Universidad Nacional de Chimborazo
NOVASINERGIA 2020, Vol. 3, No. 1, diciembre-mayo (62-76)
ISSN: 2631-2654
https://doi.org/10.37135/ns.01.05.07
Artículo de Investigación
http://novasinergia.unach.edu.ec
Rendimiento de la técnica de acceso múltiple no ortogonal en un sistema de
comunicación móvil Long-Term Evolution
Non-orthogonal multiple access technique performance in a Long-Term Evolution
mobile communication system
Néstor Estrada Brito
1,
2
, Cristian Morales Alarcón
2*
1
Universidad Politécnica de Valencia, Valencia, España, 46022; nestor.estrada@unach.edu.ec
2
Universidad Nacional de Chimborazo, Riobamba, Ecuador, 060108
* Correspondencia: cmorales@unach.edu.ec
Recibido 27 febrero 2020; Aceptado 27 abril 2020; Publicado 01 junio 2020
Resumen:
La creciente demanda de datos a través de las redes móviles y la búsqueda
de servicios más eficientes por parte de los usuarios han inducido a la
generación de nuevas técnicas que incrementen la eficiencia espectral. El
acceso múltiple no-ortogonal (NOMA) es una de las técnicas que están
siendo evaluadas dentro del 3GPP (Third Generation Partnership Project),
esta proporciona servicios a múltiples usuarios mediante multiplexación en
potencia. Esta investigación evalúa el rendimiento de NOMA en sistemas
LTE (Long Term Evolution) mediante simulaciones de capa física, en
relación con las tecnologías de acceso múltiple ortogonales convencionales
TDM (Time Division Multiplexing) y FDM (Frequency Division
Multiplexing). Se compararán, además, las ganancias obtenidas, con las
publicadas en la bibliografía de Advanced Television Systems Committee
(ATSC) 3.0. Los resultados demuestran que NOMA es mejor que TDM en
los casos que se utilice una tasa baja en el receptor móvil y una tasa media
en el receptor fijo, demostrando ganancias de 3.35 y 0.25
respectivamente.
Palabras clave:
ATSC 3.0, eficiencia espectral, LDM, LTE, NOMA.
Abstract:
The growing demand for data through mobile networks and the search for
more efficient services by users have led to new techniques that increase
spectral efficiency. Non-orthogonal multiple access (NOMA) is one of the
techniques being evaluated within the 3GPP (Third Generation Partnership
Project). It provides services to multiple users through potential
multiplexing. This research evaluates the performance of NOMA in LTE
(Long Term Evolution) systems through physical layer simulations in
relation to conventional orthogonal multiple access technologies TDM
(Time Division Multiplexing) and FDM (Frequency Division Multiplexing).
The profits obtained will be compared with those published in the Advanced
Television Systems Committee (ATSC) 3.0 bibliography. The results show
that NOMA is better than TDM when a low rate is used in the mobile
receiver. An average rate in the fixed receiver showed gains of 3.35 and
0.25 respectively.
Keywords:
ATSC 3.0, LDM, LTE, NOMA, spectral efficiency.
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1 Introducción
El proceso evolutivo de las redes móviles ha
provocado altas demandas por parte de los usuarios,
los cuales buscan servicios más eficientes con altas
velocidades de transmisión de información. Sin
embargo, el número de usuarios y los servicios
requeridos aumentan constantemente, lo que ha
estimulado un mayor desarrollo de tecnologías que
cumplan con dichos requerimientos. Es por ello que
desde 1980 se han lanzado varias generaciones de
redes móviles desde la 1G, tecnología móvil
analógica la cual permitía la transmisión de voz, pero
no de datos, hasta hoy en día la red de quinta
generación o 5G, que se encuentra en despliegue,
orientada a la integración del internet de las cosas y el
ancho de banda.
Ahora bien, la adopción de una nueva generación de
red móvil, la cual incluye nuevas tecnologías,
involucra el desarrollo de investigaciones que
incorporen técnicas que satisfagan las exigencias de
los usuarios, con la finalidad de garantizar la
eficiencia de todo tipo de servicios, desde la
televisión digital hasta videoconferencias.
NOMA es una técnica de Acceso Múltiple No-
Ortogonal, también conocida como multiplexación
por división de capas (LDM), que ha sido propuesta
recientemente como una tecnología prometedora para
la próxima generación de televisión digital terrestre
(TDT), la cual proporciona una transmisión
simultánea de servicios fijos y móviles en el mismo
canal de radiofrecuencia (Wu, Rong, Salehian, &
Gagnon, 2012; Montalban et al., 2014). Existen dos
variantes de NOMA, la convencional para tecnología
4G y su variante MUST (Multiuser Superposition
Transmission) para 5G que permite multiplexar
múltiples usuarios. Para transmitir las señales
multicapa para la eficiencia del espectro, NOMA
utiliza el 100% del ancho de banda de radio
frecuencia (RF) y el 100% de los recursos de tiempo
en comparación con las técnicas de acceso múltiple
ortogonal convencionales Time Division Multiplexing
(TDM) y Frequency Division Multiplexing (FDM)
(Park et al., 2015).
NOMA multiplexa los flujos de datos en diferentes
capas superpuestas no ortogonales utilizando
diferentes niveles de inyección de potencia a través
de todos los recursos disponibles de tiempo y
frecuencia. Además, mejora la eficiencia espectral
significativamente en comparación con las técnicas
de acceso múltiple ortogonal convencionales: TDM y
FDM, al multiplexar diferentes servicios con distintos
requerimientos de robustez y capacidad de datos
(Zhang et al., 2016).
El escenario típico en ATSC 3.0 (Advanced
Television Systems Committee Standard, 2017; Park
et al., 2015) adoptado con NOMA, consta de dos
capas: (i) La capa superior o Core-Layer (CL) de
NOMA, tiene mayor asignación de potencia y ofrece
un servicio móvil robusto de televisión de alta
definición (HDTV), DVB-T2/NGH (Eizmendi et al.,
2014; Gómez-Barquero, Douillard, Moss, Mignone,
2014); esta capa es utilizada para entregar servicios
móviles a receptores de interior, portátiles y de mano.
