Метод множественного доступа с разделением каналов по мощности

УДК 621.396.41

DOI: 10.25206/1813-8225-2018-162-184-188

я. в. КРЮКОВ А. Я. ДЕМИДОВ Д. А. ПОКАМЕСТОВ Е. В. РОГОЖНИКОВ Р. Р. АБЕНОВ

томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники, г. томск

МЕТОД МНОЖЕСТВЕННОГО ДОСТУПА С РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ ПО МОЩНОСТИ_

В статье рассмотрен метод неортогонального множественного доступа с разделением пользовательских каналов по мощности PD-NOMA для многоканальных систем связи беспроводного широкополосного доступа. Приведено сравнение характеристик пропускной способности и помехоустойчивости каналов связи PD-NOMA и OFDMA, полученных в результате расчета и математического моделирования. Рассмотрен метод последовательного подавления помех SIC, который применяется для демодуляции PD-NOMA сигнала. Продемонстрирована эффективность метода PD-NOMA и объясняется целесообразность его использования на физическом уровне беспроводных систем связи широкополосного доступа.

Ключевые слова: неортогональный множественный доступ, уплотнение каналов, широкополосный беспроводной доступ, помехоустойчивость, пропускная способность.

Введение. Технологии множественного доступа развиваются по двум направлениям — OMA (Orthogonal Multiple Access — ортогональный (квазиортогональный) метод множественного доступа) и NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access — неортогональный метод множественного доступа). Используя ортогональный (квазиортогональный) метод множественного доступа, частотно-временной ресурс связи распределяется между пользователями с помощью ансамбля ортогональных (квазиортогональных) сигналов. Основным принципом всех OMA систем является максимально возможное исключение межканальной интерференции. При прохождении сигнала через канал распространения радиоволн практически всегда возникает неконтролируемая межканальная интерференция, что является помехой при разделении каналов и демодуляции сигнала.

В 2015 году на Всемирной конференции радиосвязи (ВКР-2015) [1, 2] разработчиками были предложены новые технологии множественного доступа, которые предлагается заложить в основу физического уровня новых беспроводных широкополосных систем связи: SCMA (Sparse Code Multiple Access) [3-5], MUSA (Multi User Shared Access), PDMA (Pattern Division Multiple Access) и NOMA.

В настоящий момент одним из наиболее перспективных методов разделения каналов является группа методов NOMA, в которой используется контролируемая межканальная интерференции для увеличения спектральной эффективности. В работе рассматривается метод PD-NOMA (Power Division

NOMA), который принадлежит к группе NOMA и является одним из наиболее перспективных.

На период 2013 — 2016 годов пришелся основной объем обзорных публикаций, в которых присутствовали концепция и обоснование эффективности NOMA [6—16]. Более глубокие научные работы публикуются с 2016 года и по сей день. Целью настоящей работы является оценка эффективности PD-NOMA по сравнению с методами из группы OMA.

Метод PD-NOMA. В технологии неортогонального множественного доступа с разделением каналов по мощности PD-NOMA для уплотнения пользовательских каналов в едином частотно-временном ресурсе используется мощностной домен. Другими словами, несколько абонентских каналов одновременно занимают одну и ту же полосу частот, но имеют отличную друг от друга мощность. Мощности каждого канала должно быть достаточно для обеспечения требуемого качества передачи. Недостаток выделенной мощности приведет к росту ошибок демодуляции канальных символов, а переизбыток мощности приведет к увеличению межканальной интерференции и уменьшению помехоустойчивости соседних каналов.

