Обзор методов множественного доступа в беспроводной связи. Часть 6. Комбинируем методы и подводим итоги

Привет, Хабр! Сегодня мы завершаем серию статей, посвящённых методам множественного доступа в беспроводной связи. Напомню, что в первой части мы рассмотрели методы частотно-временного разделения пользователей, во второй части – неортогональные методы разделения по мощности, в третьей части – методы кодового разделения пользователей, в четвёртой части – методы пространственного разделения и в пятой части – методы поляризационного разделения и с разделением по орбитальному угловому моменту.

В последней, шестой части мы познакомимся с некоторыми интересными комбинированными методами, в которых одновременно используются несколько ресурсных про­странств для разделения пользователей. Затем мы проведём сравнительный анализ различных методов, рассмотренных во всех шести частях этой статьи, и обрисуем некоторые перспективы развития технологий множественного доступа в ближайшем будущем.

Множественный доступ с частотно-кодовым разделением

Здесь мы будем одновременно разделять пользователей в частотном и кодовом пространстве.

В настоящее время активно ведётся разработка методов множественного доступа, основанных на комбинировании частотного (OFDM) и кодового (CDMA) разделения каналов и сочетающих в себе преимущества обеих схем. Достоинствами таких систем являются устойчивость к многолучевой и межсимвольной интерференции, к замираниям сигнала, эффективное частотно-территориальное плани­рование и высокая спектральная эффективность.

Одним из методов такой комбинации является схема множественного доступа на основе кодового разделения со многими несущими (multicarrier code division multiple access, MC-CDMA). В этой схеме каждому абоненту выделяется собственная ортого­нальная кодовая последовательность из множества доступных ортогональных кодов (используются коды Уолша–Адамара). Длина каждой кодовой последовательно­сти L_c переменная и равна числу активных на данный момент пользователей N_p. Макси­мально допустимая длина кодовой последовательности не может превышать количе­ство подне­сущих в OFDM-символе. Затем вся группа каналов с кодовым разделением передаётся на всех имеющихся поднесущих частотах. Распределение данных для различных пользователей при L_c=N_p показано на рис. 1.

Процедура формирования символов в системе MC-CDMA во многом схожа с обычной системой OFDM. Отличия состоят лишь в порядке распределения поднесущих и дополнительных блоков в приёмнике и передатчике, наличие которых связано с расширением спектра частот. В блоке распределения поднесущих каждый символ входной информационной последовательности умножается на индивидуальную для каждого пользователя расширяющую последовательность Уолша–Адамара, в результате чего получается последовательность чипов, затем чипы распределяются по поднесущим частотам. Символы поступают на вход блока обратного БПФ, формирующего OFDM символ, в результате чего формируются выходные синфазный и квадратурный сигналы.

Система MC-CDMA обеспечивает лучшую производительность по сравнению со стандартной схемой OFDM, а также обладает высокой устойчивостью к многолучевому распространению, узкополосным помехам и частотной избирательности канала передачи. Это достигается не за счёт добавления защитного интервала между символами и циклического префикса, как в схеме OFDM, а за счёт свойств ортогональных кодов. Благодаря этим же свойствам повышается максимальная скорость движения мобильных абонентов, т.к. устраняется влияние доплеровского сдвига, при котором нарушается ортогональность соседних поднесущих.

В системе множественного доступа со многими несущими и расширением спектра (spread spectrum multicarrier multiple access, SS-MC-MA) применяется другой подход к распределению поднесущих частот между пользователями. Всё множество подне­су­щих в этом случае делится на блоки из нескольких поднесущих (рис. 2). Эти блоки распреде­ляются между абонентами, что напоминает классическую схему FDMA.

Главное преимущество системы SS-MC-MA перед MC-CDMA состоит в том, что в системе SS-MC-MA информационные символы (чипы) передаются одновременно на определённой подгруппе соседних друг с другом поднесущих частот, выделенных каждому абоненту, и при этом подвергаются сходным искажениям и затуханию в канале передачи. В системе MC-CDMA поднесущие частоты, выделяемые каждому пользователю, распределены по всей полосе, вследствие чего испытывают разное затухание. Это обстоятельство значительно упрощает расчёт коэффициентов эквалайзера, которые будут близки для поднесущих частот, принадлежащих к одной группе. Кроме того, межканальная интерференция в системе MC-CDMA значительно выше: в то время как в системе SS-MC-MA соседние поднесущие испытывают влияние одного и того же пользователя, в случае MC-CDMA каждая поднесущая в среднем искажается различными каналами различных пользователей, что усложняет расчёт импульсной характеристики канала передачи. Таким образом, структура приёмника SS-MC-MA упрощается.

