An Agent-Based Communication Architecture to hybrid NOMA-OMA decisions

Abstract

O avanço das tecnologias relacionadas a Internet das Coisas, Industria 4.0 e as novas formas de consumo de dados móveis intenisficaram problemas já existentes em redes de comunicação móvel e criaram novos desafios para que redes futuras possam operar e prover qualidade aos usuários no serviço prestado. Os problemas enfrentados pelas redes móveis são derivados do aumento do número de dispositivos que se conectam a rede, principalmente quanto a densificação das conexões em pequenos espaços, como fábricas, praças públicas, estádios, entre outros, resultando em uma falta de recursos espectrais disponíveis para atender todos os dispositivos. O espectro é um recurso finito e com um custo elevado que deve ser utilizado de maneira eficiente, contudo, as técnicas de comunicação empregadas atualmente estão atingindo o seu limite de capacidade, sendo necessário a busca por novas formas de transmissão que utilizem os recursos espectrais de forma mais eficiente. Para atender os requisitos de redes 6G e as novas demandas de consumo de dados móveis, uma nova técnica de transmissão, com o potencial de atender novas demandas, conhecida como Acesso Múltiplo Não Ortogonal, é estudada e aprimorada para a sua utilização em redes de comunicação móvel. A técnica utiliza a multiplexação de usuários no domínio do tempo e da frequência, assim como as técnicas atuais, que são baseadas no Acesso Múltiplo Ortogonal, além disso, um novo domínio é adicionado a multiplexação de usuários, aumentando a capacidade e eficiência da rede. O Acesso Multiplo Não Ortogonal permite que usuários compartilhem o mesmo recurso de tempo e frequência sendo diferenciados pela potência que é destinada a cada usuário que compartilha o recurso. Devido a quantidade limitada de recursos de tempo e frequencia para a transmissão de dados, a multiplexação de usuários pela potência permite um aumento da capacidade da rede e uma utilização mais eficiente dos recursos em troca da adição de interferência entre os usuários que compartilham os mesmos recursos. Em contraste, as técnicas baseadas no Acesso Múltiplo Ortogonal visam utilizar os recursos de forma exclusiva para cada usuário, minimizando a interferência entre usuários, por outro lado, os recursos não são utilizados com a máxima eficiência e a capacidade se limita a quantidade de espectro disponível. As duas técnicas citadas apresentam problemas que não podem ser evitados e a utilização individual de uma das técnicas pode não ser suficiente para atender os requisitos. Para o Acesso Multiplo Não Ortogonal, a adição de interferência, se não for controlada, pode inviabilizar a transmissão de dados. Para o Acesso Multiplo Ortogonal, a capacidade limitada pode não atender o aumento da densidade de conexões em redes 6G. Para evitar problemas individuais inerentes as duas técnicas, a utilização conjunta de ambas em uma única rede, pode trazer os benefícios do aumento da capacidade pelo Acesso Multiplo Não Ortogonal e quando necessária, uma comunicação livre de interferência para os dispositivos. Esse trabalho propõe o desenvolvimento de uma nova arquitetura de comunicação, baseada em Sistemas Multi Agentes para a operação e gerenciamento de uma rede móvel em relação aos recursos espectrais e decisões entre técnicas de transmissão com o objetivo de aumentar a Eficiência Espectral da rede. Chamada de Adaptive Hybrid Non Orthogonal Multiple Access (AH-NOMA), a arquitetura foi desenvolvida para ser implementada na unidade de processamento de uma antena. A arquitetura proposta, implementa dois tipos de agentes que executam suas funções diferentes granularidades de tempo. Essas granularidades são da ordem de segundos, para um gerenciamento de pares e alocação de potência, e milissegundos para a tomada de decisões entre utilizar o Acesso Multiplo Não Ortogonal para o compartilhamento de espectro entre os usuários e o escalonamento de usuários em recursos ortogonais. Os agentes implementados pela aequitetura são responsáveis pela decisão de qual técnica de transmissão deve ser utilizada para cada usuário presente na rede. Caso dois usuários possam compartilhar o mesmo recurso em uma transmissão não ortogonal, os agentes são responsáveis por realizar o pareamento de usuários e definir a potência necessária