Delta-OMA（D-OMA）：新しい6G Mass Multiple Access Method。 パート1

コース「ネットワークエンジニア」の開始前に数日が残ります。 この点について、トピック「Delta-OMA（D-OMA）：6Gでの大量多元接続の新しい方法」に関する資料の最初の部分を共有したいと思います。 行こう



要約 -将来の6Gセルラーネットワークでの大量アクセスのために、新しい多元接続方法、すなわち、デルタ直交多重アクセス（D-OMA-デルタ直交多重アクセス）が提示されます。 D-OMAは、NOMAクラスタの部分的にオーバーラップするサブバンドを使用した、分散型の大規模な非直交多重アクセス（NOMA-非直交多重アクセス）の概念に基づいています。 この方式の有効性は、NOMAサブバンドのさまざまな程度のオーバーラップのスループットに関して実証されています。 D-OMAは、アップリンクとダウンリンクの両方で、ワイヤレスアクセスネットワークのセキュリティを強化するためにも使用できます。 DOMA最適化の実用的な実装の問題と未解決の問題についても説明します。







キーワード -5G（B5G）/ 6G、ワイドワイヤレス機能、協調受信/送信、直交および非直交マルチアクセス、帯域幅、ワイヤレスセキュリティ



1.はじめに



セルラーワイヤレスシステムの各世代は、新しい多元接続方式によって特徴付けられます。 特に、第1世代（1G）システムは周波数分割多元接続（FDMA）に基づいていましたが、第2、第3、第4世代は時分割多元接続（TDMA）に基づいていました、符号分割多元接続（CDMA）および直交周波数分割多元接続（OFDMA）それぞれ。 第5世代（5G）セルラー通信に関しては、多くの開発と標準化の取り組みがまだ進行中ですが、非常に広いスペクトル（最大60 GHz）の使用と非直交スキームの採用を除いて、革新的な多元接続技術がないことは明らかです直交周波数分割多重アクセス（OFDMA）[1]-[3]に加えて、多重アクセス（NOMA）。 ミリ波（mm波）帯域など、5G無線インターフェースでより高い周波数帯域を採用すると、高パス損失とビーム指向性の要件により、深刻な伝搬問題が発生します。 ここでは、アクセスポイント（AP）の超高密度展開が少し役立ちますが、隣接セルの重複サービスエリアから生じる同一チャネル干渉の影響を最小限に抑えるには、分散AP間の複雑な調整と協力が必要になります。



ただし、5Gは次の3つの主要なユニークなサービスを提供することが期待されています。すなわち、モバイルブロードバンド通信の強化（eMBB-モバイルブロードバンド通信の強化）、超高信頼低遅延通信、およびマシン型マス通信（mMTC-大規模マシン型通信）[4 ]。 eMBBの目標は、より高いデータレートと（LTEに比べて）拡張カバレッジエリアを備えた動作モードを提供することです。一方、超信頼性の高い低レイテンシサービスは、自動運転や健康監視デバイスなどのミッションクリティカルなアプリケーションに認証サービスを提供します。 mMTCの役割は、パフォーマンスレベルが保証された膨大な数のワイヤレスデバイスとの間のデータフローを制御することです。



5Gセルラーネットワークには、4Gネットワ​​ークに比べて多くの顕著な改善が含まれており、レイテンシーの削減、システムの信頼性とパフォーマンスの向上、端末デバイスのサイズの削減、省エネハードウェアおよびネットワーク設計による伝送速度の向上を実現しますが、高度なテクノロジーの出現により、 5Gセルラーネットワーク（B5G-5Gを超える）またはいわゆる第6世代（6G）の方向へのさらなる発展を刺激します。 6Gセルラーネットワークの主な目標は、次のように要約できます。

