فناوری‌هایی برای بهبود عملکرد رابط رادیویی در 5G و فرا5G

توسعه سیستم‌های IMT برای سال 2030 و پس از آن نیازمند بازنگری تکامل بخش هایی از رابط رادیویی در این سیستم‌ها می‌باشد. نقش ماژولار بودن و مکمل بودن راه‌حل‌های فناوری جدید به‌طور فزاینده‌ای در توسعه سیستم‌های پیچیده‌تر اهمیت پیدا می‌کند. استفاده از فناوری های جدید در لینک رادیویی، موجب می‌شود که نقش IMT-2030 و فراتر از آن، به‌عنوان یک سیستم همه‌منظوره فراگیر در نظر گرفت، به‌جای اینکه صرفاً یک فناوری توانمندساز باشد که منجر به وابستگی‌های فنی پیچیده می‌شود. در این مقاله، خلاصه‌ای از سیستم‌های کاربردی نوظهور برای لینک رادیویی بررسی می‌گردد.

کلیدواژه‌ها: افزایش نرخ داده در RAN ،IMT-2030 ،ITU ،6G ،5G

مقدمه

نقش IMT تا سال 2030 و بعد از آن این است که بسیاری از دستگاه‌ها، فرآیندها و انسان‌ها را به صورت شناختی به یک شبکه اطلاعات جهانی متصل کند و درنتیجه فرصت‌های جدیدی را به‌وجود می‌آورد. با توجه به چرخه‌های مختلف توسعه آن، روند به سمت نرخ داده بالاتر تا سال 2030 ادامه خواهد داشت، جایی که اوج نرخ داده ممکن است به نرخ‌های ترابیت در ثانیه در داخل خانه نزدیک ‌شود، که به پهنای باند در دسترس زیادی نیاز دارد که منجر به ارتباطات (زیر) تراهرتز می‌شود. در خدمات، روندها و فرصت‌های جدید بالقوه، سه سناریوی استفاده شرح داده شده در IMT-2020  عبارت‌اند از eMBB ،mMTC و URLLC همچنان مرتبط باقی خواهند ماند.

 درنتیجه، فناوری‌های جدیدی می‌بایست به افزایش بهروری بیشتر شبکه RAN کمک کند که برخی از آن‌ها عبارت‌اند از:

  طرح‌های مدولاسیون پیشرفته

  طرح‌های کدگذاری پیشرفته

  شکل موج‌های پیشرفته

  دسترسی چندگانه

  فناوری‌های پیشرفته آنتن دهی

  E-MIMO^[1] با نوع جدیدی از آرایه‌های آنتن

  E-MIMO با مکانیزم توزیع شده

  سطح هوشمند قابل تنظیم مجدد  (RIS)^[2]

شکل 1: تفاوت الزامات کارکردی نسل‌های مختلف از 4G تا 6G

  فناوری‌های جدید

طرح‌های مدولاسیون پیشرفته

مدولاسیون یکی از جنبه‌هایی است که می‌توان در IMT تا سال 2030 و بعد از آن تجدید نظر کرد. صورت فلکی مدولاسیون دامنه مربعی مرتبه بالا QAM  برای بهبود بازده طیفی در موقعیت‌های سیگنال به نویز بالا استفاده شده است. با این حال، به دلیل غیر خطی بودن سخت افزار، مزایای به دست آمده در صورت فلکی QAM مرتبه بالاتر به‌تدریج کاهش می‌یابد. انتظار می‌رود قابلیت ارتباط با سرعت داده بالا یک IMT تا سال 2030 و پس از آن انتقال لینک حداقل 10-100 برابر IMT-2020 برای دستیابی به هدف 1 ترابیت بر ثانیه بهبود یابد. پیاده‌سازی‌های رادیویی معمولاً در محدوده 10٪ پهنای باند نسبی (BW) محدود هستند و بنابراین این بدان معنی است که حتی در ناحیه mmWave بالایی (100-300 گیگاهرتز)، یک فرستنده گیرنده RF تنها می تواند پهنای باند 20-30 گیگاهرتز را پشتیبانی کند، مشروط به خطی بودن اجزای رادیویی، 1 ترابیت بر ثانیه از داده‌های رمزگذاری نشده به 1 تراهرتز پهنای باند با مدولاسیون باینری نیاز دارد. مدولاسیون‌های مرتبه بالاتر با بازده طیفی بهتر، BW در محدوده 170 گیگاهرتز برای 64 QAM کاهش می‌یابد. با توجه به اینکه بالاترین باندهای RF مورد بررسی برای استفاده IMT-2020 در محدوده 100 گیگاهرتز هستند، این هنوز بسیار چالش برانگیز به نظر می‌رسد، و حتی باندهای mmWave پایین تر که از حدود 24 گیگاهرتز شروع می‌شوند، به تازگی به صورت تجاری افزایش می‌یابند. پیشنهاد شد که پهنای باند مورد نیاز برای ارتباطات 1 ترابیت بر ثانیه باید حداقل به شش و ترجیحاً تعداد بیشتری از کانال‌های متعامد موازی و بدون تداخل متقابل تقسیم شود. به عنوان مثال، روش‌های مدولاسیون جدید، طرح‌های مبتنی بر شکل‌دهی سیگنال، در سیستم‌های دیگر به کار گرفته شده‌اند و ثابت شده‌اند که در ارتباطات فیبر نوری یا سیستم پخش موثر هستند. تحقیقات گسترده‌ای برای طرح‌های مدولاسیون نسبت توان کم پیک به متوسط با عملکرد خوب برای فعال کردن اینترنت اشیا با دستگاه‌های کم‌هزینه، پوشش لبه در ارتباطات THz، برنامه‌های صنعتی-IoT با قابلیت اطمینان بالا و غیره مورد نیاز است. اگرچه گیرنده می‌تواند بیشترین جبران را بکند، نویز فاز باقیمانده همچنان بر عملکرد تاثیر می‌گذارد. بنابراین، یک طرح مدولاسیون جدید با قابلیت سرکوب فاز خوب نویز، یکی دیگر از جهت‌گیری‌های تکنولوژیکی حیاتی در باند THz است.

