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Hybrid Rate-Splitting and Sparse Code Multiple Access (RS-SCMA): Design and Performance

यह शोध पत्र एक नवीन हाइब्रिड मल्टीपल एक्सेस फ्रेमवर्क, जिसे RS-SCMA कहा जाता है, का प्रस्ताव और मूल्यांकन करता है, जो एक ट्यूनेबल स्प्लिटिंग फैक्टर के माध्यम से सम-दर (sum-rate), बिट एरर रेट और ओवरलोडिंग कारकों को गतिशील रूप से संतुलित करने के लिए एक SISO डाउनलिंक परिदृश्य में रेट-स्प्लिटिंग और स्पार्स कोड मल्टीपल एक्सेस को एकीकृत करता है, जो पारंपरिक SCMA और मल्टी-कैरियर RSMA योजनाओं की तुलना में बेहतर प्रदर्शन और मजबूती प्रदर्शित करता है।

मूल लेखक: Minerva Priyadarsini, Zilong Liu, Kuntal Deka, Sujit Kumar Sahoo, Sanjeev Sharma

प्रकाशित 2026-01-29

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Minerva Priyadarsini, Zilong Liu, Kuntal Deka, Sujit Kumar Sahoo, Sanjeev Sharma

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

एक व्यस्त राजमार्ग की कल्पना करें जहाँ हज़ारों कारों (डेटा) को एक ही समय में विभिन्न गंतव्यों तक पहुँचना है। वायरलेस संचार की दुनिया में, यह मल्टीपल एक्सेस (Multiple Access) की चुनौती है: यह कैसे कई उपयोगकर्ताओं को एक ही टॉवर (बेस स्टेशन) से बात करने दे बिना उनके स्वरों को एक अराजक, अनियंत्रित शोर में बदले।

यह शोध पत्र एक नया ट्रैफिक प्रबंधन सिस्टम पेश करता है जिसे RS-SCMA कहा जाता है। यह एक हाइब्रिड दृष्टिकोण है जो दो मौजूदा रणनीतियों को जोड़ता है ताकि राजमार्ग को अधिक सुचारू, तेज़ और दुर्घटनाओं (त्रुटियों) से कम मुक्त बनाया जा सके।

यहाँ सरल उपमाओं का उपयोग करके इसका विवरण दिया गया है:

1. समस्या: ट्रैफिक प्रबंधन के दो पुराने तरीके

इस नए सिस्टम से पहले, इंजीनियर मुख्य रूप से दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग करते थे, जिनमें से प्रत्येक में अपनी खामियां थीं:

विधि A: "सामान्य घोषणा" (रेट-स्प्लिटिंग / RSMA)
कल्पना करें कि टॉवर एक ज़ोरदार, सामान्य घोषणा करता है जिसे हर कोई सुन सकता है (एक "कॉमन मैसेज")। फिर, यह व्यक्तिगत कारों को विशिष्ट निर्देश फुसफुसाता है ("प्राइवेट मैसेज")।
- चुनौती: फुसफुसाहट सुनने के लिए, हर कार को पहले ज़ोरदार घोषणा को सुनना होगा, यह समझना होगा कि इसका क्या अर्थ है, और फिर अपने दिमाग में इसे "कैंसिल" या हटा देना होगा ताकि वे फुसफुसाहट सुन सकें। यदि कार घोषणा को गलत समझ लेती है, तो कैंसलेशन विफल हो जाता है, और फुसफुसाहट बिगड़ जाती है। यह तब अच्छा काम करता है जब कारों के पास शक्तिशाली इंजन (मल्टीपल एंटेना) होते हैं, लेकिन साधारण, सिंगल-एंटेना वाली कारों के लिए संघर्ष करता है।
विधि B: "गुप्त कोडबुक" (स्पार्स कोड मल्टीपल एक्सेस / SCMA)
कल्पना करें कि प्रत्येक कार को एक अद्वितीय, गुप्त रंग पैटर्न (कोडबुक) सौंपा गया है। वे सभी एक ही समय में एक ही सड़क पर चलते हैं, लेकिन क्योंकि उनके पैटर्न स्पार्स (ज्यादातर खाली जगह जिसमें कुछ रंगीन बिंदु हैं) हैं, इसलिए एक स्मार्ट रिसीवर उन्हें सुलझा सकता है।
- चुनौती: यह बहुत अधिक कारों को सड़क पर पैक करने (उच्च "ओवरलोडिंग") के लिए बेहतरीन है, लेकिन इसमें बहुत अधिक भीड़ होने पर अराजकता को संभालने का कोई अंतर्निहित तरीका नहीं है। इसमें गतिशील रूप से हस्तक्षेप (इंटरफेरेंस) को प्रबंधित करने के लिए "ट्रैफिक पुलिस" की कमी है।

