Accès multiple non orthogonal (NOMA) en 5G : principe, fonctionnement et comparaison

Accès multiple non orthogonal (NOMA) en 5G : principe, fonctionnement et comparaison

Introduction

L’accès multiple non orthogonal (NOMA) constitue une avancée significative dans l’architecture radio de la 5G, en rupture avec les techniques d’accès orthogonal traditionnelles utilisées dans les générations précédentes. Cette méthode vise à exploiter les ressources spectrales de manière plus efficace en superposant les signaux de plusieurs utilisateurs sur la même ressource temporelle et fréquentielle, tout en les distinguant par la puissance ou le code. NOMA permet ainsi d’améliorer la connectivité massive et le débit global, des exigences clés pour les cas d’usage 5G tels que l’IoT et les communications ultra-denses.

Définition et principe de fonctionnement

NOMA repose sur le concept de multiplexage non orthogonal. Contrairement aux techniques comme OFDMA (utilisée en 4G), où chaque utilisateur dispose d’une portion distincte des ressources, NOMA permet à plusieurs utilisateurs de partager les mêmes sous-porteuses. La différenciation entre ces utilisateurs est principalement assurée par des niveaux de puissance différents (dans le cas de Power-Domain NOMA) ou par des codes spécifiques (dans le cas de Code-Domain NOMA).

Le récepteur utilise des techniques avancées de démodulation, telles que l’annulation successive d’interférences (SIC – Successive Interference Cancellation), pour extraire les signaux individuels superposés. L’utilisateur avec le canal le plus faible reçoit un signal avec plus de puissance, tandis que celui avec un canal plus fort reçoit un signal de moindre puissance, qu’il peut extraire après avoir annulé celui de l’utilisateur plus faible.

Comparaison entre NOMA et OMA

Fonctionnement de NOMA en 5G

En 5G, NOMA peut être implémenté principalement en mode Power-Domain. Dans ce cas, l’unité de transmission (ex : gNB) superpose les signaux de plusieurs utilisateurs ayant des conditions de canal différentes. La transmission se fait en modulant et combinant les signaux en un flux composite envoyé sur une même fréquence. À la réception, les utilisateurs effectuent une annulation successive des interférences pour récupérer leurs données respectives.

Étapes typiques d’une transmission NOMA

1. Sélection des utilisateurs avec des canaux hétérogènes.
2. Attribution de coefficients de puissance basés sur la qualité du canal.
3. Superposition des signaux en fonction de la puissance.
4. Transmission du signal composite via une même sous-porteuse.
5. Application de SIC au niveau du récepteur pour séparer les signaux.

Avantages de NOMA dans le contexte 5G

• Haute efficacité spectrale : Plusieurs utilisateurs partagent les mêmes ressources, maximisant l’usage de la bande passante disponible.
• Support des communications massives : Idéal pour les scénarios IoT ou mMTC, avec de nombreux dispositifs à faible débit.
• Équité améliorée : Les utilisateurs éloignés ou à faible SINR bénéficient d’une meilleure allocation de puissance.

Limites et défis de NOMA

• Complexité de traitement : La mise en œuvre de SIC implique une augmentation notable de la charge de calcul au niveau du récepteur.
• Sensibilité aux erreurs de SIC : Toute erreur dans l’annulation d’un signal impacte la démodulation des signaux restants.
• Interférence inter-utilisateur : La superposition augmente le risque de brouillage mutuel, surtout en présence de conditions de canal variables.

Exemple d’utilisation concrète

Considérons un scénario où deux utilisateurs sont desservis sur la même sous-porteuse. L’utilisateur A, proche de la station de base, a une bonne qualité de canal ; l’utilisateur B, en bordure de cellule, a un canal plus faible. NOMA attribue plus de puissance à B. Le signal superposé est envoyé. A utilise SIC pour éliminer le signal de B avant de décoder le sien, tandis que B reçoit directement son signal avec une puissance suffisante pour compenser la faiblesse de son canal. Ce modèle améliore l’équité et l’efficacité globale sans doubler les ressources.

Variantes de NOMA

Comparaison avec d’autres techniques 5G

NOMA est souvent comparé à d’autres technologies 5G comme Massive MIMO ou Beamforming. Bien que ces techniques soient complémentaires, NOMA agit surtout au niveau du multiplexage d’utilisateurs dans la même ressource, tandis que Massive MIMO se concentre sur le traitement spatial. En intégrant NOMA avec Beamforming, les gains de capacité peuvent être encore accrus, notamment dans les déploiements à forte densité d’utilisateurs.

Conclusion

NOMA en 5G redéfinit les paradigmes d’accès radio en dépassant les limites de l’orthogonalité, permettant une exploitation plus flexible des ressources spectrales. Sa capacité à desservir simultanément plusieurs utilisateurs, avec un équilibrage de puissance intelligent, en fait un candidat clé pour la prise en charge des scénarios massifs de la 5G. Toutefois, son adoption généralisée dépendra des avancées dans la gestion de l’interférence et la simplification du traitement côté terminal.

Pour mieux comprendre comment NOMA s’intègre aux autres solutions d’efficacité spectrale, vous pouvez explorer les principes du beamforming dans les réseaux 5G.