(ii) La capa inferior o Enhanced-Layer (EL) de
NOMA ofrece un servicio de televisión de Ultra alta
definición (UHDTV), donde la relación operacional
señal-ruido o Signal-to-Noise-Ratio (SNR) es alta,
debido a las antenas de recepción grandes y
posiblemente direccionales (Zhang et al., 2016); esta
capa es utilizada para receptores fijos.
Cuando se reciben señales de múltiples capas, la capa
CL puede decodificarse directamente tratando a la
capa EL como ruido adicional, mientras que la capa
EL se decodifica usando una técnica de cancelación
de señal NOMA-CL, que es capaz de ofrecer
servicios confiables a receptores móviles: interior,
peatonales y de alta velocidad (Zhang et al., 2016;
Park et al., 2015).
Uno de los requisitos del diseño de LTE fue soportar
transmisiones punto a multipunto (PTM) (Hartung et
al., 2007) para transmitir eficientemente en modo
multicast o broadcast
el mismo contenido a todos los
usuarios en una celda, que es en lo que se basa este
trabajo de investigación. Para ello, en LTE esta
novedad se conoce como Evolved Multimedia
Broadcast Multicast Service (eMBMS), definida por
el estándar 3GPP en la Release’9, también conocida
como LTE Broadcast (Huschke, & Phan, 2013).
Los diferentes estudios encontrados han aportado
significativamente en la evolución técnica de las
redes móviles, investigaciones demuestran la
ganancia de NOMA en el nuevo estándar de
televisión digital terrestre ATSC 3.0. Es por esta
razón que el objetivo de esta investigación es evaluar
el rendimiento de NOMA convencional en sistemas
LTE, en relación con las tecnologías de acceso
múltiple ortogonales convencionales TDM y FDM,
con la finalidad de conseguir una mayor eficiencia
espectral que beneficie a la comunicación móvil. Para
ello se realiza un estudio detallado del simulador de
LTE a nivel de la capa física, se adecúa el mismo con
los parámetros del sistema NOMA y se procede a
realizar las simulaciones respectivas para comprobar
las ganancias de este sistema con respecto a los
sistemas convencionales; en la siguiente sección se
detalla el proceso metodológico de esta investigación.
http://novasinergia.unach.edu.ec 64
2 Metodología
La metodología de esta investigación tiene un
enfoque cuantitativo debido a que es secuencial y
probatoria, con datos representados en forma de
números que son analizados estadísticamente. Este
estudio posee un diseño experimental debido a que se
evalúa el rendimiento del sistema NOMA
convencional en sistemas LTE, en relación con las
tecnologías de acceso múltiple ortogonales
convencionales TDM y FDM. Es observacional
debido a que se analiza el comportamiento de las
variables de estudio y se comparan los resultados
obtenidos en las simulaciones. Esta investigación es
sistemática, y el procedimiento desarrollado se puede
observar en la figura 1.
Figura 1: Proceso metodológico de la investigación.
Se ha realizado un estudio detallado del simulador de
LTE, a nivel de la capa física. Una vez estudiado y
comprendido el funcionamiento del simulador, se
procede a añadir los bloques necesarios de NOMA en
el transmisor y receptor del simulador. Mediante
simulaciones se obtuvo gráficas de resultados del
Block Error Rate (BLER), se observó que el
demapper Soft Sphere Decoder (SSD) original del
simulador no tiene un buen funcionamiento con el
sistema NOMA, debido a que se abstrae de la
potencia de ruido del sistema, por lo tanto, se
procedió a introducir el demapper Maximum
Likelihood (ML). Se realizó la validación del
demapper ML comparando sus resultados de medidas
de BLER con los resultados del demapper SSD en un
sistema FDM/TDM. Una vez validado el demapper
ML se procedió a incorporarlo en el sistema NOMA
y se utilizó este demapper para el resto de las
simulaciones. Se realizó simulaciones para obtener
resultados de los estudios de los demappers ML, SSD
en los canales Additive White Gaussian Noise
Channel (AWGN) y Pedestrian B (PedB), y del
impacto que tiene el nivel de inyección de NOMA y
el coding rate (CQI). Con estos resultados de las
simulaciones, se han realizado comparaciones de
NOMA con respecto a TDM/FDM, una comparación
de las capacidades alcanzables y ganancias obtenidas
de los servicios fijos y móviles de NOMA en LTE con
respecto a ATSC 3.0.
Como se mencionó anteriormente, NOMA tiene dos
capas: CL y EL. La capa CL está diseñada para
ofrecer servicios móviles robustos para receptores de
interior, portátiles y de mano que probablemente
sufran de baja potencia de señal y condiciones de
canal ásperas. En la figura 2 se muestra que la capa
CL está situada por encima de la capa EL en el
espectro de RF; la mayor parte de la potencia de
transmisión total está asignada a la capa CL. La capa
EL requiere una mayor SNR para proporcionar un
servicio de 4k de ultra alta definición (UHD) o
múltiples servicios de HDTV; estos servicios están
destinados a receptores fijos que podrían tener
antenas grandes en lugares altos.
Figura 2: NOMA capas core layer (CL) y enhanced layer
(EL).
La capa CL puede ser decodificada directamente
tratando a la capa EL como un ruido adicional,
mientras que la capa EL puede ser decodificada
usando una técnica de cancelación de la señal.
2.1 Demapper ML
El demapper SSD que utiliza por defecto el simulador
no es válido en el sistema NOMA; por lo tanto, se
requirió la incorporación del demapper ML que
minimiza la probabilidad de error de los bits de
código transmitidos y se expresa en forma de Log-
Likelihood Ratio (LLR). A partir del vector de
símbolos recibidos del vector de canales , se
calcula los LLR para todos los bits codificados
(Fuentes, 2017). Para el cálculo de LLR
se calcula
un número total de N distancias entre el símbolo
recibido y todos los símbolos de constelación .