2. समाधान: हाइब्रिड "RS-SCMA" सिस्टम

लेखक इन दोनों विधियों को एक सुपर-सिस्टम में मिलाने का प्रस्ताव देते हैं। इसे एक दो-स्तरीय डिलीवरी सेवा के रूप में सोचें:

"कॉमन लेयर" (ज़ोरदार घोषणा):
टॉवर एक मानक, आसानी से पढ़े जाने वाले संदेश (M-QAM मॉड्यूलेशन का उपयोग करके) भेजता है जो एक "ट्रैफिक कंट्रोल सिग्नल" के रूप में कार्य करता है। यह रेट-स्प्लिटिंग वाला हिस्सा है।
"प्राइवेट लेयर" (गुप्त कोड):
साथ ही, टॉवर प्रत्येक उपयोगकर्ता के लिए विशिष्ट, उच्च-गति वाला डेटा SCMA गुप्त कोडों का उपयोग करके भेजता है।

जादुई तत्व: स्प्लिटिंग फैक्टर ( $\alpha$ )
इस सिस्टम में एक "डायल" या "नॉब" है जिसे $\alpha$ कहा जाता है।

यदि आप डायल को एक तरफ घुमाते हैं, तो आप अधिक "कॉमन अनाउंसमेंट" भेजते हैं और कम "सीक्रेट कोड्स" भेजते हैं।
यदि आप इसे दूसरी ओर घुमाते हैं, तो आप अधिक "सीक्रेट कोड्स" भेजते हैं और कम घोषणा भेजते हैं।
यह क्यों महत्वपूर्ण है: यह सिस्टम को वास्तविक समय में अनुकूलित करने की अनुमति देता है। यदि सड़क बहुत भीड़भाड़ वाली है, तो आपको सभी को समन्वय करने में मदद करने के लिए अधिक "कॉमन अनाउंसमेंट" की आवश्यकता हो सकती है। यदि सड़क खाली है, तो आप गति को अधिकतम करने के लिए अधिक "सीक्रेट कोड्स" भेजने पर ध्यान केंद्रित कर सकते हैं।

3. रिसीवर कैसे काम करता है (द "सॉफ्ट" कैंसलेशन)

यहीं पर यह शोध पत्र चतुर हो जाता है। पुराने "कॉमन अनाउंसमेंट" तरीके में, यदि कोई कार घोषणा को "हार्ड" अनुमान (जैसे, "मुझे लगता है कि घोषणा 'रुकिए' थी") का उपयोग करके रद्द करने की कोशिश करती है, और वह गलत होती है, तो त्रुटि एक वायरस की तरह फैल जाएगी, जिससे निजी संदेश खराब हो जाएगा।

नया RS-SCA रिसीवर "सॉफ्ट" कैंसलेशन का उपयोग करता है:

