрим на рис. 7. Здесь показано распределение временного ресурса на передающей стороне между тремя пользователями. Временные слоты OFDM символов пользователей 1 и 3, (на широких поднесущих) расположены ортогонально, т.е. они не пересекаются между собой. А затем добавлен расширенный символ пользователя 2 (на узких поднесущих), пересекающийся по времени со слотами пользователей 1 и 3, т.е. расположенный неортогонально к ним. Символом CP обозначен циклический префикс.
Пользователю 2 назначены более узкие и более редко расположенные поднесущие (рис. 6), а длительность его символов увеличена в два раза (рис. 7). Таким образом, для пользователей на широких поднесущих спектральная эффективность уменьшается в 2 раза. Символ пользователя 3 мультиплексируется с первой половиной символа пользователя 2 по методу PD-NOMA, а символ пользователя 1 – со второй половиной (рис. 7).
На приёмной стороне выполняется быстрое преобразование Фурье (БПФ) с большим размером окна, длина которого равна длине слота двух OFDM символов. Главное преимущество использования БПФ с большим размером окна – это возможность выравнивания канала с использованием одного циклического префикса для всех OFDM символов, что приводит к некоторому повышению спектральной эффективности. Это свойство можно использовать даже для чистой системы OFDMA. Например, если убрать пользователя 2, то получится обычная система OFDMA. Тогда, если на приёмной стороне выполняется операция БПФ длиной в два OFDM символа, то можно использовать один циклический префикс вместо двух.
Назначая пользователю 2 узкие поднесущие, мы уменьшаем помехи, накладываемые на сигналы пользователей 1 и 3. Таким образом, процедура декодирования SIC становится проще, т.к. теперь необходимо различить два сигнала, а не три, основываясь на разнице в их мощности.
Спектральная эффективность этой схемы ниже, чем в обычной схеме PD-NOMA, но выше, чем в стандартном OFDMA.
Неортогональный множественный доступ с амплитудно-фазовой модуляцией без несущей (NOMA-CAP)
Теперь пора рассмотреть ещё один перспективный метод, недавно предложенный для использования в сетях 5G – NOMA-CAP. В этом методе предлагается совместно использовать множественный доступ с разделением по мощности (PD-NOMA) и многочастотную амплитудно-фазовую модуляцию без несущей (multiband carrierless amplitude phase modulation, multiCAP). Метод позволяет гибко распределять ресурсы и учитывать требования динамически изменяющейся плотности пользователей и ёмкости сети.
Амплитудно-фазовая модуляция без несущей (CAP) – схема модуляции, которая, подобно квадратурной амплитудной модуляции (QAM), раздельно передаёт два потока данных с помощью двух ортогональных сигналов. Особенность модуляции CAP – использование функции формирования импульсов для существенного улучшения спектральной эффективности системы. В отличие от QAM, в которой генерация сигнала осуществляется модуляцией двух ортогональных несущих на одной частоте, в модуляции CAP для генерации двух компонент сигнала используются два ортогональных фильтра. Эти фильтры получаются в результате умножения во временной области функции формирования импульсов и двух ортогональных несущих.
На передающей стороне используется NOMA с мультиплексированием по мощности независимо для каждого multiCAP поддиапазона. На приёмной стороне требуется извлечение каждого поддиапазона и затем применение процедуры SIC для декодирования нужного сигнала.
Комбинация технологий NOMA и multiCAP позволяет динамически распределять ресурсы для выполнения требований пользователей. Например, при низкой плотности пользователей они могут располагаться во всех частотных поддиапазонах одновременно (рис. 8, a). В этом случае пользователи в равных долях разделяют между собой максимально доступную ёмкость сети. Если число пользователей увеличивается, то мультиплексирование NOMA можно применять к каждому поддиапазону, причём в разных поддиапазонах число пользователей может быть различным. Тогда в разных поддиапазонах будут располагаться разные группы пользователей (рис. 8, b). Это позволяет гибко распределять ёмкость системы среди большого числа пользователей.
Заключение
Во второй части мы рассмотрели метод неортогонального множественного доступа с разделением по мощности (PD-NOMA), его модификации и комбинации с технологиями MIMO и OFDMA, отметили преимущества и недостатки этих методов.