para cada usuário que compartilha o recurso. A decisão de compartilhar o mesmo recurso é baseada na demanda de cada usuário, ou seja, se os usuários puderem ter suas demandas satisfeitas compartilhando um mesmo recurso, sem que a comunicação sofra algum tipo de prejuízo, então utiliza-se o Acesso Multiplo Não Ortogonal. Caso os usuários possuam demandas que não possam ser atendidas através do compartilhamento de recursos, os usuários são alocados em recursos de forma ortogonal, consequentemente provendo uma comunicação livre de interferência. A existência de uma relação inversa entre as duas técnicas, a adição de interferência reduzindo a qualidade do sinal transmitidos e a limitação de capacidade de atender usuários pela utilização individual de recursos, permite o desenvolvimento de uma otimização para maximizar a eficiência utilizando as duas técnicas para um conjunto de usuários. A otimização é utilizada pelos agentes para parear usuários e definir o modo de transmissão, alem de definir a potência necessária para cada usuário pareado. O funcionamento da arquitetura é baseada no Contract Net Protocol, um protocolo de comunicação entre agentes. O agente que opera na ordem de segundos colhe informações dos usuários a respeito da qualidade de canal e demandas de taxa de dados que devem ser cumpridas. Essas informações são armazenadas e utilizadas como variáveis na otimização. O agente então escolhe aqueles usuários mais adequados a compartilharem recursos espectrais e repassa ao agente que opera na ordem de milissegundos. Por vez, sua função é definir se os usuários pareados pelo outro agente podem ser alocados nos recursos não ortogonais ou devem ser escalonados para recursos ortogonais. Os agentes visam reduzir a complexidade do pareamento, alocação de recursos e as decisões tomadas a respeito da técnia de transmissão utilizada. Diversas simulações foram realizadas para o estudo da relação entre os dois modos de transmissão e para a operação da arquitetura proposta. Os resultados foram comparados com outras abordagens propostas na literatura, a arquitetura se mostrou capaz de aumentar o número de usuários pareados para transmissões não ortogonais, reduzindo o número de recursos utilizados e aumentando a eficiência espectral da rede. Em termos numéricos, a arquitetura é capaz de parear mais de 60% dos usuários para recursos não ortogonais aumentando a eficiência espectral em mais de 20% quando comparado a abordagens que utilizam o Acesso Multiplo Não Ortogonal e aumentando em mais de 50% a eficiência espectral quando comparado com uma abordagem que apenas utiliza o Acesso Multiplo Ortgonal. Um aumento na quantidade de usuários pareados significa prover o serviço demandado por cada usuário, utilizando uma quantidade menor de recurso se comparado com a utilização ortogonal destes recursos. Dessa forma a relação entre a quantidade de usuários que podem compartilhar o mesmo recurso e a eficiência espectral da rede é diretamente proporcional. A arquitetura ainda pode ser utilizada com diferentes objetivos além de buscar maximizar a eficiência espectral da rede como apresentado neste trabalho. Por exemplo, a utilização de métricas de eficiência energética, que buscam maximizar a quantidade de informação transmitida por unidade de energia consumida, ou objetivos como maximizar a justiça entre os serviços providos a cada usuário na rede, onde o pareamento e a alocação de potência para cada usuário busca padronizar o serviço que cada usuário recebe, assim a rede consegue fornecer um serviço mínimo comum a todos os usuários independente da qualidade de canal que cada usuário possui na rede. Além da flexibilidade na utilização de diferentes métricas, que também podem ser exploradas de forma adaptativa e dinâmica devido as características de agentes inteligentes que são implementados em cada antena. Existe ainda, a possibilidade de extensão da arquitetura para a utilização de outras tecnologias complementares as tecnologias de Acesso Múltiplo como ondas milimétricas, Múltiplas Entradas e Múltiplas Saídas (MIMO) e Superfícies refletoras inteligentes (IRS). A cooperação entre diversas arquiteturas implementadas também pode ser desenvolvida futuramente de forma a tornar o autônomo e eficiente, o gerenciamento e operação de um cenário composto por diversas estações de transmissão.