Рассмотрим формирование сигнала PD-NOMA нисходящего потока (Downlink), который содержит в себе K пользовательских каналов. Пусть Xk — вектор канальных символов k-го канала, а pk — парциальная мощность k-го канала. Назовем каналы с мощностью-каналами верхнего уровня, а каналы с мощностью-каналами нижнего уровня относительно k-го канала. Тогда общий транспорт-

ный сигнал S формируется по следующему правилу:

Za/pÄ •

k=1

k '

Структурная схема кша^а связи РБ-ЫОМЛ изображена на рис. 1. Сигнал Хк на входе приемника к-го абонента представляет собой транспортный сигнал 5, прошедш ийче ре з А-й индивидуальный канал распространения радиов олн:

Z, = H , П С  k k

N

k'

где Zk — сигнальный векто р Hei входе k-го приемника, S — сигнальный вектор на выходе передатчика,

H,

SINR  =

ai • Pi

а • Z Pi

Рис. 1. Передача и прием PD-NOMA сигнала

вектор значений импульс но и характеристики

канала передачи, Nr — вектор отчетов аддитивной помеха, а  — операция све ртки.

Демодуляция прошятого сигнала осуществляется методом последовательнкго подавления помех SIC (Serial interfe rerce c an с e llatioo) [17], кооо рый заключается в последовательное оееедуляции, регенерации (воссизданию изначальной формы сигнала) и компенсации (вычитакио рееенерированного сигнала) наиболее йощных сигналов для дальнейшей демодуляции наименее мещных. Первым де-модулируется сигй—ь пкльзовитеья с ьаибольшей мощностью, который регенерируеосе и устраняется из принятого сигнала (усзраньетоя интерференционная помеха первого канала). после чего становится возможной] й—ьгоиукяция второго по уровню мощности пользовательского сигоала. По цепочке осуществляется демодуляц ия все х каналов. Структура SIC представлена на рис. 2.

Пусть SINRmk — (Sign al-t о-interf—re nce-plus-noise ratio) отношении мощности сигнала к мощности шума и интерференционной помехи, при котором происходит демодуляццц m-го канала пользователя в приемнике k-го пользователе. В се во оможныс в о-риации SINR предстаклены в виде матрицы на рис. 3. Если m = k, то с-й по лазоваеелг дам одулирует собственный канал (диагзналп матрицы). 0удем сои-тать, что для каждом}0 абоненту достаточно демо-дулировать собствензый канал, при этом требуется обязательная демодуляция каналов верхнего уровня m < k, но не трсбуется демодуляция каналов нижнего уровня m > k. Примем допущение, что каналы верхнего уровня демз дулпр уютсе и компенсируюи-ся безошибочно, а системная помеха интерферирующих каналов нижнего ур овня представляет собо й АБГШ.

Первый пользователь с раз. может демодулиро-вать свой собственоый канал на фоне системной помехи каналов 2...K нижнего узовня, при этом SINR,,:

Рис. 2. Структурная схема SIC приемника

OFDM А

PD-NOMA

UE

PD

UE

PD

Полоса пропускания

Рис = мультиплексирование каналов в PD- NOMA и OF DMA

Демодулированный сигнал иЕ1 регенерируется и удаляется из общего принятого сигнала, после чего становится возможной демодуляция собственного канала иЕ2 с ЖУЯ22 на фонл нистемной помехи каналов 3...К:

SINRn

а2 • P2

K

•+Pi +

Для демодуляции последним К-м пользователем своего канаиа тре^ется последовательно демодули-ровать и комяенсиоявать каналы верхнего уровня т < К с SINR К:

т,К

И0йЯш с =-= ' Вн-, н < л .

Яв • Ф В, а ао

, = на1

В случае безошибочной томпенсации сигналов т < К интерйяренциотнно помеха полностью устраняется. Тогда сигиал посоеднегв Кнго понь<ователя в приемнике К-го пользоваттля аемодулируется с 51Ш:

SINR „

ак • Pk

где а1 — коэффициент оссабоиния в канале иЕ , р1 — мощность ланела иЕ , п1 — мощность АБГШ в канале иЕ 1, р. — мощность каналов нижнего уровня.