एक "हार्ड" अनुमान लगाने के बजाय, रिसीवर इस बारे में एक "संभावना" या "अनुभूति" की गणना करता है कि कॉमन मैसेज क्या था (जिसे लॉग-लाइकलीहुड रेश्यो कहा जाता है)।
इसके बाद, यह कॉमन मैसेज के इस "सॉफ्ट" संस्करण को सिग्नल से घटा देता है।
उपमा: कल्पना करें कि आप एक शोर वाले कमरे में फुसफुसाहट सुनने की कोशिश कर रहे हैं। यह कहने के बजाय कि "मुझे लगता है कि शोर कुत्ते के भौंकने का था!" और उम्मीद करना कि आप सही हैं, आप कहते हैं, "शोर शायद कुत्ते का था, लेकिन शायद थोड़ा सा कार का भी हो सकता है।" आप उस संभावित शोर को अपनी सुनने की क्षमता से घटा देते हैं। यह निजी संदेश के लिए बहुत स्वच्छ सिग्नल छोड़ देता है।
एक बार जब "शोर" (कॉमन मैसेज) को सॉफ्ट तरीके से हटा दिया जाता है, तो रिसीवर शेष "सीक्रेट कोड्स" (प्राइवेट मैसेज) को सुलझाने के लिए एक परिष्कृत एल्गोरिदम (MPA) का उपयोग करता है।

4. परिणाम: उन्होंने क्या पाया?

लेखकों ने सिमुलेशन (कंप्यूटर टेस्ट) चलाए यह देखने के लिए कि यह नया हाईवे सिस्टम पुराने तरीकों की तुलना में कैसा प्रदर्शन करता है।

बेहतर ट्रैफिक प्रवाह: नया सिस्टम (RS-SCMA) पुराने तरीकों की तुलना में लगातार अधिक डेटा (उच्च "सम-रेट") स्थानांतरित करता है।
कम दुर्घटनाएँ: इसमें त्रुटियाँ कम हुईं (कम बिट एरर रेट), जिसका अर्थ है कि डेटा अक्सर सुरक्षित रूप से पहुँचता है।
लचीलापन: "डायल" ( $\alpha$ ) को समायोजित करके, सिस्टम गति और विश्वसनीयता के बीच संतुलन बना सकता था। यदि आपको गति चाहिए थी, तो आपने डायल को एक तरफ घुमाया; यदि आपको विश्वसनीयता चाहिए थी, तो आपने दूसरी ओर घुमाया।
मजबूती (Robustness): भले ही टॉवर के पास सड़क की स्थितियों के बारे में सटीक जानकारी (चैनल एस्टीमेशन एरर्स) नहीं थी, फिर भी यह सिस्टम प्रतिस्पर्धा की तुलना में बेहतर काम करता रहा।

सारांश

यह शोध पत्र वायरलेस डेटा ट्रैफिक को प्रबंधित करने का एक नया तरीका प्रस्तावित करता है। एक "ज़ोरदार घोषणा" प्रणाली या एक "गुप्त कोड" प्रणाली में से किसी एक को चुनने के बजाय, उन्होंने एक हाइब्रिड बनाया जो दोनों का उपयोग करता है। यह तय करने के लिए कि किसका कितना उपयोग करना है, एक ट्यूनेबल डायल का उपयोग करता है, और निजी संदेशों को डिकोड करने से पहले सिग्नल को साफ करने के लिए एक स्मार्ट "सॉफ्ट" कैंसलेशन तकनीक का उपयोग करता है। परिणाम एक ऐसा सिस्टम है जो पिछली तकनीकों की तुलना में तेज़, अधिक विश्वसनीय और भीड़भाड़ वाले नेटवर्क को संभालने में बेहतर है।

तकनीकी सारांश: हाइब्रिड रेट-स्प्लिटिंग और स्पार्स कोड मल्टीपल एक्सेस (RS-SCMA)

1. समस्या विवरण

यह शोध पत्र 6G नेटवर्क के लिए, विशेष रूप से सिंगल-इनपुट-सिंगल-आउटपुट (SISO) डाउनलिंक परिदृश्यों के भीतर, अत्यधिक कुशल, विश्वसनीय और स्केलेबल मल्टीपल एक्सेस (MA) योजनाओं को डिजाइन करने की चुनौती को संबोधित करता है। जबकि रेट-स्प्लिटिंग मल्टीपल एक्सेस (RSMA) मजबूत इंटरफेरेंस प्रबंधन प्रदान करता है और पावर-डोमेन नॉन-ऑर्थोगोनल मल्टीपल एक्सेस (PD-NOMA) लचीलापन प्रदान करता है, और स्पार्स कोड मल्टीपल एक्सेस (SCMA) कम जटिलता के साथ लगभग इष्टतम मल्टीयूजर डिटेक्शन प्रदान करता है, इन प्रतिमानों (paradigms) को एकीकृत करना महत्वपूर्ण वास्तुशिल्प संघर्ष प्रस्तुत करता है।

