Design and performance evaluation of transmission and multiple access schemes for the next generation wireless communication systems

Abstract

Since the advent of wireless communications, the paradigm of multiple access (MA) has been at the core of wireless systems, serving as a cornerstone for their continuous evolution across generations. Starting from orthogonal approaches, which allowed users to share the medium while avoiding destructive interference, advancing to non-orthogonal strategies, which enabled to accommodate multiple users within the same resources, and often acting as an enabler for other technological innovations by allowing them to operate more effectively, MA has consistently demonstrated its ability to adapt to the needs of wireless systems. Today, at this pivotal point toward realizing the sixth-generation (6G) vision, which aspires to seamlessly integrate the digital and physical worlds into a universal, multi-functional and intelligent ecosystem, a fundamental transformation of the MA paradigm is required. This transformation involves moving beyond traditional communication-centric designs toward innovative, flexible and intelligent frameworks collectively referred to as next-generation multiple access (NGMA). NGMA is expected to play a central role in empowering 6G to fulfill its ambitious vision and to meet far more stringent performance requirements than any of its predecessors. A brief historical review of the evolution of MA, from the early stages of the first-generation (1G) through the fourth-generation (4G) and up to the more recent fifth-generation (5G), is presented in the first chapter of this dissertation. This is followed by a discussion on the necessity for MA to evolve into the more innovative and holistic paradigm of NGMA, the key design considerations associated with it, several promising NGMA candidates and the imperative need for its efficient integration with other enabling technologies in the upcoming 6G landscape, along with the challenges this integration entails. Building on this foundation, Chapters 2 to 5 focus on the design of innovative transmission and MA mechanisms and their seamless integration with emerging 6G technological concepts, with the aim of addressing critical demands of next-generation wireless communication systems. Chapter 2 introduces a novel hybrid cellular and bidirectional device-to-device (D2D) transmission scheme that leverages cooperative non-orthogonal MA (CNOMA) to enable far users in a network to transmit their messages to a base station (BS) while simultaneously exchanging D2D messages. The proposed protocol departs from conventional orthogonal designs by allowing different types of communications, such as cellular and D2D, to coexist within the same orthogonal resource blocks of the network. In this way, both communication types are supported concurrently in a non-orthogonal manner, thereby leading to enhanced spectral efficiency levels. The performance of the proposed scheme is evaluated in terms of outage probabilities (OPs) and ergodic rates of the transmitted messages, as well as the system’s ergodic sum rate, which also serves as a measure of spectral efficiency. The results demonstrate that the proposed mechanism achieves significant performance gains compared to conventional orthogonal-based approaches. Chapter 3 introduces a novel next-generation distributed radio access architecture. The proposed architecture can be particularly useful for supporting the concept of distributed edge intelligence