Tackling Interference in HAPS Networks via Angular-Aware Clustering and RSMA

ملخص تقني: معالجة التداخل في شبكات المحطات الجوية ذات الارتفاع العالي (HAPS) عبر التجميع الواعي بالزوايا وتقنية RSMA

بيان المشكلة

تقدم المحطات الجوية ذات الارتفاع العالي (HAPS) حلاً واعداً لشبكات الجيل القادم اللاسلكية من خلال توفير اتصال شامل من طبقة الستراتوسفير. ومع ذلك، تواجه شبكات HAPS تحديات تداخل فريدة تختلف عن الشبكات الأرضية. فبسبب الارتفاع الشاهق لـ HAPS، تهيمن ظروف خط البصر (LoS) القوية على الروابط مع المستخدمين الأرضيين مع محدودية في تغير القنوات. ونتيجة لذلك، يبدو المستخدمون الذين يبتعدون جغرافياً عن منظور أرضي قريبين من بعضهم البعض من منظور HAPS، مما يؤدي إلى تشابه كبير في ظروف القنوات وتكثيف التداخل بين المستخدمين.

تتمثل المشكلة المحددة التي يتناولها هذا العمل في وجود محطة HAPS واحدة تخدم عدة مستخدمين أرضيين عبر حزم متعددة فوق عدد محدود من كتل الموارد (RBs) المتعامدة. وبما أن عدد المستخدمين ($U$) يتجاوز عدد كتل الموارد المتاحة ($R$)، يجب أن يتشارك عدة مستخدمين في نفس كتلة المورد (RB)، مما يؤدي إلى تداخل شديد داخل الكتلة الواحدة (intra-RB). إن الأساليب التقليدية التي تستخدم حزماً مخصصة لكل مستخدم غالباً ما تكون غير عملية نظراً لارتفاع HAPS وتقارب المستخدمين. لذلك، يكمن التحدي في إدارة التداخل بفعالية عندما يتم تجميع المستخدمين في عناقيد جغرافية تخدمها حزمة واحدة، مع تحسين تخصيص كتل الموارد المحدودة واستراتيجيات الإرسال لتعظيم الكفاءة الطيفية (SE).

المنهجية

يقترح المؤلفون إطار عمل مكون من ثلاث مراحل لإدارة التداخل: التجميع الواعي بالزوايا، وتخصيص كتل الموارد الواعي بالتداخل، وتقنية الوصول المتعدد بتقسيم المعدل (RSMA).

1. التجميع الواعي بالزوايا وتوجيه الحزم

يفترض النظام أن HAPS يشكل حزماً نحو عناقيد جغرافية بدلاً من مستخدمين أفراد.

• استراتيجية التجميع: يتم تجميع المستخدمين في $L = \lceil U/R \rceil$ من العناقيد بناءً على مواقعهم الزاوية (الارتفاع $\theta$ والسمت $\phi$). يستخدم المؤلفون خوارزمية K-means مقيدة بالسعة لضمان عدم تجاوز حجم أي عنقود لـ $R$.
• توجيه الحزم (WU-Clustering): على عكس الأساليب القائمة على المركز، تستخدم استراتيجية "أسوأ مستخدم" (WU) المقترحة لتوجيه كل حزمة نحو الاتجاه الذي يعظم الحد الأدنى من كسب الهوائي الفعال لجميع المستخدمين في ذلك العنقود. يضمن ذلك العدالة ويحمي المستخدمين ذوي ظروف القناة الأسوأ داخل العنقود.
• تخصيص كتل الموارد (RB Allocation): داخل كل عنقود، تُخصص كتل الموارد بشكل متعامد لتجنب التداخل داخل العنقود (intra-cluster). ومع ذلك، بما أنه يتم إعادة استخدام كتل الموارد عبر العناقيد المختلفة، فإن التداخل بين العناقيد (inter-cluster) يظل قائماً. تقوم خوارزمية التخصيص بتعيين كتل الموارد للمستخدمين لتقليل تسرب التداخل المتراكم من المستخدمين الذين تم جدولتهم بالفعل في العناقيد الأخرى.