طرح‌های کدگذاری پیشرفته

علاوه بر مدولاسیون جدید، کدهای جدید نیز باید طراحی شوند. برنامه‌های در حال ظهور به طرح‌های کدگذاری کانال جدید نیاز دارند تا دو الزام را برطرف کنند: عملکرد فوق‌العاده و موارد استفاده متنوع. عملکرد فوق‌العاده شامل سرعت داده سریعتر، قابلیت اطمینان بیشتر، پیچیدگی کمتر و مصرف انرژی کمتر است. به عنوان مثال، AR/VR با وفاداری بالا به سرعت داده بالاتری نسبت به کدهای کانال IMT-2020 نیاز دارد. رانندگی خودکار نیاز به تأخیر و قابلیت اطمینان سرتاسری دارد و درخواست طراحی کد کوتاه نزدیک به محدوده عملکردی با طول محدود است. تقاضاهای متنوع‌تر عمدتاً از شبکه‌های ناهمگن همگرا و ارتباطات نوع ماشینی ناشی می‌شود. این الزامات، یعنی توان عملیاتی (پیک/ نرخ داده تضمینی)، بازده انرژی و هزینه، عمر باتری، تاخیر رابط هوا، قابلیت اطمینان و پوشش و غیره در مجموعه‌ای از KPI-tuples خلاصه می‌شوند که طرح‌های کدگذاری کانال آینده باید با آن‌ها مقابله کنند. توان عملیاتی یک رمزگشا در یک دستگاه آینده به صدها Gbit/s خواهد رسید. لینک‌های زیرساخت حتی بیشتر از این درخواست می‌کنند، زیرا توان عملیاتی کاربر را در یک سلول یا سلول مجازی جمع‌آوری می‌کنند، که انتظار می‌رود به‌دلیل چندگانه‌سازی فضایی افزایش یابد. با این حال، تنها با تکیه بر پیشرفت فناوری تولید مدار مجتمع ظرف ده سال، دستیابی به چنین توان عملیاتی بالایی دشوار خواهد بود. راه‌حل‌ها را باید در سمت الگوریتم نیز یافت.

برای توسعه بیشتر فناوری‌های IMT، طرح‌های کدگذاری پیشرفته، از جمله نسخه‌های پیشرفته کدگذاری قطبی، بررسی برابری با چگالی کم (LDPC  )و سایر فناوری‌های کدگذاری نیاز به بررسی دارند. با توجه به تقاضاهای متنوع، کدهای پیشرفته باید عملکرد برتر را در طیف وسیعی از طول‌ها و نرخ‌های کد نشان دهند، از انتخاب‌های انعطاف‌پذیر رمزگشاها پشتیبانی کنند و ترجیحاً در یک چارچوب واحد متحد شوند. برای دستیابی به توان عملیاتی بالاتر از سیستم‌های IMT قدیمی، هم طراحی کد و هم الگوریتم‌های کدگذاری/رمزگشایی مربوطه باید در نظر گرفته شوند تا پیچیدگی رمزگشایی کاهش یابد و موازی‌سازی رمزگشایی بهبود یابد. علاوه بر این، برای یک رمزگشای کدگذاری کانال، حفظ سطح مصرف انرژی معقول حیاتی است. با توجه به افزایش چشمگیر نیاز توان عملیاتی، مصرف انرژی در هر بیت باید حداقل 1 تا 2 مرتبه بزرگی کاهش یابد. طرح‌های سناریو‌‌محور کاربردی باید در نظر گرفته شوند. به عنوان مثال، برای سناریوی ترکیبی eMBB+URLLC، طراحی کد تصحیح خطای پیشرو (FEC) باید “نرخ کد بالاتر (برای سرعت داده بالاتر) + توانایی تصحیح خطا قوی تر (برای قابلیت اطمینان بیشتر) + خطای کمتر را در نظر بگیرد. طبقه (برای تأخیر کمتر به دلیل کاهش تعداد ارسال مجدد درخواست تکرار خودکار ترکیبی (HARQ). در آینده، طرح‌های کدگذاری کانال سناریویی با قابلیت اطمینان بالا باید «طبقه خطا» کمتر و عملکرد «آبشار» بهتری نسبت به IMT-2020 ارائه کنند. کدهای کوتاه و متوسط ​​با عملکرد عالی باید در نظر گرفته شوند.

