Hoe OTFS-modulatie de prestaties van draadloze communicatie in hoge Doppleromgevingen verbetert

De draadloze communicatie heeft zich door de jaren heen sterk ontwikkeld, van de vroegere generatie 2G tot de hedendaagse 5G en de opkomende 6G-netwerken. In deze evolutie zijn verschillende modulatie technieken toegepast, waarbij elke generatie zijn eigen uitdagingen en vooruitgangen bracht. In de 2G-standaard werd tijddeling (TDMA) gebruikt, in 3G werd coderingstechniek (CDMA) geïntroduceerd, en in 4G werd orthogonale frequentiemultiplextechniek (OFDM) de norm. OFDM bleef de standaard voor 5G-netwerken en zal waarschijnlijk ook in de 6G-architectuur aanwezig blijven. Echter, met de toename van mobiele snelheden en complexe communicatiebehoeften in omgevingen met hoge Doppler-snelheden (zoals voertuigdynamica in V2X-communicatie en mmWave-communicatie), vertoont OFDM beperkingen.

Het grootste probleem voor OFDM in dergelijke scenario’s is de verslechtering van de prestaties door de Doppler-effecten en de variabiliteit van de kanalen. Om deze nadelen te overwinnen, werd de Orthogonale Tijd-Frequentie Ruimte (OTFS) modulatie ontwikkeld. OTFS biedt een robuustere oplossing voor communicatie in omgevingen met hoge mobiliteit en biedt een aanzienlijk verbeterde prestatie in vergelijking met traditionele technieken zoals OFDM, vooral in scenario’s met hoge Doppler-snelheden.

Het draadloze kanaal wordt vaak gekarakteriseerd door multipad-propagatie, wat betekent dat signalen via meerdere paden het ontvangstpunt bereiken, met verschillende vertragingen en fasen. Deze reflecties veroorzaken een verstoring van het signaal, wat resulteert in zogenaamde 'tijddispersie' en 'frequentiedispersie'. Als gevolg van de dynamische reflectoren en het Doppler-effect, worden de kenmerken van het kanaal variabel, wat leidt tot aanzienlijke prestatieverlies voor systemen zoals OFDM.

In OTFS wordt dit probleem aangepakt door de tijd- en frequentiedispersie te verplaatsen naar een nieuw domein – het Delay-Doppler domein. Hierin wordt het signaal in twee dimensies gelokaliseerd, wat de nauwkeurigheid van het kanaalsignaal vergroot. Dit maakt het mogelijk om de kanaalparameters beter te schatten en door deze schattingen te gebruiken, kunnen systemen zoals OTFS meer robuuste communicatiekanalen bieden die minder gevoelig zijn voor de negatieve effecten van Doppler en tijdsvariaties.

Er zijn veel voordelen aan het gebruik van OTFS, vooral in scenario’s met hoge Doppler-snelheden, zoals mobiele communicatie in voertuigen (V2X) of communicatie op millimetergolflengtes. In deze omgevingen kunnen de signaalvervormingen door het Doppler-effect en de reflecties van de dynamische omgeving een aanzienlijke invloed hebben op de signaalkwaliteit. OTFS biedt de mogelijkheid om de signaalvervorming door deze effecten beter te beheersen, wat leidt tot een betrouwbaardere verbinding, zelfs in omstandigheden van hoge mobiliteit en snelle veranderingen in het kanaal.

Wat OTFS verder onderscheidt van eerdere technieken is de manier waarop de modulatie wordt uitgevoerd. De zogenaamde twee-staps OTFS, die compatibel is met OFDM, heeft bewezen bijzonder effectief te zijn. Deze aanpak combineert de robuustheid van OTFS-modulatie met de voordelen van OFDM, waardoor het de flexibele implementatie van OTFS in bestaande 5G-netwerken mogelijk maakt.

Naast de voordelen van OTFS-modulatie is het belangrijk om te begrijpen dat de effectiviteit van dit systeem sterk afhangt van de manier waarop het kanaal wordt gemodelleerd en geschat. Het vermogen van OTFS om robuust te blijven in verschillende Doppler-omstandigheden is te danken aan de geavanceerde algoritmen voor kanaalschatting die specifiek zijn ontworpen voor het Delay-Doppler-domein. Dit maakt OTFS tot een geschikte kandidaat voor toekomstige communicatienetwerken, met name voor toepassingen die sterk afhankelijk zijn van hoge snelheden en betrouwbare communicatie.