envisioned for future wireless systems, as well as for enabling network densification and achieving enhanced performance through cooperative approaches. Unlike most existing distributed architectures in the literature, where multiple remote radio heads (RRHs) are directly connected to a central unit (CU), the presented design enhances deployment flexibility by allowing only one RRH, referred to as the primary RRH, to communicate directly with the CU. The remaining RRHs, referred to as secondary RRHs, are connected to the CU through the primary RRH via free-space optical (FSO) links. Within this setup, distributed users access the wireless medium in a non-orthogonal manner, while RRHs cooperate during the decoding process. In this regard, two successive interference cancellation (SIC)-based cooperation schemes are developed, depending on whether inter-RRH communication is unidirectional or bidirectional. In addition, a four-step centralized algorithm is introduced to enable efficient user–RRH association and decoding order selection. The feasibility of the proposed schemes is demonstrated through the derivation of closed-form analytical expressions for the users’ OPs. Results indicate that, despite the weather-dependent nature of FSO links, in most of the practical scenarios the proposed architecture achieves performance comparable to an ideal benchmark scenario in which all RRHs are directly connected to the CU and cooperate via ideal perfect links. In the fourth chapter, an analytical framework is developed to investigate the potential of combining ambient backscatter communications (AmBC) with non-orthogonal MA (NOMA) to simultaneously achieve the spectral and energy efficiency targets of next-generation wireless systems, while also ensuring acceptable security levels. To this end, the chapter considers an uplink NOMA-based AmBC network consisting of multiple legitimate users and backscatter devices (BDs). The proposed design incorporates an efficient user–BD clustering approach, an access mechanism that leverages the inherent nature of BDs to exploit existing signals in the network for transmitting their own messages and a lightweight, low-complexity friendly jamming scheme against malicious eavesdroppers. For this system setup, outage performance, throughput, energy efficiency and security are evaluated by deriving novel closed-form analytical expressions for the OPs and intercept probabilities of both users and BDs, along with expressions for the system’s energy efficiency and sum throughput. Furthermore, an asymptotic analysis in the high signal-to-noise ratio (SNR) regime provides deeper insights into the outage and security behavior of the system. Numerical results validate the accuracy of the analytical framework, demonstrate the performance advantages of the proposed NOMA-based AmBC scheme over conventional OMA-based benchmarks and reveal the influence of different system parameters on network reliability, security and energy efficiency. Chapter 5 investigates the potential of rate-splitting MA (RSMA) as a strong candidate for enabling the coexistence and simultaneous support of numerous heterogeneous services within shared network resources, each characterized by distinct requirements, performance targets and access behaviors. In particular, considering a wireless network with multiple further enhanced mobile broadband (feMBB) and ultra-massive machine type communications (umMTC) sources, a hybrid orthogonal MA (OMA)–RSMA access mechanism is designed that accommodates the