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

तकनीकी सारांश: कोणीय-जागरूक क्लस्टरिंग और RSMA के माध्यम से HAPS नेटवर्क में हस्तक्षेप का समाधान

समस्या विवरण

हाई एल्टीट्यूड प्लेटफॉर्म स्टेशन्स (HAPS) स्ट्रैटोस्फीयर से सर्वव्यापी कनेक्टिविटी प्रदान करके अगली पीढ़ी के वायरलेस नेटवर्क के लिए एक आशाजनक समाधान पेश करते हैं। हालांकि, HAPS नेटवर्कों को अद्वितीय हस्तक्षेप चुनौतियों का सामना करना पड़ता है जो स्थलीय (terrestrial) नेटवर्कों से भिन्न हैं। HAPS की उच्च ऊंचाई के कारण, ग्राउंड यूजर्स के साथ लिंक मजबूत लाइन-ऑफ-साइट (LoS) स्थितियों द्वारा नियंत्रित होते हैं जिनमें चैनल परिवर्तनशीलता सीमित होती है। परिणामस्वरूप, जो उपयोगकर्ता स्थलीय दृष्टिकोण से भौगोलिक रूप से दूर हैं, वे HAPS के दृष्टिकोण से निकट स्थित दिखाई देते हैं, जिससे अत्यधिक समान चैनल स्थितियाँ उत्पन्न होती हैं और इंटर-यूज़र हस्तक्षेप तीव्र हो जाता है।

इस कार्य में संबोधित विशिष्ट समस्या एक एकल HAPS द्वारा सीमित संख्या में ऑर्थोगोनल रिसोर्स ब्लॉक्स (RBs) के माध्यम से कई ग्राउंड यूजर्स को कई बीमों के जरिए सेवा प्रदान करने से संबंधित है। चूंकि उपयोगकर्ताओं की संख्या ($U$) उपलब्ध RBs ($R$) से अधिक है, इसलिए एक ही RB को कई उपयोगकर्ताओं को साझा करना पड़ता है, जिससे गंभीर इंट्रा-RB हस्तक्षेप होता है। पारंपरिक दृष्टिकोण उपयोगकर्ता-विशिष्ट बीमों का उपयोग करते हैं, जो HAPS की ऊंचाई और उपयोगकर्ताओं की निकटता को देखते हुए अक्सर अव्यवहारिक होते हैं। इसलिए, चुनौती तब आती है जब उपयोगकर्ताओं को एक एकल बीम द्वारा सेवा दिए जाने वाले भौगोलिक क्लस्टरों में समूहीकृत किया जाता है, और साथ ही सीमित RBs आवंटित करने और स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी (SE) को अधिकतम करने के लिए ट्रांसमिशन रणनीतियों को अनुकूलित करने की आवश्यकता होती है।

कार्यप्रणाली

लेखक हस्तक्षेप प्रबंधन के लिए एक तीन-चरणीय ढांचे का प्रस्ताव करते हैं: कोणीय-जागरूक क्लस्टरिंग (Angular-Aware Clustering), हस्तक्षेप-जागरूक RB आवंटन (Interference-Aware RB Allocation), और रेट-स्प्लिटिंग मल्टीपल एक्सेस (RSMA)।

1. कोणीय-जागरूक क्लस्टरिंग और बीम स्टीयरिंग

सिस्टम यह मानता है कि HAPS व्यक्तिगत उपयोगकर्ताओं के बजाय भौगोलिक क्लस्टरों की ओर बीम बनाता है।