Второй польиователь для демодуляции собственного канал должен сначата дамодулировать канал первого пользователя с SINR :

SINRa

а2 •Pi

•Z Pi

Обобщенное выцаженео рля о асчооа SINR, с которым k-й nr—ьзииатель димодилиркет гсбсовеиный сигнал:

ak'Pk к T < k < K

at • Z+Pi еп2(

SINRk =  i = k+1

ak • Pk N II к

S

2

+ n

+ n

2

По теореме Шеннона [18] теоретическая предельная пропускная способность С канала связи в полосе пропускания F:

C = F • 1og2(1 + SINR).

Тогд= №1р^ж;е+иб^ для вычисданио пре+ельной п=опускной способности мооет быть получено из (1) и (2). В мноооко таль ной с и сеем о из К км налов = наздетрннем по мощности, одоом+еменно использующих единую яолосу F при из в е отные парциальные мощностях в канаотх ра . ,:рд пропускная сппс=б-ностп кбоп конал: оп;рздетяется:

оо =

F^log2

• Ё о: + тп 1 < п о б

log2(l + ап = оп) п = б оь

Рис. 4. Комбинация SINR

C]D = f  log2|1 +

а1 ' F f-FD

CPD = F  log211 +

ai  Pi

CF2D = f2  log2| 1 + ^ I; CFD = F  log2| 1 +

F  p2 + щ

a2 -F>2 1

n,

.

Срас^шсь^иеИОи—ИМА и ОМА.. ГрИпоа методов ОМА включаес в себя рид ортогональных и квази-ортогоналиных методов упиугнения, по;этому для сравнения с РБ-РООМ/Ы выденим один из наиболее испсльсуемып 15 настоящее срыымя митодов — ОББМА, коттрый, условно, можно отнести к часм-ному слутаю ББ МА.

иассчитнем суммарт}]) предельную пропускную способность пр и мультиплексироваоии обоими ме-тодампкапалои двух поы.зотостней 10Е1 и иЕ2 ^пуо-стейший случай). Предпоиожим, что иЕ1 располо-иены та роюстояниях К.о 2 (Ц= р й2) ок пер-датчика. рассмотрим распртстронение сигнонь в отарытом пространстве, в ротором подавляющее влияние на иринимаемый сигнам оказыеает осиабление а. В первои приблипении хслаЛление сигналов с оеи-нако в ой ое сащей чаьтотод да в ис сот только от расстояния оС, поэтому а <н2:

Обозоачим МАМ е МИХР за канолы новзи I0]»-ЮОМА >1 ОРБМА. -псть F — потоси педедачи сигнала, а Р — инллчоомая ]^в^оцностт сигнала в этот пеооо и. О ба канала МАНТ занимают единый частит -ньш рес°рс Р, цлпельопя ,вуш передачи мощности: р1 —иощность НИ'0 и р2 = М —и — иощность МИр0, при лтон р 1 > Тц (т-к а1 < а2). Для каналов связи ОББМА выденена мощность Ы н иастоеный ресурс: ^ — оолвса чнстот МИо° и /р = Р — !1 — полоса частот МИ О'. Распределение частотного ресурса и мощности между пользователями продставлено на рис. 4.

Воспользуемся (2) и (3) для записи выражения предельной пропускной способности С каналов МИО.' и мне'0 :

Br^FD d FD

качестве примера рас1читаем C12 и C 2 для конкр ттвых значений d12 и n12, а также распределе-нтнр о f. Пусть расстояния d1 = 450 м и d2 = 150 м, тогда при несущей частоте сигнала i = 2 ГГц коэффициенты ослабления — a1 = 4,69e — 9 ( — 83,28 дБ) и a2 = 4,22e — 7 ( — 73,74 дБ). Уровень спектральной плотности мощности АБГШ приемника n1=n2 = = 10-10 Вт (—100 дБ/Гц). Пусть общий доступный частотный ресурс F, а доступная монность излучения Р=1 Вт. Частотньш ресур 1 в ОPDМА разделен попотам межоу П1 +ьзователями f1=f =0,5F, а в PD-NOMA мощность между nogb31+ателами раздрлена: F j = 0C Вт F р2 = 0,1 Вт.