continuous access demand of feMBB sources in every time slot, while also capturing the probabilistic access behavior of umMTC sources when attempting to access the wireless medium. The chapter develops detailed mathematical models describing the received signals and signal-to-interference-plus-noise ratios under both ideal conditions of perfect channel state information (pCSI) and perfect SIC (pSIC) and the more practical, realistic scenarios of imperfect channel state information (ipCSI) and imperfect SIC (ipSIC). The performance of the proposed scheme is then analyzed in terms of the OPs and ergodic rates of the sources, as well as the system’s total throughput and ergodic sum rate. Simulation results validate the authenticity of the analytical framework, illustrate the impact of various system parameters on both source and network level performance and illustrate the detrimental effects of ipCSI and ipSIC compared to the ideal case of pCSI and pSIC. These findings underscore the importance of accounting for such imperfections in the design and analysis of realistic RSMA-based wireless systems. Finally, the sixth chapter summarizes the main conclusions of the presented research and presents possible future extensions.

Από την απαρχή των ασύρματων επικοινωνιών, το παράδειγμα της πολλαπλής πρόσβασης βρίσκεται στον πυρήνα των ασύρματων συστημάτων, αποτελώντας θεμέλιο λίθο για τη συνεχή εξέλιξή τους μέσα στις διαδοχικές γενιές. Ξεκινώντας από ορθογώνιες προσεγγίσεις, οι οποίες επέτρεπαν στους χρήστες να μοιράζονται το μέσο αποφεύγοντας την καταστροφική παρεμβολή, προχωρώντας σε μη-ορθογώνιες στρατηγικές, οι οποίες επέτρεπαν την ταυτόχρονη εξυπηρέτηση πολλαπλών χρηστών εντός των ίδιων διαθέσιμων πόρων, και συχνά λειτουργώντας ως καταλύτης για την ομαλή λειτουργία άλλων τεχνολογικών καινοτομιών, το παράδειγμα της πολλαπλής πρόσβασης έχει αποδείξει διαχρονικά την ικανότητά του να προσαρμόζεται στις ανάγκες των ασύρματων συστημάτων. Σήμερα, στο κρίσιμο μεταίχμιο προς την υλοποίηση του οράματος της έκτης γενιάς (sixth-generation - 6G) επικοινωνιών, η οποία στοχεύει στην αρμονική ενοποίηση του ψηφιακού και του φυσικού κόσμου σε ένα καθολικό, πολυλειτουργικό και ευφυές οικοσύστημα, καθίσταται αναγκαίος ένας θεμελιώδης μετασχηματισμός του παραδείγματος της πολλαπλής πρόσβασης. Ο μετασχηματισμός αυτός αφορά τη μετάβαση από τις παραδοσιακές, επικοινωνιοκεντρικές προσεγγίσεις σε καινοτόμα, ευέλικτα και ευφυή πλαίσια, τα οποία συνολικά αναφέρονται ως πολλαπλή πρόσβαση νέας γενιάς (next-generation multiple access – NGMA). Η NGMA αναμένεται να διαδραματίσει κεντρικό ρόλο στην πραγμάτωση του οράματος του 6G, ικανο-ποιώντας πολύ αυστηρότερες απαιτήσεις απόδοσης σε σχέση με όλες τις προηγούμενες γενιές. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται μία σύντομη ιστορική ανασκόπηση της εξέλιξης της πολλαπλής πρόσβασης, από τα πρώτα στάδια των δικτύων πρώτης γενιάς (first-generation - 1G) έως και τα πιο πρόσφατα δίκτυα πέμπτης γενιάς (fifth-generation - 5G). Ακολουθεί μια συζήτηση σχετικά με την ανάγκη εξέλιξής της προς το πιο καινοτόμο και ολιστικό παράδειγμα της NGMA, τις βασικές σχεδιαστικές παραμέτρους που τη χαρακτηρίζουν, τους πλέον υποσχόμενους υποψηφίους μηχανισμούς NGMA, καθώς και την επιτακτική ανάγκη αποδοτικής ενσωμάτωσης της με άλλες τεχνολογίες-κλειδιά στο υπό διαμόρφωση οικοσύστημα του 6G, μαζί με τις προκλήσεις που αυτή συνεπάγεται. Με βάση αυτό το θεωρητικό υπόβαθρο, τα Κεφάλαια 2-5 επικεντρώνονται στο σχεδιασμό καινοτόμων μηχανισμών μετάδοσης και πολλαπλής πρόσβασης και στη συνδυασμένη