В случае небольшой абонентской нагрузки доступный системе частотный ресурс может быть легко поделён между пользователями, как показано на рис. 3. При возрастании
количества пользователей система SS-MC-MA предлагает гибкие механизмы
распределения нагрузки. Например, можно изменить длину расширяющей кодовой
последовательности и уменьшить размер блока поднесущих, либо обслуживать в
каждом блоке небольшое число пользователей (2-3 абонента) одновременно, при
этом форма сигнала блока поднесущих аналогична MC-CDMA.

В целом система SS-MC-MA при сохранении всех преимуществ проявляет большую гибкость в динамическом распределении и управлении радиоресурсами, чем MC-CDMA. Она также имеет несколько лучшую производительность благодаря более простой структуре приёмопередатчика.

CS-OFDMA – ещё один метод частотно-кодового разделения пользователей. Он основан на переиспользовании ортогональных кодов внутри кластера из 4 сот. Пусть имеется множество из N ортогональных кодов с длиной кодовой последовательности L_c. Из этого множества каждому абоненту выделяется собственная последовательность. Кодовые последовательности, входящие в данное множество, разбиваются на коды двух типов: С-коды и S-коды, при этом длина кода составляет L_C/2. Число С-кодов и S-кодов равно числу исходных последовательностей N. Таким образом, каждый информационный символ, переданный абонентом с номером j, будет состоять из соответствующих последовательностей C_j и S_j.

Пусть в нашем распоряжении имеется множество из M ортогональных поднесущих частот (M – нечётное). Одна группа поднесущих используется только для передачи информационных символов, расширенных С-кодом, другая группа – для передачи символов, расширенных S-кодом, и одна поднесущая используется для передачи синхронизирующего сигнала (обучающей последовательности). Все множества С- и S-кодов разбиваются на 4 подмножества, в каждое из которых входит N/4 С-кодов и N/4 S-кодов. Эти подмножества распределяются между группами из 4 сот. В каждой из этих сот используется одна и та же группа из M поднесущих, одна половина которых расширяются С-кодами, а другая половина – S-кодами, при этом в каждой соте используется N/4 С- и S-кодовых последовательностей. Один информационный символ каждого абонента передаётся с помощью двух различных кодовых последовательностей (С и S) длиной N/4 на двух поднесущих частотах.

Форма сигнала при использовании метода CS-OFDMA позволяет сочетать преимущества OFDM сигнала, такие как устойчивость к многолучевому распространению, и широкополосных CDMA сигналов – устойчивость к межсотовой интерференции и затуханию сигнала в канале связи. Также в системе удаётся снизить шумы неортогональности. Кроме того, временной дуплексный разнос каналов в системе CS-OFDMA позволяет отказаться от защитного частотного интервала между прямым и обратным каналами, что позволяет эффективнее использовать имеющийся диапазон частот.

Delta-OMA

Один из вариантов объединения мощностного и частотного ресурсов – схема дельта-ортогонального множественного  доступа (delta-orthogonal multiple access, Delta-OMA или D-OMA). В этом методе группы сигналов, мультиплексируемых по обычной схеме PD-NOMA, передаваемых в сосед­них частотных поддиапазонах, могут частично перекрываться на δ процентов от макси­мальной ширины поддиапазона (рис. 4). В таком случае δ = 0 соответствует традици­онной схеме PD-NOMA. Для компенсации межканальных помех, возникающих из-за перекрытия групп сигналов по частоте, размер этих групп может быть уменьшен так, чтобы общая сумма межканальных помех оставалась почти такой же, как и в случае не перекрывающихся по частоте сигналов NOMA.

Параметры системы могут быть выбраны так, чтобы добиться желаемого компро­мисса между производительностью и сложностью. Предложенная схема может обеспе­чить значительный выигрыш в спектральной эффективности, необходимой для разрабатываемых систем связи 5G/6G.

Множественный доступ с решёточным разделением (LPMA)

Теперь будем разделять пользователей по мощности и коду.

