Esquemas de acceso múltiple alternativos

Se trata de uno de los aspectos fundamentales de la capa física y en gran medida es una de las características técnicas que define a cada una de las generaciones móviles, ya que han ido evolucionando desde FDMA y TDMA en 1G y 2G, hasta CDMA en 3G y OFDMA/SC-FDMA en 4G. Por ello, de cara a una nueva generación se trata de un aspecto

Página | 23 que gana en relevancia, ya que de acuerdo a las especificaciones de la 5G es necesario mejorar la eficiencia espectral. La modificación de varios aspectos de OFDM podría suponer una cierta ganancia, es el caso de relajar los requisitos de sincronización temporal o de reducir el prefijo cíclico, por ejemplo, sin embargo, implicaría una pérdida de ortogonalidad que habría que compensar, lo cual añadiría más complejidad a los receptores.

Algunos sistemas alternativos de acceso múltiple no ortogonal han llamado la atención porque pueden albergar múltiples usuarios en los mismos recursos de frecuencia y tiempo, vía el dominio de código y/o el domino de potencia, para así lograr un rendimiento mayor. Estas alternativas se describen a continuación de forma breve.

PD-NOMA (Power Domain Non-Orthogonal Multiple Access)

Esta técnica consiste en que para el enlace descendente se introduce una no ortogonalidad vía el dominio de potencia mediante la multiplexación de múltiples usuarios en éste, formando una codificación de superposición. Esta tecnología utiliza las diferencias de ganancia de canal, entre los diferentes usuarios en un sistema celular, una característica que hasta ahora no se había explotado directamente y que aporta una gran posibilidad de desarrollo.

La idea principal de PD-NOMA [22] es explotar el dominio de la potencia de modo que, en el lado del transmisor, en la BS sea posible multiplexar entre diferentes niveles para distintos usuarios según la distancia a la que se encuentren, la separación de canales de usuario se realiza mediante MIMO. En el lado del receptor se utilizan avanzadas técnicas de recepción como la cancelación sucesiva de interferencias (SIC) para separar los datos de los usuarios multiplexados en potencia y códigos de canal como los turbo código. En la Figura 13 se puede ver una imagen descriptiva del funcionamiento de PD-NOMA, donde se reutilizan los mismos recursos del espectro aplicando una multiplexación en potencia junto con las ganancias de MIMO.

Las ventajas de utilizar PD-NOMA comparado con OFDMA son:

 Mejora de la eficiencia espectral, de la capacidad del sistema en células pequeñas y macro. La mejora se estima en un 50%.

 Mejora de la QoS en el borde de cobertura de las células de en torno al 50%.

 El número de usuarios a los que se presta servicio simultáneamente puede incluso ser mayor del doble. Incluso más de dos usuarios multiplexados en el dominio de la potencia.

 Con NOMA es posible mejorar la eficiencia y la capacidad del sistema incluso en el escenario de alta movilidad.

Página | 24 Además, PD-NOMA puede soportar un número mayor de conexiones simultáneas, algo beneficioso de cara a la densificación de las estaciones base. Su forma de onda estará basada en OFDM con el fin de conservar las buenas propiedades que presenta como la robustez contra interferencias multitrayecto, su integración con MIMO y el soporte de reutilización de frecuencias en una célula. La ganancia del PD-NOMA es considerablemente superior en los casos en los que la diferencia en la ganancia del canal es elevada.

Figura 13. Reutilización del espectro con PD-NOMA [22]

MUSA (Multi-User Shared Access)

MUSA [23] es otro esquema de acceso compartido no ortogonal basado en la multiplexación en el dominio del código, que puede ser considerado como una mejora de CDMA. Recientes estudios de la compañía ZTE demuestran que han aumentado más de tres veces la capacidad de acceso a las redes móviles utilizando MUSA. Los resultados arrojados por las simulaciones de los algoritmos de MUSA consiguen una mejorar de más del 200% en la carga de las redes.

MUSA utiliza secuencias de expansión complejas no ortogonales para la modulación en el lado del transmisor. Para eliminar la interferencia en el lado del receptor se utiliza cancelación sucesiva de interferencias y así poder obtener los datos de usuario transmitidos separando los símbolos, enviados en el mismo recurso, de acuerdo a la diferencia de SINR. Utilizando este proceso se consigue que distintos usuarios puedan transmitir al mismo tiempo y en la misma frecuencia, con lo que se consigue una gran mejora de la capacidad global del sistema.

SCMA (Sparse Code Multiple Access)

SCMA [24] se basa en superposición en el dominio del código. Esta tecnología selecciona los códigos óptimos mediante conjugación, substitución y rotación de fase; y así a cada usuario se le asigna un libro código que utiliza para transmitir. El receptor utiliza el algoritmo MPA para decodificar los datos. Como resultado se puede dar acceso a muchos más usuarios simultáneamente utilizando un espectro similar.

Página | 25 Una de las alternativas de técnica de acceso al medio es la conocida como SCMA, cuya idea principal se basa en la multiplexación en el dominio de la potencia y, además, combinado con multiplexación en el dominio del código, basado en palabras de código multidimensionales de baja dispersión. Además, estas palabras de código consiguen una ganancia en la modulación que provoca una mejora en la velocidad media y el pico. La flexibilidad de SCMA posibilita su uso en las células macro, para aumentar su rendimiento en cuanto a capacidad de tráfico, así como para mejorar el acceso aleatorio por parte de los usuarios.

PDMA (Pattern Division Multiple Access)

Otra técnica de acceso múltiples no ortogonal es PDMA [25], que consiste en un esquema relativamente nuevo que puede realizarse en distintos dominios. En el transmisor utiliza patrones no ortogonales diseñados para maximizar la diversidad y reducir la superposición de usuarios. Es posible realizar la multiplexación en el dominio del código, de la potencia, espacial o realizando combinaciones entre estos dominios. En función del dominio escogido existen consideraciones diferentes que tener en cuenta:

 Multiplexación en el dominio del código: El esquema es muy parecido a SCMA, aunque el número de subportadoras conectadas a los mismos símbolos en el gráfico de factores puede ser diferente, en el receptor, así como en SCMA se utiliza MPA para llevar a cabo la cancelación de interferencias y así conseguir la detección multiusuario.

 Multiplexación en el dominio de la potencia: Asignación de potencia a los usuarios teniendo en cuenta la restricción de potencia del sistema, en el receptor se puede utilizar SIC teniendo en cuenta la diferencia de SINR entre los usuarios multiplexados.

 Multiplexación en el dominio espacial: Combinable con la técnica de multi-antena. Esta configuración tiene de ventaja respecto a MIMO multiusuario que no requiere pre-codificación conjunta para conseguir la ortogonalidad espacial, reduciendo de este modo la complejidad del sistema.

La multiplexación en estos dominios se puede combinar para hacer un mejor uso de los recursos radio disponibles.