λειτουργία τους με αναδυόμενες τεχνολογικές έννοιες του 6G, με στόχο την ικανοποίηση κρίσιμων απαιτήσεων των ασύρματων συστημάτων επικοινωνιών επόμενης γενιάς. Το δεύτερο κεφάλαιο εισάγει μία καινοτόμο υβριδική τεχνική ταυτόχρονης κυψελωτής και αμφίδρομης από συσκευή-προς-συσκευή (device-to-device – D2D) μετάδοσης, η οποία αξιοποιεί τη συνεργατική μη-ορθογώνια πολλαπλή πρόσβαση (cooperative non-orthogonal multiple access – CNOMA) ώστε να επιτρέπει σε απομακρυσμένους χρήστες να μεταδίδουν τα μηνύματά τους προς έναν σταθμό βάσης, ενώ ταυτόχρονα ανταλλάσσουν D2D μηνύματα. Το προτεινόμενο πρωτόκολλο αποκλίνει από τα παραδοσιακά ορθογώνια πρότυπα, καθώς επιτρέπει τη συνύπαρξη διαφορετικών τύπων επικοινωνιών, των κυψελωτών και D2D επικοινωνιών, μέσα στα ίδια ορθογώνια μπλοκ πόρων του δικτύου, επιτυγχάνοντας έτσι μη-ορθογώνια ταυτόχρονη εξυπηρέτηση και αυξημένα επίπεδα φασματικής αποδοτικότητας. Η επίδοση του προτεινόμενου σχήματος αξιολογείται ως προς τις πιθανότητες διακοπής επικοινωνίας (outage probabilities - OPs) και τους εργοδικούς ρυθμούς μετάδοσης των εκπεμπόμενων μηνυμάτων, καθώς και το συνολικό αθροιστικό εργοδικό ρυθμό μετάδοσης του συστήματος ο οποίος αποτελεί κι έναν δείκτη φασματικής αποδοτικότητας. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι η προτεινόμενη τεχνική μετάδοσης επιτυγχάνει σημαντικά κέρδη απόδοσης σε σύγκριση με τις συμβατικές ορθογώνιες προσεγγίσεις. Στο τρίτο κεφάλαιο προτείνεται μια καινοτόμος αρχιτεκτονική κατανεμημένης πρόσβασης στο ραδιοφάσμα, η οποία μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα χρήσιμη για την υποστήριξη της έννοιας της κατανεμημένης νοημοσύνης άκρου (distributed edge intelligence), καθώς και για την επίτευξη πύκνωσης του δικτύου (network densification) αλλά και βελτιωμένης απόδοσης μέσω συνεργατικών μηχανισμών. Σε αντίθεση με τις περισσότερες υπάρχουσες κατανεμημένες αρχιτεκτονικές, όπου απομακρυσμένες κεφαλές ραδιοπρόσβασης (remote radio heads - RRHs) συνδέονται απευθείας με μία κεντρική μονάδα επεξεργασίας (central unit - CU), η προτεινόμενη σχεδίαση ενισχύει την ευελιξία ανάπτυξης επιτρέποντας μόνο σε μία RRH, την πρωτεύουσα RRH, να επικοινωνεί απευθείας με την CU, ενώ οι υπόλοιπες δευτερεύουσες RRHs συνδέονται με την CU μέσω της πρωτεύουσας, αξιοποιώντας οπτικές ζεύξεις ελεύθερου χώρου (free space optical links – FSO links). Εντός της προτεινόμενης αρχιτεκτονικής, κατανεμημένοι χρήστες αποκτούν πρόσβαση στο μέσο με μη-ορθογώνιο τρόπο, ενώ οι RRHs συνεργάζονται κατά τη διαδικασία αποκωδικοποίησης. Στο πλαίσιο αυτό, στο κεφάλαιο αυτό αναπτύσσονται δύο μηχανισμοί συνεργασίας βασισμένοι στην τεχνική διαδοχικής ακύρωσης παρεμβολών (successive interference cancellation - SIC), ανάλογα με το αν η επικοινωνία μεταξύ των RRHs είναι μονοκατευθυντική ή αμφίδρομη. Παράλληλα, προτείνεται ένας αλγόριθμος κεντρικοποιημένης βελτιστοποίησης τεσσάρων βημάτων για την αποδοτική αντιστοίχιση χρηστών–RRHs και τον καθορισμό της σειράς αποκωδικοποίησης. Η βιωσιμότητα των προτεινόμενων σχημάτων τεκμηριώνεται μέσω αναλυτικών εκφράσεων κλειστής μορφής για τις OPs των χρηστών. Tα αποτελέσματα δείχνουν ότι, παρά την εξάρτηση των FSO ζεύξεων από τις καιρικές συνθήκες, η προτεινόμενη αρχιτεκτονική προσεγγίζει στα περισσότερα πρακτικά σενάρια εφαρμογής την απόδοση ενός ιδανικού σεναρίου όπου όλες οι RRHs συνδέονται απευθείας με την CU και συνεργάζονται μεταξύ τους μέσω ιδανικών ζεύξεων. Το τέταρτο κεφάλαιο αναπτύσσει ένα αναλυτικό πλαίσιο για τη διερεύνηση του συνδυασμού των παθητικών επικοινωνιών περιβαλλοντικής σκέδασης (ambient backscatter