Comunicações sem fio: Princípios do NOMA

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Comunicações sem fio: Princı́pios do NOMA
Victória Tomé Oliveira
Universidade Federal do Ceará - UFC
Engenharia de Computação
Brazil, Ceará
Email: victoriat.oliveira@alu.ufc.br
I. INTRODUÇÃO
Desde chamadas telefônicas analógicas até todos os serviços
de Protocolo da Internet, incluindo voz e mensagens, cada
transição foi incentivada pela necessidade de atender aos
requisitos da nova geração de tecnologia móvel.
Posteriormente, a tecnologia de comunicações móveis está
atualmente enfrentando um novo desafio, dando origem a uma
sociedade hiperconectada através do surgimento de serviços
de quinta geração (5G). Com um enorme potencial para os
consumidores e a indústria, o 5G deverá ser lançado em 2020.
Do ponto de vista da tecnologia de acesso por rádio da próxima
geração, uma mudança radical na velocidade dos dados e uma
redução significativa na latência de ponta a ponta é um fator
importante. preocupação com o 5G, uma vez que o rápido
desenvolvimento da Internet móvel e da Internet das Coisas
(IoT) acelera exponencialmente a demanda por aplicativos de
alta taxa de dados [5].
A conexão fı́sica subjacente em uma rede celular é chamada
de tecnologia de acesso via rádio, que é implementada por uma
rede de acesso via rádio (RAN). Uma RAN utiliza basicamente
uma técnica de acesso ao canal para fornecer aos terminais
móveis uma conexão com a rede principal. O design de uma
técnica de acesso múltiplo adequado é um dos aspectos mais
importantes na melhoria da capacidade do sistema. Acesso
múltiplo as técnicas podem amplamente ser categorizadas
em duas abordagens diferentes, a saber, orthogonal multiple
access (OMA) e non-orthogonal multiple access (NOMA).
Um esquema ortogonal permite que um receptor perfeito
separe completamente sinais indesejados do sinal desejado
usando diferentes funções básicas [14].
O OMA é uma opção realista para obter um bom desempe-
nho em termos de taxa de transferência no nı́vel do sistema. No
entanto, devido à onda próxima acima mencionada, as redes
5G requerem aprimoramento adicional na eficácia do sistema.
Nesse sentido, pesquisadores de todo o mundo começaram a
investigar o NOMA como um promissor esquema de acesso
múltiplo para acesso futuro ao rádio. O NOMA alcança
eficiências espectrais superiores por superposition coding (SC)
no transmissor e successive interference cancellation (SIC) no
receptor [1]. Além disso, a evolução das redes sem fio para
5G coloca novos desafios para a energy efficiency (EE), já que
toda a rede será ultra-densa. Com um aumento extremo no
número de nós da infra-estrutura, o consumo total de energia
pode simplesmente superar um nı́vel aceitável. Embora energia
substancial seja basicamente consumida pelo hardware, o
NOMA possui uma capacidade inerente de adaptar a estratégia
de transmissão de acordo com o tráfego e os channel state
information (CSIs) dos usuários. Assim, ele pode alcançar um
bom ponto de operação, onde a eficiência do espectro e o EE
se tornam ótimos [13].
Nos últimos anos, o NOMA atraiu muita atenção de pes-
quisadores que tentam atender aos requisitos de 5G. Como
consequência, já existem muitos esforços de pesquisa nesse
campo. As tendências de pesquisa no NOMA incluem diversos
tópicos, por exemplo, vários métodos de análise de desem-
penho, análise de justiça, EE e emparelhamento de usuários.
Muitos pesquisadores estão tentando melhorar ainda mais o
desempenho de outras tecnologias sem fio existentes, como
comunicações cooperativas, MIMO (Multiple Input Multiple
Output), comunicações leves e redes de retransmissão usando
o NOMA [5].
II. NOMA
Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) é uma técnica
por meio da qual vários usuários podem compartilhar os
mesmos recursos de tempo, frequência ou código, ajustando
sua relação de alocação de potência. A motivação por trás
desta abordagem reside no fato de que a técnica NOMA, uma
vez que explora oportunamente as condições do canal, é capaz
de atender a múltiplos usuários com diferentes requisitos de
qualidade de serviço (QoS), usando um mesmo recurso [15].
