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

Resumo Técnico: INAC Baseada em Acesso Múltiplo Não Ortogonal de Transmissão Múltipla/Única

Declaração do Problema
O rápido desenvolvimento das comunicações e navegação por satélite criou uma necessidade urgente de integrar essas tecnologias em um único sistema para alcançar comunicação confiável e navegação precisa simultaneamente. Abordagens tradicionais, como multiplexação por divisão de tempo, divisão de frequência ou divisão de código, sofrem de ineficiências inerentes. A multiplexação por divisão de tempo (TDM) causa descontinuidade nos sinais de navegação, dificultando a captura do sinal e degradando o desempenho de medição de distância. A multiplexação por divisão de frequência (FDM) consome largura de banda substancial, enquanto a multiplexação por divisão de código (CDM) é limitada pelo número restrito de sequências de espalhamento disponíveis. Além disso, estudos existentes sobre Navegação e Comunicação Integradas (INAC) frequentemente carecem de análise abrangente de desempenho no nível do sinal, particularmente em relação à Taxa de Erro de Bit (BER) e à precisão de posicionamento sob frameworks de Acesso Múltiplo Não Ortogonal (NOMA). Embora o NOMA tenha sido proposto para INAC, soluções práticas para eliminação de interferência e caracterização detalhada de desempenho através de diferentes estratégias de alocação de potência permanecem inexploradas.

Metodologia
Os autores propõem uma estrutura de sinal inovadora baseada em Acesso Múltiplo Não Ortogonal de Transmissão Múltipla/Única (MUC-NOMA). Nesta arquitetura, os sinais de navegação e comunicação compartilham uma sequência de ruído pseudoaleatório (PN) comum no nível do sinal. O sistema divide o sinal de comunicação em duas partes: uma porção ($\xi$) é mesclada com o sinal de navegação para formar um sinal de transmissão múltipla de baixa taxa, enquanto o restante ($1-\xi$) é transmitido como um sinal de transmissão única de alta taxa. Esses dois fluxos são sobrepostos utilizando técnicas NOMA.

Dois cenários operacionais distintos são definidos com base nos fatores de alocação de potência ($\beta_1$ para transmissão múltipla, $\beta_2$ para transmissão única, onde $\beta_1 + \beta_2 = 1$):

1. Orientado à Transmissão Múltipla (MO-INAC): Mais potência é atribuída ao sinal de transmissão múltipla ($\beta_1 > \beta_2$).
2. Orientado à Transmissão Única (UO-INAC): Mais potência é atribuída ao sinal de transmissão única ($\beta_1 < \beta_2$).

Para mitigar a interferência de canal coexistente, o receptor emprega Cancelamento Sucessivo de Interferência (SIC). O algoritmo de processamento de sinal decodifica primeiro o sinal de maior potência, reconstrói-o, subtrai-o do sinal recebido e, em seguida, decodifica o sinal de menor potência. O artigo desenvolve um framework teórico unificado para derivar expressões de forma fechada para a BER de ambos os sinais de navegação e comunicação, bem como para a precisão de medição de distância (erro de posicionamento). A análise leva em conta a natureza de divisão de taxa da estrutura DSSS, onde o número de símbolos de transmissão única sobrepostos dentro de um símbolo de transmissão múltipla ($M$) altera fundamentalmente o comportamento da interferência.