Согласно (4), общая п ропуекная спос р1+о с ть системы из двух канатнв C^ р Р,Ч (бит/с) больше е]В р с,1ч (бит/с) в 1,18 раза про выбраиных условиях распределения ресурса связи. Результат расчета подтверждает, что PD-NOMA в определенных условиях обладает большей пропусктнй епвсо Рио -стью, чем OFDMA.

Рассчитанное соотношение СрВ Р C]D может изменяться при ином распределении ресурса связи и канале РРВ.

моделирование. Целью моделирования является сравнение характеристик помехоустойчивости каналов передачи данных OFDMA и PD-NOMA при одинаковой пропускной способности и одинаковых условиях канала распространения радиоволн (РРВ). Помехоустойчивость оценивается с помощью зависимости вероятности битовой ошибки BER (Bit Error Rate) от SINR, оценка которого происходит на входе демодулятора приемника.

2

Рис. 5. Конфигурации канала

Конфигурация OFDM-символа

Таблица 1

Метод доступа OFDMA PD-NOMA

UE UE1 UE2 UE1 UE2

Полоса 0,504 МГц 0,504 МГц 1,08 МГц 1,08 МГц

Кол-во поднесущих 36 36 72 72

Мощность 1 Вт 1 Вт 0,1 Вт 0,9 Вт

Модуляция QAM-256 QAM-16 QAM-16 QPSK

6

0 4

1

2

го

О

---OFDMA] j — PDNOMA-i -*- PMTOMAj |А| / X 1

У*

м i 1

0 5 10 15 20 25 30 35

SINR, дБ

1Q1"

10"

ю

в ---OFDMAi -Х- OFDMA. -PD.KOMA! -H-PD.KOMA!

* X. ^

*

к \

Л * \ ч

Ч 4

\ * \ \

Л ч \ \

* \ \

\ *

0 5 10 15 20 25 50 SINR, дБ

Рис. 6. Результат расчета предельной пропускной способности —

В передатчике формируется слот длительностью 0,5 мс и полосой передачи 1,08 МГц, состоящий из семи OFDM-символов (рис. 5). Шесть символов содержат пользовательские данные, а центральный символ содержит опорный сигнал RS (Reference Signal), который используется для процедуры эк-валайзирования на приемной стороне. В OFDM-символе длительностью T =71,4 мкс используется 72 поднесущие с частотным расстоянием Af= = 15 кГц, а общая полоса передачи — F=1.08 МГц. Парциальные мощности взяты из примера, который представлен во 2-м разделе: p1 = 0,9 Вт и p2 = 0,1 Вт Конфигурация пользовательских каналов представлена в табл. 1.

При использовании OFDMA под каждый канал выделено 36 поднесущих (половина от доступных). Таким образом в одном OFDM символе передается 288 бит 1-го абонента (QAM-256) и 144 бита 2-го абонента (QAM-16). При использовании PD-NOMA под оба канала выделено 72 поднесущие, а в OFDM символе так же передается 288 бит 1-го абонента (QAM-16) и 144 бита 2-го абонента (QPSK). В среднем на каждой OFDM поднесущей передается 4 бита первого канала и 2 бита второго канала

(С1 = 4 бит/с и С2 = 2 бит/с). Конфигурация мультиплексирования каналов представлена на рис. 5.

На рис. 6а приведены рассчитанные по (4) зависимости QSINR). Величиной w обозначен выигрыш помехоустойчивости при одинаковой пропускной способности и вероятности битовой ошибки. В первом канале при С1 = 4 бит/c значение w1 = 2,5 дБ, а во втором канале при С2 = 2 бит/c значение w2 = = 5 дБ. Стоит отметить, что при расчете, а помеха от интерферирующего пользовательского канала представлена в виде нормальной аддитивной помехи с аналогичной мощностью, что является допущением, сделанным для упрощения.