OTFS is een veelbelovende technologie voor de toekomst van draadloze netwerken, maar het is ook belangrijk te beseffen dat de implementatie ervan niet zonder uitdagingen is. De complexiteit van het kanaalschattingproces in het Delay-Doppler-domein kan leiden tot hogere rekenlasten, wat de energie-efficiëntie van de systemen kan beïnvloeden. Desondanks biedt OTFS aanzienlijke voordelen in omgevingen met hoge mobiliteit en complexe kanaalscenario’s, waardoor het een waardevolle aanvulling is voor de 6G-architectuur en toekomstige draadloze communicatienetwerken.

Hoe kan een geïntegreerd MIMO RadCom-systeem gelijktijdige communicatie en radardetectie optimaliseren?

De signaalmatrix X, een element van ℂ^N×L, representeert een volledige communicatieframe bestaande uit L tijdstappen. Elk kolomvector van X draagt niet alleen een communicatiesymbool, maar ook een momentopname van een radarimpuls. De downlink transmissie verloopt via een kanaalmatrix H ∈ ℂ^K×N, waarvan aangenomen wordt dat deze vlakke Rayleigh fading vertoont en gedurende een frame stationair blijft. Bovendien wordt verondersteld dat H perfect wordt geschat aan de hand van pilotsymbolen.

In aanwezigheid van meerdere gelijktijdige gebruikers ontstaat Multi-User Interference (MUI), die gemodelleerd wordt door de term (HX − S), waarin S de matrix is van gewenste constellatiesymbolen. Deze interferentie heeft directe invloed op de Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio (SINR), wat vervolgens de somcapaciteit van het systeem beïnvloedt. De totale downlink throughput wordt dan uitgedrukt als:

    R = ∑ log₂(1 + γ_i),
waarbij γ_i de SINR van gebruiker i representeert.

Bij een vaste constellatie met constante energie blijft de signaalenergie E|s_i,j|² constant. Hieruit volgt dat optimalisatie van de somcapaciteit zich concentreert op het minimaliseren van de MUI-energie. Het onderdrukken van HX − S vormt dus een kernprobleem in het ontwerp van de dual-functionele signaalmatrix X.

    B_d(θ) = aᴴ(θ) R_X a(θ),

waarin a(θ) de stuurvector is van de ULA voor e

Hoe cellulair netwerkcommunicatie UAV's kan ondersteunen voor robuuste en efficiënte verbindingen

Het cellulair netwerk heeft de mogelijkheid om als controle- en gegevensverbinding voor onbemande luchtvaartuigen (UAV's) te functioneren. Dit biedt niet alleen betrouwbare connectiviteit voor de werking van UAV's, maar maakt ook een uitgebreide controle over deze systemen mogelijk. Het communicatieprotocol dat wordt gebruikt door UAV's maakt onderscheid tussen twee verschillende datastromen. Een daarvan richt zich op het tot stand brengen van controle over de UAV op lage snelheid, maar met een hoge betrouwbaarheid en sterke verbindingen. De andere datastroom is bedoeld voor gegevensoverdracht op veel hogere snelheden. In dit kader is de responsiviteit van het controlesysteem van de UAV cruciaal voor de werking binnen netwerken die draaien om UAV's. De transmissievertraging vereist het gebruik van korte tijdsintervallen en frequente richtingsveranderingen in het half-duplex kanaal. De systemen die in eerdere studies werden gepresenteerd, gebruiken bijvoorbeeld chirp spread-spectrum modulatie samen met een correlator-gebaseerde demodulator voor de controleverbinding, terwijl ze voor gegevensoverdracht gebruik maken van de hoge datasnelheidsmodulatie van orthogonale frequentiedivisie multiplexing (OFDM). OFDM maakt gebruik van dezelfde bandbreedte als spread-spectrum modulatie, maar benut de gehele bandbreedte veel efficiënter.