• क्लस्टरिंग रणनीति: उपयोगकर्ताओं को उनके कोणीय स्थानों (एलीवेशन $\theta$ और अज़ीमुथ $\phi$) के आधार पर $L = \lceil U/R \rceil$ क्लस्टरों में समूहीकृत किया जाता है। लेखक एक क्षमता-बाधित K-means एल्गोरिदम का उपयोग करते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि कोई भी क्लस्टर आकार $R$ से अधिक न हो।
• बीम स्टीयरिंग (WU-Clustering): सेंट्रॉइड-आधारित दृष्टिकोणों के विपरीत, प्रस्तावित "वर्स्ट-यूज़र" (WU) क्लस्टरिंग रणनीति प्रत्येक बीम को उस दिशा में मोड़ती है जो क्लस्टर के सभी उपयोगकर्ताओं के बीच न्यूनतम प्रभावी एंटीना गेन को अधिकतम करती है। यह निष्पक्षता सुनिश्चित करता है और क्लस्टर के भीतर खराबतम चैनल स्थितियों वाले उपयोगकर्ताओं की रक्षा करता है।
• RB आवंटन: प्रत्येक क्लस्टर के भीतर, इंट्रा-क्लस्टर हस्तक्षेप से बचने के लिए RBs को ऑर्थोगोनली आवंटित किया जाता है। हालांकि, चूंकि RBs को विभिन्न क्लस्टरों में पुन: उपयोग किया जाता है, इसलिए इंटर-क्लस्टर हस्तक्षेप बना रहता है। आवंटन एल्गोरिदम पहले से निर्धारित अन्य क्लस्टरों के उपयोगकर्ताओं से होने वाले संचित लीकेज हस्तक्षेप को कम करने के लिए RBs को उपयोगकर्ताओं को आवंटित करता है।

2. RSMA-आधारित इंटर-क्लस्टर हस्तक्षेप प्रबंधन

RB पुन: उपयोग के कारण होने वाले अपरिहार्य इंटर-क्लस्टर हस्तक्षेप को कम करने के लिए, लेखक प्रति-RB दर-स्प्लिटिंग मल्टीपल एक्सेस (RSMA) का उपयोग करते हैं।

• संदेश विभाजन: प्रत्येक उपयोगकर्ता के संदेश को एक कॉमन (common) भाग और एक प्राइवेट (private) भाग में विभाजित किया जाता है।
• ट्रांसमिशन संरचना:
  • एक विशिष्ट RB साझा करने वाले सभी उपयोगकर्ताओं के कॉमन भागों को एक एकल कॉमन स्ट्रीम ($s^{(c)}_r$) में संयोजित किया जाता है, जिसे प्रति क्लस्टर बीम $p^{(c)}_{r,\ell}$ पावर के साथ प्रसारित किया जाता है।
  • प्राइवेट भागों को व्यक्तिगत प्राइवेट स्ट्रीम्स ($s^{(p)}_u$) में एनकोड किया जाता है, जिन्हें $p^{(p)}_u$ पावर के साथ प्रसारित किया जाता है।
• रिसेप्शन: उपयोगकर्ता पहले कॉमन स्ट्रीम को डिकोड करते हैं (प्राइवेट स्ट्रीम्स को शोर मानकर), सक्सेसिव इंटरफेरेंस कैंसलेशन (SIC) करते हैं, और फिर अपनी प्राइवेट स्ट्रीम को डिकोड करते हैं। यह हस्तक्षेप को शोर के रूप में मानने या उसे आंशिक रूप से डिकोड करने के बीच लचीला प्रबंधन प्रदान करता है।

3. अनुकूलन सूत्रीकरण (Optimization Formulation)

लेखक कॉमन और प्राइवेट स्ट्रीम्स ($p^{(c)}$ और $p^{(p)}$) के लिए पावर आवंटन और कॉमन रेट आवंटन ($C_u$) को संयुक्त रूप से डिजाइन करने के लिए एक मैक्स-मिन फेयरनेस (MMF) अनुकूलन समस्या को तैयार करते हैं। इसका उद्देश्य कुल ट्रांसमिट पावर बाधाओं और डिकोडिंग बाधाओं के अधीन सभी उपयोगकर्ताओं में न्यूनतम प्राप्त डेटा दर को अधिकतम करना है।