• 接続されたネットワーク：モノのインターネット（IoT）およびmMTCサービスの普及により、各ワイヤレスデバイスは、複数のアクセスポイント（AP）またはベースステーション（BS）によってサービスが提供される1つ以上のワイヤレスアクセスネットワークに接続されます。クラウドサービス（例：エッジコンピューティングおよびキャッシングサービス）にアクセスするためのクラウドネットワーク。 そのようなアプリケーション/サービスの例には、仮想現実、自動運転、スマートシティとスマートネットワークのアプリケーション、産業用制御とスマート製造、監視とセキュリティ、および多数の健康監視サービスがあります。 ワイヤレスデバイスには、シングルまたはマルチジャンクション接続を介したピアツーピア接続もあります。 さらに、地上セルラーシステムは、空中（または非地上/空中/無人）のモバイルBS / APネットワークと統合されます。 したがって、セルラーシステムの従来のモデルでは、これらの新しいシステムを説明するには不十分です。 さらに、これらのネットワークは、データネットワークだけでなく、アプリケーションおよびコンテンツネットワークになります。 その結果、ネットワークの計画と最適化の観点から新しい方法が必要になります。
• デバイスおよびネットワークレベルでのエネルギーの最小化：ユーザー、マシン、AP / BS、およびその他のネットワークノードは、高度な信号処理方法を使用し、より多くのデータを処理する必要があるため（たとえば、人工知能を備えたアプリケーションやサービス）、電力消費が大幅に増加します。 さらに、無線送信機（たとえば、電力増幅器、A / Dコンバーター、D / Aコンバーター）のエネルギー消費は、ミリ波とナノメートル波の周波数で最小限に抑える必要があります。 アクセスポイントの超高密度展開、およびワイヤレスアクセスネットワークでの周辺コンピューティング/キャッシングサーバーの広範な展開により、これにより、ネットワークノード間の省エネ、充電、収集、および相互作用の新しい概念が緊急に必要になります。
• スペクトルおよび/またはその拡張の効率的な使用：新しい無線（NR）5Gは、4Gネットワ​​ーク（0.6〜6 GHz）の周波数範囲をいくつかのより高い周波数帯域（30〜300 GHz [mmW]のミリ波および200〜385 THzの範囲の空き領域[FSO-光学的空き領域]。 ワイヤレスアクセスとバックホール、およびこれらの新しい帯域での共存（ライセンスのないスペクトルの場合）のために、新しい技術を開発する必要があります。

2.将来のワイヤレスネットワークのセルラーアーキテクチャ



一般的に、セルラーネットワークアーキテクチャの概念は、特にマルチポイント送信とマルチポイントユーザーアソシエーションを使用して複数のワイヤレスデバイスに同時にサービスが提供される都市の超高密度ワイヤレスアクセスシナリオでは、将来のワイヤレスネットワークには適していません（図1）。 異なるBS / AP間の非常に高速なフィードバックチャネルを使用すると、ネットワーク全体は、エンドデバイスの観点からは、複数の出力を持つ多分散入力（MIMOアレイ）のない分散システムのように見えます。 特に、すべてのアクセスポイントは、近くにあるすべてのアクティブなデバイスを認識します。 APは、クラウドベースの無線アクセスネットワーク（CRAN-クラウド無線アクセスネットワーク）[5]の場合のように、リモート無線ヘッド（RRH-リモート無線ヘッド）と見なすことができます。 送信を調整するか、多重化することにより、各デバイスをRRH以上で提供できます。 このセルフリーアーキテクチャを、よく知られた協調受信/送信（CoMP）の一般化されたバージョンと見なすと便利な場合があります。これは、相互作用するAPがカバレッジエリア内のすべてのデバイス（セル境界とセルセンターにあるデバイス）にサービスを提供します。 これは、さまざまな端末デバイスにリソースを割り当てる非常に高速な集中処理ユニットを使用することで実現できます。一方、CRANの場合のように、いわゆるベースバンドユニットプール（BBU）でデータ処理を実行できます。 異なるRRH間の完全な調整により、いくつかの集中型または分散型の最適化手法で干渉管理を最適またはほぼ最適に実行できます。



