Multi-/Uni-Cast Non-Orthogonal Multiple Access-Based INAC

Resumen Técnico: INAC Basado en Acceso Múltiple No Ortogonal de Difusión Unidireccional/Multidireccional

Enunciado del Problema
El rápido desarrollo de las comunicaciones y la navegación por satélite ha creado una necesidad urgente de integrar estas tecnologías dentro de un único sistema para lograr comunicaciones fiables y navegación precisa simultáneamente. Los enfoques tradicionales, como la multiplexación por división de tiempo, por división de frecuencia o por división de código, adolecen de ineficiencias inherentes. La multiplexación por división de tiempo (TDM) provoca discontinuidad en las señales de navegación, dificultando la captura de la señal y degradando el rendimiento de la medición de distancias. La multiplexación por división de frecuencia (FDM) consume un ancho de banda sustancial, mientras que la multiplexación por división de código (CDM) está limitada por el número reducido de secuencias de expansión disponibles. Además, los estudios existentes sobre Navegación y Comunicación Integrada (INAC) a menudo carecen de un análisis exhaustivo del rendimiento a nivel de señal, particularmente en lo que respecta a la Tasa de Error de Bit (BER) y la precisión de posicionamiento bajo marcos de Acceso Múltiple No Ortogonal (NOMA). Aunque el NOMA se ha propuesto para INAC, las soluciones prácticas para la eliminación de interferencias y la caracterización detallada del rendimiento a través de diferentes estrategias de asignación de potencia permanecen inexploradas.

Metodología
Los autores proponen una estructura de señal novedosa basada en Acceso Múltiple No Ortogonal de Difusión Unidireccional/Multidireccional (MUC-NOMA). En esta arquitectura, las señales de navegación y comunicación comparten una secuencia de ruido pseudoaleatorio (PN) común a nivel de señal. El sistema divide la señal de comunicación en dos partes: una porción ($\xi$) se fusiona con la señal de navegación para formar una señal de multidifusión de baja velocidad, mientras que el resto ($1-\xi$) se transmite como una señal de unidifusión de alta velocidad. Estas dos corrientes se superponen utilizando técnicas NOMA.

Se definen dos escenarios operativos distintos basados en factores de asignación de potencia ($\beta_1$ para multidifusión, $\beta_2$ para unidifusión, donde $\beta_1 + \beta_2 = 1$):

1. Orientado a Multidifusión (MO-INAC): Se asigna más potencia a la señal de multidifusión ($\beta_1 > \beta_2$).
2. Orientado a Unidifusión (UO-INAC): Se asigna más potencia a la señal de unidifusión ($\beta_1 < \beta_2$).

Para mitigar la interferencia de canal coherente, el receptor emplea Cancelación Sucesiva de Interferencias (SIC). El algoritmo de procesamiento de señales decodifica primero la señal de mayor potencia, la reconstruye, la resta de la señal recibida y luego decodifica la señal de menor potencia. El artículo desarrolla un marco teórico unificado para derivar expresiones en forma cerrada para la BER de ambas señales de navegación y comunicación, así como para la precisión de medición de distancias (error de posicionamiento). El análisis tiene en cuenta la naturaleza de división de tasa de la estructura DSSS, donde el número de símbolos de unidifusión superpuestos dentro de un símbolo de multidifusión ($M$) altera fundamentalmente el comportamiento de la interferencia.