(1)
donde
es la varianza de ruido.
Nivel de
Inyección (g)
Capa CL
Capa EL
Canal de
RF
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En el apartado de resultados se valida el demapper
ML para la utilización en el sistema NOMA. Una vez
validado el demapper ML, se procede a incorporarlo
en el sistema NOMA. Para las capas CL y EL se
realiza el mismo procedimiento descrito en el
apartado 3.2, modificando el cálculo de los LLR, para
lo cual se utiliza la ecuación (1).
2.2 Simulador de VIENNA LTE a nivel
de enlace
El Institute of Telecommunications Vienna
University of Technology (2016), realiza un breve
resumen de cómo utilizar el simulador LTE del nivel
de enlace, el mismo cuenta con información sobre su
estructura y las suposiciones que se hicieron al
desarrollarlo. El concepto y la estructura del
simulador se describe con más detalle en el trabajo
realizado por Mehlführer, Wrulich, Ikuno, Bosanska,
& Rupp, (2009).
El simulador de nivel de enlace LTE se publica bajo
una licencia de uso académico no comercial; algunas
partes del código están bajo la Licencia Pública
General Menor (GNU) (GNU Operating System,
2018) y la Licencia del Instituto Tecnológico de
Massachusetts (MIT) (Open Source Intitiative, n. d.).
2.2.1 Transmisión
Este trabajo se basó en la transmisión downlink de
LTE, la diferencia con uplink es que la señal en
tiempo y frecuencia tiene un comportamiento
totalmente diferente, como se observa en la figura 3.
Según el estándar 3GPP TS 36.211 V10.6.0 Release
10 (European Telecommunications Standards
Institute, 2013) y 3GPP TS 36.212 V14.2.0 Release
14 (European Telecommunications Standards
Institute, 2017) en la sección 5.1: la transmisión de un
canal físico inicia con la generación de palabras
código, posteriormente continua por diferentes
bloques y finalmente se genera la señal OFDM en el
dominio del tiempo para cada puerto de antena. La
salida de este bloque se transmite directamente hacia
el terminal de usuario; este proceso se encuentra
descrito específicamente en la figura 4.
Figura 3: Asignación de recursos con OFDMA y SC-
FDMA en tiempo y frecuencia (European
Telecommunications Standards Institute, 2009).
2.2.2 Canal
El simulador consta de varios canales, de los cuales
se utilizó el canal AWGN que es considerado como
un canal ideal, es decir, un ruido blanco. Gracias a
esto se pudo obtener los resultados óptimos de
rendimiento de NOMA. A su vez se utilizó el canal
PedB para validar los demappers comparando
resultados como se describe en la sección 4.1.
2.2.3 Recepción
La figura 5 muestra el diagrama de bloques de
recepción en LTE. A la señal recibida se remueve el
prefijo cíclico (CP), después se realiza la Fast Fourier
Transform (FFT), se procede a desensamblar los
símbolos de referencia, después se realiza una
estimación del canal y ruido. Se realiza una detección
a los símbolos recibidos. Se deshace el mapeado de
capas para obtener las codewords, para ello se realiza
el desentrelazado.
Figura 4: Descripción general del procesamiento de canales físicos (European Telecommunications Standards
Institute, 2013; European Telecommunications Standards Institute, 2017).
Figura 5: Diagrama de bloques de la parte de recepción en LTE.
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2.3 Adaptación de NOMA al
simulador de VIENNA
2.3.1 Transmisión
Se realiza un procedimiento similar al explicado en
la sección 3.2.1 de este documento, como se puede
observar en la figura 6, la diferencia es la
existencia de 2 capas, CL y EL. Estas capas serán
transmitidas a distinto nivel de potencia, cada capa
depende del CQI; en este trabajo se realizaron
configuraciones de los CQI del 1 al 6 para la capa
CL y los CQI del 9 al 15 para la capa EL. Se realiza
una codificación de los bits de entrada de cada
capa. Se realiza la modulación de los bits
aleatorizados de cada capa, Quadrature Phase-
Shift Keying (QPSK) para la capa CL y 16
Quadrature Amplitude Modulation (QAM), 64
QAM para la capa EL, y el resto de los
procedimientos para cada capa.
La señal transmitida viene dada por la siguiente
ecuación:
(2)
donde
, son datos transmitidos
de las capas CL y EL en la k-ésima subportadora
de n-ésimo símbolo OFDM, respectivamente
(Garro, Giménez, Park, & Gomez-Barquero,
2017).
Como el nivel de potencia de la suma de ambas
capas debe normalizarse, entonces el nivel de
potencia asociada a cada capa se define por el nivel
de inyección (g), según las siguientes ecuaciones:
(3)
(4)
Una vez generadas las dos capas, las señales
codificadas de cada capa se superponen símbolo
por símbolo a un nivel de inyección seleccionado;
el nivel de potencia de la suma de las señales se
normaliza a la unidad.
2.3.2 Recepción
En la figura 7, se puede observar los bloques de
NOMA añadidos en LTE, donde la señal recibida
viene dada por la ecuación (5), donde
, son datos transmitidos de las
capas CL y EL en la k-ésima subportadora de n-
ésimo símbolo OFDM, respectivamente.
(5)
La capa CL puede ser decodificada directamente
tratando a la capa EL como un ruido adicional
(Montalban et al., 2013); mientras que la capa EL
puede ser decodificada usando una técnica de
cancelación de la señal.
Para detectar la señal para la capa EL, se añade una
complejidad (Park et al., 2016). Para decodificar la
capa EL se debe remodular la capa CL
previamente obtenida y, a continuación, cancelarla
de
. A partir de la ecuación (5) la capa
EL recibida se puede estimar como:
(6)
donde
representa la capa CL remodulada, y
es la estimación del canal.