このようなネットワークアーキテクチャでは、何百万ものデバイス（たとえば、mmTCデバイス）を接続する必要があります。これらのデバイスに対しては、人間の直接的な対話なしに自動サービスを提供する必要があります。 従来の直交多重アクセス（OMA）スキームでは不十分であり、純粋な非直交多重アクセス（NOMA）方式には、異なるサービス要件を持つデバイスのワイヤレス接続をサポートする柔軟性がありません[6]。 したがって、限られたスペクトルリソースを前提として、セルのないこれらのネットワークのマルチアクセス/リソース割り当てと干渉管理の新しい方法を開発する必要があります。 次のセクションでは、6Gセルフリーネットワークアーキテクチャを使用して大規模な無線接続をサポートする、ネットワーク上の大量多元接続の新しい方法を提案します。



3.デルタ直交多重アクセス（D-OMA）



このセクションではまず、OMAの原理と比較したNOMAの基本原理について簡単に説明します。 次に、新しいセルフリーネットワークアーキテクチャでの大規模なインバンドNOMAの潜在的な使用について説明します。 最後に、新しいD-OMAスキームについて説明し、評価します。



A. OMA対NOMA



OMAは、1Gから4Gのセルラー世代に使用されています。 異なるキャリア間の直交性と、それらの間の帯域幅分離に対する比較的高い要件のため、4Gネットワ​​ークで使用される直交周波数分割多重アクセス（OFDMA）は、将来の世代ネットワークに効果的なソリューションを提供しない可能性があります。 したがって、NOMA技術は最近、3GPPバージョン16（5G）標準[7]で採用されました。 原則として、NOMAは同じサブバンド内の電力ドメインで多くの信号を重ね合わせ、受信機側で連続干渉キャンセル（SIC）を使用して不要な干渉信号を除去するという概念を使用します。 NOMAを使用すると、個々のOMAサブバンドは同時に複数のデバイスにサービスを提供でき、このプロセスでは、送信電力のほとんどが回線品質の低いデバイスに提供されます（図2）。



特に、ダウンリンク送信用のNOMAクラスタのMデバイス/ユーザーでは、APはx = PM m = 1√Pmsmを送信し、PM m = 1 Pm≤Ptになります。ここで、Pmはm番目のNOMAによって割り当てられた送信電力です。デバイス、smはm番目のデバイスに送信される信号、Ptは特定のNOMAクラスタのサブバンドに割り当てられた最大電力バジェットです。 次に、m番目のデバイスで受信した信号は、ym = hmx + wmとして定義されます。ここで、hmはAPとm番目のデバイス間の複素チャネルゲイン、wmは加法性ホワイトガウスノイズ（AWGN）と他のクラスターの干渉信号です。 特定のクラスター内のデバイスチャネルゲインがh1≤。,,≤hMとして順序付けられている場合、送信電力レベルが各デバイスに割り当てられるため、P1≥。,,≥PMになります。 受信側では、希望する信号がデコードされるまで、より高い受信電力を持つデバイスからの干渉信号がSIC操作によって削除されます。 したがって、サイズMの特定のNOMAクラスタ内のm番目のデバイスで達成可能な速度は、







どこで ここで、ImとNmは、それぞれm番目のデバイスの入力でのクラスター間干渉（ICI）とAWGNパワーを表します。 通常、各サブバンドは1つのNOMAクラスターにサービスを提供します。 特定のクラスター内のデバイスは、2つのタイプの干渉を受けます。つまり、同じクラスター内の他のNOMAデバイスによって引き起こされる、NOMAからのフィルター処理されていない干渉信号によって引き起こされる、NOMA内干渉（INI）と、クラスター間干渉（ICI）他の隣接クラスターによる同じサブバンド。 NOMAクラスターのサイズは、デバイス/ユーザーのデータ転送速度要件、NOMA受信機の複雑さレベル、NOMAクラスターの総電力バジェット、INIに基づくエラーの伝播に対するNOMAデバイスの耐性など、いくつかの要因間の妥協を実現する設計パラメーターと見なすことができます、ICIおよびSIC





図 1：セルなしの6Gネットワ​​ークアーキテクチャ。





図 2：同じサブバンドで複数のワイヤレスデバイスを提供するためのNOMAコンセプト。



最初の部分の終わり。



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