Технология множественного доступа с решёточным разделением (lattice partition multiple access, LPMA) основана на совместном использовании мощностного и кодового ресурсных про­странств. Подобно технологии PD-NOMA (см. Часть 2), в кодовом пространстве технология LPMA предполагает создание многоуровневой решётки, которая выделяет разные уровни кода пользова­телям с разной информацией о состоянии канала (CSI). Для пользователей с плохой CSI выделенные для них коды имеют большее минимальное расстояние, с помощью чего улучшается помехоустойчи­вость. В свою очередь, коды, выделенные для пользователей с лучшей CSI, имеют меньшее минимальное расстояние. В приёмнике используется SIC-декодер, который аналогичен используемому в PD-NOMA в пространстве мощности. Помимо мульти­плексирова­ния в кодовом пространстве, в LPMA также применяет мультиплексирова­ние в пространстве мощности для улучшения связи пользователей с плохой CSI. Благодаря двум степеням свободы конструкция LPMA становится более гибкой по сравнению с PD-NOMA, использующим только пространство мощности. Даже если пара поль­зователей имеет схожую CSI, их всё равно можно разделить, регулируя выделенные уровни кода и уровни мощности, поэтому сложные механизмы кластеризации польз­ователей, принятые в схемах NOMA в энергетическом пространстве, в LPMA уже не требуются.

Множественный доступ с разделением по шаблону (PDMA)

Теперь рассмотрим более сложный случай – разделение пользователей по мощности, коду и в физическом пространстве.

К такому типу относится технология множественного доступа с разделе­нием по шаблону (pattern division multiple access, PDMA). Эта система аналогична системе SCMA (см. третью часть этой статьи) с нерегулярной структурой, т.е. PDMA можно считать наиболее общим случаем SCMA. В PDMA различным пользователям выделяются различные неортогональные шаблоны. Эти шаблоны могут быть созданы в нескольких ресурсных пространствах (в мощностном, кодовом и в физическом пространстве) и так, чтобы данные шаблоны были совместимы с технологией SIC. В качестве примера на рис. 5 представлен фактор-граф системы PDMA для K = 5 пользова­телей, занимающих N = 3 ортогональных ресурса. В отличие от технологии SCMA, количество блоков ресурсов, занимаемых каждым пользователем, в PDMA может варьироваться. Пользователи занимают различное число ресурсов, число пользователей на каждом ресурсе также различается. Технология PDMA может существенно увеличить пропускную способность системы за счёт перегрузки пространства.

Технология PDMA может объединяться с многоантенной технологией. Преиму­щество пространственного PDMA по сравнению с многопользовательским MIMO (MU-MIMO) в том, что PDMA не требует совместного прекодирования, чтобы реализовать пространственную ортогональность, что значительно уменьшает сложность системы.

Реализация технологии PDMA на передающей и приёмной стороне схематически показана на рис. 6. Разделение пользователей производится в трёх независимых ресурсных пространствах: по мощности, коду и в физическом пространстве.

Преимуществом системы PDMA является гибкое управление помехоустойчиво­стью пользователей. Так, пользователю с “плохим” каналом ставится в соответствие кодовая книга, в кодовых словах которой минимальное количество нулевых элементов, пользователю с “хорошим” каналом ставится в соответствие кодовая книга с большим числом нулевых элементов. Таким образом, за счет разнесения помехоустойчивость “плохих” пользователей улучшается, тогда как для “хороших” отсутствие разнесения некритично.

Однако перед системой PDMA возникают некоторые проблемы, которые предстоит решить в будущих приложениях: способ разработки шаблонов на передающей стороне для лучшего различения пользователей, упрощение конструкции приёмника, комбинирование PDMA с технологией MIMO для создания кодовых шаблонов в физическом пространстве и т.д.

Мультиплексирование с разделением по уровням (LDM)

Чем дальше, тем сложнее! Теперь нас ждёт технология разделения пользователей по времени, частоте, коду и мощности.

Мультиплексирование с разделением по уровням (layered division multiplexing, LDM) относится к классу неортогональных методов множественного доступа. Здесь используется разделение пользователей по времени, частоте, коду и мощности. Каждый сигнальный слой формируется с собственным уровнем мощности передачи и набором технологий (канальное кодирование, перемежение, модуляция, многоантенность и т.д.). Т.к. все уровни сигнала создают помехи друг другу, LDM приёмник должен разделить уровни сигнала для декодирования различных служб на основе распределения мощности и конфигурации сигнала. В при­ёмнике для разделения уровней используется метод последовательной компенсации помех (SIC).