علاوه بر این، استراتژی‌های کدگذاری جدید باید هم تصحیح خطای رو به جلو و هم مکانیسم‌های جدید انتقال مجدد/بازخورد تکراری را در بر گیرند. این مورد به‌ویژه برای برنامه‌هایی که به بسته‌های کوتاه نیاز دارند، مانند سیستم‌های اینترنت اشیا، صادق است. کدهای LDPC و کدهای قطبی که طول بلوک کوتاهی دارند برای سیستم‌های IMT-2020 برای استفاده در ترافیک و کنترل کانال‌های UL/DL استفاده شده‌اند. از یک طرف، کدهایی با طول بلوک کوتاه کمتر قابل اعتماد هستند، به طوری که نمی‌توان به راحتی انتقال بدون خطا را تضمین کرد. افزایش احتمال خطا ممکن است نیاز به ارسال مجدد درخواست تکرار خودکار ARQ را افزایش دهد، که ممکن است برای برنامه‌های حساس به زمان که نیاز به تأخیر بسیار کم دارند مناسب نباشد. از سوی دیگر، کدهایی با طول بلوک های طولانی تر نیز حاکی از افزایش تاخیر هستند. برای این منظور، تعامل بین حداقل طول بلوک مورد نیاز و استحکام در برابر خطاهای انتقال باید بهینه شود. علاوه بر این، برنامه‌های کاربردی کم انرژی اغلب برای ARQ مناسب نیستند، زیرا این امر مستلزم رها کردن دستگاه در حالت غیر خواب برای مدت‌زمان طولانی است که منجر به افزایش مصرف انرژی می‌شود.

شکل موج‌های پیشرفته

در طول دهه گذشته، ^[3]OFDM تا حد زیادی به غالب ترین قالب مدولاسیون تبدیل شده است. در DL برای IMT-Advanced و IMT-2020 در حال استفاده است. برای برخی از برنامه‌های آینده، OFDM ممکن است همچنان به دلیل سازگاری باقی بماند. با این حال، برخی از اثرات OFDM مانند حساسیت به پراکندگی فرکانس، و PAPR^[4] بالا، ممکن است در فرکانس‌های mmWave و THz حیاتی‌تر شوند. علاوه بر این، سیستم IMT آینده با سناریوهای ارتباطی پیچیده بی‌سابقه‌ای روبرو خواهد شد، که در آن طراحی شکل موج بهبود یافته ممکن است در سناریوهای خاص برای تضمین عملکرد مطلوب مفید باشد. به عنوان مثال، در سناریوهایی با تحرک بالا یا باندهای فرکانس بالا که دیگر به صورت متعامد بین زیر حامل ها حفظ نمی‌شود. همچنین، در سناریوهایی که به PAPR کم نیاز است، مانند دستگاه‌های کم‌هزینه یا برای کاهش ضربه به تقویت‌کننده قدرت در باند فرکانس بسیار بالا، طراحی شکل موج جدید نیز باید بررسی شود. DFTs OFDM گونه‌ای از OFDM است که PAPR پایینی را ارائه می‌کند و قبلاً در سیستم‌های IMT استفاده می‌شده و بنابراین باید به‌عنوان پایه برای شکل‌های موج PAPR پایین در سیستم‌های IMT آینده نیز در نظر گرفته شود.