पहचाना गया प्राथमिक तकनीकी अवरोध RSMA द्वारा आवश्यक सक्सेसिव इंटरफेरेंस कैंसलेशन (SIC) डिकोडिंग और SCMA में उपयोग किए जाने वाले मैसेज पासिंग एल्गोरिदम (MPA) डिटेक्शन के बीच असंगति है। एक सहज दृष्टिकोण जहाँ MPA डिटेक्शन से पहले हार्ड-डिसीजन SIC किया जाता है, डिकोडिंग अभिसरण (convergence) को विकृत कर सकता है, जिससे विनाशकारी त्रुटि प्रसार (error propagation) हो सकता है। इसके अलावा, मौजूदा RSMA कार्यान्वयन अक्सर मल्टी-एंटीना प्रीकोडिंग पर निर्भर करते हैं जिसके लिए ट्रांसमीटर पर चैनल स्टेट इंफॉर्मेशन (CSIT) की आवश्यकता होती है, जबकि SCMA आमतौर पर सांख्यिकीय चैनल जानकारी के साथ संचालित होता है। यह शोध पत्र इन दोनों योजनाओं को एक "यूनिवर्सल मल्टीपल एक्सेस" (UMA) ढांचे के निर्माण के लिए एकीकृत करने का प्रयास करता है जो दोनों की शक्तियों का लाभ उठाता है और उनकी व्यक्तिगत सीमाओं को कम करता है।

2. कार्यप्रणाली

प्रस्तावित समाधान एक हाइब्रिड फ्रेमवर्क है जिसे RS-SCMA कहा जाता है, जो SISO डाउनलिंक वातावरण में SCMA एन्कोडिंग के साथ रेट-स्प्लिटिंग सिद्धांतों को एकीकृत करता है।

