Avanzando la comunicación uplink con RSMA cooperativo

El rápido crecimiento de la comunicación inalámbrica demanda soluciones para entregar datos de alta velocidad de manera efectiva. Ahora el enfoque está en la sexta generación (6G) de tecnología inalámbrica, que busca ofrecer una comunicación ultra confiable y de alto rendimiento con mínimos retrasos. Esta nueva generación enfrenta desafíos por el aumento en el número de dispositivos, como smartphones y tablets, que congestionan el espectro inalámbrico. Para hacer frente a estos desafíos, se están desarrollando tecnologías innovadoras de acceso múltiple (MA).

Una de las estrategias prometedoras se llama acceso múltiple por división de tasas (RSMA). RSMA ayuda a gestionar la interferencia en la comunicación tratando algunas señales como ruido y decodificando otras. La estación base divide las señales en partes comunes y privadas para una mejor transmisión. Sin embargo, RSMA puede enfrentar limitaciones, especialmente cuando la señal del usuario más débil restringe el rendimiento general. Para superar esto, los investigadores han combinado RSMA con Comunicación Cooperativa, lo que lleva a lo que se conoce como RSMA cooperativo (C-RSMA). C-RSMA permite que los usuarios con conexiones fuertes ayuden a aquellos con conexiones más débiles, mejorando la calidad de la señal y el rendimiento general.

Mientras que la mayoría de los estudios se han centrado en escenarios de bajada, donde la estación base envía señales a los usuarios, el escenario de subida, donde los usuarios envían señales a la estación base, sigue siendo menos explorado. Este artículo examina C-RSMA en un entorno de múltiples usuarios en subida, enfocándose en emparejar usuarios y asignar recursos de manera efectiva.

#Antecedentes

#La necesidad de comunicación inalámbrica avanzada

A medida que avanzamos hacia el 6G, hay una necesidad urgente de cumplir con requisitos específicos, tales como:

• Alta confiabilidad y rendimiento
• Necesidades diversas de Calidad de Servicio (QoS)
• Baja latencia
• Alta conectividad

Estos requisitos son cruciales para aplicaciones como la comunicación ultra confiable de baja latencia (eURLLC) y la banda ancha móvil mejorada (eMBB). El aumento en el número de dispositivos que utilizan la red inalámbrica complica estas demandas, lo que impulsa aún más la necesidad de mejorar las tecnologías de MA.

#Acceso Múltiple por División de Tasas

RSMA ha ganado popularidad como un mecanismo de MA no ortogonal que gestiona efectivamente la interferencia. Permite que las señales sean parcialmente decodificadas mientras trata la interferencia restante como ruido. Al dividir las señales de los usuarios en partes comunes y privadas, RSMA mejora la eficiencia de la comunicación. La estación base decodifica el flujo común usando cancelación sucesiva de interferencia (SIC) mientras trata los flujos privados como interferencia. Esta flexibilidad permite que RSMA supere a métodos tradicionales como el acceso múltiple por división de espacio (SDMA) y el acceso múltiple no ortogonal (NOMA) en términos de rendimiento y eficiencia energética.

A pesar de sus ventajas, RSMA puede tener problemas de rendimiento, especialmente cuando se requiere que todos los usuarios decodifiquen el flujo común. Por lo tanto, fusionar la comunicación cooperativa en RSMA lleva a C-RSMA, donde los usuarios en el centro de la celda (CCUs) con conexiones fuertes ayudan a los usuarios en el borde de la celda (CEUs) con conexiones más débiles.

#Conceptos Clave

#RSMA en subida y C-RSMA

A diferencia de los escenarios de bajada, que implican transmitir datos de la estación base a los usuarios, RSMA en subida permite que múltiples usuarios envíen sus señales a la estación base simultáneamente. Los usuarios pueden dividir sus mensajes en diferentes partes, permitiendo más flexibilidad en comparación con NOMA, que decodifica mensajes completos secuencialmente.

C-RSMA lleva esto un paso más allá. Involucra emparejar CCUs con CEUs para optimizar las señales enviadas a la estación base, minimizando la interferencia. Este emparejamiento debería maximizar la tasa de suma total, que mide cuánta información el sistema puede transmitir simultáneamente.

#Emparejamiento de usuarios y Asignación de Recursos

Al establecer un enlace RSMA en subida, el emparejamiento de usuarios efectivo y la asignación de recursos son esenciales. El objetivo es emparejar un CCU con un CEU basado en sus condiciones de canal para mejorar el rendimiento mientras se gestiona la interferencia entre los pares. Después del emparejamiento, se deben optimizar las asignaciones de potencia y de intervalos de tiempo para garantizar que se cumplan las demandas de las tasas de datos de cada usuario.

#Declaración del Problema

Está claro que se necesita una solución robusta para maximizar la tasa total durante el C-RSMA en subida. Los siguientes objetivos deben ser abordados:

1. Emparejamiento de Usuarios: Emparejar eficientemente CCUs con CEUs para minimizar la interferencia y maximizar el rendimiento.
2. Asignación de Recursos: Optimizar el uso de energía y los intervalos de tiempo para la comunicación, asegurando que todos los usuarios cumplan con sus requisitos de QoS.