روش‌های مدولاسیون را می‌توان در دسته‌های متعامد، دو متعامد و غیر متعامد طبقه‌بندی کرد. علاوه بر مالتی پلکس تقسیم فرکانس متعامد کلاسیک OFDM، سایر تکنیک‌های متعامد شامل پسوند تهی OFDM، چند صدایی فیلتر شده FMT، چندحامل فیلتر شده جهانی UFMC، شبکه OFDM، بانک فیلتر OFDM و چند صدایی پلکانیFBMC  است. در میان روش‌های دو متعامد، پیشوند چرخه‌ای OFDM ،OFDM پنجره‌دار و مالتی پلکسی تقسیم فرکانس دو متعامدFDM  وجود دارد. برای طرح‌های غیر متعامد که نیاز به حذف تداخل بین نمادها از طریق گیرنده‌های پیچیده‌تر دارند، عبارت‌اند از FDM  تعمیم‌یافته GFDM و سیگنال‌دهی سریع‌تر از نرخ  نایکوئیست. از نظر تاریخی، جابجایی فرکانس داپلر (یا اثرات دوگانه متغیر زمان آن) مدت‌هاست که به عنوان نوعی درجه آزادی برای ایجاد تنوع بیشتر در نظر گرفته می‌شود. طراحی شکل موج دامنه تبدیل شده، یعنی فضای فرکانس زمانی متعامد OTFS  یک رویکرد موثر برای برداشت تنوع دامنه داپلر است، زمانی که شکل موج می تواند به اندازه کافی در زمان گسترش یابد تا وضوح داپلر به اندازه کافی کم شود. علاوه بر این، برای سناریوهای با سرعت بالا، OFDM با طراحی سیگنال‌های مرجع پیشرفته نیز قابلیت ردیابی کانال متغیر زمان را به دلیل اثر داپلر دارد. بنابراین، بهبود بیشتر بر اساس شکل موج OFDM نیز می تواند در آینده بررسی شود.

روش‌های دسترسی چندگانه

فناوری دسترسی چندگانه، فناوری کلیدی است که تعداد زیادی از کاربران را قادر می سازد تا منابع رادیویی کلی را به اشتراک بگذارند که سنگ بنای تکامل استانداردهای بی‌سیم بوده است. می تواند ظرفیت سیستم را افزایش دهد و به کاربران مختلف امکان دسترسی به سیستم را به طور همزمان بدهد. به طور کلی، از طریق اشتراک منابع، دسترسی های چندگانه را می توان به عنوان دسترسی چندگانه متعامد OMA  و دسترسی چندگانه غیر متعامد (NOMA)^[5] طبقه‌بندی کرد. دسترسی چندگانه متعامد طولانی‌ترین طرح دسترسی چندگانه از سیستم ارتباطات سلولی قبلی تا IMT-2020 بوده است. به عنوان یک شکل پیشرفته از FDMA، طرح دسترسی چندگانه تقسیم فرکانس متعامد OFDMA، در هر دو سیستم IMT-Advanced و IMT-2020 استفاده شده است. از سوی دیگر، NOMA  همچنین به چندین دستگاه اجازه می‌دهد تا منابع فیزیکی و زمان و فرکانس یکسانی را به اشتراک بگذارند، در نتیجه تعداد زیادی از دستگاه‌های انتقال پراکنده را به طور موثر به هم متصل می‌کنند. با این حال، موفقیت این رویکرد در درجه اول به شناسایی کاربر و رمزگشایی داده ها در منابع مشترک بستگی دارد.

الزامات شبکه‌های آینده بسیار چالش برانگیز است و KPIها به‌طور قابل توجهی از برنامه‌ای به برنامه دیگر متفاوت هستند. تکنیک‌های دسترسی چندگانه نیاز به تفکر مجدد در IMT نسبت به سال 2030 و فراتر از آن دارند، به‌ویژه به‌دلیل ادغام اتصالات عظیم و برنامه‌های کاربردی بسیار کم‌انرژی. سیستم‌های کنونی از روش‌های دسترسی رقابتی و/یا روش‌های دسترسی بدون مناقشه مانند دسترسی چندگانه تقسیم زمان-فرکانس متعامد برای سیستم‌های سلولی استفاده می‌کنند. با این حال، این طرح‌های دسترسی چندگانه برای سناریوهایی که هزاران دستگاه یا بیشتر قصد دسترسی به یک BS را دارند، اما با چرخه کاری کم، به خوبی عمل نمی‌کنند. بنابراین، دسترسی چندگانه جدید باید بسیار پویا و کاربردی باشد، به عنوان مثال، ساختارهای جدیدی که امکان عملکرد بهتر و احتمالاً کاهش بیشتر تأخیر را فراهم می‌کند. انواع مختلفی از تکنیک‌های دسترسی چندگانه باید در زیر یک چتر همه‌جا استفاده شود. چندین نامزد امیدوارکننده برای آن وجود دارد.