सिस्टम आर्किटेक्चर

ट्रांसमीटर डिज़ाइन: सिस्टम एक पदानुक्रमित (hierarchical) ट्रांसमिशन संरचना का उपयोग करता है। प्रत्येक उपयोगकर्ता के संदेश को एक ट्यूनेबल स्प्लिटिंग फैक्टर $\alpha$ $α$ के आधार पर दो घटकों में विभाजित किया जाता है:
- कॉमन स्ट्रीम (Common Stream): इसे M-ary क्वाड्रचर एम्प्लीट्यूड मॉड्यूलेशन (M-QAM) का उपयोग करके मॉड्युलेट किया जाता है। यह स्ट्रीम उपयोगकर्ताओं के बीच साझा की जाती है और एक सामान्य संदेश के रूप में मानी जाती है।
- प्राइवेट स्ट्रीम (Private Stream): इसे उपयोगकर्ता-विशिष्ट SCMA कोडबुक्स का उपयोग करके एनकोड किया जाता है। ये ऑर्थोगोनल सब-कैरियर्स पर मैप किए गए स्पार्स कोडवर्ड्स हैं।
- सुपरपोजिशन (Superposition): ट्रांसमीटर M-QAM कॉमन सिग्नल और SCMA-एनकोडेड प्राइवेट सिग्नल्स को सुपरइम्पोज़ करता है, जिसमें क्रमशः पावर कोएफिशिएंट्स $p_c$ और $p_p$ आवंटित किए जाते हैं।
रिसीवर डिज़ाइन (Rx-1 और Rx-2): शोध पत्र SIC-MPA संघर्ष को हल करने के लिए दो रिसीवर आर्किटेक्चर प्रस्तावित करता है:
- Rx-1 (अनकोडेड सिस्टम): यह सॉफ्ट SIC का उपयोग करता है। हार्ड निर्णयों के बजाय, रिसीवर कॉमन सिंबल संभाव्यता का अनुमान लगाने के लिए QAM डिमॉड्यूलेटर से लॉग-लाइक्लीहुड रेश्यो (LLRs) की गणना करता है। इन सॉफ्ट सिम्बल्स को पुनर्गठित किया जाता है और प्राप्त सिग्नल से घटाया जाता है, इससे पहले कि MPA डिटेक्टर अवशिष्ट (residual) प्राइवेट सिग्नल्स को प्रोसेस करे।
- Rx-2 (कोडेड सिस्टम): एक उन्नत संस्करण जहाँ सॉफ्ट बिट्स को SIC प्रक्रिया की सटीकता में सुधार करने के लिए चैनल डिकोडर फीडबैक का उपयोग करके परिष्कृत किया जाता है, जिससे एक डिकोडर-असिस्टेड फीडबैक लूप बनता है।
विश्लेणात्मक मॉडलिंग (Analytical Modeling): लेखक एक ट्यूनेबल स्प्लिटिंग फैक्टर $\alpha$ के फलन (function) के रूप में प्राप्त होने योग्य सम-दर (achievable sum-rate) के लिए एक एकीकृत विश्लेणात्मक अभिव्यक्ति व्युत्पन्न करते हैं। यह विश्लेषण परिमित-वर्णमाला (finite-alphabet) बाधाओं, अपूर्ण SIC (एक रेसिड्यू फैक्टर $\epsilon$ द्वारा मॉडल किया गया), और एक स्टोकेस्टिक एरर मॉडल का उपयोग करके अपूर्ण रिसीवर चैनल स्टेट इंफॉर्मेशन (CSIR) को ध्यान में रखता है।

ओवरलोडिंग और स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी

फ्रेमवर्क ओवरलोडिंग फैक्टर ( $\lambda$ ) को नियंत्रित करने के लिए एक डायनेमिक तंत्र पेश करता है। $\alpha$ को बदलकर, सिस्टम कॉमन और प्राइवेट सिम्बल्स के अनुपात को समायोजित करता है। शोध पत्र दो ट्रांसमिशन चरणों में प्रभावी ओवरलोडिंग फैक्टर के लिए अभिव्यक्तियाँ व्युत्पन्न करता है:

संयुक्त ट्रांसमिशन (Joint Transmission): दोनों कॉमन और प्राइवेट स्ट्रीम सक्रिय हैं।
डोमिनेंट स्ट्रीम ट्रांसमिशन (Dominant Stream Transmission): केवल वह स्ट्रीम जो बड़े आवंटन ( $\alpha$ द्वारा निर्धारित) वाली है, उसे ट्रांसमिट किया जाता है।
यह सिस्टम को स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी ( $\eta$ ) और ओवरलोडिंग फैक्टर के बीच गतिशील रूप से संतुलन बनाने की अनुमति देता है।

3. प्रमुख योगदान

शोध पत्र निम्नलिखित विशिष्ट योगदानों का दावा करता है:

प्रथम हाइब्रिड फ्रेमवर्क: यह पहला पदानुहित ट्रांसमिशन स्ट्रक्चर प्रस्तावित करता है जो M-QAM कॉमन स्ट्रीम्स को SCMA-एनकोडेड प्राइवेट स्ट्रीम्स के साथ सुपरपोज़ करता है, जिससे आंशिक इंटरफेरेंस डिकोडिंग और कैंसलेशन संभव होता है और साथ ही प्राइवेट मैसेज के लिए MPA डिटेक्शन सुरक्षित रहता है।
नवीन रिसीवर आर्किटेक्चर: सॉफ्ट SIC के साथ SCMA डिटेक्शन को एकीकृत करने वाले दो रिसीवर का डिज़ाइन। Rx-1, QAM डिमॉड्यूलेटर से LLRs का उपयोग करता है, जबकि Rx-2 बढ़ी हुई सटीकता के लिए चैनल डिकोडर फीडबैक को शामिल करता है।
एकीकृत विश्लेणात्मक अभिव्यक्तियाँ: स्प्लिटिंग फैक्टर $\alpha$ के फलन के रूप में RS-SCMA की प्राप्त होने योग्य सम-दर (achievable sum-rate) के लिए एक क्लोज्ड-फॉर्म एक्सप्रेशन का व्युत्पन्न, जो पूर्ण और अपूर्ण SIC दोनों परिदृश्यों को कवर करता है, और अपूर्ण CSIR तक विस्तारित है।
प्रदर्शन सत्यापन: व्यापक सिमुलेशन जो दर्शाते हैं कि RS-SCMA, बिट एरर रेट (BER), ब्लॉक एरर रेट (BLER) और सम-दर के मामले में पारंपरिक SCMA और मल्टी-कैरियर RSMA से बेहतर प्रदर्शन करता है।