Debido a las complejidades del problema, se debe seguir un enfoque paso a paso para desglosar el objetivo general en partes manejables.

#Solución Propuesta

#Marco de Optimización

Para abordar el problema de manera efectiva, la solución propuesta divide el desafío en dos partes principales:

1. Emparejamiento de Usuarios: Desarrollar un método de selección de usuarios semiortogonales para identificar los mejores emparejamientos de CCU-CEU.
2. Asignación de Recursos: Asignar potencia y intervalos de tiempo para cada par utilizando un algoritmo de baja complejidad que minimice la interferencia.

#Estrategia de Emparejamiento de Usuarios

La estrategia de emparejamiento de usuarios consta de dos fases:

1. Seleccionando CCUs: Usar un algoritmo de Selección de Usuarios Semi-Ortogonales (SUS) para elegir CCUs. Este algoritmo asegura que los CCUs seleccionados sean semiortogonales para minimizar la interferencia entre ellos.
2. Seleccionando CEUs: Después de identificar los CCUs, usar un enfoque de juego de emparejamiento (MG) para seleccionar CEUs basado en las condiciones del canal. La función de utilidad para este emparejamiento mide el potencial de rendimiento entre CCUs y CEUs.

#Estrategia de Asignación de Recursos

Una vez que se determinan los pares, el siguiente paso es asignar recursos de manera efectiva:

• Asignar potencia de transmisión para CCUs y CEUs según su emparejamiento.
• Determinar los intervalos de tiempo para las fases de comunicación: la fase de transmisión directa (DT) y la fase de transmisión cooperativa (CT).

Durante la fase DT, los CEUs transmiten sus señales, que la estación base y los CCUs reciben. En la fase CT subsecuente, los CCUs retransmiten las señales decodificadas de los CEUs a la estación base, combinando sus señales en el proceso.

#Configuración de Simulación

Para evaluar la solución propuesta, se deben llevar a cabo simulaciones extensas. El entorno de simulación incluye:

• Modelo de Red: Un sistema C-RSMA de una sola celda con la estación base y múltiples usuarios.
• Condiciones del Canal: Considerar varios factores de escalado para la pérdida de ruta y la desvanecimiento.
• Métricas de Rendimiento: Medir el rendimiento de la tasa total bajo diferentes estrategias de emparejamiento de usuarios y asignación de recursos.

#Resultados y Discusiones

#Análisis de Convergencia

Las simulaciones indican que el algoritmo C-RSMA propuesto converge de manera eficiente dentro de unas pocas iteraciones. La tasa total aumenta constantemente a medida que avanzan las iteraciones, mostrando la efectividad de las estrategias de emparejamiento y asignación de recursos propuestas.

#Impacto de la División de Mensajes

Los experimentos revelan que dividir mensajes puede mejorar significativamente el rendimiento. Sin embargo, los resultados también indican que el rendimiento óptimo se logra cuando solo un mensaje de usuario en cada par se divide, mientras que el otro mensaje permanece intacto. Este enfoque permite a los usuarios aprovechar los beneficios de la decodificación flexible.

#Órdenes de Decodificación

El orden de decodificación de los mensajes de usuario impacta el rendimiento. Se probaron varias estrategias de decodificación y algunas configuraciones funcionaron mejor que otras. El orden de decodificación óptimo para asegurar altas tasas totales resultó ser aquel que aprovechaba al máximo la gestión de interferencia sin comprometer la claridad de la señal para cada usuario.

#Variaciones en los Presupuestos de Potencia

Las simulaciones también analizaron el impacto de las variaciones en los presupuestos de potencia para CCUs y CEUs. Aumentar los presupuestos de potencia llevó a tasas totales mejoradas, con estrategias cooperativas superando consistentemente a los esquemas no cooperativos. Esto enfatiza la importancia de una adecuada asignación de potencia para una comunicación efectiva sin importar la posición del usuario.

#Efectos del Umbral de Tasa

A medida que aumenta el umbral de tasa para los CEUs, la tasa total general tiende a caer cuando la potencia es insuficiente. Los esquemas cooperativos mantuvieron consistentemente un mejor rendimiento incluso con umbrales en aumento, destacando su resistencia en condiciones difíciles.

#Conclusión

Este artículo presenta un estudio integral sobre cómo maximizar la tasa total en configuraciones de C-RSMA en subida, enfocándose en las estrategias de emparejamiento de usuarios y asignación de recursos. Al aprovechar los principios de comunicación cooperativa, demostramos que un emparejamiento efectivo de usuarios puede llevar a mejoras significativas en el rendimiento, particularmente en escenarios donde los usuarios experimentan condiciones de canal variables. La solución propuesta muestra promesas para futuros sistemas de comunicación inalámbrica a medida que avanzamos hacia los estándares 6G.

Los hallazgos enfatizan la importancia de enfoques personalizados para el emparejamiento de usuarios y la asignación de recursos, ofreciendo valiosas ideas para desarrollar estrategias de comunicación más eficientes y resilientes en entornos inalámbricos cada vez más congestionados. Se anima a realizar más investigaciones para perfeccionar estas estrategias y explorar sus implicaciones en aplicaciones del mundo real, asegurando que los futuros sistemas de comunicación cumplan con las crecientes demandas de manera eficiente y efectiva.