La capa EL está destinada a proporcionar servicios
de alta capacidad a receptores fijos en SNRs altas,
que deben garantizar fácilmente la detección
perfecta de la capa CL, es decir,
CL
[n, k] =
.
Figura 6: Adaptación de NOMA en LTE VIENNA.
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Figura 7: Adaptación de NOMA en la recepción.
3 Resultados
Los resultados obtenidos son medidas de Block
Error Rate (BER) de la tecnología TDM/FDM con
los demappers SSD y ML; después se procede a
obtener resultados de medidas de BER, pero en este
caso con la tecnología de NOMA adaptado en el
sistema LTE, se obtienen gráficas de rendimiento de
la capa CL y EL para un canal AWGN y un canal
PedB. Se obtiene una tabla de resultados
comparativa entre NOMA y FDM/TDM y
posteriormente una tabla de resultados con las
ganancias de NOMA.
3.1 Validación del demapper ML
En la figura 8 se pueden observar los resultados de
medidas de BLER obtenidos de las simulaciones de
los demappers SSD, ML en un sistema FDM/TDM
en un canal AWGN. Se comprueba que el demapper
ML es válido para ser utilizado en un sistema
FDM/TDM, debido a que los resultados son iguales
al demapper SSD. Los resultados del demapper SSD
se corroboran con el documento guía “LTE
Simulators LTE-A Link Level Simulator
Documentation”, v1.4 Q2 (Institute of
Telecommunications Vienna University of
Technology, 2016).
Figura 8: Demappers ML y SSD en un sistema
FDM/TDM, en un canal AWGN.
Posteriormente se realizó pruebas utilizando el canal
PedB. En la figura 9 se puede observar que el
demapper ML es válido para ser utilizado en un
sistema FDM/TDM, debido a que los resultados son
iguales al demapper SSD; estos se corroboran en el
libro de Rupp, Schwarz, & Taranetz (2016) en el
capítulo 8.2.2.
Figura 9: Demappers ML y SSD en un sistema
FDM/TDM, en un canal PedB.
3.2 Constelaciones de las capas CL,
EL y la suma de las capas
Al realizar la modulación de los bits aleatorizados de
cada capa, QPSK para la capa CL y 16 QAM, para
la capa EL, se obtuvieron las constelaciones
generadas por el simulador, representadas en la
figura 10 y figura 11.
Al realizar la suma de las capas se normaliza la
potencia a uno para poder transmitirlas; el resultado
se observa en las figuras 12, 13 con 4dB y con 10dB,
respectivamente.
3.3 Estudio de los demappers ML y
SSD en el sistema NOMA
Como se ha mencionado en la “Introducción del
demapper ML” de la sección de “Metodología” de
http://novasinergia.unach.edu.ec 68
este documento, en un sistema NOMA la capa EL se
considera como un ruido adicional. Mediante los
resultados de simulaciones de medidas de BLER de
la figura 14 y figura 15, la sensación que brinda el
demapper SSD es que no considera el ruido del
sistema NOMA. No obstante, para validar que los
resultados son correctos, se usa las ecuaciones de
aproximación teórica del SNR según (Montalban et
al., 2014). Así también en estas figuras se pueden
encontrar las SNR de cada capa. Para los CQI 01, 05,
10 y 15 son -5.9 dB y 1.2 dB correspondientemente,
y es el nivel de inyección, que en este caso es igual
a -4 dB.
En la figura 15 se puede observar que, para la capa
EL, la curva de BLER utilizando el demapper SSD
se mantiene constante (no cae); esto quiere decir que
existe un 100% de tasa de error y no es posible
decodificar la señal recibida, mientras que los
resultados utilizando el demapper ML son muy
parecidos a los resultados teóricos. Estos resultados
brindan la sensación de que el demapper SSD se
abstrae del ruido de potencia del sistema NOMA.
Puesto que la potencia de ruido es alterada en
NOMA, es necesario introducir el demapper ML.
Figura 10: Constelaciones QPSK para la capa CL.
Figura 11: Constelaciones 16QAM para la capa EL.
Figura 12: Suma de capas con un nivel de inyección
g=4dB.
Figura 13: Suma de capas con un nivel de inyección
g=10dB.
(7)
(8)
Figura 14: Demapper ML vs SSD en NOMA de la capa
CL, en un canal AWGN.
Figura 15: Demapper ML vs SSD en NOMA de la capa
EL, en un canal AWGN.
http://novasinergia.unach.edu.ec 69
En la tabla 1 se muestran los resultados de los
cálculos de acuerdo con las ecuaciones (7) y (8), y
los resultados de acuerdo con las figuras 14 y 15 en
un canal AWGN. Tanto para la capa CL como para
la capa EL, los resultados esperados mediante la
aproximación teórica del SNR se parecen a los
resultados gráficos del demapper ML, mientras que
con respecto a los resultados del demapper SSD son
muy distintos.
Tabla 1: Demapper SSD vs. ML.
Resultados
Error absoluto
Gráficos
Teóricos
(dB)
Demapper
Capa
SSD
(dB)
ML
(dB)
SSD
(dB)
ML
(dB)
CL
CQI 01
CQI 05
7.00
23.90
-3.90
6.00
-3.97
5.89
10.97
18.01
0.07
0.11
EL
CQI 10
CQI 15
--
--
16.10
25.80
16.10
25.46
-----
-----
0
0.34
En la figura 16 se muestran medidas de BLER
utilizando los demapper ML y SSD en un canal
PedB; en esta figura se pueden observar resultados
similares al de la figura 14, se puede ver que el
demapper SSD no funciona de forma correcta en el
sistema de NOMA, en contraste con ML, el cual
tiene un buen funcionamiento.
Figura 16: Demapper ML vs. SSD en NOMA, en un canal
PedB.
3.4 Impacto de los parámetros
configurables de NOMA
Las configuraciones utilizadas en el simulador se
muestran en la tabla 2 y las características de cada
CQI se muestran en la tabla 3.
