W kierunku energooszczędnych systemów massive MIMO-NOMA z przetwornikami sigma–delta ADC i wykrywaniem GSIC

Dlaczego ważne jest umieszczanie większej liczby sygnałów w eterze

Corocznie oczekujemy od naszych sieci bezprzewodowych więcej: podłączenia większej liczby telefonów, samochodów i czujników, dostarczania wyższych szybkości danych przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia energii. Zaspokojenie tych wymagań dla 5G i 6G wymaga nie tylko nowego pasma radiowego, lecz również inteligentniejszego wykorzystania istniejącego sprzętu. Artykuł bada, jak stacja bazowa może nasłuchiwać wielu użytkowników równocześnie, stosując bardzo dużą tablicę anten i niezwykle proste, niskomocowe układy elektroniczne, jednocześnie utrzymując szybkie i niezawodne połączenia.

Wiele uszu słyszących wiele głosów

Badanie koncentruje się na scenariuszu uplinku, w którym wiele urządzeń użytkowników przesyła dane do jednej stacji bazowej. Stacja bazowa jest wyposażona w „masywną” tablicę anten, znaną jako massive MIMO, i używa metody dostępu zwanej NOMA (non-orthogonal multiple access). Zamiast przydzielać każdemu użytkownikowi osobny przedział czasu lub częstotliwości, NOMA pozwala kilku użytkownikom współdzielić te same zasoby radiowe i rozdziela je na podstawie różnic w mocy odbieranej i zaawansowanego przetwarzania sygnału. Podejście to znacząco zwiększa ilość informacji przenoszonej na jednostkę widma, ale jednocześnie utrudnia zadanie odbiornika, ponieważ sygnały od różnych użytkowników wzajemnie na siebie nakładają się i interferują.

Proste konwertery z pomysłowym kształtowaniem szumu

Kluczowym wyzwaniem w massive MIMO jest zużycie energii: każda antena potrzebuje przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC), który zamienia fale radiowe na próbki cyfrowe. Wysokoprecyzyjne ADC są energochłonne i kosztowne, szczególnie gdy anten jest setki. Artykuł bada zastosowanie bardzo niskorozdzielczych ADC — zaledwie jednego lub dwóch bitów na próbkę — aby obniżyć pobór mocy i koszty. Same w sobie takie grubo rozdzielcze przetworniki wprowadzają silne zniekształcenia. Aby temu zaradzić, autorzy stosują przestrzenną architekturę sigma–delta: błąd kwantyzacji z jednej anteny jest przekazywany, z kontrolowanym przesunięciem fazy, do następnej. To sprzężenie zwrotne przekształca charakter zniekształceń tak, że większość jest przesuwana w kierunki, w których nie ma zamierzonych użytkowników, zachowując jakość sygnału w interesujących kierunkach.

Rozumienie wielu nakładających się sygnałów

Nawet przy niskorozdzielczych przetwornikach z kształtowaniem szumu, stacja bazowa musi rozdzielić wielu użytkowników nadających jednocześnie. Artykuł bada kilka typów odbiorników: proste liniowe łączenie, tradycyjne sukcesywne tłumienie interferencji (SIC), które dekoduje użytkowników jeden po drugim, oraz bardziej elastyczne grupowe SIC (GSIC), które przetwarza niewielkie grupy użytkowników razem. W obrębie każdej grupy metoda łączenia o niskiej złożoności (maximum ratio combining lub zero-forcing) wzmacnia pożądane sygnały i tłumi interferencję. Autorzy rozwijają ramy analityczne wykorzystujące narzędzie matematyczne zwane dekompozycją Bussganga, aby przybliżyć zachowanie grubych ADC jako układu liniowego z dodatkowym szumem. Pozwala to wyprowadzić wzory w postaci zamkniętej na stosunek sygnału do interferencji i szumu oraz wydajność spektralną w różnych warunkach kanałowych, w tym w środowiskach z i bez silnej drogi widocznej (line-of-sight).

Ile anten, ile mocy?

Dysponując tymi wzorami, badanie eksploruje, jak wydajność systemu skaluje się wraz z kluczowymi decyzjami projektowymi: liczbą anten w stacji bazowej, rozdzielczością ADC, siłą składowej line-of-sight oraz liczbą grup użytkowników stosowanych w GSIC. Centralnym wnioskiem jest prawo skalowania mocy: wraz ze wzrostem liczby anten, moc nadawcza na użytkownika może być zmniejszana mniej więcej odwrotnie proporcjonalnie do liczby anten przy zachowaniu tej samej przepustowości. Oznacza to, że dodanie kolejnych anten może zarówno zwiększyć odporność, jak i pozwolić urządzeniom nadawać przy znacznie niższej mocy. Analiza pokazuje też, że dla bardzo dużych tablic wszystkie typy odbiorników osiągają zbliżoną wydajność spektralną, ale dla praktycznych, umiarkowanych rozmiarów tablic, zero-forcing GSIC wyraźnie przewyższa prostsze łączenie, przy jednoczesnym unikaniu pełnej złożoności dekodowania każdego użytkownika oddzielnie.

Równoważenie efektywności, złożoności i niezawodności

Ponieważ stacje bazowe muszą spełniać wymagania jakości usług dla wielu użytkowników jednocześnie, autorzy projektują schemat alokacji mocy o niskiej złożoności, który dobiera moce nadawania użytkowników wystarczająco wysokie, by osiągnąć docelowe szybkości. Wykorzystując narzędzia teorii macierzy losowych, dostarczają przybliżone wzory w postaci zamkniętej dla tych mocy, które ujawniają, że odbiorniki używające SIC lub GSIC wymagają znacznie mniejszej mocy nadawczej niż podstawowe schematy liniowe. Obszerne symulacje, obejmujące różne środowiska zaniku, gęste wielodrogowe odbicia, korelacje przestrzenne, a nawet scenariusze wysokiej mobilności vehicle-to-everything, potwierdzają przewidywania analityczne. Wyniki pokazują, że stosowanie 2-bitowych przestrzennych ADC sigma–delta razem z GSIC i umiarkowaną liczbą grup użytkowników może dostarczyć wydajności spektralnej i energetycznej bardzo zbliżonej do systemów z idealną pełną precyzją, przy znacznie niższym zużyciu energii sprzętu i umiarkowanej złożoności przetwarzania.

Co to oznacza dla przyszłych sieci bezprzewodowych

Mówiąc prościej, artykuł pokazuje, że możemy znacząco uprościć i obniżyć pobór mocy „uszu” stacji bazowej massive MIMO bez dużej utraty prędkości czy niezawodności. Łącząc niskorozdzielcze konwertery z kształtowaniem szumu z inteligentnym grupowaniem i tłumieniem interferencji, system może obsługiwać wielu użytkowników jednocześnie, zużywając mniej energii zarówno w stacji bazowej, jak i w urządzeniach użytkowników. Czyni to podejście szczególnie atrakcyjnym dla sieci poza-5G i 6G, które muszą łączyć gęste skupiska urządzeń, wspierać wymagające aplikacje i jednocześnie pozostać energooszczędne oraz przystępne w wdrożeniu.

Cytowanie: Farghaly, S.I., Khafaga, M.M. & Khamis, S. Towards energy-efficient massive MIMO-NOMA systems with sigma–delta ADCs and group SIC detection. Sci Rep 16, 14025 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49425-y

Słowa kluczowe: massive MIMO, NOMA, sigma-delta ADC, grupowe tłumienie interferencji, energooszczędna łączność bezprzewodowa