دسترسی چندگانه از طریق Massive-MIMO می‌تواند دارای پتانسیل قوی باشد. این می‌تواند یک پرتو مستقیم برای هر دستگاه فراهم کند تا امکان مالتی پلکس شدن با تداخل بین پرتو بسیار کم را فراهم کند. با وجود معایب مرتبط مانند هزینه (به عنوان مثال، زنجیره‌هایRF  و پیچیدگی، پیشرفت اخیر در MIMO عظیم (به عنوان مثال، آرایه آنتن هولوگرافی یا لنز) از نظر تئوری ثابت می‌کند که می‌توان بر این چالش‌ها غلبه کرد. با این حال، Massive-MIMO یک اندازه مناسب برای همه موارد نیست. در واقع تعداد زیادی آنتن باعث می‌شود MIMO عظیم برای سناریوهای خاص مانند برنامه‌های IoT  مناسب نباشد. برای این سناریوها، راه‌حل‌های امیدوارکننده دیگری NOMA مانند دسترسی مشترک چندکاربره (MUSA)، دسترسی چندگانه تقسیم الگو (PDMA)، دسترسی چندگانه کد پراکنده (SCMA)، دسترسی چندگانه تقسیم کد پیشوند چرخه‌ای (CP-CDMA) و غیره وجود دارد. جایی که هر کدام می‌توانند راه‌حل‌های بسیار کارآمد طیفی برای غلبه بر گلوگاه بلوک منابع در زیر 6 گیگاهرتز ارائه دهند.

برای IMT در سال 2030 و بعد از آن، استفاده از NOMA در سناریوهای متنوع می‌تواند بیشتر مورد بررسی و شناسایی قرار گیرد تا عملکرد بهتری ارائه دهد. بازنگری اساسی در مورد فناوری‌های دسترسی چندگانه مرسوم به نفع طرح‌های بدون کمک‌هزینه مناسب برای دسترسی تصادفی گسترده مورد نیاز است. انتظار می‌رود توسعه بیشتر NOMA نیازمندی‌های آینده ازجمله اتصال گسترده‌تر، راندمان طیفی بالاتر، تأخیر کم و پیچیدگی پیاده‌سازی کمتر و ارائه قابلیت‌های خدمات متمایز و غیره را برآورده کند. تکامل NOMA باید شناسایی سناریوهای کاربردی بالقوه‌ای را که می‌تواند منعکس‌کننده سود NOMA و تکامل خود فناوری NOMA باشد، در نظر بگیرد. بسته به نیازهای آتی و ویژگی‌های فناوری NOMA، سناریوهای کاربردی بالقوه‌ای که می‌توانند منعکس‌کننده سود NOMA باشند، به‌ویژه تحت اتصال عظیم باید شناسایی شوند. به عنوان مثال، در سناریوی برنامه‌های اتصال عظیم، توالی‌های بیشتری برای پشتیبانی از انتقال همزمان تعداد زیادی از پایانه ها باید تولید شوند. علاوه بر بحث بالا در مورد طرح های مختلف دسترسی چندگانه برای اشتراک منابع، از رویه دسترسی، دسترسی چندگانه را می‌توان به عنوان دسترسی چندگانه مبتنی بر اعطا و دسترسی چندگانه بدون کمک‌هزینه طبقه‌بندی کرد.

شکل 2: روش‌های مستعد برای به‌کارگیری در نسل‌های 5G و 6G

در دسترسی چندگانه مبتنی بر کمک هزینه، کاربران (یعنی فرستنده‌ها) قبل از ارسال ها توسط یک واحد مرکزی (یعنی یک AP یا یکBS ) هماهنگ می شوند و به هر کاربر یک سیگنال/امضای منحصر به فرد اختصاص داده می‌شود که می‌تواند توسط گیرنده استفاده شود. برای انجام تشخیص دسترسی چندگانه مبتنی بر اعطا به پروتکل‌های دسترسی چندگانه اختصاصی برای هماهنگ کردن ارتباطات کاربران در دسترس در سیستم‌ها نیاز دارد. فناوری دسترسی چندگانه مبتنی بر اعطا به بلوغ رسیده است و توسط استانداردهای مختلف ارتباط بی‌سیم پذیرفته شده است. با این حال، فناوری دسترسی چندگانه مبتنی بر کمک هزینه، که برای شبکه‌های بی‌سیم انسان محور کنونی طراحی شده است، برای شبکه‌های بی‌سیم خودمختار اشیا محور آینده برای پشتیبانی از میلیون‌ها دستگاه در شبکه سلولی آینده مناسب نیست. از سوی دیگر، دسترسی‌های چندگانه بدون اعطا نیازی به انجام هماهنگی کافی بین کاربران ندارد و می تواند به طور کارآمدتری نیاز به تاخیر کم، کمبود اطلاعات زمان بندی، یا الگوی دسترسی انفجاری و تصادفی فعالیت کاربر و غیره را مدیریت کند. فناوری دسترسی چندگانه رایگان عمدتاً در دسترسی اولیه استفاده شده است و برای تحقق دسترسی چندگانه بدون کمک هزینه باید بر چندین چالش غلبه کرد. چالش‌ها عبارت‌اند از محدودیت‌های عملکرد دستگاه‌های انفجاری عظیم که به طور هم‌زمان بسته‌های کوتاه را ارسال می‌کنند، الزامات کدگذاری و طرح‌های مدولاسیون با پیچیدگی کم و کارآمد انرژی برای دسترسی گسترده و روش‌های تشخیص کارآمد برای تعداد کمی از کاربران فعال با انتقال پراکنده. به عنوان مثال، گزارش شده است که دسترسی چندگانه URLLC، زمان‌بندی و پروتکل‌های کارآمد طیفی باید برای URLLC باند پهن ایجاد شود، و دسترسی چندگانه بدون کمک هزینه برای URLLC عظیم مورد نیاز است. خاطرنشان می‌شود که:

