Analisi delle interruzioni di coppia nei sistemi NOMA

Non-orthogonal multiple access (NOMA) è un metodo usato nei sistemi di comunicazione per permettere a più utenti di condividere lo stesso canale di frequenza contemporaneamente. Questo approccio sta diventando sempre più popolare, specialmente per la prossima generazione di reti wireless, come il 5G. Con NOMA, gli utenti possono inviare e ricevere dati allo stesso tempo, rendendo l'uso della larghezza di banda disponibile più efficiente.

In NOMA, la stazione base invia segnali a diversi utenti combinandoli in un modo che consente a ciascun utente di separare il proprio segnale desiderato da quelli degli altri usando una tecnica chiamata cancellazione successiva dell'interferenza (SIC). Questo metodo si basa sul fatto che gli utenti di solito hanno diverse intensità nei segnali ricevuti.

#La Sfida degli Utenti Non Affidabili

In molte situazioni pratiche, alcuni utenti nel sistema potrebbero non essere affidabili. Questo significa che potrebbero comportarsi in modo da disturbare la comunicazione o interferire con la trasmissione del segnale. In questo contesto, gestire come vengono inviati i dati e assicurarsi che ogni utente riceva le informazioni corrette diventa cruciale. Ogni utente in un sistema NOMA di solito ha una velocità di dati minima necessaria per garantire una comunicazione di successo, il che significa che il sistema deve essere progettato per soddisfare queste esigenze gestendo anche utenti non affidabili.

#Analisi della Probabilità di Guasto della Coppia (POP)

La probabilità di guasto della coppia (POP) è una metrica chiave usata per valutare le prestazioni dei sistemi di comunicazione. Misura la probabilità che la velocità di dati di un utente scenda sotto il livello soglia richiesto per una comunicazione affidabile. Comprendere e migliorare la POP nei sistemi NOMA è vitale per garantire che tutti gli utenti ricevano un servizio adeguato, anche in circostanze difficili come interferenze o canali inaffidabili.

#Importanza della Cancellazione dell'interferenza successiva Imperfetta

Sebbene la SIC sia una parte essenziale del NOMA, spesso si presume che venga eseguita perfettamente, il che è raramente il caso nelle situazioni reali. La SIC imperfetta può verificarsi a causa di vari fattori come errori nella decodifica o la complessità del sistema. Quando la SIC non è perfetta, rimane un po' di interferenza quando gli utenti provano a decodificare i loro segnali. Questa interferenza residua può compromettere la qualità della comunicazione.

#Obiettivo dello Studio

L'obiettivo di questo studio è valutare come la SIC imperfetta influisca sulle prestazioni dei sistemi NOMA non affidabili e fornire soluzioni per minimizzare la POP. Derivando espressioni matematiche e analizzando gli effetti di diverse variabili, si mira a migliorare l'affidabilità della comunicazione per gli utenti che non possono essere completamente fidati.

#Panoramica del Modello di Sistema

Nel modello di sistema proposto, c'è una stazione base che comunica con due utenti. Ogni utente ha un canale distinto che è influenzato da vari fattori come la distanza dalla stazione base e le condizioni ambientali. Si presume che ogni utente abbia un'antenna, e i guadagni del canale seguono una distribuzione statistica.

La stazione base combina i segnali per entrambi gli utenti prima di trasmetterli sullo stesso canale. Dall'altra parte, ogni utente cercherà di estrarre il proprio messaggio previsto mentre gestisce i segnali dell'altro utente.

Gli utenti possono applicare la SIC per decodificare le informazioni, ma a causa della SIC imperfetta, rimane un po' di interferenza. Questa interferenza residua può avere un impatto sostanziale sulla qualità della comunicazione, quindi è cruciale analizzare come influisca sulle prestazioni del sistema.