Een belangrijk aspect van UAV-communicatie is de directe communicatielijn tussen de UAV en het grondstation. Dit vereist meestal een Line-of-Sight (LoS)-verbinding, die typisch werkt in ongecontroleerde frequentiebanden zoals de 2,4 GHz-band. Echter, de werking van deze verbindingen in stedelijke gebieden en dichtbebouwde omgevingen wordt vaak bemoeilijkt door blokkades, zoals gebouwen, bomen en andere obstakels. Deze obstakels verminderen de betrouwbaarheid en datasnelheid van de verbindingen aanzienlijk. Bovendien is het gebruik van dergelijke verbindingen niet haalbaar voor de grootschalige inzet van UAV's in uitgestrekte gebieden, vooral wanneer er sprake is van Non-Line-of-Sight (NLoS) communicatie. In deze gevallen kan communicatie via mobiele netwerken, zoals cellulair netwerk, een geschikte oplossing bieden.

De 4G-netwerken gebruiken typisch drie verschillende frequentiebanden (700, 2000 en 5800 MHz). Veel studies hebben dit model toegepast om draadloze connectiviteit te bieden voor terrestrische gebruikers in verschillende scenario's, zoals rampenrespons, zoek- en reddingsoperaties, drukke evenementen en het ondersteunen van grondstations voor diverse toepassingen. In deze context wordt vaak frequentiedivisie-multiple-access (FDMA) gebruikt om de toegang tot het kanaal te regelen, waarbij de UAV de volledige kanaalcapaciteit tussen de gebruikers verdeelt om een eerlijke verdeling van de bandbreedte te waarborgen.

Onderzoeken, zoals het werk van Feng et al., hebben statistische propagatiemodellen voor ATG-communicatie in stedelijke omgevingen voorgesteld, waarbij UAV's functioneren als luchtstations die draadloze toegang bieden voor grondgebruikers. Dit model maakt gebruik van frequenties tussen 200 en 5000 MHz. De mmWave-banden zijn essentieel voor 5G-netwerken vanwege hun vermogen om grote bandbreedtes te leveren en snelheidsvereisten voor communicatie te ondersteunen. Het gebruik van mmWave-communicatienetwerken in UAV-toepassingen is bijzonder geschikt voor veeleisende toepassingen zoals real-time communicatie en HD-videotransmissie. Echter, voor controleverbindingen is het niet raadzaam om mmWave te gebruiken vanwege de hoge demping, beperkte bereik en afhankelijkheid van sterke LoS-verbindingen.

Er zijn verschillende studies uitgevoerd om de transmissiemodellen en kanaaleigenschappen van ATG-communicatie binnen het mmWave-frequentiebereik te begrijpen. Onderzoekers hebben bijvoorbeeld uitgebreid de eigenschappen van het ATG mmWave-kanaal geëvalueerd, met nadruk op frequentiebanden zoals de gelicentieerde 28 GHz-band en de ongelicentieerde 60 GHz-band. Deze studies, uitgevoerd via ray-tracing simulaties, hebben de ontvangen signaalsterkte (RSS) en de wortel-mean-square vertraging van multipath componenten geanalyseerd voor verschillende omgevingen, waaronder stedelijke, landelijke en overzeese gebieden.

De keuze van de juiste technologie, de juiste frequentieband en de integratie van moderne modulatiesystemen zoals OFDM en chirp spread-spectrum kunnen een cruciale rol spelen bij het verbeteren van de efficiëntie en betrouwbaarheid van UAV-communicatiesystemen. In de toekomst zal de evolutie van zowel de netwerkarchitectuur als de communicatietechnologieën zoals 5G en 6G waarschijnlijk de grenzen van wat mogelijk is in UAV-gebaseerde draadloze communicatie verder verleggen.

Hoe Optimal Power Allocatie in NOMA Systemen de Prestaties Bepaalt

In systemen voor Niet-Orthogonale Meerdere Toegang (NOMA) speelt de verdeling van het beschikbare vermogen een cruciale rol in het verbeteren van de systeemprestaties. De manier waarop het vermogen tussen gebruikers wordt verdeeld, bepaalt niet alleen de kwaliteit van de datatransmissie, maar ook de efficiëntie van het gehele systeem. Het vermogen moet op een zodanige manier worden toegewezen dat zowel de zwakkere als sterkere gebruikers in het systeem optimaal profiteren van de beschikbare middelen.

