Перспективные методы множественного доступа для будущих систем беспроводной связи 6G

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-79-10148

НазваниеПерспективные методы множественного доступа для будущих систем беспроводной связи 6G

Руководитель Покаместов Дмитрий Алексеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" , Томская обл

Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-706 - Радио- и телевизионные системы, радиолокация и связь

Ключевые слова 6G, NGMA, множественный доступ, мультиплексирование, NOMA, PD-NOMA, SCMA, RSCMA, MIMO, MU-MIMO, SDMA, Massive MIMO, IoT, IoE, спектральная эффективность

Код ГРНТИ49.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В научном сообществе начинается бурное обсуждение систем связи беспроводного широкополосного доступа следующего, шестого поколения 6G. Уже сейчас становится очевидным, что сети 6G должны на порядок превосходить сети 5G по эффективности передачи данных. Множественный доступ является одной из ключевых технологий, позволяющих многократно увеличить скорость передачи, спектральную эффективность и качество связи. Поэтому, поиск принципиально новых и усовершенствование известных подходов для увеличения эффективности разделения каналов является важным и актуальным направлением для исследований. Еще на этапе поисковых исследований для сетей 5G были предложены новые подходы к разделению каналов: группа методов неортогонального множественного доступа NOMA (англ. Non Orthogonal Multiple Access) и метод множественного доступа с разделением абонентов по скорости RSMA (англ. Rate Splitting Multiple Access). Однако, до сих пор ни один из них не был внедрен в 5G по нескольким причинам: высокая вычислительная сложность алгоритмов обработки сигналов, недостаточная проработка и т.д. Другой перспективной технологией физического уровня, позволяющей реализовать пространственное разделение каналов и существенно повысить спектральную эффективность, являются многоантенные системы MIMO. Технология MIMO впервые использована в системах 3G а уже в 5G внедрено ее дальнейшее развитие - Massive Multi User MIMO. Ведущими исследователями показано, что с помощью объединения технологий Massive MU-MIMO и NOMA или RSMA можно реализовать разделение каналов сразу в четырех доменах: частота, время, пространство и мощность. Именно этот подход разделения каналов может быть реализован в сетях 6G. Однако при объединении этих технологий существует множество проблем, которые до сих не решены. Поэтому это направление является одним из ключевых для дальнейших исследований, а целью этой научной работы является поиск новых путей решения поставленных проблем. Кроме того, среди методов NOMA можно выделить несколько перспективных кандидатов на роль главной технологии для объединения ее с Massive MU-MIMO. Согласно современному состоянию исследований, в научных кругах не сложился консенсус по поводу выбора главного кандидата, а работа в этом направлении обладает несомненной актуальностью и научной новизной. В научной работе предлагается провести сравнительный анализ основных кандидатов, используя методы имитационного и математического моделирования, с последующим аргументированным выбором наиболее подходящего метода. Будет разработан комплекс методов и алгоритмов, в совокупности описывающий концепцию физического уровня сетей связи шестого поколения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Бровкин А.А., Крюков Я.В., Покаместов Д.А., Рогожников Е.В., Шалин Г.Н., Шинкевич А.С. Scheduling NOMA with Round Robin, Eqal Rate and Proportional Fair strategies Proceeding of International siberian conference on control and communications (год публикации - 2022)

2. Шалин Г.Н., Покаместов Д.А., Крюков Я.В., Шинкевич А., Бровкин А.А., Рогожников Е.В. Differential properties of polar codes E3S Web of Conferences, 376, с. 1-12 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202337601060

3. Шинкевич А., Покаместов Д.А., Крюков Я.В., Шалин Г.Н., Бровкин А.А., Рогожников Е.В. Evaluation of LDPC codes efficiency in channels with fading E3S Web of Conferences, 376, 1-9 (год публикации - 2023)
10.1051/e3sconf/202337601061

4. Крюков Я.В., Покаместов Д.А., Бровкин А.А., Рогожников Е.В. Performance Comparison of Decoders of Non-orthogonal Multiple Access Signals Considering Modulation and Coding Schemes from LTE Networks Radioelectronics. Nanosystems. Information Technologies, 14, 4, p. 463-472 (год публикации - 2022)
10.17725/rensit.2022.14.463

5. Митченков Д.В., Соломеина А.Н., Покаместов Д.А. Алгоритм Dirty Paper Coding в многопользовательских системах MIMO Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР 2023 (год публикации - 2023)

6. Бровкин А.А., Крюков Я.В., Покаместов Д.А. Распределение ресурса системы мобильной связи согласно стратегии Proportional fair Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР 2023 (год публикации - 2023)