M-слойный передатчик в технологии LDM устроен следующим образом. Сигналы на всех уровнях используются сигналы с одной и той же структурой OFDM. Хотя использование одинаковой структуры OFDM необязательно, это значительно упрощает обнаружение сигнала на приёмнике. Сигналы используют структуру OFDM с N подканалами, среди которых K активных подканалов передают сигнал, а остальные остаются пустыми для обеспечения защиты от помех в соседнем канале. Среди K активных подканалов M подканалов выделяются для передачи данных, а P подканалов используются для передачи пилотных символов. Затем генерируется единая последовательность символов путём комбинирования M символьных подканалов с заранее определёнными коэффициентами усиления, которые определяют относительную мощность каждого слоя.

Теоретический анализ показал, что значительное увеличение ёмкости может быть достигнуто с помощью двухуровневой схемы LDM по сравнению с традиционными ортогональными методами множественного доступа с частотным и временным разделе­нием.

Программно-определяемый множественный доступ

Методы неортогонального множественного доступа могут быть использованы для увеличения ёмкости в проектируемых системах связи 5G. Однако это не означает, что в сетях 5G традиционные ортогональные схемы (OMA) будут полностью заменены на NOMA. Системы OMA и NOMA могут сосуществовать, для того чтобы удовлетворять различным требованиям различ­ных служб и приложений. С этой целью была предложена концепция программно-определяемого множественного доступа (software-defined multiple access, SoDeMA), как показано на рис. 7. SoDeMA может обеспечивать очень гибкую конфигура­цию самых разных схем множественного доступа.

Например, для пользователей, находящихся в центре соты, или служб, работающих в режиме реального времени (например, передача видео в ультравысоком разрешении), можно использовать обычные схемы OMA для обеспечения высокой скорости передачи данных, что достигается за счет ортогональности и синхронизации. С другой стороны, когда в некоторых практических сценариях (например, густонаселённые районы и мобильные социальные приложения) требуются высокая спектральная эффективность, могут быть выбраны схемы NOMA.

Различные схемы NOMA или OMA имеют собственные области применения и могут адаптивно конфигурироваться, чтобы реализовать компромисс между произво­дительностью и сложностью реализации. Например, если существует большое различие между условиями в каналах пользователей, обусловленное эффектом “ближ­ний – дальний”, или в подвижных сетях, то можно использовать метод NOMA с разделением по мощности (PD-NOMA) с SIC-приёмником с относительно низкой сложностью.

С другой стороны, если необходимо обеспечить высокую надежность, особенно когда условия в канале плохие, то обоснованным решением будет использование схемы SCMA благо­даря усилению за счет формирования сигнала и почти оптимальному MPA детекти­рованию. Если число пользователей достаточно велико, то может быть сложно разрабо­тать кодовые книги для каждого пользователя. В этом случае также могут использо­ваться схемы LDS-OFDM или MUSA для уменьшения сложности разработки на пере­датчике и приемнике.

Модули обработки сигналов являются общими для нескольких схем NOMA, например, MPA на приёмнике или операция расширения спектра на передающей стороне. Таким образом, можно уменьшить стоимость оборудования как для пользова­тельских терминалов, так и для базовых станций. Эти многоцелевые модули могут комбинироваться в различных формах на программном уровне для реализации различных схем. Переключение между схемами NOMA должно быть быстрым и гибким, с программно-определяемой архитектурой оборудования и с возможностью быстрой адаптации к различным сценариям размещения. Структура SoDeMA должна быть достаточно гибкой, чтобы временной и частотный ресурсы свободно разбивались на различные блоки для различных служб и абонентов. Интерференция между поднесущими и между различными ресурсными блоками должна быть по возможности уменьшена.

Универсальная схема множественного доступа

На рис. 8 приведена универсальная схема передачи, в которой могут быть реализованы различные методы множественного доступа.

В этой схеме сигналы различных пользователей подвергаются канальному кодированию и скремблированию и затем поступают на кодирующее устройство множественного доступа. Кодирование на битовом уровне осуществляется с помощью перемежения, затем производится кодирование на символьном уровне, включающее оптимизацию созвездия и отображение символов на различные ресурсы с помощью фактор-графа. Ресурсами могут служить время, частота, пространство, код, мощность или любая их комбинация. Далее мультиплексированный сигнал подвергается отображению на слои (layer mapping) и пространственному прекодированию и поступает на систему из многих антенн. Различия между разными методами множественного доступа заключаются в различных реализациях перемежения, оптимизации созвездия, структуре фактор-графа и ресурсного пространства.

