Justiça em Sistemas de Antenas Fluidas para Redes Sem Fio

A ascensão das redes sem fio de sexta geração (6G) aumentou a necessidade de conectar muitos dispositivos, principalmente para aplicações da Internet das Coisas (IoT), incluindo automação industrial e monitoramento ambiental. Sistemas de comunicação tradicionais enfrentam desafios, especialmente quando usam antenas únicas. Para resolver esses problemas, foi desenvolvida uma nova tecnologia chamada sistemas de antenas fluidas (FAS), que pode mudar adaptativamente a posição das antenas para melhorar a comunicação sem precisar de várias antenas fixas.

#Visão Geral dos Sistemas de Antenas Fluidas

As antenas fluidas são sistemas flexíveis que podem mudar sua posição, permitindo encontrar o melhor local para a recepção do sinal. Diferente dos sistemas tradicionais de múltiplas entradas e múltiplas saídas (MIMO), que dependem de muitas antenas fixas, o FAS pode funcionar com apenas uma cadeia de frequência de rádio (RF). Essa flexibilidade ajuda a melhorar a qualidade da comunicação enquanto mantém o consumo de energia e os custos baixo.

Pesquisas mostraram que o FAS pode oferecer vantagens significativas na comunicação sem fio, incluindo melhor qualidade de canal e recepção de sinal otimizada. Esses sistemas têm atraído atenção tanto para aplicações de usuário único quanto de múltiplos usuários. A habilidade de mudar a posição da antena permite uma recepção aprimorada e uma eficiência de comunicação melhorada.

#Justiça em Sistemas de Comunicação

A justiça em sistemas de comunicação se concentra em garantir que todos os usuários recebam uma parte justa dos recursos, como largura de banda e potência de transmissão. Em redes sem fio, os usuários podem experimentar diferentes níveis de serviço devido a vários fatores, incluindo a distância da estação base (BS) e a qualidade da conexão.

Nos sistemas tradicionais de acesso múltiplo não ortogonais (NOMA), múltiplos usuários compartilham o mesmo bloco de recursos, permitindo o uso eficiente da capacidade disponível. No entanto, isso pode levar a cenários onde alguns usuários podem ter um serviço ruim devido à interferência de outros, principalmente se a alocação de potência não for gerida corretamente.

Por outro lado, os sistemas de acesso múltiplo ortogonais (OMA) alocam recursos separados para cada usuário, minimizando a interferência. Embora esse método possa proporcionar acesso justo, limita o número de usuários que podem ser atendidos ao mesmo tempo e pode não ser tão eficiente de forma geral.

Para melhorar a justiça nos sistemas de comunicação, é vital abordar questões relacionadas à Alocação de Recursos. Quando a potência é limitada, aumentar o sinal de um usuário pode vir à custa de outro, levando a maiores chances de interrupção de serviço para aqueles com sinais mais fracos. Assim, é preciso encontrar um equilíbrio tanto para sistemas NOMA quanto OMA para manter um nível de justiça entre os usuários.

#Problema de Pesquisa

Neste estudo, buscamos entender como garantir justiça em sistemas de antenas fluidas que utilizam métodos NOMA e OMA. Nosso foco é minimizar a chance máxima de interrupções de serviço - conhecida como probabilidade de queda - entre os usuários. Ao investigar esses sistemas, nosso objetivo é fornecer melhores estratégias de alocação de recursos que melhorem a justiça e a experiência do usuário.

#Modelo de Rede para Sistemas Assistidos por FAS

No nosso modelo, consideramos um cenário onde uma estação base com uma única antena tradicional se comunica com dois usuários equipados com antenas fluidas únicas. Cada usuário pode trocar suas antenas entre várias posições para encontrar o melhor sinal. Essa habilidade permite que ambos os usuários melhorem sua recepção ao selecionar portas ótimas posicionadas para capturar sinais efetivamente.

A configuração da rede permite que ambos os usuários se adaptem às suas ambientes, levando a resultados de comunicação melhorados enquanto usam recursos de potência limitados. A troca de posições das antenas é assumida como tendo atrasos de tempo negligenciáveis, o que torna o processo eficiente.

#Modelos de Canal e Sinal

Os canais de comunicação da estação base para as antenas fluidas de ambos os usuários são caracterizados por modelos matemáticos. Os sinais enviados pela estação base são projetados para transmitir informações para ambos os usuários simultaneamente. Ao receber os sinais, os usuários os decodificam usando técnicas específicas para separar suas mensagens pretendidas de qualquer interferência.