7. Митченков Д.В., Соломеина А.Н., Покаместов Д.А. Сравнение эффективности SC и SCL декодеров для полярных кодов Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР 2023 (год публикации - 2023)

8. Шинкевич А.С., Шалин Г.Н., Покаместов Д.А. Применение полярных кодов в каналах с заданным числом ошибок Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР 2023 (год публикации - 2023)

9. Покаместов Д.А., Крюков Я.В., Абенов Р.Р., Рогожников Е.В., Бровкин А.А., Шинкевич А., Шалин Г.Н. Системы связи 6G: концепция, тренды, технологии физического уровня Радиотехника и электроника (год публикации - 2023)

10. Мухамаддиев С.М., Рогожников Е.В., Дмитриев Э.М., Покаместов Д.А., Крюков Я.В., Новичков С.А., Лаконцев Д.В. Method for Digital Cancellation of System Interference in a Full-Duplex Power Line Communication System Electronics, 12, p. 1-16 (год публикации - 2023)
10.3390/electronics12102211

11. Еремеев С.А., Ильинский Д.Е., Крюков Я.В., Покаместов Д.А., Шалин Г.Н., Шинкевич А.С. Simulation of RIS-Assisted OFDM Multipath Channel 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM) (год публикации - 2024)

12. Крюков Я.В., Покаместов Д.А., Бровкин А.А., Шинкевич А., Шалин Г.Н. MCS map for link-level simulation of two-user PD-NOMA system Proceedings on Engineering Sciences, Vol 6, №1, p.151-160 (год публикации - 2024)
10.24874/PES06.01.017

13. Шинкевич А., Покаместов Д.А., Крюков Я.В., Рогожников Е.В., Шалин Г.Н., Бровкин А.А. Оценка помехоустойчивости многопользовательских систем MIMO при неидеальной оценке канала и других искажениях Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии, Т.15, №3, c. 441-452 (год публикации - 2023)

14. Бровкин А.А., Крюков Я.В., Покаместов Д.А., Шинкевич А.С., Шалин Г.Н., Ильинский Д. Е. Comparison of PD-NOMA Capacity with Conventional and Joint Gray-Mapping 2024 IEEE 25th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM) (год публикации - 2024)

15. Канатбекулы И., Покаместов Д.А., Крюков Я.В., Шалин Г.Н., Шинкевич А.С. Design of SCMA codebooks based on APSK constellations for Rayleigh fading channels Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, as part of the III International Scientific and Practical Conference “Digital technologies, optics and materials science " (DTIEE2024) (год публикации - 2024)

16. Оценка пропускной способности систем связи на основе множественного доступа с разделением по скорости Оценка пропускной способности систем связи на основе множественного доступа с разделением по скорости Радиотехника и Электроника (год публикации - 2025)

17. Рехаб Х.K., Рогожников Е.В., Савенко К.В., Мухамадиев С.М, Крюков Я.В., Покаместов Д.А. Reducing Successive Interference Cancellation Iterations in Hybrid Beamforming Multiuser Massive Multiple Input Multiple Output Systems Through Grouping Users with Symmetry Channels Symmetry, V. 16, № 11, p. 11-15 (год публикации - 2024)
10.3390/sym16111437

18. Еремеев С.А., Ильинский Д.Е., Крюков Я.В., Покаместов Д.А., Рогожников Е.В., Рыбаков И.Н. Influence of Phase States of Binary Unit Cell on RIS Characteristics Proceeding of 2025 IEEE 26th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM) (год публикации - 2025)

19. Шинкевич А.С., Покаместов Д.А., Крюков Я.В., Шалин Г.Н., Рогожников Е.В. Analysis and Design of Common Channel Precoding Algorithms for RSMA Proceeding of 2025 IEEE 26th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM) (год публикации - 2025)

20. Д.А. Покаместов, А.С. Шинкевич, Я.В. Крюков, Е.В. Рогожников, Г.Н. Шалин, С.Ю. Землянухин Evaluation of the Efficiency of Rate-Splitting Multiple Access in Next-Generation Communication Systems Scenarios 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC), In 2024 IEEE 9th All-Russian Microwave Conference (RMC) (pp. 161-165). IEEE. (год публикации - 2025)
10.1109/RMC62880.2024.10846868

21. Шинкевич А.С., Шалин Г.Н., Покаместов Д.А. Optimal Power Allocation for RSMA System with Equal Rate Scheduling Сборник избранных статей научной сессии ТУСУР 2025 (год публикации - 2025)