Приведённая выше схема охватывает ортогональные методы множественного доступа с разделением по времени/частоте/коду/пространству и такие неортогональные методы как PD-NOMA, MUSA, SCMA, PDMA (pattern division multiple access), RSMA, NCMA, IGMA и др.

Сравнительный анализ технологий множественного доступа

Проведём сравнение некоторых, наиболее значимых технологий множественного доступа, которые мы рассмотрели во всех шести частях этой статьи, перечислим их основные особенности, преимущества и недостатки.

Как мы видим, не существует единственного, “наилучшего” метода множественного доступа, одинаково пригодного для использования в любых условиях. Каждый метод обладает своими достоинствами и недостатками и эффективен при использовании в определённых сценариях связи. Повышение спектральной эффективности и информационной ёмкости часто сопряжено с усложнением алгоритмов формирования и приёма сигналов. Поэтому выбор того или иного метода зависит от предполагаемой области его применения, а также сложности и стоимости используемого оборудования.

Перспективы развития технологий множественного доступа

Немного поразмышляем о том, как могут развиваться технологии множественного доступа в ближайшем будущем.

В наше время традиционные временной и частотный ресурсы практи­чески исчерпали свои возможности по увеличению числа обслуживаемых абонентов. Несомненно, в будущем должны активно развиваться и внедряться неортогональные методы с разделением по мощности, коду и физическому пространству. В частности, обширный класс неортогональных методов с кодовым разделением (здесь в первую очередь следует выделить SCMA) и методы множественного доступа с пространственным разделением (SDMA, BDMA) предоставляют большие возможности для увеличения числа обслуживаемых абонентов. Ограничения здесь возникают из-за возрастания межканальных помех при увеличении числа пользова­телей. Максимальное практически реализуемое количество пользователей определяется отношением сигнал/шум для принятых сигналов.

Множественный доступ с разделением по орбитальном угловому моменту весьма привлекателен в силу взаимной ортогональности всех OAM-мод, однако его широкому практическому применению препятствует ряд технологических трудностей, возника­ющих при передаче и приёме “закрученного” сигнала, связанных со сложностью используемых антенн и ослаблением сигнала при передаче на большие расстояния. Необходимо дальнейшее проведение экспериментальных и теоретических исследований в области OAM-мультиплексирования для определения информационной ёмкости и границ применимости этой технологии.

Весьма перспективным является развитие технологии MIMO, в которой будут исполь­зоваться как хорошо зарекомендовавшие себя пространственно-временное и простран­ственно-частотное разделение сигналов, так и новые методы, объединяющие простран­ственное разделение с разделением по мощности, коду, поляризации и орбитальном у угловому моменту.  В частности, высокая спектральная эффективность достигается при использовании алгоритмов пространственно-временного кодирования, пространственно-временной и пространственно-частотной индексной модуляции, а также множественного доступа с разделением лучей.

Наиболее перспективными выглядят комбинированные мето­ды, использую­щие одновременно несколько ресурсных пространств для разделения пользователей и обеспечивающие многомерный доступ к радиоэфиру. Будущие методы множественного доступа должны быть динамическими и адаптивными, позволяющими гибко выбирать те или иные ресурсные пространства в зависимости от количества пользователей, обслуживаемых в данный момент, уровня помех, условий распространения сигнала и других факторов. С большой вероятностью в ближайшее время ожидается практическая реализация концепции программно-определяемого множественного доступа (SoDeMA).

Схемы множественного доступа должны разрабатываться с учётом компромисса между многими конфликтующими показателями, например, между сложностью и про­изводительностью, энергетической и спектральной эффектив­ностью. Поскольку канальные условия и нагрузка на систему могут динамически изменяться, схемы множественного доступа и их параметры должны быть оптимизированы исходя из условий в канале связи.

На этом наш цикл завершается. В комментариях пишите, какие ещё темы в области систем связи и цифровой обработки сигналов были бы вам интересны.

По этой и другим темам, связанным с разработкой современных систем связи, вы можете узнать больше в кругу коллег на семинаре “Разработка систем связи 5G. От моделирования до прототипирования”, который пройдёт 17 ноября 2022 г. в ЦИТМ “Экспонента”.