Para sistemas NOMA, os usuários recebem um sinal combinado onde uma mensagem é enviada em um nível de potência mais alto do que a outra. O usuário mais próximo geralmente recebe um sinal mais forte, enquanto o usuário mais distante recebe um sinal mais fraco. O usuário mais próximo decodifica sua mensagem primeiro, tratando a outra mensagem como interferência antes de passá-la para o usuário mais distante. Esse processo permite que múltiplos usuários se comuniquem de forma eficiente em um canal compartilhado.

#Problema de Otimização de Justiça

Considerando a necessidade de justiça, formulamos um problema de otimização que busca minimizar as máximas probabilidades de queda de ambos os usuários nos sistemas NOMA e OMA. O objetivo é alcançar o melhor desempenho de comunicação possível para ambos os usuários enquanto gerenciamos recursos limitados.

Dois cenários são examinados em nosso problema de otimização: um caso especial onde os usuários têm parâmetros idênticos, e um caso geral onde os parâmetros diferem. Para o caso especial, derivamos uma solução que fornece uma resposta clara e direta. No caso geral, a solução é mais complexa devido à variabilidade nas necessidades dos usuários, necessitando de métodos alternativos como busca por bisseção para chegar a alocações de recursos ideais.

#Sistemas NOMA: Caso Especial

No caso especial do NOMA, podemos provar a existência de uma solução ótima única quando ambos os usuários têm configurações iguais. A análise mostra que, à medida que as condições de um usuário melhoram, as condições do outro usuário também mudam, equilibrando suas probabilidades de queda.

Essa solução única se alinha aos resultados dos sistemas NOMA tradicionais, onde os usuários compartilham as mesmas antenas. O método usado neste cenário pode ser aplicado diretamente a sistemas NOMA típicos, ajudando a validar nossa abordagem.

#Sistemas NOMA: Caso Geral

Para o caso geral mais complexo, enfrentamos desafios porque as propriedades das conexões dos usuários divergem. Nessa situação, usamos um método de busca por bisseção para determinar alocações de recursos ótimas que equilibrem efetivamente as probabilidades de queda de ambos os usuários.

Além disso, introduzimos uma abordagem aproximada para simplificar os cálculos, permitindo que chegássemos a uma solução que poderia ser rapidamente computada sem grandes recursos computacionais.

#Sistemas OMA: Desafios de Justiça

Por outro lado, os sistemas OMA apresentam desafios diferentes. A abordagem de acesso múltiplo por divisão de tempo (TDMA) usada no OMA requer uma consideração cuidadosa de como as alocações de tempo e potência interagem. O acoplamento dessas variáveis cria um problema de otimização não convexo que complica a busca por uma solução ótima.

Para lidar com esse desafio, aplicamos um algoritmo de aproximação convexa sucessiva (SCA), que utiliza aproximações para derivar soluções localmente ótimas. Esse método ajuda a abordar não convexidades enquanto assegura que as soluções permaneçam gerenciáveis e eficientes.

#Resultados Numéricos

Para avaliar a eficácia dos métodos propostos, realizamos uma série de simulações sob vários cenários. Parâmetros principais como distâncias entre usuários e a estação base, níveis de potência e alocações de largura de banda são variados para observar seus efeitos nas probabilidades de queda e no desempenho geral do sistema.

Essas simulações revelam que nossos esquemas de alocação de recursos propostos superam significativamente os sistemas NOMA e OMA tradicionais. As estratégias baseadas em FAS levam a probabilidades de queda mais baixas e a uma melhor justiça entre os usuários, mostrando as vantagens da nossa abordagem.

#Conclusão

Este estudo destaca a importância da justiça em sistemas NOMA e OMA assistidos por antenas fluidas. Ao lidar com os desafios de alocação de recursos e comunicação entre usuários, fornecemos métodos para minimizar a máxima probabilidade de queda para ambos os tipos de sistemas. Nossos achados indicam que, com as técnicas certas, é possível melhorar a experiência do usuário e a qualidade do serviço mesmo com recursos limitados. Os resultados demonstram que os sistemas de antenas fluidas têm um grande potencial para o futuro da comunicação sem fio, principalmente à medida que caminhamos para ambientes mais conectados e inteligentes.