Além disto, o NOMA é apontado como uma potencial
estratégia para ser integrada com os paradigmas de acesso
múltiplo tradicionais, como o FDMA, TDMA, CDMA e o
OFDMA. Uma vez que o NOMA explora a nova dimensão
do domı́nio da potência [12].
A técnica NOMA permite alcançar uma maior eficiência
no uso do espectro, taxas de dados mais elevadas e latências
de transmissão baixas. Em uma rede baseada em NOMA,
os usuários com as melhores condições de canal removem
primeiramente as mensagens destinadas a outros usuários da
rede, aplicando um algoritmo de cancelamento sucessivo de
interferência, para então decodificarem suas próprias mensa-
gens [17].
III. COMUNICAÇÃO COOPERATIVA
Os sistemas de comunicação sem fio são concebidos de
modo que um ou vários usuários se comuniquem individual-
mente e de forma direta, isto é, através de um enlace ponto-a-
ponto, com a respectiva estação base associada ou vice-versa.
Um sistema de comunicação sem fio cooperativo se refere a
um outro tipo de arquitetura, que se difere da abordagem tradi-
cional, já que a transmissão de um dado usuário é aprimorada
de maneira cooperativa por outros usuários da rede, chamados
de relays. Existem diferentes tipos e combinações de sistemas
cooperativos, desta forma, os parâmetros mais relevantes serão
citados a seguir.
A. Disponibilidade do Enlace de Transmissão Direta
Em um processo de comunicação sem fio, dependendo
das condições de propagação do sinal, pode ou não haver a
presença do enlace de transmissão direta entre fonte e destino
[4].
B. Protocolos de Retransmissão
As técnicas de processamento e retransmissão do sinal rece-
bido por um relay podem ser classificados em dois protocolos,
sendo eles, Amplify-and-foeward (AF) e Decode-and-Forward
(DF).
O AF é classificado como um protocolo de retransmissão
transparente, ou seja, não modifica, de qualquer forma, a
informação presente no sinal, esse protocolo é caracterizado
como um dos métodos mais simples de retransmissão, uma vez
que o relay apenas amplifica e retransmite o sinal recebido [7].
O DF é classificado como um protocolo de retransmissão
regenerativo, pois neste caso a informação ou a forma de
onda podem ser modificados. Um relay dp tipo DF detecta,
decodifica, regenera e recodifica o sinal proveniente da fonte
antes de retransmiti-lo ao destino [7].
C. Modos de Retransmissão Half-Duplex e Full-Duplex
As técnicas de retransmissão podem ser classiicadas em
duas formas básicas, sendo elas, retransmissão Half-Duplex
(HD) e retransmissão Full-Duplex (FD).
No modo de retransmissão HD, o relay recebe e encaminha
os sinais em canais ortogonais, desta maneira consumindo
o dobro de recursos do canal, quando comparado com uma
comunicação ponto-a-ponto entre fonte e destino, causando
perda em eficiência espectral. Em contra partida, o modo
de retransmissão FD permite recuperar a perda em eficiência
espectral inerente ao modo HD, já que o relay é capaz de
receber e transmitir os sinais na mesma frequência e no mesmo
intervalo de tempo [10].
D. Estratégias de Seleção de Relays
Existe cenários com múltiplos relays, a partir disto surgiram
técnicas para a seleção desses relays, essas técnicas surgiram
com o objetivo de usufruir da diversidade espacial fornecida
pelas comunicações cooperativas, mesmo usando apenas um
relay, escolhido dentre os outros nós dipostos a cooperar. As
principais estratégias de seleção de relays são, Opportunistic
Relay Selection (ORS) e Partial Relay Selection (PRS) [11].
O ORS tem como estratégia a escolha de um único relay
para assistir a fonte com base nas informações de estado do
canal (CSI) global, ou seja, de toda a rede. E contra partida,
o PRS tem como estratégia acionar o relay com base em CSI
parcial, ou seja, de uma parte da rede [11] [6].
IV.REFERENCIAL TEÓRICO
Recentemente, o uso combinado de NOMA a retransmissão
FD vem ganhando destaque. Com NOMA, é possı́vel ter
um aumento em eficiência espectral, já que os sinais de
múltiplos usuários são multiplexados no domı́nio da potência.