3.4.1 Nivel de inyección
Se utilizan los valores 2, 4, 6, 8 para evaluar el
impacto del nivel de inyección sobre ambas capas
CL y EL. Un CQI 01 es asumido para la capa CL,
mientras que para la capa EL se emplea un CQI 10.
En la figura 17 se observa las curvas de NOMA y
unicapa, estas son medidas de tasa de error en
relación con SNR. Se puede ver que al utilizar un
nivel de inyección de 2dB para la capa CL, la curva
de NOMA está muy alejada de la curva unicapa y
conforme aumenta el nivel de inyección, la curva de
NOMA se va acercando a la curva unicapa. Esto
quiere decir que a mayor nivel de inyección se asigna
mayor porcentaje de potencia a la capa CL; además,
esto puede observarse en la figura 2 de la sección 3
de este documento, por tanto, mientras más potencia
se asigne a la capa CL, su resultado se asemeja al
comportamiento de la transmisión de una sola capa.
Tabla 2: Parámetros utilizados en el simulador.
Parámetros
Valor
Tipo de simulación
SUSISO
Tipo de canal
AWGN
Estimación de canal
PERFECT
Receptor
Maximum Likelihood
(ML)
Nivel de inyección
2dB, 4dB, 6dB, 8dB
Capa CL
CQI: 1, 2, 3, 4, 5, 6
Capa EL
CQI: 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13,
14, 15
Tabla 3: Parámetro CQI para cada capa (European
Telecommunications Standards Institute, 2013).
CQI
Modulación
Code rate
*1024
Eficiencia
1
QPSK
78
0.1523
2
QPSK
120
0.2344
3
QPSK
193
0.3770
4
QPSK
308
0.6016
5
QPSK
449
0.8770
6
QPSK
602
1.1758
7
16 QAM
378
1.4766
8
16 QAM
490
1.9141
9
16 QAM
616
2.4063
10
64 QAM
466
2.7305
11
64 QAM
567
3.3223
12
64 QAM
666
3.9023
13
64 QAM
772
4.5234
14
64 QAM
873
5.1152
15
64 QAM
948
5.5547
Tabla 4: Ganancias y pérdidas por efecto del nivel de
inyección.
Capa CL
Capa EL
De 2dB a 4dB
-0.9 dB
1.3 dB
De 4dB a 6dB
-0.7 dB
1.6 dB
De 6dB a 8dB
-0.4 dB
1.6 dB
http://novasinergia.unach.edu.ec 70
En la figura 18, se observa que al utilizar un nivel de
inyección de 2dB para la capa EL, la curva de
NOMA está cerca de la curva unicapa y conforme se
va aumentando el nivel de inyección, la curva de
NOMA se va alejando de la curva unicapa. Esto
quiere decir que al aumentar el nivel de inyección se
asigna menor porcentaje de potencia a la capa EL,
por tanto, este se aleja de los resultados que se
obtienen al transmitir una sola capa.
En la tabla 4 se muestran las ganancias y pérdidas en
la SNR umbral que se obtiene al cambiar el nivel de
inyección en las capas CL y EL. Existe un mayor
cambio de rendimiento para la capa CL, mientras
para la capa EL no es notorio el cambio. Esto se debe
a que la capa CL está afectada por la capa EL como
un ruido interferente y la capa EL está afectada por
la reducción de su señal de potencia.
Figura 17: Impacto del nivel de inyección en la capa CL.
Figura 18: Impacto del nivel de inyección en la capa EL.
3.4.2 CQI de la capa CL
Una vez evaluado el impacto del nivel de inyección,
se estudió cómo afecta la robustez de la capa CL
utilizando diferentes CQIs. Para ello se ha fijado el
CQI 10 de la capa EL y 4dB del nivel de inyección.
Las curvas de NOMA de los CQI: 01, 03 y 05 en
comparación con las curvas unicapa de los CQI: 01,
03 y 05 del sistema unicapa aumentan 2dB; 3.6dB;
5.8dB de SNR. correspondientemente, tal y como se
observa en la figura 19. Por tanto, si se utiliza un CQI
robusto, el rendimiento del sistema NOMA
mejorará, debido a que un CQI más alto
proporcionará una mejor codificación y a su vez
mayor eficiencia espectral, caso contrario existirá un
bajo rendimiento.
Figura 19: Impacto del CQI en la capa CL.
3.4.3 CQI de la capa EL
Por último, se evalúa el rendimiento de la capa EL
con diferentes CQIs. Para ello se ha fijado el CQI 01
de la capa CL y 4 del nivel de inyección. Las
curvas de NOMA de los CQI {07, 10 y 15} en
comparación con las curvas unicapa de los CQI {07,
10 y 15} del sistema unicapa, aumentan la SNR en
5.4dB, 5.4dB y 5.7dB, respectivamente, tal y como
se observa en la figura 20.
Figura 20: Impacto del CQI en la capa EL.
Por tanto, siempre y cuando la capa CL sea
demodulada correctamente para el nivel de
inyección dado, el hecho de utilizar un CQI con
mayor tasa de eficiencia, debería mantener constante
la diferencia del rendimiento entre NOMA y el
sistema unicapa.
3.5 NOMA VS. TDM en un canal
AWGN
Una vez estudiado los parámetros NOMA
individualmente, se procede a comparar el sistema
NOMA con el sistema tradicional TDM para
demostrar la mayor eficiencia espectral que
http://novasinergia.unach.edu.ec 71
proporciona NOMA. Para ello se evalúan distintas
combinaciones de CQIs que proporcionan diferentes
tasas de transmisión en servicios destinados a
recepción móvil y fija.
En la tabla 5 se muestra la comparación de
rendimiento entre NOMA y TDM. Para una
comparación equitativa, es decir para observar una
ganancia de rendimiento dada la igualdad de
condiciones de las velocidades de datos, se
seleccionaron cuidadosamente los parámetros tales
como: el nivel de inyección de NOMA, la asignación
de tiempo de TDM, las tasas transmisión y las
órdenes de modulación.