   تکنیک‌های انتقال فوق‌باند با استفاده از فناوری جدید طیف یا آنتن باید در نظر گرفته شوند،

  پروتکل، کانال‌سازی و زمان‌بندی کارآمد طیفی باید برای تضمین QoS URLLC توسعه داده شود،

  طرح‌های دسترسی چندگانه که از هر دو بزرگ پشتیبانی می‌کنند. اتصال و تأخیر بسیار کم باید توسعه یابد.

علاوه بر این، برخورد بسته های متعدد در یک شکاف یکی از چالش‌های اصلی در تحقیقات NOMA است. برای حل این برخوردها و پشتیبانی از انتقال بدون کمک هزینه بارگذاری بالای کاربر، طراحی لایه فیزیکی غیر متعامد باید در نظر گرفته شود. NOMA به خوبی در طرح های مبتنی بر کمک‌هزینه تحقیق شده است. با این حال، در انتقال بدون کمک هزینه، نمی توان از کنترل جهانی توان، تخصیص منابع و پیکربندی استفاده کرد که چالشی را برای مقابله با تداخل بین کاربر IUI ایجاد می کند. تبعیض یک‌بعدی حوزه قدرت ناشی از اثر نزدیک به دور انتقال بدون کمک‌هزینه برای مقابله با IUI شدید کافی نیست. بنابراین، حوزه‌های با ابعاد بالاتر مانند دامنه کد و حوزه فضایی باید در نظر گرفته شوند. در طرح‌های بدون اعطای دامنه کد، فرستنده‌ها کدهای گسترش غیرمتعامد خود را از پیش پیکربندی یا به‌طور تصادفی انتخاب می‌کنند. در سمت گیرنده، کدها شناسایی شده و برای کاهش IUI استفاده می‌شوند. دانش قبلی از ویژگی‌های آماری داده‌ها (به عنوان مثال، شکل صورت فلکی)، کتاب کد و نتیجه CRC باید به طور کامل برای تشخیص پیشرفته کور استفاده شود.

دسترسی تصادفی مبتنی بر حسگر فشرده CS  به عنوان یک فناوری پردازش سیگنال برای اتصال گسترده با دسترسی تصادفی بدون کمک‌هزینه یا بدون منبع دوباره ظهور کرده است. یک شبکه اینترنت اشیا معمولی شامل الگوهای ترافیکی پراکنده است زیرا تنها زیر مجموعه کوچکی از دستگاه‌ها در هر بازه زمانی فعال می‌شوند تا مصرف انرژی را به حداقل برسانند. با توجه به اینکه برخی از دستگاه‌های فعال ابتدا مقدمه‌های منحصر به فرد خود (فراداده) را قبل از ارسال مستقیم سیگنال‌های داده به ایستگاه پایه ارسال می‌کنند، در اینجا، CS می‌تواند به طور موثر برای شناسایی دستگاه‌های فعال و تخمین کانال‌های آن‌ها از ابرداده‌های ارسال شده توسط دستگاه‌های IoT اعمال شود. همچنین اشاره شده است که دسترسی تصادفی بدون کمک هزینه یا بدون منبع می‌تواند سربار سیگنالینگ را به قیمت پیچیدگی محاسباتی بالا در ایستگاه پایه کاهش دهد و همچنین کارایی انرژی را بهبود بخشد.