2. إدارة التداخل بين العناقيد القائم على RSMA

للتخفيف من التداخل الحتمي بين العناقيد الناتج عن إعادة استخدام كتل الموارد، يستخدم المؤلفون تقنية الوصول المتعدد بتقسيم المعدل (RSMA) لكل كتلة مورد (RB).

• تقسيم الرسائل: يتم تقسيم رسالة كل مستخدم إلى جزء مشترك وجزء خاص.
• هيكل الإرسال:
  • يتم دمج الأجزاء المشتركة لجميع المستخدمين الذين يتشاركون في كتلة مورد محددة في تدفق مشترك واحد ($s^{(c)}_r$)، يُرسل بقدرة $p^{(c)}_{r,\ell}$ لكل حزمة عنقود.
  • يتم ترميز الأجزاء الخاصة في تدفقات خاصة فردية ($s^{(p)}_u$)، تُرسل بقدرة $p^{(p)}_u$.
• الاستقبال: يقوم المستخدمون أولاً بفك تشفير التدفق المشترك (مع اعتبار التدفقات الخاصة كضجيج)، ثم يقومون بعملية إلغاء التداخل المتتالي (SIC)، وبعد ذلك يفكون تشفير تدفقهم الخاص. يسمح هذا بإدارة مرنة للتداخل عبر اعتباره ضجيجاً أو فك تشفيره جزئياً.

3. صياغة التحسين

يصيغ المؤلفون مشكلة تحسين "العدالة القصوى الدنيا" (MMF) لتصميم تخصيص القدرة للتدفقات المشتركة والخاصة ($p^{(c)}$ و $p^{(p)}$) وتخصيص المعدل المشترك ($C_u$) بشكل مشترك. الهدف هو تعظيم الحد الأدنى من معدل البيانات القابل للتحقيق لجميع المستخدمين، مع مراعاة قيود إجمالي قدرة الإرسال وقيود فك التشفير.

• نهج الحل: نظراً للطبيعة غير المحدبة للمشكلة (التي تتضمن نسب نسبة الإشارة إلى التداخل بالإضافة إلى الضجيج (SINR))، يستخدم المؤلفون تقنية التقريب المتتالي للمنحنيات (SCA). يقومون بإدخال متغيرات مساعدة واستخدام تقريبات تايلور من الدرجة الأولى لتحويل المشكلة إلى شكل محدب يمكن التعامل معه وحله بشكل تكراري.

المساهمات الرئيسية

1. إطار عمل تجميع مبتكر: يقدم البحث خوارزمية تجميع واعية بالزوايا تجمع المستخدمين بناءً على التشابه الزاوي وتستخدم استراتيجية توجيه حزم تعتمد على "أسوأ مستخدم". وهذا يتناقض مع الأعمال السابقة التي تفترض غالباً حزماً مخصصة لكل مستخدم أو توجيهاً يعتمد على المركز، مما يوفر نهجاً أكثر عملية لهندسة HAPS.
2. استراتيجية RSMA متكاملة: يدمج العمل تقنية RSMA في شبكات HAPS خصيصاً لإدارة التداخل بين العناقيد الناتج عن إعادة استخدام كتل الموارد، وهو سيناريو تفشل فيه التخصيصات المتعامدة التقليدية.
3. التحسين المشترك: طور المؤلفون خوارزمية تكرارية (MMF-RSMA-PA) تعمل على تحسين توجيه الحزم، وتخصيص كتل الموارد، وتقسيم القدرة والمعدل بشكل مشترك لتعظيم العدالة والكفاءة الطيفية.
4. تقييم شامل: تقدم الدراسة تحليلاً مفصلاً للمقايضات بين كسب تشكيل الحزم وتخفيف التداخل، وبالتحديد فحص تأثير تكوينات مصفوفة هوائيات HAPS (حجم المصفوفة المستوية الموحدة UPA).