Разработчики систем связи признают технологию PD-NOMA весьма перспективной. За последние годы предложены десятки проектов использования этой технологии в сотовых сетях нового поколения (5G), проведены обширные экспериментальные теоретические исследования по использованию PD-NOMA в сочетании с другими технологиями множественного доступа (MIMO-NOMA и PD/OFDMA). Однако внедряемые в настоящее время стандарты 5G не включают в себя ни один из вариантов NOMA. Возможно, определённые трудности в реализации этой технологии пока не позволили приступить к её практическому использованию. С осторожным оптимизмом я ожидаю, что технология NOMA может найти применение в одном из следующих стандартов связи.
В третьей части статьи из серии “Обзор методов множественного доступа в беспроводной связи” вас ждёт подробный обзор ортогональных и неортогональных методов множественного доступа, основанных на кодовом разделении пользователей.
Литература
1. Non-orthogonal multiple access (NOMA) for cellular future radio access / Yuya Saito, Yoshihisa Kishiyama, Anass Benjebbour et al. // 2013 IEEE 77th vehicular technology conference (VTC Spring) / IEEE. – 2013. – P. 1–5.
2. Power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) in 5G systems: Potentials and challenges / SM Riazul Islam, Nurilla Avazov, Octavia A Dobre, Kyung-Sup Kwak // IEEE Communications Surveys & Tutorials. – 2016. – Vol. 19, no. 2. – P. 721–742.
3. Haroyan H, Hovsepyan G, Sargsyan S. Power Domain Nonorthogonal Multiple Access (PD-NOMA) Technique For 5G Networks // Armenian Journal of Physics. – 2018. – Vol. 11, no. 4. – P. 284–287.
4. Power Domain Non Orthogonal Multiple Access: A Review / Aiman Kassir, Rudzidatul Akmam Dziyauddin, Hazilah Mad Kaidi, Mohd Azri Mohd Izhar // 2018 2nd International Conference on Telematics and Future Generation Networks (TAFGEN) / IEEE. – 2018. – P. 66–71.
5. Non-orthogonal multiple access in multi-cell networks: Theory, performance, and practical challenges / Wonjae Shin, Mojtaba Vaezi, Byungju Lee et al. // IEEE Communications Magazine. –2017. – Vol. 55, no. 10. – P. 176–183.
6. Крюков Я.В. Формирование и обработка сигналов многоканальных систем связи с разделением каналов по мощности : дис. . . . канд. наук / Я.В. Крюков ; Томск. – 2017. – 127 с.
7. Крюков Я.В., Демидов А.Я., Покаместов Д.А. Метод множественного доступа с разделением каналов по мощности на ортогональных несущих // T-Comm-Телекоммуникации и Транспорт. – 2018. – Т. 12, № 1. – С. 17–22.
8. Islam SM, Zeng Ming, Dobre Octavia A. NOMA in 5G systems: Exciting possibilities for enhancing spectral efficiency // arXiv preprint arXiv:1706.08215. – 2017.
9. Ding Zhiguo, Peng Mugen, Poor H Vincent. Cooperative nonorthogonal multiple access in 5G systems // IEEE Communications Letters. – 2015. – Vol. 19, no. 8. – P. 1462–1465.
10. Моделирование канала связи Co-NOMA / Я.В. Крюков, Д.А. Покаместов, Е.В. Рогожников, Ю.С. Громова // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. – 2019. – Т. 22, № 2. – С. 12–16.
11. Uplink nonorthogonal multiple access in 5G systems / Ningbo Zhang, Jing Wang, Guixia Kang, Yang Liu // IEEE Communications Letters. – 2016. – Vol. 20, no. 3. – P. 458–461.
12. Abusabah Ayman T, Arslan Huseyin. NOMA for multinumerology OFDM systems // Wireless Communications and Mobile Computing. – 2018. – Vol. 2018. – P. 1–9.
13. Nonorthogonal multiple access and carrierless amplitude phase modulation for flexible multiuser provisioning in 5G mobile networks / Jose Antonio Altabas, Simon Rommel, Rafael Puerta et al. // Journal of Lightwave Technology. – 2017. – Vol. 35, no. 24. – P. 5456–5463.