سطح هوشمند قابل تنظیم مجدد

به طور سنتی، محیط انتشار بین فرستنده و گیرنده به عنوان یک جزء غیر قابل کنترل از سیستم‌های بی‌سیم درک می‌شود. با این حال، RIS به‌سرعت به‌عنوان یک روند کلیدی فناوری بی‌سیم برای فراتر از سیستم‌های IMT-2020 در حال ظهور است، جایی که کنترل پویا بر محیط رادیویی را با تطبیق پارامترهای کانال مانند فاز، دامنه، فرکانس و قطبش از طریق پراکندگی قابل تنظیم امواج الکترومغناطیسی امکان‌پذیر می‌سازد. به طور خاص، به عنوان نوع جدیدی از آرایه آنتن با یا بدون عناصر فعال مورد استفاده در یک فرستنده گیرنده و/یا یک رله، RIS ها از تعداد زیادی سلول واحد کوچک با طول موج فرعی استفاده می‌کنند که ویژگی‌های انعکاس، شکست و جذب فردی آن‌ها را می توان برای ساختن کنترل کرد. محیط رادیویی هوشمند و قابل برنامه‌ریزی علاوه بر این، ارتباط با انرژی بسیار کارآمد می تواند به دست آید زیرا بدون رمزگشایی، رمزگذاری یا عملیات RF پیچیده عمل می‌کند.

شکل 3: استفاده از سطوح هوشمند RIS در سطح شهر برای بهبود سیگنال‌رسانی در 6G

RIS ممکن است با استفاده از اجزای عمدتا غیرفعال بدون نیاز به اجزای فعال پرهزینه مانند تقویت‌کننده‌های توان و ADC و DAC اجرا شود که منجر به هزینه اجرا و مصرف انرژی پایین می‌شود. علاوه بر این، هزینه‌های استقرار را کاهش می‌دهد و درنتیجه امکان استقرار در مناطق بزرگ را بهبود می‌بخشد. RIS تقریباً غیرفعال است و بعید است که قرار گرفتن در معرض میدان‌های الکترومغناطیسی را افزایش دهد. علاوه بر این، RIS می‌تواند از وضوح فضایی بالاتر نسبت به آرایه‌های آنتن سنتی پشتیبانی کند زیرا امواج الکترومغناطیسی را می‌توان در هر نقطه از سطح پیوسته خود بازسازی کرد. به دلیل توانایی آن‌ها برای گرفتن هر شکلی، آن‌ها می‌توانند با سناریوهای کاربردی مختلف سازگار شوند و با اشیاء موجود (به عنوان مثال، دیوارها، ساختمان‌ها، تیرچراغ‌ها و غیره) یکپارچه شوند. راندمان‌های طیفی بالاتر ممکن است از طریق معرفی RIS در هنگام کار غیرفعال به دست آید. دستاوردهای بازده طیف برای کانال‌های مایکروویو که در رتبه کامل کار می‌کنند قابل تحقق نیست. می‌توان سطوح فعال دیگری را نیز در نظر گرفت، اما این می‌تواند با استقرار سایت‌های جدیدتر BS قابل مقایسه باشد. سیستم‌هایی که در باندهای 24-71 گیگاهرتز یا در باندهای بیش از 100 گیگاهرتز کار می‌کنند، IRS/RIS می‌توانند با ایجاد مسیرهای جایگزین برای شکل موج ارسالی، رتبه کلی کانال را افزایش دهند. RIS کنترل هوشمند محیط انتشار، بهبود قابلیت اطمینان انتقال و دستیابی به راندمان طیف بالاتر را ممکن می‌سازد. RIS می تواند برای سناریوهای زیر قابل اعمال باشد:

  تسهیل افزایش رتبه کانال برای دستیابی به سود کامل مالتی پلکسی در سناریوهای NLOS، که می‌تواند از ناحیه نقطه داغ پشتیبانی کند و ظرفیت سلول را افزایش دهد.

  گسترش پوشش شبکه از جمله پوشش DL در فضای باز و بهبود UL، پوشش فضای باز به داخل و پوشش خطوط هوایی و غیره.

  بهبود عملکرد لبه سلولی و کمک به کاهش تداخل کانال چند سلولی.

  آرایه‌های آنتن فازی با استفاده از تنها یک ورودی RF برای هر آرایه و یک شبکه توزیع قابل برنامه‌ریزی برای تغییر دینامیکی جهت شکل‌دهی پرتو و امکان MIMO بسیار عظیم (هزاران عنصر) را با هزینه کم و توان کم.

  بهبود موقعیت و عملکرد سنجش.

  انتقال برق بی‌سیم و پراکندگی برگشتی برای کاهش مصرف انرژی برای دستگاه‌های با باتری.

برای اینکه RIS برای استقرار موفقیت آمیز تجاری آماده شود، چندین چالش تحقیقاتی باز باید مورد توجه قرار گیرد، از جمله:

  توسعه مدل‌های دقیق الکترومغناطیسی دستگاه و مدل‌های کانال و اعتبارسنجی تجربی آن‌ها.