En la figura 21, se muestra una combinación de los
servicios móviles y fijos con una tasa de transmisión
baja. Para garantizar una tasa de transmisiones en
NOMA de 0.15 bps/Hz del servicio móvil y de 1.47
bps/Hz del servicio fijo, se utilizó los CQIs 01 y 07,
respectivamente. Para mantener esas tasas de
transmisión en el sistema TDM, en el servicio móvil
se utilizó los CQIs {02, 03, 04} que tienen asignado
el {58%, 40%, 30%} de tiempo
correspondientemente, mientras que para el servicio
fijo se utilizó los CQIs {11, 10, 09} que tienen
asignado el {42%, 60%, 70%} de tiempo,
respectivamente.
En la figura 22 se muestra una combinación de los
servicios móviles y fijos con una tasa de transmisión
alta. Para garantizar una tasa de transmisiones en
NOMA de 0.377 bps/Hz del servicio móvil y de 3.9
bps/Hz del servicio fijo, se utilizó los CQIs {03 y
12}, respectivamente.
Figura 21: Tasas de transmisión BAJAS de los servicios
móviles y fijos.
Para mantener esas tasas de transmisión en el sistema
TDM, en el servicio móvil se utilizó los CQIs {04,
05, 06} que tienen asignado el {58%, 40%, 30%} de
tiempo, respectivamente, mientras que para el
servicio fijo se utilizó el CQI 15 que tienen asignado
el 70% de tiempo. Para un menor porcentaje de
tiempo para el servicio fijo de 42% y 60% no hay un
CQI que brinde la misma capacidad que NOMA,
esto es porque la Release’8 sólo proporciona 15
CQIs.
Figura 22: Tasas de transmisión ALTAS de los servicios
móviles y fijos.
Para garantizar una tasa de transmisiones media en
NOMA de 0.234 bps/Hz del servicio móvil y de 2.4
bps/Hz del servicio fijo, se utilizó los CQIs {02 y
09}, respectivamente. Para mantener esas tasas de
transmisión en el sistema TDM, en el servicio móvil
se utilizó los CQIs {03, 04, 05} que tienen asignado
el {58%, 40%, 30%} de tiempo, respectivamente,
mientras que para el servicio fijo se utilizaría los
CQIs {15, 13, 12} que tienen asignado el {42%,
60%, 70%} de tiempo, respectivamente. En la figura
22 se observa que NOMA es mejor que TDM.
Para la tabla 5, se utilizó el canal un AWGN, tanto
para el servicio móvil, como para el servicio fijo y se
consideran tres sistemas TDM, que asignan {58%,
40%, 30%} de tiempo para los servicios móviles y
{42%, 60%, 70%} de tiempo para los servicios fijos.
En la tabla 6 se muestra un sistema de NOMA con
0.377 bps/Hz de la capa CL y 3.32 bps/Hz para la
capa EL; existe una ganancia de 5.64 dB sobre un
sistema TDM con 58% de la capa CL y 42% de la
capa EL en el canal AWGN. Se observó que este
caso de NOMA tuvo ganancias de 3.5 dB y 3.6 dB
sobre los casos de TDM con [CL 40% / EL 60%] y
[CL 30% / EL 70%], respectivamente. Al considerar
otras combinaciones móviles y fijas, el sistema
NOMA mostró ganancias de alrededor 1.42 dB a
5.64 dB sobre TDM en el canal AWGN.
http://novasinergia.unach.edu.ec 72
Tabla 6: Ganancia de Noma sobre TDM en un canal
AWGN.
Ganancias para tasas bajas
Móvil
Móvil 58%
tiempo
Móvil 40%
tiempo
Móvil
30%
tiempo
0.15bps/Hz
-0.33
1.57
3.27
Fijo
Fijo 42%
tiempo
Fijo 60%
tiempo
Fijo 70%
tiempo
1.47bps/Hz
2.05
0.15
-1.85
Ganancias para tasas altas
Móvil
Móvil 58%
tiempo
Móvil 40%
tiempo
Móvil
30%
tiempo
0.377bps/Hz
-0.89
1.01
2.81
Fijo
Fijo 42%
tiempo
Fijo 60%
tiempo
Fijo 70%
tiempo
3.9bps/Hz
N/A
N/A
0.16
3.5.1 Comparación de NOMA con
ATSC 3.0
Las ganancias de NOMA en LTE de la tabla 7 se
comparan con las ganancias de NOMA en ATSC
3.0 de la tabla 8. Se puede observar que para una
capacidad de 0.34 bps/Hz del servicio móvil de
NOMA en ATSC 3.0, en los tres sistemas TDM
brinda una mayor ganancia en comparación con
una capacidad de 0.37 bps/Hz del servicio móvil
NOMA en LTE. Esta ganancia se debe al low
density parity check (LDPC) que utiliza ATSC
3.0, puesto que es mejor que el turbo coding que
utiliza LTE.
En el caso del servicio fijo para una capacidad de
2.4 bps/Hz en LTE, en los tres sistemas TDM
brinda una mayor ganancia en comparación con
una capacidad de 0.25 bps/Hz del servicio fijo de
NOMA en ATSC 3.0.
Tabla 5: NOMA vs TDM en un canal AWGN.
