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 на примере, изображенном на рисунке 1.
Рисунок 1 – Принцип работы NOMA в нисходящем канале
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.
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.
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:
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.
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.
Материал:
Развитие технологий передачи данных не стоят на месте и специалистам крайне важно следить всеми новшествами в области телекоммуникаций. В этой статье мы приоткроем завесу тайн над очередной технологией, которая в очередной раз позволит повысить спектральную эффективность в беспроводных сетях следующего поколения, и как следствие – увеличить скорости передачи данных. Рассмотрим основные концепции и преимущества новой технологии, а также ее технические ограничения и возможные проблемы.
Полный текст
А как NOMA уживется с QAM 256?