22. Ильинский Д.Е., Еремеев С.А., Крюков Я.В., Покаместов Д.А., Шалин Г.Н., Шинкевич А.С. Modeling and Prototyping of Unit Cell for Reconfigurable Intelligent Surface: Electromagnetic Model, Design and Circuitry Proceeding of 2025 IEEE 26th International Conference of Young Professionals in Electron Devices and Materials (EDM) (год публикации - 2025)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчетном периоде выполнен комплекс научных исследований, направленных на развитие метода множественного доступа нового поколения NGMA (Next Generation Multiple Access), основанного на технологии RSMA (Rate Splitting Multiple Access). Также проведено исследование возможностей совместного применения NGMA c интеллектуальными отражающими поверхностями RIS (Reconfigurable Intelligent Surface). Разработан и исследован новый подход к организации NGMA в условиях перегруженности сети, включающий методы формирования прекодеров, классификации пользователей и распределения мощности между общим и приватными каналами. Рассмотрены вопросы энергоэффективности, устойчивости системы к интерференции и ограниченной оценке канала. Для формирования прекодеров общего канала предложен метод, основанный на анализе квадратичных эрмитовых форм и обеспечивающий прирост спектральной эффективности до 6% по сравнению с известным методом. Кроме того, метод демонстрирует лучшую устойчивость к пространственной корреляции каналов и меньшую вычислительную сложность. Для этого метода был предложен алгоритм распределения мощности между общим и приватными каналами для максимизации спектральной эффективности. Рассмотрено три сценария работы NGMA в перегруженных системах с количеством одновременно обслуживаемых абонентов, превосходящим количество антенн базовой станции. В перегруженных условиях NGMA показала преимущество перед классическими методами. Для работы в таких условиях предложен алгоритм GSPS (Gram-Schmidt with Partial Search) для классификации и выбора абонентов, который обеспечивает высокие и близкие к оптимальным значения спектральной эффективности. Выполнено имитационное моделирование, получены оценки эффективности предложенных методов и решений. Разработан алгоритм итеративной оптимизации фаз RIS с тремя целевыми функциями: максимизация общей спектральной эффективности, максимизация энергетики слабого пользователя с перевыбором и максимизация энергетики слабого без перевыбора. В ходе моделирования показано, что в системе с RIS удается достичь прироста общей спектральной эффективности до 43% по сравнению с системой без RIS. Моделирование выполнено с помощью QuaDRiGa с доработанной структурой, позволяющей учитывать каскадные каналы (БС–RIS–UE). Итогом работы стало сравнение системы NMGA с разработанными алгоритмами и системы SDMA в реалистичных сценариях 6G, полученных в QuaDRiGa. Показано, что во всех сценариях NMGA не уступает SDMA, а в некоторых из них обеспечивает преимущество 10% и более. Таким образом, предложенная архитектура NGMA с RIS показала свою эффективность и универсальность в условиях реалистичных каналов. Разработанные алгоритмы продемонстрировали преимущество и могут быть использованы при проектировании энергоэффективных и адаптивных систем связи следующего поколения.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Разработанные в рамках проекта методы и алгоритмы организации множественного доступа нового поколения ориентированы на практическое применение в системах беспроводной связи шестого поколения (6G) и могут быть использованы при создании иных энергоэффективных, масштабируемых и адаптивных телекоммуникационных решений. Полученные научные результаты формируют технологический задел для развития инфраструктуры связи в России, включая разработку базовых станций, абонентских устройств и программных платформ. Предложенные в проекте методы формирования и обработки сигналов направлены на повышение спектральной эффективности и помехоустойчивости передачи данных. Это критически важно для таких отраслей и сервисов, как интернет вещей (IIoT), телемедицина, автоматизация транспорта, «умные» города и цифровая промышленность и др. Результаты проекта могут быть использованы для модернизации существующего радиооборудования и разработки решений 6G, а также для создания новых программно-аппаратных комплексов для телекоммуникационных компаний и производителей оборудования. Кроме того, разработанные модели и алгоритмы могут быть адаптированы для применения в смежных сферах: в радиолокации, беспроводных сенсорных сетях, системах мониторинга и встраиваемых устройствах. Тематика работы и ее результаты соответствует целям, определенным в Президентском Указе о национальных целях развития Российской Федерации на период до 2030 года и на перспективу до 2036 года от 7 мая 2024 года. Так, развитие систем связи и повышение их спектральной эффективности необходимо для обеспечения технологического лидерства, цифровой трансформации и обеспечения устойчивого роста экономики. Результаты проекта обеспечивают научно-образовательный задел и технологическое лидерство страны, поскольку направлены на изучение и улучшение передовых технологий в тематике современных систем связи Таким образом, результаты проекта не только соответствуют приоритетам научно-технологического развития Российской Федерации, но и обеспечивают основу для создания конкурентоспособной отечественной продукции и внедрения инновационных технологий, способствующих экономическому росту и технологическому суверенитету страны.