NOMA nivel de inyección -4dB vs. TDM (unicapa)
Canal AWGN
Capa CL
Sistema NOMA
Sistema TDM
CL (100% Time)
Móvil 58% Tiempo
Móvil 40% Tiempo
Móvil 30% Tiempo
Date rate
SNR (dB)
Data rate
SNR
Data rate
SNR
Data rate
SNR
(dB)
Tasa
BAJA
CQI 1
0.1523
bps/Hz
QPSK 78
/1024
-3.97
CQI 2 0.14
bps/Hz
QPSK 120
/1024
-4.3
CQI 3 0.15
bps/Hz
QPSK 193
/1024
-2.4
CQI 4 0.18
bps/Hz
QPSK 308
/1024
-0.7
Tasa MEDIA
CQI 2
0.2344
bps/Hz
QPSK 120
/1024
-2.15
CQI 3 0.22
bps/Hz
QPSK 193
/1024
-2.4
CQI 4 0.24
bps/Hz
QPSK 308
/1024
-0.7
CQI 5 0.26
bps/Hz
QPSK 449
/1024
1.2
Tasa
ALTA
CQI 3
0.3770
bps/Hz
QPSK 193
/1024
0.19
CQI 4
0.35bps/Hz
QPSK 308
/1024
-0.7
CQI 5 0.35
bps/Hz
QPSK 449
/1024
1.2
CQI 6 0.35
bps/Hz
QPSK 602
/1024
3
Capa EL
EL (100% Time)
Fijo 42% Time
Fijo 60% Time
Fijo 70% Time
Tasa
BAJA
CQI 7 1.47
bps/Hz
16 QAM 378
/1024
10.55
CQI 11 1.4
bps/Hz
64QAM 567
/1024
12.6
CQI 10 1.6
bps/Hz
16QAM 466
/1024
10.7
CQI 9 1.6
bps/Hz
16QAM 616
/1024
8.7
Tasa
MEDIA 1
CQI 9
2.4 bps/Hz
16QAM 616
/1024
14.15
CQI 15 2.3
bps/Hz
64QAM 948
/1024
20.01
CQI 13 2.7
bps/Hz
64QAM 772
/1024
16.2
CQI 12 2.7
bps/Hz
64QAM 567
/1024
14.4
Tasa
MEDIA 2
CQI 11
3.32 bps/Hz
64QAM 567
/1024
18.05
-
N/A
CQI 15 3.33
bps/Hz
64QAM 948
/1024
20.01
CQI 14 3.5
bps/Hz
64QAM 873
/1024
18.25
Tasa
ALTA
CQI 12 3.9
bps/Hz
64QAM 666
/1024
19.85
-
N/A
-
N/A
CQI 15 3.9
bps/Hz
64QAM 948
/1025
20.01
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Tabla 7: Ganancia de NOMA sobre TDM en un canal
AWGN en LTE.
Móvil
Móvil 58%
tiempo
Móvil 40%
tiempo
Móvil 30%
tiempo
0.150 bps/Hz
-0.33
1.57
3.27
0.230 bps/Hz
-0.25
1.45
3.35
0.377 bps/Hz
-0.89
1.01
2.81
Fijo
Fijo 42%
tiempo
Fijo 60%
tiempo
Fijo 70%
tiempo
1.470 bps/Hz
2.05
0.15
-1.85
2.400 bps/Hz
5.86
2.05
0.25
3.320 bps/Hz
N/A
1.96
0.20
3.900 bps/Hz
N/A
N/A
0.16
Tabla 8: Ganancia de LDM sobre TDM en un canal
AWGN en ATSC 3.0 (Park et al., 2016).
Móvil
Móvil 55%
tiempo
Móvil 40%
tiempo
Móvil 30%
tiempo
0.34 bps/Hz
1.6 dB
3.3 dB
5.7 dB
0.46 bps/Hz
1.7 dB
4.1 dB
5.7 dB
0.81 bps/Hz
1.3 dB
3.4 dB
6.6 dB
Fijo
Fijo 45%
tiempo
Fijo 60%
tiempo
Fijo 70%
tiempo
2.50 bps/Hz
4.4 dB
-0.1 dB
-1.5 dB
3.60 bps/Hz
7.1 dB
2.0 dB
-1.3 dB
4.30 bps/Hz
0N/A
2.3 dB
-0.7 dB
5.27 bps/Hz
N/A
N/A
1.2 dB
3.6 Capacidades de servicios
alcanzables con diferentes umbrales
SNR de servicio fijo
En el apartado anterior se ha hecho el estudio
fijando las tasas de transmisión y se observó las
SNR requeridas. En esta última sección se hace
el proceso contrario, es decir, fijando las SNR se
obtuvieron las tasas de transmisión.
Fijando un umbral de SNR constante de 1.2 dB
correspondiente al servicio móvil y diferentes
umbrales de SNR de 10.7dB y 20.01dB,
correspondiente al servicio fijo, se obtuvieron
combinaciones de CQIs, de niveles de inyección,
las cuales se muestran en la tabla 9.
La figura 23 se obtuvo mediante las
combinaciones de la tabla 9; se comparó la
velocidad de datos alcanzables de los servicios
móviles y fijos de los sistemas TDM/FDM y
NOMA. Se puede observar que la curva de
NOMA en un umbral de 20.01dB para el servicio
fijo tiene una significativa ventaja de capacidad
en comparación con TDM/FDM. Mientras que
para un umbral de SNR de 10.7dB para el
servicio fijo, la ventaja no es tan significativa.
Figura 23: Comparación de capacidades alcanzables
para los servicios móviles y fijos en LTE.
Tabla 9: Capacidades de servicios móviles y fijos
en LTE.
LTE (eMBMS)
SNRm=1.2dB
SNRm=1.2dB
SNRf=10.7dB
SNRf=20.01dB
1
CL=CQI 05
capacidad=0.877bps/
Hz
CL=CQI 05
capacidad=0.877bps/
Hz
EL----
EL----
3
(IL=-
6.1dB)
CL=CQI 04
capacidad=0.6bps/H
z
CL=CQI 04
capacidad=0.6bps/H
z
EL=CQI 06
capacidad=1.17bps/
Hz
EL=CQI 11
capacidad=3.32bps/
Hz
4
(IL=-
2.5dB)
CL=CQI 03
capacidad=0.377bps/
Hz
CL=CQI 03
capacidad=0.377bps/
Hz
EL=CQI 08
capacidad=1.91bps/
Hz
EL=CQI 13
capacidad=4.5bps/H
z
2
CL------
CL------
EL=CQI 10
capacidad=
2.7bps/Hz
EL=CQI 15
capacidad=
5.5bps/Hz
Por tanto, cuanto mayor sea la diferencia entre los
umbrales de SNR de los servicios móviles y fijos,
mayor será la ventaja del sistema NOMA. Para el
caso de 0.6 bps/Hz del servicio móvil, se pudo
conseguir un aumento de 1.17 bps/Hz a 3.3
bps/Hz.