• समाधान दृष्टिकोण: समस्या की नॉन-कॉन्वेक्स प्रकृति (जिसमें सिग्नल-टू-इंटरफरेंस-प्लस-नॉइज़ रेशियो (SINR) अनुपात शामिल है) के कारण, लेखक एक सक्सेसिव कॉनवेक्स एप्रोक्सिमेशन (SCA) तकनीक का उपयोग करते हैं। वे स्लैक वेरिएबल्स पेश करते हैं और समस्या को एक सुलभ कॉनवेक्स रूप में बदलने के लिए फर्स्ट-ऑर्डर टेलर एप्रोक्सिमेशन का उपयोग करते हैं, जिसे पुनरावृत्ति (iteratively) के माध्यम से हल किया जाता है।

मुख्य योगदान

1. नया क्लस्टरिंग ढांचा: यह पेपर एक कोणीय-जागरूक क्लस्टरिंग एल्गोरिदम पेश करता है जो उपयोगकर्ताओं को कोणीय समानता के आधार पर समूहीकृत करता है और एक वर्स्ट-यूज़र बीम स्टीयरिंग रणनीति का उपयोग करता है। यह पूर्ववर्ती कार्यों के विपरीत है जो अक्सर उपयोगकर्ता-विशिष्ट बीम या सेंट्रॉइड-आधारित स्टीयरिंग का अनुमान लगाते हैं, जो HAPS ज्यामिति के लिए अधिक व्यावहारिक दृष्टिकोण प्रदान करता है।
2. एकीकृत RSMA रणनीति: यह कार्य विशेष रूप से इंटर-क्लस्टर हस्तक्षेप को प्रबंधित करने के लिए HAPS नेटवर्क में RSMA को एकीकृत करता है जो RB पुन: उपयोग से उत्पन्न होता है, एक ऐसी स्थिति जहाँ पारंपरिक ऑर्थोगोनल आवंटन विफल हो जाता है।
3. संयुक्त अनुकूलन: लेखक एक इटरेटिव एल्गोरिदम (MMF-RSMA-PA) विकसित करते हैं जो निष्पक्षता और स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी को अधिकतम करने के लिए बीम स्टीयरिंग, RB आवंटन और पावर/रेट स्प्लिटिंग को संयुक्त रूप से अनुकूलित करता है।
4. व्यापक मूल्यांकन: अध्ययन बीमफॉर्मिंग गेन और हस्तक्षेप शमन के बीच ट्रेड-ऑफ का विस्तृत विश्लेषण प्रदान करता है, जिसमें विशेष रूप से HAPS एंटीना ऐरे कॉन्फ़िगरेशन (UPA आकार) के प्रभाव की जांच की गई है।

संख्यात्मक परिणाम

सिमुलेशन 20 किमी की ऊंचाई पर एक HAPS के साथ 10 RBs पर 60 उपयोगकर्ताओं को सेवा देने के लिए एक 8x8 यूनिफॉर्म प्लानर एरे (UPA) का उपयोग करके किए गए।