4. परिणाम

शोध पत्र में प्रस्तुत सिमुलेशन परिणाम संकेत देते हैं कि:

श्रेष्ठता: RS-SCMA लगातार स्टैंडअलोन SCMA और MC-RSMA सिस्टम की तुलना में बेहतर BER और सम-दर प्रदर्शन प्राप्त करता है।
ट्यूनेबिलिटी (Tunability): स्प्लिटिंग फैक्टर $\alpha$ एक कंट्रोल नॉब के रूप में कार्य करता है, जिससे सिस्टम ऑपरेटर्स थ्रूपुट (सम-दर) और एरर-रेट प्रदर्शन के बीच संतुलन बना सकते हैं।
मजबूती (Robustness): प्रस्तावित योजना चैनल अनुमान त्रुटियों की उपस्थिति में भी स्केलेबिलिटी और मजबूती प्रदर्शित करती है।
लचीलापन: सिस्टम मौलिक कोडबुक संरचना को बदले बिना कॉमन और प्राइवेट स्ट्रीम के बीच आवंटन को शिफ्ट करके संचार आवश्यकताओं के अनुकूल हो सकता है।

5. महत्व और दावे

शोध पत्र RS-SCMA को यूनिवर्सल मल्टीपल एक्सेस (UMA) की अवधारणा की ओर एक महत्वपूर्ण "पहला कदम" के रूप में स्थापित करता है। लेखक तर्क देते हैं कि जबकि मौजूदा योजनाएं जैसे RSMA, SCMA, और PD-NOMA विशिष्ट आयामों (स्पेस, पावर, कोड) में कार्य करती हैं, एक एकीकृत ढांचे की आवश्यकता है जो भविष्य के 6G नेटवर्क के लिए सभी आयामों (समय, आवृत्ति, शक्ति, स्थान, सिग्नल) का लाभ उठा सके।

इस कार्य का महत्व दो अलग-अलग प्रतिमानों—RSMA के इंटरफेरेंस प्रबंधन और SCMA के कोड-डोमेन मल्टीप्लेक्सिंग—को सामंजस्यपूर्ण बनाने की क्षमता में निहित है, जो उन वास्तुशिल्प संघर्षों को दूर करता है जिन्होंने पहले इनके एकीकरण को रोका था। एक ट्यूनेबल स्प्लिटिंग फैक्टर और सॉफ्ट SIC तंत्र पेश करके, शोध पत्र दावा करता है कि यह SISO डाउनलिंक परिदृश्यों के लिए एक लचीला, स्केलेबल और मजबूत समाधान प्रदान करता है, जो एक जटिल MA परिदृश्य की सरल वैचारिक समझ प्रदान करता है। यह कार्य यह दावा नहीं करता है कि यह सभी 6G चुनौतियों को हल कर देता है, बल्कि इसका लक्ष्य रेट-स्प्लिटिंग और कोड-डोमेन NOMA के बीच के अंतर को पाटना है, जिससे उन्नत स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी और विश्वसनीयता के लिए एक एकीकृत सैद्धांतिक और व्यावहारिक ढांचा प्रदान किया जा सके।