La figura 24 se obtuvo de las combinaciones
realizadas en la tabla 10. Los resultados de LTE
http://novasinergia.unach.edu.ec 74
se comparan con los de ATSC 3.0, fijando una
tasa media de 0.6 del servicio móvil, se consigue
una tasa fija de 1.17 bps/Hz en LTE mientras que
en ATSC 3.0 se consigue una tasa fija de 1.82
bps/Hz para una SNR móvil (SNRm) de 1.2 y
SNR fija (SNRf) de 10.7. En ATSC 3.0 se
consigue una tasa de 4.5 bps/Hz mientras que en
LTE se consigue una tasa de 3.3 bps/Hz para una
SNR fija de 20.01
Por tanto, ATSC 3.0 proporciona mayores
ganancias en NOMA que LTE, se debe
principalmente a una mayor eficiencia de la
codificación LDPC respecto al turbo código de
LTE.
Figura 24: Comparación de capacidades
alcanzables para los servicios móviles y fijos en
ATSC 3.0.
Tabla 10: Capacidades alcanzables para los servicios
móviles y fijos en ATSC 3.0.
ATSC 3.0
SNRm=1.2dB
SNRm=1.2dB
SNRf=10.7dB
SNRf=20.01dB
1
CL=QPSK 8/15
capacidad=1.6bps/Hz
CL=QPSK 8/15
capacidad=1.6bps/Hz
EL----
EL----
3
(IL=-
6.7dB)
CL=QPSK6/15
capacidad=0.79bps/Hz
CL=QPSK6/15
capacidad=0.79bps/Hz
EL=64NUC3/15
capacidad=1.82bps/Hz
EL=256NUC7/15
capacidad=3.71bps/Hz
4
(IL=-
3.9dB)
CL=QPSK5/15
capacidad=0.6bps/Hz
CL=QPSK5/15
capacidad=0.6bps/Hz
EL=256NUC3/15
capacidad=1.57bps/Hz
EL=64NUC11/15
capacidad=4.38bps/Hz
5
(IL=-
17dB)
CL=QPSK5/15
capacidad=0.5bps/Hz
CL=QPSK5/15
capacidad=0.5bps/Hz
EL=256NUC3/15
capacidad=1.92bps/Hz
EL=64NUC12/15
capacidad=4.78bps/Hz
2
CL--
CL--
EL=64NUC8/15
capacidad=3.18bps/Hz
EL=64NUC8/15
capacidad=3.18bps/Hz
4 Conclusiones
En este trabajo se ha evaluado el rendimiento del
nuevo sistema no ortogonal NOMA implantado
en ATSC 3.0 sobre el estándar de comunicación
móvil LTE.
La incorporación de NOMA tuvo una
complejidad adicional para transmisión y
recepción. El receptor móvil de la capa CL, es el
mismo, tanto para un sistema NOMA como para
sistemas unicapa tradicionales. El receptor fijo o
capa EL, es capaz de decodificar ambas capas
añadiendo una complejidad en términos de
procesamiento de señal y requerimiento de
memoria.
Se ha demostrado mediante resultados teóricos y
simulaciones que el demapper SSD no tiene un
buen funcionamiento en el sistema NOMA, los
resultados demostraron que el demapper SSD no
toma en cuenta el ruido de potencia del sistema;
este ruido cambia en NOMA, por lo cual se
incorporó el demapper ML que fue validado
mediante simulaciones y resultados teóricos en el
sistema NOMA.
Se ha evaluado el impacto que tiene cada
parámetro de NOMA en un sistema LTE y se
pudo determinar que, al utilizar un CQI robusto,
el rendimiento del sistema mejoró. También
depende de la robustez de la capa, siempre y
cuando la capa CL se demodule correctamente
para el nivel de inyección dado. El hecho de
utilizar un CQI con mayor tasa de eficiencia
mantendrá constante la diferencia del
rendimiento entre NOMA y el sistema unicapa.
Se ha comprobado que NOMA es mejor que
TDM en los casos que se utilice una tasa baja
(0.15 bps/Hz) en el receptor móvil y una tasa
media (2.4 bps/Hz) en el receptor fijo; los
resultados demostraron ganancias de 3.35 y
0.25, respectivamente.
Adicionalmente en esta investigación, se ha
realizado una comparación del sistema NOMA
vs. LTE con ATSC 3.0 y se observó que NOMA
en ATSC 3.0 es mejor; esto se debe
principalmente a que la codificación LDPC es
más eficiente respecto al turbo código de LTE.
El trabajo presentado en este documento
representa un gran aporte debido a que se
demuestra que aplicar la técnica NOMA
permitirá realizar una transmisión en diferente
nivel de potencia garantizando una mayor
eficiencia espectral y representando un mejor
http://novasinergia.unach.edu.ec 75
rendimiento con respecto a las tecnologías de
acceso múltiple ortogonales convencionales
TDM y FDM. En trabajos futuros se realizarán
estudios en canales realistas (canal TU-6 para la
capa CL y canal DVB-F1 Rice para la capa EL)
y se realizará pruebas con la nueva variante de
NOMA conocida como MUST en el ámbito de
5G.
Conflicto de Interés
Los autores declaran que no existe conflicto de
interés de naturaleza alguna.
Agradecimiento
Los autores realizan un agradecimiento al PhD.
José Francisco Monserrat, investigador del
Instituto de Telecomunicaciones y Aplicaciones
Multimedia de la Universidad Politécnica de
Valencia, quien fue guía clave para realizar esta
investigación.
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https://doi.org/10.1109/TBC.2015.2505408.