De basisprincipes van NOMA omvatten het gebruik van meerdere toegangskanalen binnen hetzelfde frequentiebereik, waarbij de gebruikers verschillende signaalversterkingen hebben. Dit betekent dat de signaal-kracht van de zwakkere gebruikers doorgaans lager is dan die van de sterkere gebruikers. In veel gevallen wordt het sterke signaal gebruikt om interferentie te verminderen door middel van Successive Interference Cancellation (SIC), waarbij sterke gebruikers eerst hun gegevens decoderen en vervolgens de interferentie voor zwakkere gebruikers verwijderen. Hierdoor kunnen meerdere gebruikers tegelijkertijd dezelfde middelen gebruiken zonder dat dit ten koste gaat van de prestaties.

In een scenario met twee gebruikers, waar de verhouding van de signaal-ruisverhouding (SNR) tussen de gebruikers bijvoorbeeld respectievelijk 20 dB en 40 dB is, zal de optimale vermogensverdeling ervoor zorgen dat beide gebruikers hun maximale sum-rate bereiken. Dit wordt vaak gemeten in bps/Hz (bits per seconde per hertz), een maat die de efficiëntie van het frequentiebereik aangeeft.

Er zijn verschillende benaderingen voor het toewijzen van vermogen in een NOMA-systeem, afhankelijk van de gewenste systeemdoelen. Een veelgebruikte benadering is de maximin fairness (MMF), die gericht is op het maximaliseren van de laagste sum-rate in het systeem. Dit houdt in dat, zelfs als sommige gebruikers zwakker zijn, hun dataratio niet volledig wordt uitgesloten van de efficiëntie van het systeem. Het optimaliseren van de vermogensverdeling op basis van MMF resulteert vaak in een eerlijke verdeling van middelen, wat bijdraagt aan een betere gebruikerservaring.

Een ander belangrijk aspect van NOMA is het streven naar een optimale energie-efficiëntie (EE). Energie-efficiëntie is van groot belang in draadloze communicatie omdat het direct verband houdt met de duurzaamheid en kosten van het systeem. Het vermogen moet zo worden verdeeld dat de data-ratio van de gebruikers maximaal is, terwijl het energieverbruik tot een minimum wordt beperkt. Dit kan door het optimaliseren van de verhouding tussen de dataratio en het energieverbruik van de transceiver-eenheden.

Bij de implementatie van NOMA in de praktijk is het echter niet zonder uitdagingen. Een van de grootste obstakels is de complexiteit van de interferentiebeheersing, vooral bij sterk variërende kanaalomstandigheden. Het gebruik van SIC vereist dat de ontvanger in staat is om sterke signalen te decoderen voordat de interferentie voor zwakkere signalen wordt geëlimineerd. Dit proces kan ingewikkeld worden wanneer de kanaalomstandigheden snel veranderen, waardoor de noodzaak voor dynamische vermogensallocatiealgoritmes toeneemt.

In de context van NOMA worden de vermogensallocatie en de interferentiebeheersing vaak gecombineerd in een enkele optimalisatieprobleem, zoals het minimaliseren van de negatieve effecten van interferentie door slimme verdelingen van vermogen en het aanpassen van de verwachte prestaties voor verschillende gebruikers. Dit kan bijvoorbeeld worden bereikt door een afweging te maken tussen de behoefte van de zwakkere gebruikers om een hogere kwaliteit van service te ontvangen en de wens om de prestaties van sterkere gebruikers te behouden.

Naast deze uitdagingen moet de NOMA-technologie ook rekening houden met de beperkingen van de hardware aan de ontvangende kant. Geavanceerde ontvangers zijn nodig om de complexiteit van SIC efficiënt aan te pakken en om te zorgen voor een hoge betrouwbaarheid van de datatransmissie. Verder moeten onderzoekers en ingenieurs voortdurend werken aan het verbeteren van de algoritmes voor vermogensallocatie, omdat het dynamische karakter van draadloze netwerken betekent dat de ideale oplossing afhankelijk is van de specifieke omstandigheden van het netwerk.

In het bijzonder is het van belang dat de vermogensverdeling niet alleen gebaseerd is op statische omstandigheden, maar dat het systeem zich kan aanpassen aan de veranderingen in de gebruikersbehoeften en omgevingsfactoren. Dit vereist een robuust systeemontwerp en een goed gedefinieerde feedbacklus tussen de gebruikers en de netwerkbeheerder. De kracht van NOMA ligt uiteindelijk in de flexibiliteit die het biedt voor zowel individuele als gezamenlijke prestaties van de gebruikers, maar alleen als de vermogensverdeling effectief wordt beheerd en aangepast aan de specifieke eisen van het systeem.