На рис. 6б — г приведены зависимости BER(SINR), полученные в результате моделирования для одно-лучевого (в качестве помехи — только АБГШ) и для многолучевого (трассы EPA и ETU [19]) каналов РРВ, а величиной w отмечен выигрыш помехоустойчивости каналов PD-NOMA относительно OFDMA при одинаковой скорости передачи. Результат моделирования показал, что во всех сценариях метод PD-NOMA оказался эффективнее OFDMA, а величины выигрыша помехоустойчивости w1,2 оказались не менее 2 дБ.

Заключение. В работе рассмотрен метод неортогонального множественного доступа с разделением пользовательских каналов по мощности PD-NOMA, который способен обеспечить выигрыш пропускной способности многоканальной системы в сравнении с используемыми в настоящее время ортогональными (квазиортогональными) методами множественного доступа в случае, если мультиплексируемые каналы обладают различным друг от друга отношением сигнал/шум за счет отличия трасс РРВ.

Согласно результатам проведенного моделирования, каналы связи PD-NOMA способны обладать лучшей помехоустойчивостью по сравнению с OFDMA при одинаковых характеристиках и условиях канала передачи, поэтому метод PD-NOMA может опционально применяться в беспроводных системах связи широкополосного доступа.

Библиографический список

1. Marcus M. J. 5G and «IMT for 2020 and beyond» [Spectrum Policy and Regulatory Issues] // IEEE Wireless Communications. 2015. Vol. 22, Issue. 4. P. 2-3. DOI: 10.1109/MWC.2015.7224717.

2. Soldani D., Manzalini A. Horizon 2020 and Beyond: On the 5G Operating System for a True Digital Society // IEEE Vehicular Technology Magazine. 2015. Vol. 10, no. 1. P. 32-42. DOI: 10.1109/MVT.2014.2380581.

3. Покаместов Д. А., Демидов А. Я., Крюков Я. В. [и др.]. Формирование и обработка сигналов множественного доступа с разреженным кодом // Электросвязь. 2016. № 10. С. 56-61.

4. Покаместов Д. А., Демидов А. Я., Крюков Я. В. Влияние формирующих матриц на помехозащищенность каналов связи с множественным доступом на основе разреженных кодов // Доклады ТУСУР. 2016. Т. 19, № 3. С. 65-69.

5. Pokamestov D. A., Demidov A. Ya., Kryukov Ya. V., Rogozhnikov E. V. Dynamically changing SCMA codebooks // International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). 2017. P. 1-4. DOI: 10.1109/SIBCON.2017.7998451.

6. Крюков Я. В. Формирование и обработка сигналов многоканальных систем связи с разделением каналов по мощности: дис. ... канд. техн. наук. Томск, 2017. 127 c.

7. Benjebbour A., Saito K., Li A. Non-orthogonal multiple access (NOMA): Concept, performance evaluation and experimental trials // 2015 International Conference on Wireless Networks and Mobile Communications (WINCOM), January 14, 2015. Morocco: Marrakech, 2015. P. 1-6. DOI: 10.1109/WINCOM.2015.7381343.

8. Higuchi K., Benjebbour A. Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) with Successive Interference Cancellation for Future Radio Access // IEICE Transactions on Communications.

2015. Vol. 98, no. 3. P. 403-414.

9. Saito Y., Benjebbour A., Kishiyama Yo. [et al.]. System-level performance evaluation of downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) // 2013 IEEE 24th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC). 2013. P. 611-615. DOI: 10.1109/PIMRC.2013.6666209.

10. Saito Y. Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for Cellular Future Radio Access // 2013 IEEE 77th Vehicular Technology Conference (VTC Spring). 2013. P. 1-5. DOI: 10.1109/VTCSpring.2013.6692652.