• अभिसरण (Convergence): प्रस्तावित इटरेटिव SCA एल्गोरिदम (एल्गोरिदम 2) मोनोटोनिक कन्वर्जेंस प्रदर्शित करता है, जो 13 पुनरावृत्तियों से कम में स्थिर हो जाता है।
• स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी लाभ:
  • RSMA का प्रभाव: प्रस्तावित योजना (WU-Clustering + RSMA) की तुलना बिना RSMA वाले बेसलाइन (WU-Clustering बिना RSMA के) से करने पर, एक महत्वपूर्ण सुधार दिखाई देता है। मीडियन स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी (SE) लगभग 0.12 b/s/Hz से बढ़कर 0.55 b/s/Hz हो गई (चार गुना वृद्धि), जो इंटर-क्लस्टर हस्तक्षेप को प्रबंधित करने में RSMA की प्रभावशीलता को उजागर करती है।
  • क्लस्टरिंग का प्रभाव: प्रस्तावित WU-Clustering ने सेंट्रॉइड-आधारित क्लस्टरिंग दृष्टिकोण (C-Clustering + RSMA) की तुलना में लगातार बेहतर प्रदर्शन किया। बीम स्टीयरिंग के दौरान 'वर्स्ट-यूज़र' चैनल स्थितियों को स्पष्ट रूप से ध्यान में रखकर, WU रणनीति ने निष्पक्षता और न्यूनतम दरों में सुधार किया।
• एंटीना कॉन्फ़िगरेशन ट्रेड-ऑफ: एंटीना तत्वों की संख्या बढ़ाने (जैसे, 2x2 से 8x8 तक) से बीम को संकीर्ण करके और हस्तक्षेप को दबाकर प्रदर्शन में सुधार हुआ। हालांकि, ऐरे के आकार को और अधिक बढ़ाने (जैसे, 16x16 या उससे बड़ा) से प्रदर्शन में गिरावट आई। संकीर्ण बीम ने बीम केंद्र से दूर स्थित उपयोगकर्ताओं के लिए गेन को कम कर दिया, जिससे समग्र सिस्टम प्रदर्शन पर नकारात्मक प्रभाव पड़ा।

महत्व और दावे

यह पेपर दावा करता है कि प्रस्तावित फ्रेमवर्क, जो कोणीय-जागरूक क्लस्टरिंग को RSMA के साथ जोड़ता है, प्रति-उपयोगकर्ता स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी के मामले में बेसलाइन स्कीम्स की तुलना में काफी बेहतर प्रदर्शन करता है। लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि उनका दृष्टिकोण HAPS नेटवर्क की विशिष्ट प्रोपेगेशन विशेषताओं (मजबूत LoS, सीमित चैनल परिवर्तनशीलता) को संबोधित करता है जो पारंपरिक हस्तक्षेप प्रबंधन रणनीतियों को कम प्रभावी बनाता है।

इस कार्य का महत्व यह प्रदर्शित करने में निहित है कि:

1. व्यावहारिक बीमफॉर्मिंग: निष्पक्षता सुनिश्चित करने के लिए HAPS नेटवर्क में सेंट्रॉइड-आधारित स्टीयरिंग की तुलना में क्लस्टर के भीतर "वर्स्ट-यूज़र" के आधार पर बीम को मोड़ना बेहतर है।
2. RSMA प्रभावकारिता: RSMA, HAPS परिदृश्यों में RB पुन: उपयोग से उत्पन्न होने वाले विशिष्ट प्रकार के इंटर-क्लस्टर हस्तक्षेप को प्रबंधित करने के लिए एक शक्तिशाली उपकरण है, जो हस्तक्षेप को शोर के रूप में मानने और उसे पूरी तरह से डिकोड करने के बीच एक सेतु प्रदान करता है।
3. सिस्टम डिज़ाइन संतुलन: HAPS एंटीना डिज़ाइन में एक महत्वपूर्ण ट्रेड-ऑफ है; केवल एंटीना तत्वों की संख्या बढ़ाने से बेहतर प्रदर्शन की गारंटी नहीं मिलती है क्योंकि इससे बीम कवरेज संकीर्ण हो जाता है, जिसके लिए एक संतुलित डिज़ाइन दृष्टिकोण की आवश्यकता होती है।

पेपर यह निष्कर्ष निकालता है कि यह एकीकृत दृष्टिकोण HAPS नेटवर्क में हस्तक्षेप को प्रभावी ढंग से प्रबंधित करता है, जिससे जटिल उपयोगकर्ता-विशिष्ट बीमफॉर्मिंग हार्डवेयर की आवश्यकता के बिना ग्राउंड यूजर्स के प्रदर्शन को स्पेक्ट्रल एफिशिएंसी के संदर्भ में बढ़ाया जा सकता है।