Principais Contribuições

• Arquitetura de Sinal: O artigo propõe um sinal INAC baseado em MUC-NOMA, onde sinais de transmissão múltipla de baixa taxa e sinais de transmissão única de alta taxa são sobrepostos sobre a mesma sequência PN. Isso permite que navegação e comunicação compartilhem recursos de tempo, frequência e código ao nível de bit dentro de um framework de Espectro Espalhado por Sequência Direta (DSSS).
• Framework Teórico Unificado: Os autores derivam expressões exatas de BER em forma fechada para os cenários MO-INAC e UO-INAC. Diferentemente dos sistemas NOMA convencionais que assumem taxas de símbolo idênticas, este trabalho aborda a estrutura DSSS de divisão de taxa, derivando estatísticas de decisão despreadas, funções de densidade de probabilidade (PDFs) e expressões de BER que accountam para mecanismos distintos de propagação de erro em cada cenário.
• Análise de Precisão de Medição de Distância: O estudo mapeia analiticamente a interferência residual para o jitter de rastreamento do loop de bloqueio de atraso (DLL), fornecendo expressões de forma fechada para a precisão de medição de distância. Ele liga explicitamente o desempenho de medição de distância às taxas de dados de comunicação e à alocação de potência.
• Aproximações de Alta SNR: Expressões aproximadas de BER em forma fechada são derivadas para condições de Alta Relação Sinal-Ruído (SNR), revelando relações fundamentais entre o desempenho do sistema, fatores de alocação de potência e taxas de comunicação.

Resultados
Avaliações numéricas e simulações de Monte Carlo (usando parâmetros de satélites MEO) confirmam os resultados analíticos:

• Desempenho MO-INAC: No cenário MO-INAC, atribuir mais potência ao sinal de transmissão múltipla produz excelente desempenho de posicionamento e BER para o sinal de navegação. No entanto, à medida que a taxa de dados de comunicação aumenta, a BER do sinal de comunicação aumenta, enquanto a BER do sinal de navegação diminui.
• Desempenho UO-INAC: No cenário UO-INAC, atribuir mais potência ao sinal de transmissão única reduz a interferência em recursos compartilhados. Quando a alocação de potência de comunicação é alta e a taxa de dados é baixa, ambos os sinais exibem bom desempenho de BER. No entanto, taxas de dados de comunicação mais altas levam a uma precisão de medição de distância reduzida devido ao tempo de integração coerente limitado.
• Compensações: Existe uma compensação entre a BER do sinal de comunicação e a do sinal de navegação. No MO-INAC, aumentar a alocação de potência de navegação melhora a BER de navegação, mas degrada a BER de comunicação. No UO-INAC, aumentar a potência de comunicação melhora a BER de comunicação, mas pode degradar o desempenho de navegação devido à propagação de erro do processo SIC.
• Comparação com Baselines: Comparado às baselines de Acesso Múltiplo por Divisão de Tempo (TDMA) e Chaveamento de Deslocamento de Código Cíclico (CCSK), o esquema NOMA proposto oferece utilização de recursos superior e escalabilidade. Embora TDMA e CCSK possam oferecer ligeiramente melhor BER de navegação em isolamento específico, o esquema NOMA evita a escassez de recursos do CDM e a perda de tempo de integração do TDM, mantendo compatibilidade com receptores legados ao preservar a fase PN original.
• Medição de Distância: O cenário MO-INAC demonstra desempenho de medição de distância superior comparado ao UO-INAC e a baselines de navegação pura em certas condições, pois a sobreposição de bits de comunicação pode fornecer ganhos de energia ou cancelamento de auto-interferência. Por outro lado, a precisão de medição de distância do UO-INAC degrada-se à medida que as taxas de dados de comunicação aumentam.

Significado e Alegações
O artigo alega que a estrutura de sinal INAC proposta baseada em MUC-NOMA fornece uma solução prática para integrar comunicações e navegação por satélite, superando os problemas de descontinuidade do TDM e a ineficiência de recursos do FDM/CDM. Ao fornecer expressões analíticas em forma fechada, o trabalho oferece um framework abrangente para avaliar o desempenho do sistema sem depender exclusivamente de simulações. Os autores afirmam que o cenário MO-INAC é particularmente resiliente à perda de caminho e à degradação do sinal, tornando-o uma opção preferida para sistemas de satélites em Órbita Média da Terra (MEO). O estudo destaca que, embora existam compensações de desempenho entre os serviços de comunicação e navegação dependendo da alocação de potência e das taxas de dados, a arquitetura proposta permite a divisão flexível de recursos para equilibrar esses requisitos, melhorando finalmente a eficiência e a confiabilidade do sistema.