Entretando, o uso de NOMA em cojunto com relays que
operam em modo FD traz um aumento ainda maior na
eficiência espectral do sistema, sem abrir mão das vantafens
em termos de confiabilidade e extensão de cobertura, provida
pelas comunicações cooperativas. Devido a este fato, diversos
trabalhos de pesquisa vem sendo desenvolvidos, os quais
avaliam o desempenho de esquemas cooperativos baseados
em NOMA. As contruibuições decorrentes desses trabalhos
podem ser classificadas considerando dois aspectos. O pri-
meiro aspecto é o conceito de NOMA, aplicado às redes
cooperativas.
Em [9], a probabilidade de outage e a capacidade ergótica
agregada de uma rede cooperativa baseada em NOMA fo-
ram avaliadas, considerando um canal com desvanecimento
Nakagami-m, em que a fonte se comunica em múltiplos
destinos simultaneamente, através de um relay HD do tipo
AF.
Em [8], a probabilidade de outage e a taxa agregada de
uma esquema NOMA em um sistema com múltiplos relay AF
e PRS foram examinadas, onde uma fonte transmite o sinal
para dois destinos com auxı́lio de um dos vários relays, os
quais operam em modo HD.
O segundo aspecto é referido na literatura como NOMA
cooperativo. Nesse caso, à diferença do aspecto anterior, o
usuário mais próximo, além de ser um usuário de rede, desem-
penha também o papel de relay, sendo capaz de retransmitir
as mensagens destinadas aos usuários mais distantes.
Em [19], a probabilidade de outage e a capacidade ergódica
agregada foram avaliadas em um sistema NOMA cooperativo,
considerando esquemas de alocação de potência com fatores
fixos e ótimos.
Em [16], a probabilidade de outage e a ordem de diversidade
foram analisadas, para uma sistema NOMA cooperativo com
uma fonte e vários usuários.
V. DESAFIOS DO NOMA
Muitos pesquisadores trabalharam no projeto e
implementação de técnicas NOMA e na solução de
vários problemas tecnológicos associados a esses métodos.
A literatura demonstra que o NOMA é compatı́vel com
comunicações cooperativas, relé e MIMO e melhora
significativamente os ganhos de desempenho. Além das
preocupações de pesquisa na literatura, existem vários
outros desafios e questões em aberto que precisam ser
cuidadosamente abordados. Esta seção tentará fornecer
algumas instruções de pesquisa para pesquisadores
interessados em investigar o NOMA em uma escala
maior.
A. Emparelhamento dinâmico de usuário
A interferência entre canais é forte em sistemas NOMA,
pois vários usuários compartilham o mesmo tempo, frequência
e código de propagação. A partir disto, o resultado é difı́cil que
todos os usuários do sistema executem NOMA em conjunto
[3].
B. Impacto da distorção da transmissão
A transmissão de informações da fonte, como voz e o vı́deo
através dos canais de comunicação é geralmente considerado
com perda. Os dados transmitidos sempre sofrem distorção
enquanto se propagam para o receptor. Para lidar com essa
transmissão com perdas, foi prestada uma atenção teórica
considerável na avaliação da fidelidade da fonte nos canais
desbotados [2].
C. Redes heterogêneas
Uma rede heterogênea (HetNet) é uma rede sem fio com-
posta por nós com diversos poderes de transmissão e tamanhos
de cobertura. A HetNet tem potencial suficiente para redes
sem fio de próxima geração em termos de capacidade e
cobertura com consumo de energia reduzido. A infraestrutura
que apresenta uma implantação de alta densidade de nós de
baixa potência também pode aumentar significativamente o
EE, em comparação com a implantação de baixa densidade
de menos nós de alta potência [18].
VI. CONCLUSÃO
O NOMA é uma tecnologia candidata de acesso múltiplo
para o acesso de rádio da próxima geração. Seu ganho de
diversidade se origina do domı́nio de potência dos sinais a
serem transmitidos de maneira sobreposta. Muitos resultados
de pesquisa foram encontrados a favor do NOMA em termos
de probabilidade de interrupção, capacidade alcançável, garan-
tias de taxa de usuários fracos e experiências de usuário de
ponta. Espera-se que as discussões de várias questões impor-
tantes, como emparelhamento dinâmico de usuários, análise
de distorção, análise de interferência, alocação de recursos,
redes heterogêneas, agregação de portadora e seleção de antena
de transmissão, facilitem e forneçam uma base para futuras
pesquisas sobre o NOMA em 5G.
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