Принцип работы технологии NOMA
На практике мы часто убеждаемся в том, что “все гениальное – просто”. Технология, о которой пойдет речь далее хорошо подходит под эту крылатую фразу. Итак, речь пойдет о технологии NOMA (англ.: Non-Orthogonal Multiple Access), которая в дословном переводе означает неортогональный множественный доступ. Как можно догадаться из названия, суть этой технологии заключается в способности обслуживать нескольких пользователей одновременно, осталось только понять, в чем заключается ее “ортогональность”. Отличительной чертой NOMA является то, что обслуживание производится с использованием одних и тех же частотных и временных ресурсов. При этом используется суперпозиционное кодирование в передатчике и последовательное подавление помех (Successive Interference Cancellation – SIC) в приемнике. Сходу, конечно, сложно понять, о чем идет речь, поэтому давайте поясним принцип работы.
Как показано на рисунке, базовая станция (БС) отправляет наложенные друг на друга (то есть находящееся в одной частотно-временной области) сигналы двум пользователям (абонентам 1 и 2). При этом абонент 1 имеет более высокий уровень сигнала, по сравнению со вторым. В NOMA для таких пользователей с “высоким” и “низким” уровнями сигналов ввели специальное название – сильный (Strong User – SU) и слабый (Weak User – WU) пользователь соответственно. Сильный пользователь сначала вычитает сигнал слабого пользователя через систему последовательного подавления помех – SIC, а затем декодирует свой собственный сигнал. Слабый пользователь воспринимает сигнал сильного пользователя как шум и сам обнаруживает собственный сигнал без необходимости применения SIC. Так как слабый пользователь имеет худшее качество канала связи и как следствие большое количество помех, то в технологии NOMA ему предусмотрено сравнительно больше мощности в одном канале. То есть в одном простраственно-временном канале перемещаются два сигнала, один из которых для слабого пользователя имеет больший уровень (до 70%), рисунок 2.
Рисунок 2 – Процентное соотношение сигналов для двух пользователей NOMA
В существующих сетях такая передача данных без NOMA обречена на провал, так как сигналы в канале являются помехой друг для друга.
Достоинства NOMA
В сравнении с традиционным ортогональным множественным доступом NOMA имеет несколько значительных преимуществ:
1. NOMA обеспечивает превосходную спектральную эффективность за счет одновременного обслуживания нескольких пользователей с одним и тем же частотным ресурсом и алгоритмом подавления помех – SIC;
2. Рассматриваемая технология увеличивает количество одновременно обслуживаемых абонентов, а, следовательно, в перспективе с помощью NOMA может быть организована связь с “массивом пользователей”. Вполне возможно, что вскоре после ее внедрения мы услышим о том, что NOMA способна уплотнять в один канал 16, 32, 64 и т.д. пользователей (аналогично глубине модуляции, например, QAM 64 и пр.).
3. NOMA позволит уменьшить задержку в сети при передаче данных, так как пользователю не нужно будет ожидать запланированного временного интервала для передачи своей информации. Пользователь просто начнет передавать сигнал в любой промежуток времени, который сможет быть декодирован получателем, рисунок 3.
Рисунок 3 – Передача в NOMA без ожидания временного интервала
4. Благодаря гибкому управлению мощностью между сильными и слабыми пользователями NOMA может обеспечить нужное качество обслуживания для каждого абонента в отдельности. В частности, так как для слабого пользователя выделяется больше мощности в канале (рисунок 2), то это позволяет обеспечить хорошую пропускную способность для абонентов, находящихся на границе соты. И тем самым гарантировать одинаковое качество обслуживание всем абонентам в соте.
Ограничения NOMA
Следует отметить, что первое упоминание описываемой технологии и возможности ее применения в 5G приводилось в статье [1], опубликованной еще в 2013 году. Также интересно отметить, как NOMA будет работать совместно с существующими решениями радиодоступа. Так производительность NOMA может быть дополнительно увеличена за счет объединения с технологией многоантенного радиодоступа MIMO (англ.: Multi-Input Multi-Output). В этом случае пользователи объединяются в кластеры и алгоритм NOMA применяется для всех пользователей, находящихся в одном кластере. Тут конечно появляются дополнительные проблемы, например, оптимального объединения пользователей в кластер, но это уже тема другой статьи. Итак, перейдем к техническим сложностям и ограничениям, которые предстоит решить для успешного внедрения NOMA:
- Каждому пользователю до кодирования собственной информации необходимо декодировать информацию всех других пользователей с худшим коэффициентом усиления канала (тех пользователей, которые находятся в одном кластере). Само собой это приводит к сложности приема и дополнительным затратам вычислительных и энергетических ресурсов абонентского устройства на “расшифровку” получаемых данных.
- Когда в системе SIC возникнет ошибка, то, вероятнее всего, последующее декодирование информации для других пользователей будет выполнено ошибочно. Это в свою очередь означает, что количество пользователей в каждом кластере будет достаточно низкое, чтобы уменьшить эффект распространения ошибок.
- Для получения преимуществ мультиплексирования “по мощности” с использованием NOMA, требуется значительная разность коэффициентов усиления канала между сильными и слабыми пользователями. Это ограничивает эффективное количество пар пользователей, что, в свою очередь, уменьшает коэффициент суммарного прироста NOMA.
- Для работы NOMA каждый пользователь должен отправлять базовой станции информацию о коэффициенте усиления своего канала, а технология NOMA довольно чувствительна к неточности определения этого коэффициента.
- Совместная работа агрегированных каналов и NOMA также может дополнительно увеличить скорость передачи данных конечному пользователю, однако какой тип агрегирования для этого подходит, пока не определено.
- Также пока не до конца решенной задачей является сам алгоритм выделения мощностных ресурсов для каждого абонента, который должен обладать низкой степенью сложности для наилучше производительности NOMA.
- И наконец, нужно реализовать безопасность соединения на физическом уровне, что также является довольно интересным и пока до конца не решенным направлением.
Несмотря на вышеуказанные обстоятельства, NOMA была включена в официальную документацию по разработке технологий для 5G “White Papers” таких корпораций как ZTE Corp., SK Telecom и пр., а DOCOMO и MediaTek проводят совместные исследования по внедрению этой технологии [2]. NOMA также рассматривалась в первом исследовании, посвященном 5G – New Radio (Release 14), а тенденция использования NOMA сохраняется и в 15 релизе в рамках сотрудничества таких компаний как DOCOMO, Huawei, Intel, Qualcomm и Samsung.
Заключение
Итак, в этой статьей мы рассмотрели относительно новое технологическое решение, позволяющее увеличить скорость передачи данных в сети. Суть технологии довольно проста – передавать “наложенные” друг на друга сигналы с разной мощностью так, чтобы их можно было вычесть и расшифровать для конечного абонента. Технология NOMA является довольно многообещающим решением для сетей радиодоступа 5G. Сегодня она рассматривается и анализируется многими ведущими производителями беспроводного оборудования.
Емкость NOMA может быть дополнительно увеличена с использованием MIMO, а возможность ее применения в миллиметровом диапазоне дает по-настоящему большие возможности. Нужно лишь решить некоторые задачи, наиболее критичные из которых – распространение ошибок в многокластерных сетях.