11. Крюков Я. В., Демидов А. Я., Покаместов Д. А. Метод неортогонального множественного доступа // СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии: материалы 26-й Между-нар. конф., 4-10 сент., 2016 г. В 13 т. / СевГУ. Севастополь,

2016. Т. 4. С. 658-665. ISBN 978-966-335-422-4.

12. Ding Z., Yang Zh., Fan P. [et al.]. On the Performance of Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems with Randomly Deployed Users // IEEE Signal Processing Letters. 2014. Vol. 21, Issue 12. P. 1501-1505. DOI: 10.1109/LSP.2014.2343971.

13. Dai L., Wang B., Yuan Yi. [et al.]. Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and

future research trends // IEEE Communications Magazine. 2015. Vol. 53, Issue 9. P. 74-81. DOI: 10.1109/MCOM.2015.7263349.

14. Timotheou S., Krikidis I. Fairness for Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems // IEEE Signal Processing Letters. 2015. Vol. 22, Issue 10. P. 1647-1651. DOI: 10.1109/ LSP.2015.2417119.

15. Hayashi Yu., Kishiyama Yo., Higuchi K. [et al.]. Investigations on Power Allocation among Beams in NonOrthogonal Access with Random Beamforming and Intra-Beam SIC for Cellular MIMO Downlink // 2013 IEEE 78th Vehicular Technology Conference (VTC Fall). 2013. P. 1-5. DOI: 10.1109/ VTCFall.2013.6692251.

16. Zhang Yi, Wang H.-M., Yang Q. [et al.]. Secrecy Sum Rate Maximization in Non-Orthogonal Multiple Access // IEEE Communications Letters. 2016. Vol. 20, Issue 5. P. 930-933. DOI: 10.1109/LCOMM.2016.2539162.

17. Patel P., Holtzman J. Analysis of a simple successive interference cancellation scheme in a DS/CDMA system // IEEE Journal on Selected Areas in Communications. 1994. Vol. 12, Issue 5. P. 796-807. DOI: 10.1109/49.298053.

18. Шеннон К. Э. Работы по теории информации и кибернетике: пер. с англ. / под ред. Р. Л. Добрушина, О. Б. Лупано-ва. М.: Изд-во иностранной литературы, 1963. 829 с.

19. ETSI TS 36.104: V9.4.0 (2010-07). LTE; Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Base station (BS) radio transmission and reception (3GPP TS 36.104 version 9.4.0 Release 9). France: Valbonne, 2010. 98 p.

КРюКоВ яков Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникации и основы радиотехники». БРНЧ-код: 3956-3916 АиШотГО (РИНЦ): 886523

Адрес для переписки: kryukov.tusur@gmail.com ДЕмИДоВ Анатолий яковлевич, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Телекоммуникации и основы радиотехники». АиШогГО (РИНЦ): 602730

Адрес для переписки: demidovay@tor.tusur.ru ПоКАмЕСТоВ Дмитрий Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникации и основы радиотехники». БРНЧ-код: 7819-9512 А^^ГГО (РИНЦ): 860831 Адрес для переписки: dmaltomsk@mail.ru РоГожнИКоВ Евгений Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Телекоммуникации и основы радиотехники». БРНЧ-код: 8830-4593 А^^ГГО (РИНЦ): 880602 Адрес для переписки: udzhon@mail.ru АБЕноВ Ренат Рамазанович, старший преподаватель кафедры «Телекоммуникации и основы радиотехники».

БРНЧ-код: 7104-4669

А^^ГГО (РИНЦ): 926863

Адрес для переписки: abenov.rr@gmail.com

Для цитирования

Крюков Я. В., Демидов А. Я., Покаместов Д. А., Рогожни-ков Е. В., Абенов Р. Р. Метод множественного доступа с разделением каналов по мощности // Омский научный вестник. 2018. № 6 (162). С. 184-188. БОН 10.25206/1813-8225-2018-162184-188.

Статья поступила в редакцию 01.10.2018 г. © я. В. Крюков, А. я. Демидов, Д. А. Покаместов, е. В. Рогожников, Р. Р. Абенов