communications – AmBC) με τη μη-ορθογώνια πολλαπλή πρόσβαση (non-orthogonal multiple access – NOMA), με στόχο την ταυτόχρονη επίτευξη φασματικής και ενεργειακής αποδοτικότητας σε δίκτυα νέας γενιάς, διασφαλίζοντας παράλληλα ικανοποιητικά επίπεδα ασφάλειας φυσικού επιπέδου. Το κεφάλαιο εξετάζει ένα NOMA–AmBC δίκτυο άνω ζεύξης που περιλαμβάνει πολλαπλούς νόμιμους (legitimate) χρήστες και παθητικές συσκευές ανάκλασης (backscatter devices - BDs), και προτείνει ένα αποδοτικό σχήμα ομαδοποίησης χρηστών–BD, έναν μηχανισμό πρόσβασης που αξιοποιεί τη φύση των BDs για παθητική εκπομπή μηνυμάτων μέσω υπαρχόντων σημάτων, καθώς και μία χαμηλής πολυπλοκότητας τεχνική φυσικού επιπέδου που στηρίζεται στην εκπομπή φιλικών παρεμβολών ενάντια σε κακόβουλους υποκλοπείς. Οι επιδόσεις του προτεινόμενου δικτύου, σε όρους διακοπής επικοινωνίας, ρυθμαπόδοσης, ενεργειακής αποδοτικότητας και ασφάλειας, αξιολογούνται μέσω της εξαγωγής αναλυτικών εκφράσεων για τις OPs και τις πιθανότητες υποκλοπής των χρηστών, καθώς και εκφράσεων συνολικής ρυθμαπόδοσης και ενεργειακής αποδοτικότητας του δικτύου. Επιπλέον, παρουσιάζεται μία ασυμπτωτική ανάλυση για τις υψηλές τιμές σηματοθορυβικού λόγου, η οποία προσφέρει βαθύτερη κατανόηση της συμπεριφοράς του συστήματος ως προς τις περιπτώσεις διακοπής επικοινωνίας και την ασφάλεια. Τα αριθμητικά αποτελέσματα επιβεβαιώνουν την ακρίβεια του προτεινόμενου θεωρητικού πλαισίου, αναδεικνύουν τα πλεονεκτήματα της NOMA–AmBC προσέγγισης έναντι συμβατικών σχημάτων ορθογώνιας πολλαπλής πρόσβασης και αποκαλύπτουν την επίδραση των παραμέτρων του συστήματος στην αξιοπιστία, ασφάλεια και ενεργειακή αποδοτικότητα του δικτύου. Το πέμπτο κεφάλαιο διερευνά την τεχνική πολλαπλής πρόσβασης με διαχωρισμό ρυθμού (rate-splitting multiple access – RSMA) ως έναν από τους πλέον υποσχόμενους υποψήφιους μηχανισμούς για τη συνύπαρξη και ταυτόχρονη υποστήριξη ετερογενών υπηρεσιών εντός κοινών δικτυακών πόρων, κάθε μία εκ των οποίων χαρακτηρίζεται από διαφορετικές απαιτήσεις, στόχους απόδοσης και συμπεριφορές πρόσβασης στο δίκτυο. Συγκεκριμένα, εξετάζεται ένα δίκτυο με πολλαπλές further enhanced mobile broadband (feMBB) και ultra-massive machine type communications (umMTC) πηγές, για το οποίο προτείνεται ένας υβριδικός μηχανισμός ορθογώνιας και RSMA πρόσβασης που εξασφαλίζει συνεχή πρόσβαση των feMBB πηγών σε κάθε χρονοθυρίδα, ενώ λαμβάνει υπόψη την πιθανοτική συμπεριφορά πρόσβασης των umMTC πηγών. Αναπτύσσονται λεπτομερή μαθηματικά μοντέλα για τα λαμβανόμενα σήματα και τους λόγους σήματος προς παρεμβολή και θόρυβο υπό συνθήκες τέλειας γνώσης της κατάστασης των καναλιών επικοινωνίας (channel state information - CSI) και τέλειας εφαρμογής της διαδικασίας SIC, καθώς και υπό τις πιο ρεαλιστικές συνθήκες μη τέλειας γνώσης των καναλιών και μη τέλειας εφαρμογής της διαδικασίας SIC. Η επίδοση του προτεινόμενου μηχανισμού αξιολογείται ως προς τις OPs και τους εργοδικούς ρυθμούς των πηγών, καθώς και τη συνολική ρυθμαπόδοση και τον αθροιστικό εργοδικό ρυθμό του συστήματος. Προσομοιώσεις επαληθεύουν το αναλυτικό θεωρητικό πλαίσιο, καταδεικνύουν τον αντίκτυπο διαφόρων παραμέτρων στην επίδοση τόσο των πηγών όσο και του δικτύου συνολικά, και αναδεικνύουν τις επιπτώσεις των ατελειών CSI και SIC συγκριτικά με το ιδανικό σενάριο τέλειων διαδικασιών CSI και SIC. Τα ευρήματα αυτά υπογραμμίζουν τη σημασία της ενσωμάτωσης τέτοιων ατελειών στον σχεδιασμό και τη μελέτη ρεαλιστικών RSMA ασύρματων συστημάτων. Τέλος, το έκτο κεφάλαιο συνοψίζει τα κύρια συμπεράσματα της παρούσας έρευνας και προτείνει πιθανά πεδία μελλοντικής διερεύνησης.