Mot energieffektiva massiv MIMO-NOMA-system med sigma–delta-ADKonvertorer och gruppbaserad SIC-detektion

Varför det spelar roll att packa fler signaler i luften

Varje år kräver vi mer av våra trådlösa nätverk: ansluta fler telefoner, fordon och sensorer, leverera högre datahastigheter och samtidigt använda mindre energi. För att möta dessa krav för 5G och 6G behövs inte bara ny radiospektrum utan också smartare sätt att använda befintlig hårdvara. Denna artikel undersöker hur en mobilbasstation kan lyssna på många användare samtidigt med en mycket stor antennvägg och extremt enkel, lågströms elektronik, samtidigt som anslutningarna förblir snabba och tillförlitliga.

Många öron som lyssnar på många röster

Studien fokuserar på en uplink-situation, där många användarenheter skickar data till en enda basstation. Basstationen är utrustad med en ”massiv” antennarray, känd som massiv MIMO, och använder en signalschemaläggning som kallas icke-ortonormalt flervalsåtkomst (NOMA). Istället för att ge varje användare sin egen tids- eller frekvensbit, låter NOMA flera användare dela samma radioresurser och skiljer dem åt genom skillnader i mottagen effekt och smart signalbehandling. Detta tillvägagångssätt ökar kraftigt hur mycket information som kan bäras per spektrumenhet, men gör också mottagarens uppgift mycket svårare eftersom signaler från olika användare stör varandra.

Enkla omvandlare med smart brusformning

En nyckelutmaning i massiv MIMO är energiförbrukning: varje antenn behöver en analog-till-digital-omvandlare (ADC) som omvandlar inkommande radiovågor till digitala prover. Högupplösta ADC:er drar mycket ström och är dyra, särskilt när det finns hundratals antenner. Artikeln undersöker användningen av extremt lågupplösta ADC:er — endast en eller två bitar per prov — för att minska effektförbrukning och kostnad. I sig introducerar sådana grovkorniga omvandlare stark distorsion. För att övervinna detta använder författarna en spatial sigma–delta-arkitektur: kvantiseringsfelet från en antenn matas, med en kontrollerad faseskiftning, in i nästa. Denna återkoppling omformar distorsionen så att det mesta av den drivs in i riktningar där inga avsedda användare befinner sig, vilket bevarar signalens kvalitet i de intressanta riktningarna.

Att göra mening av många överlappande signaler

Även med brusformade lågupplösta omvandlare måste basstationen separera många användare som sänder samtidigt. Artikeln studerar flera typer av mottagare: enkel linjär kombination, traditionell successiv interferensavläsning (SIC) som avkodar användare en efter en, och en mer flexibel grupp-SIC (GSIC) som bearbetar små grupper av användare tillsammans. Inom varje grupp förbättrar en lågkomplex kombinationsmetod (maximum ratio combining eller zero-forcing) önskade signaler och dämpar interferens. Författarna utvecklar ett analytiskt ramverk som använder ett matematiskt verktyg kallat Bussgang-dekomposition för att approximera beteendet hos de grova ADC:erna som ett linjärt system med extra brus. Detta gör det möjligt att härleda slutna formler för signal-till-interferens-plus-brus-förhållande och spektral effektivitet under olika trådlösa kanalförhållanden, inklusive miljöer med och utan en stark siktlinje.

Hur många antenner, hur mycket effekt?

Med dessa formler i hand utforskar studien hur systemprestanda skalar med viktiga designval: antalet antenner vid basstationen, ADC-upplösningen, styrkan i siktlinjekomponenten och antalet användargrupper i GSIC. Ett centralt resultat är en effekt-skalningslag: när antalet antenner ökar kan sändningseffekten per användare minskas ungefär i proportion till inversen av antennantalet, utan att datahastigheten påverkas. Det innebär att fler antenner både kan öka robustheten och låta enheter sända med mycket lägre effekt. Analysen visar också att för mycket stora arrayer tenderar alla mottagartyper att nå liknande spektral effektivitet, men för praktiska, måttliga arraystorlekar presterar zero-forcing GSIC klart bättre än enklare kombineringsmetoder samtidigt som den undviker den fulla komplexiteten i att avkoda varje användare separat.

Att balansera effektivitet, komplexitet och tillförlitlighet

Eftersom basstationer måste uppfylla krav på tjänstekvalitet för många användare samtidigt, utformar författarna ett lågkomplext effektallokeringsschema som väljer användares sände-effekter precis tillräckligt höga för att nå måldatahastigheter. Med verktyg från slumpmatristeori ger de approximativa slutna formler för dessa effekter, vilket avslöjar att mottagare som använder SIC eller GSIC behöver avsevärt mindre sände-effekt än grundläggande linjära scheman. Omfattande simuleringar, som täcker olika fading-miljöer, tät multipath, rumslig korrelation och till och med högmobila vehicle-to-everything-scenarier, bekräftar de analytiska förutsägelserna. Resultaten visar att användning av 2-bitars spatiala sigma–delta-ADCs, tillsammans med GSIC och ett måttligt antal användargrupper, kan leverera spektral och energieffektivitet mycket nära idealiska högupplösta system, men med mycket lägre hårdvarueffektförbrukning och hanterbar bearbetningskomplexitet.

Vad detta betyder för framtida trådlösa nätverk

Förenklat visar artikeln att vi dramatiskt kan förenkla och strömspara ”öronen” i en massiv MIMO-basstation utan att offra särskilt mycket i hastighet eller tillförlitlighet. Genom att kombinera lågupplösta, brusformande omvandlare med smart gruppering och interferensavkänning kan systemet betjäna många användare samtidigt och använda mindre effekt både i basstationen och i användarenheterna. Detta gör tillvägagångssättet särskilt attraktivt för nätverk bortom 5G och för 6G som måste koppla upp täta enhetsmängder, stödja krävande applikationer och ändå förbli energieffektiva och kostnadseffektiva att driftsätta.

Citering: 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

Nyckelord: massiv MIMO, NOMA, sigma-delta ADC, gruppinterferensavkänning, energieffektiv trådlös