#Possibili Ordini di Decodifica in NOMA Non Affidabile

In un sistema NOMA non affidabile, gli utenti hanno la flessibilità di scegliere l'ordine in cui decodificano i segnali. Ogni utente può decidere se decodificare prima il proprio messaggio o quello dell'altro utente. Le diverse sequenze in cui gli utenti possono decodificare i segnali creano vari possibili ordini di decodifica.

Ad esempio, se l'Utente A e l'Utente B sono nel sistema, l'Utente A può scegliere di decodificare prima il segnale dell'Utente B e poi procedere a decodificare il proprio, o viceversa. La scelta dell'ordine di decodifica può avere un impatto significativo sulle prestazioni del sistema, specialmente considerando fattori come sicurezza e affidabilità.

#Analisi della Qualità del Segnale Raggiungibile

Per valutare l'efficacia della comunicazione, è necessario valutare la qualità dei segnali ricevuti da ciascun utente. Questo viene misurato utilizzando il rapporto segnale-interferenza-più-rumore (SINR), che considera la forza del segnale desiderato rispetto all'interferenza e al rumore che lo influenzano.

Per ogni utente, il SINR può variare significativamente in base all'ordine di decodifica scelto e alla presenza di interferenza residua. Analizzare il SINR aiuta a comprendere quanto bene ciascun utente possa estrarre le proprie informazioni dai segnali combinati.

#Valutazione delle Prestazioni di Guasto della Coppia

L'obiettivo è derivare espressioni analitiche che descrivano la POP per il sistema NOMA non affidabile. Facendo questo, possiamo determinare quanto spesso gli utenti non soddisferanno le loro velocità di dati richieste. La POP può essere influenzata da diversi fattori, tra cui la potenza disponibile, la distanza dalla stazione base e la qualità del canale.

#Minimizzare la Probabilità di Guasto della Coppia

Una volta analizzata la POP, il passo successivo è trovare il modo ottimale di allocare la potenza tra gli utenti per minimizzare questa probabilità. L'idea è distribuire la potenza di trasmissione disponibile in un modo che migliori l'affidabilità della comunicazione per entrambi gli utenti.

L'allocazione della potenza deve essere eseguita in modo ponderato per garantire che l'utente più debole riceva risorse sufficienti per mantenere una buona qualità del servizio, tenendo anche conto delle esigenze dell'utente più forte.

#Risultati Numerici e Validazione delle Prestazioni

Per convalidare l'analisi, vengono eseguite simulazioni numeriche. Vengono effettuate varie simulazioni con diverse distanze degli utenti, livelli di rumore e allocazioni di potenza per vedere quanto bene le previsioni teoriche corrispondano alle prestazioni effettive del sistema.

I risultati mostrano che man mano che gli utenti hanno richieste di velocità di dati più elevate, la POP aumenta. Questo indica che quando gli utenti richiedono più dati di quanto il sistema possa gestire, l'affidabilità della comunicazione diminuisce.

Inoltre, le simulazioni esplorano come l'allocazione della potenza influisca sulle prestazioni. L'allocazione ottimale della potenza mostra costantemente risultati migliori rispetto a strategie di allocazione della potenza uguali o fisse, evidenziando la necessità di un approccio personalizzato basato sulle condizioni degli utenti.

#Conclusione

Lo studio presenta un'analisi completa delle prestazioni di guasto della coppia nei sistemi NOMA che coinvolgono utenti non affidabili con SIC imperfetta. Derivando espressioni matematiche ed esplorando vari parametri, il lavoro evidenzia l'importanza di un'allocazione efficace della potenza per migliorare l'affidabilità della comunicazione.

Gli sforzi futuri mireranno ad ampliare l'analisi per includere più utenti e diversi ordini di decodifica per migliorare ulteriormente la comprensione di come il NOMA possa essere ottimizzato per vari scenari. Questa ricerca aiuterà a sviluppare reti di comunicazione più affidabili in grado di gestire comportamenti e requisiti diversi degli utenti.