Оптимізація спектральної ефективності у мережах зв’язку шостого покоління

Abstract

The rapid development of wireless technologies and the growing demand for high data rate, reliability, and energy efficiency necessitate improving spectral efficiency in sixth-generation (6G) communication networks. This paper proposes an approach to optimizing spectral resource utilization through the integration of beamspace MIMO, non-orthogonal multiple access (NOMA), full-duplex D2D communications, and Layered Division Multiplexing (LDM) technologies. Analytical and numerical modeling of outage probability and ergodic capacity has been performed for a broadcast mmWave MIMO-NOMA system with D2D support. The results show that the proposed architecture provides a significant improvement in spectral efficiency, reduces user outage probability, and increases system throughput compared to traditional TDM and LDM without D2D configurations. Optimization of full-duplex transmission power enables minimizing self-interference, while increasing the number of base station antennas improves user service quality. The obtained results can be applied in the design of high-performance 5G/6G broadcast systems aimed at supporting multimedia and mission-critical services in future telecommunication networks.

Стрімкий розвиток бездротових технологій і зростання вимог до швидкості, надійності та енергоефективності передавання даних зумовлюють необхідність підвищення спектральної ефективності в мережах шостого покоління (6G). У роботі запропоновано підхід до оптимізації спектрального використання частотного ресурсу шляхом інтеграції технологій beamspace MIMO, неортогонального мультидоступу (NOMA), повнодуплексних D2D-комунікацій та Layered Division Multiplexing (LDM). Проведено аналітичне й числове моделювання показників ймовірності відмови (outage probability) та ергодичної ємності (ergodic capacity) для широкомовної mmWave MIMO-NOMA системи з D2Dпідтримкою. Результати дослідження показали, що запропонована архітектура забезпечує суттєве підвищення спектральної ефективності, зниження імовірності відмови користувачів і збільшення пропускної здатності порівняно з традиційними схемами TDM та LDM без D2D-зв’язку. Оптимізація потужності повнодуплексного передавання дозволяє мінімізувати власні завади, а збільшення кількості антен базової станції сприяє покращенню якості обслуговування користувачів. Отримані результати можуть бути використані під час проєктування високопродуктивних широкомовних систем 5G/6G, орієнтованих на підтримку мультимедійних і критично важливих сервісів у майбутніх телекомунікаційних мережах.