Contribuciones Clave

• Arquitectura de Señal: El artículo propone una señal INAC basada en MUC-NOMA donde las señales de multidifusión de baja velocidad y unidifusión de alta velocidad se superponen sobre la misma secuencia PN. Esto permite que la navegación y la comunicación compartan recursos de tiempo, frecuencia y código a nivel de bit dentro de un marco de Espectro Expandido por Secuencia Directa (DSSS).
• Marco Teórico Unificado: Los autores derivan expresiones exactas en forma cerrada de la BER para los escenarios MO-INAC y UO-INAC. A diferencia de los sistemas NOMA convencionales que asumen tasas de símbolo idénticas, este trabajo aborda la estructura DSSS de división de tasa, derivando estadísticas de decisión despreadidas, funciones de densidad de probabilidad (PDF) y expresiones de BER que tienen en cuenta mecanismos de propagación de errores distintos en cada escenario.
• Análisis de Precisión de Medición de Distancias: El estudio mapea analíticamente la interferencia residual hacia la fluctuación de seguimiento del bucle de bloqueo de retardo (DLL), proporcionando expresiones en forma cerrada para la precisión de medición de distancias. Vincula explícitamente el rendimiento de medición de distancias con las tasas de datos de comunicación y la asignación de potencia.
• Aproximaciones de Alta Relación Señal-Ruido (SNR): Se derivan expresiones aproximadas en forma cerrada de la BER para condiciones de alta Relación Señal-Ruido (SNR), revelando relaciones fundamentales entre el rendimiento del sistema, los factores de asignación de potencia y las tasas de comunicación.

Resultados
Las evaluaciones numéricas y las simulaciones de Monte Carlo (utilizando parámetros de satélites MEO) confirman los resultados analíticos:

• Rendimiento de MO-INAC: En el escenario MO-INAC, asignar más potencia a la señal de multidifusión produce un excelente rendimiento de posicionamiento y BER para la señal de navegación. Sin embargo, a medida que aumenta la tasa de datos de comunicación, la BER de la señal de comunicación aumenta mientras que la BER de la señal de navegación disminuye.
• Rendimiento de UO-INAC: En el escenario UO-INAC, asignar más potencia a la señal de unidifusión reduce la interferencia en los recursos compartidos. Cuando la asignación de potencia de comunicación es alta y la tasa de datos es baja, ambas señales exhiben un buen rendimiento de BER. Sin embargo, tasas de datos de comunicación más altas conducen a una precisión de medición de distancias reducida debido al tiempo de integración coherente limitado.
• Compensaciones: Existe una compensación entre la BER de la señal de comunicación y la señal de navegación. En MO-INAC, aumentar la asignación de potencia de navegación mejora la BER de navegación pero degrada la BER de comunicación. En UO-INAC, aumentar la potencia de comunicación mejora la BER de comunicación pero puede degradar el rendimiento de navegación debido a la propagación de errores desde el proceso SIC.
• Comparación con Líneas Base: En comparación con las líneas base de Acceso Múltiple por División de Tiempo (TDMA) y Desplazamiento de Código Cíclico (CCSK), el esquema NOMA propuesto ofrece una utilización de recursos y escalabilidad superiores. Mientras que TDMA y CCSK pueden ofrecer una BER de navegación ligeramente mejor en aislamiento específico, el esquema NOMA evita la escasez de recursos de CDM y la pérdida de tiempo de integración de TDM, al tiempo que mantiene la compatibilidad con receptores heredados al preservar la fase PN original.
• Medición de Distancias: El escenario MO-INAC demuestra un rendimiento de medición de distancias superior en comparación con UO-INAC y líneas base de navegación pura en ciertas condiciones, ya que la superposición de bits de comunicación puede proporcionar ganancias de energía o cancelación de auto-interferencia. Por el contrario, la precisión de medición de distancias de UO-INAC se degrada a medida que aumentan las tasas de datos de comunicación.

Significancia y Afirmaciones
El artículo afirma que la estructura de señal INAC propuesta basada en MUC-NOMA proporciona una solución práctica para integrar comunicaciones y navegación por satélite, superando los problemas de discontinuidad de TDM y la ineficiencia de recursos de FDM/CDM. Al proporcionar expresiones analíticas en forma cerrada, el trabajo ofrece un marco integral para evaluar el rendimiento del sistema sin depender exclusivamente de simulaciones. Los autores afirman que el escenario MO-INAC es particularmente resistente a la pérdida de trayectoria y a la degradación de la señal, lo que lo convierte en una opción preferida para sistemas de satélites en Órbita Media Terrestre (MEO). El estudio destaca que, si bien existen compensaciones de rendimiento entre los servicios de comunicación y navegación dependiendo de la asignación de potencia y las tasas de datos, la arquitectura propuesta permite una división flexible de recursos para equilibrar estos requisitos, mejorando finalmente la eficiencia y la fiabilidad del sistema.