النتائج العددية

أُجريت عمليات المحاكاة باستخدام HAPS على ارتفاع 20 كم يخدم 60 مستخدماً عبر 10 كتل موارد باستخدام مصفوفة مستوية موحدة (UPA) بحجم 8x8.

• التقارب: تظهر خوارزمية SCA التكرارية المقترحة (الخوارزمية 2) تقارباً رتيباً، حيث تستقر في أقل من 13 تكراراً.
• مكاسب الكفاءة الطيفية:
  • تأثير RSMA: عند مقارنة المخطط المقترح (التجميع بنظام WU + RSMA) مقابل خط الأساس بدون RSMA (التجميع بنظام WU بدون RSMA)، يظهر تحسن كبير. ارتفع متوسط الكفاءة الطيفية (SE) من حوالي 0.12 بت/ثانية/هرتز إلى 0.55 بت/ثانية/هرتز، مما يظهر زيادة أربعة أضعاف، ويبرز فعالية RSMA في إدارة التداخل بين العناقيد.
  • تأثير التجميع: تفوق نظام WU-Clustering المقترح باستمرار على نهج التجميع القائم على المركز (C-Clustering + RSMA). فمن خلال مراعاة ظروف قناة "أسوأ مستخدم" صراحةً أثناء توجيه الحزم، حسنت استراتيجية WU العدالة والحد الأدنى من المعدلات.
• مقايضة تكوين الهوائيات: أدى زيادة عدد عناصر الهوائيات (على سبيل المثال، من 2x2 إلى 8x8) إلى تحسين الأداء من خلال تضييق الحزم وكبح التداخل. ومع ذلك، أدت زيادة حجم المصفوفة بشكل أكبر (مثل 16x16 أو أكبر) إلى تدهور الأداء. فالحزم الأضيق قللت من الكسب للمستخدمين الموجودين بعيداً عن مركز الحزمة، مما أثر سلباً على أداء النظام الإجمالي.

الأهمية والادعاءات

يدعي البحث أن إطار العمل المقترح الذي يجمع بين التجميع الواعي بالزوايا وتقنية RSMA يتفوق بشكل كبير على المخططات المرجعية من حيث الكفاءة الطيفية القابلة للتحقيق لكل مستخدم. ويؤكد المؤلفون أن نهجهم يعالج الخصائص الانتشارية المحددة لشبكات HAPS (خط البصر القوي، ومحدودية تغير القنوات) والتي تجعل استراتيجيات إدارة التداخل التقليدية أقل فعالية.

تكمن أهمية العمل في إثبات أن:

1. تشكيل الحزم العملي: توجيه الحزم بناءً على "أسوأ مستخدم" داخل العنقود يتفوق على التوجيه القائم على المركز لضمان العدالة في شبكات HHAPS.
2. فعالية RSMA: تعد RSMA أداة قوية لإدارة نوع التداخل بين العناقيد الناتج عن إعادة استخدام كتل الموارد في سيناريوهات HAPS، مما يوفر جسراً بين معاملة التداخل كضجيج وبين فك تشفيره بالكامل.
3. توازن تصميم النظام: هناك مقايضة حرجة في تصميم هوائيات HAPS؛ فمجرد زيادة عدد عناصر الهوائيات لا يضمن أداءً أفضل بسبب تضييق نطاق تغطية الحزمة، مما يستلزم نهج تصميم متوازن.

يخلص البحث إلى أن هذا النهج المتكامل يدير التداخل بفعالية في شبكات HAPS، مما يعزز أداء المستخدمين الأرضيين من حيث الكفاءة الطيفية دون الحاجة إلى أجهزة تشكيل حزم معقدة مخصصة لكل مستخدم.