В сторону энергоэффективных систем massive MIMO–NOMA с Σ–Δ АЦП и групповым SIC-детектированием

Почему важно упаковывать в эфир больше сигналов

С каждым годом мы требуем от беспроводных сетей всё больше: подключать больше телефонов, автомобилей и датчиков, обеспечивать более высокие скорости передачи и при этом расходовать меньше энергии. Для удовлетворения этих требований в 5G и 6G нужны не только новые диапазоны, но и более умные способы использования существующего оборудования. В этой работе изучается, как базовая станция может одновременно принимать много пользователей, используя очень большую антенную решётку и предельно простую, энергоэффективную электронику, при этом сохраняя высокую скорость и надёжность соединений.

Много «ушей», слушающих много голосов

Исследование сосредоточено на восходящем канале, где множество пользовательских устройств отправляют данные на одну базовую станцию. Базовая станция оснащена «массивной» антенной решёткой, известной как massive MIMO, и использует метод множественного доступа без ортогональности (NOMA). Вместо выделения каждому пользователю отдельного временного или частотного ресурса, NOMA позволяет нескольким пользователям разделять одни и те же радиоресурсы и различать их по уровню принимаемой мощности и умной обработке сигналов. Такой подход существенно увеличивает объём информации на единицу спектра, но при этом усложняет задачу приёмника, поскольку сигналы разных пользователей взаимно мешают.

Простые преобразователи с хитрым формированием шума

Ключевая проблема в massive MIMO — потребление энергии: каждая антенна требует аналого‑цифрового преобразователя (АЦП), который превращает принятые радиоволны в цифровые отсчёты. Высокоточные АЦП потребляют много энергии и дороги, особенно при сотнях антенн. В работе рассматривают использование крайне низкоразрядных АЦП — всего один или два бита на отсчёт — чтобы сократить энергопотребление и стоимость. Сами по себе такие грубые преобразователи вносят сильные искажения. Чтобы с этим справиться, авторы используют пространственную Σ–Δ архитектуру: ошибка квантования с одной антенны подаётся с контролируемым фазовым сдвигом на следующую. Такая обратная связь перестраивает спектр искажений так, что большая их часть смещается в направления, в которых нет целевых пользователей, сохраняя качество сигнала в интересующих направлениях.

Как разобраться во множестве перекрывающихся сигналов

Даже при применении шумоформирующих низкоразрядных АЦП базовая станция должна разделить множество одновременно передающих пользователей. В работе изучаются несколько типов приёмников: простое линейное объединение, традиционная последовательная отмена помех (SIC), декодирующая пользователей по одному, и более гибкая групповая SIC (GSIC), обрабатывающая небольшие группы пользователей совместно. Внутри каждой группы используется малой сложности метод объединения (максимально‑правдоподобное объединение или зануление), который усиливает желаемые сигналы и подавляет помехи. Авторы разрабатывают аналитическую структуру, использующую декомпозицию Буссганга, чтобы аппроксимировать поведение грубых АЦП как линейной системы с добавочным шумом. Это позволяет вывести закрытые формулы для отношения сигнал/помеха+шума и спектральной эффективности в различных условиях канала, включая среды с сильной прямой видимостью и без неё.

Сколько антенн, сколько мощности?

Имея эти формулы, исследование изучает, как производительность системы масштабируется при ключевых архитектурных решениях: числе антенн у базовой станции, разрешении АЦП, силе компоненты прямой видимости и числе групп пользователей в GSIC. Центральный вывод — закон масштабирования мощности: с ростом числа антенн передающая мощность на пользователя может быть уменьшена примерно обратно пропорционально числу антенн при сохранении той же скорости передачи. Это означает, что увеличение числа антенн повышает устойчивость и позволяет устройствам передавать с гораздо меньшей мощностью. Анализ также показывает, что для очень больших решёток все типы приёмников в целом достигают сходной спектральной эффективности, но для практических умеренных размеров решётки зануление в сочетании с GSIC заметно превосходит более простые методы, оставаясь при этом гораздо менее сложным, чем декодирование каждого пользователя по отдельности.

Баланс эффективности, сложности и надёжности

Поскольку базовые станции должны обеспечивать требования качества обслуживания для множества пользователей, авторы предлагают малой сложности схему распределения мощности, которая подбирает передающие мощности пользователей чуть выше порога, необходимого для достижения целевых скоростей. С использованием инструментов теории случайных матриц они дают приближённые замкнутые формулы для этих мощностей, из которых следует, что приёмники со SIC или GSIC требуют существенно меньшей передающей мощности, чем простые линейные схемы. Обширные симуляции, покрывающие разные условия затухания, плотный мультипуть, пространственную корреляцию и даже сценарии с высокой подвижностью vehicle‑to‑everything, подтверждают аналитические предсказания. Результаты показывают, что применение 2‑битных пространственных Σ–Δ АЦП вместе с GSIC и умеренным числом групп может дать спектральную и энергетическую эффективность, близкую к идеальным системам с полной точностью, но с гораздо меньшим энергопотреблением аппаратуры и управляемой вычислительной сложностью.

Что это значит для будущих беспроводных сетей

Проще говоря, работа демонстрирует, что можно существенно упростить и снизить энергопотребление «ушей» базовой станции massive MIMO без существенной потери в скорости или надёжности. Комбинируя низкоразрядные преобразователи с формированием шума и умной группировкой с отменой помех, система способна обслуживать множество пользователей одновременно, затрачивая меньше энергии и на базовую станцию, и на пользовательские устройства. Это делает подход особенно привлекательным для сетей после 5G и 6G, которые должны подключать плотные скопления устройств, поддерживать требовательные приложения и при этом оставаться энергоэффективными и экономичными в развёртывании.

Цитирование: 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

Ключевые слова: massive MIMO, NOMA, Σ–Δ АЦП, групповая отмена помех, энергоэффективная беспроводная связь