  مطالعه محدودیت‌های اساسی و دستاوردهای بالقوه سیستم‌های ارتباطی به کمک RIS و درنتیجه شناسایی سناریوهایی که در آن استقرار RIS مزایایی نسبت به رله‌های سنتی و ساختارهای بازتابی غیرقابل تنظیم مجدد دارد.

  طراحی غیرفعال شکل‌دهی پرتو.

  تخمین کانال جدید به دلیل عدم وجود زنجیره RF مورد نیاز است.

  تحقیق و مطالعه مواد در مورد مسائل پیاده‌سازی سخت‌افزار.

  پروتکل‌های کنترل بلادرنگ برای RIS.

  چالش‌های بزرگی برای ادغام IRS/RIS‌های فعال به شبکه اصلی وجود دارد، زیرا یک پیوند اختصاصی برای سیگنال‌دهی کنترل بین BS و IRSs/RIS خود را به عنوان افزوده‌ای به شبکه حمل‌و‌نقل موجود با پهنای باند نامشخص و افزایش متعاقب آن نشان می‌دهد. کنترل تاخیر هواپیما.

  پهنای باند پیوندهای انتقال به RIS به تعداد عناصر در RIS/IRS، تعداد بیت‌های کنترلی در هر عنصر، نرخ تازه‌سازی آن‌ها و فواصل زمانی انتقال فریم داده بستگی دارد و همچنین با تعداد مقیاس‌بندی می‌شود. از UE ها در نتیجه، تعداد سطوح در هر بخش/سلول نامشخص است پیوندهای حمل و نقل نیز بر معماری شبکه تأثیر می گذارد که باید تجزیه‌وتحلیل شود.

  آسیب‌پذیری عناصر سطحی به دلیل آب‌وهوای نامساعد، منجر به خرابی پیکسل شود.

RISها محیط بی‌سیم را از یک عامل غیرفعال به یک بازیگر هوشمند تبدیل می‌کنند، بنابراین کانال قابل برنامه‌ریزی می‌شود. نکته مهم این است که با هزینه کم، مصرف انرژی کم و استقرار آسان مشخص می شود. بنابراین، این فناوری بنیادی جدید پارادایم‌های طراحی سیستم بی‌سیم پایه را به چالش می‌کشد، فرصت‌های نوآوری ایجاد می‌کند که ممکن است به تدریج بر تکامل معماری سیستم بی‌سیم، فناوری‌های دسترسی و پروتکل‌های شبکه در دهه آینده تأثیر بگذارد.

نتیجه‌گیری

این مقاله، روندهای پیشرفت های فناوری در سیستم‌های 5G و فرا 5G زمینی را توصیف می‌کند که برای بهبود نرخ ارسال و دریافت در رابط‌های رادیویی، پایانه‌های تلفن همراه و شبکه‌های دسترسی رادیویی با در نظر گرفتن بازه زمانی تا سال 2030 و فراتر از آن قابل اجرا هستند. این روندها شامل فناوری‌های نوظهور رادیویی و فناوری‌هایی برای بهبود عملکرد لینک رادیویی و همچنین شبکه رادیویی است. فناوری های شرح داده شده شامل مجموعه ای از توانمندسازهای فناوری بالقوه هستند که ممکن است در آینده به کار گرفته شوند، از جمله تکامل IMT از طریق پیشرفت در فناوری و استقرار آن‌ها در لینگ رادیویی هستند.

منابع

[1] Series, M. IMT Vision—Framework and overall objectives of the future development of IMT for 2020 and beyond. Recomm. ITU 2015, 2083, 1–19.

[2] O. Dizdar, Y. Mao and B. Clerckx, “Rate-Splitting Multiple Access to Mitigate the Curse of Mobility in (Massive) MIMO Networks,” in IEEE Transactions on Communications, vol. 69, no. 10, pp. 6765-6780, Oct. 2021, doi: 10.1109/TCOMM.2021.3098695.

[3] Miscopein, B.; Doré, J.-B.; Strinati, E.; Kténas, D.; Barbarossa, S. Air Interface Challenges and Solutions for Future 6G Networks. 2019. Available online: https://hal.univ-brest.fr/DRT/cea-01986524v2 (accessed on 2 October 2021).

[4] Recommendation ITU-R M.1457

[5] Recommendation ITU-R M.2012

[6] Recommendation ITU-R M.2150

---

پی‌نوشت

[1] Enhanced-MIMO

[2] Reconfigurable Intelligent Surfaces (RIS)

[3] Orthogonal Frequency-Division multiplexing (OFDM)

[4] Peak to average power ratio (PAPR)

[5] Non Orthogonal Multiple Access (NOMA)