New combined non-orthogonal multiple access techniques for wireless networks

Telsiz iletişim ağları için yeni birleşik dik olmayan çoklu erişim teknikleri

PDF İndir

Tez No: 794727
Yazar: SEDA ÜSTÜNBAŞ GAVAS
Danışmanlar: PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
Tez Türü: Doktora
Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
Yıl: 2023
Dil: İngilizce
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Sayfa Sayısı: 151

Özet

Dik çoklu erişim (OMA) teknikleri çok sayıda kullanıcıya, farklı servislere veya çeşitli uygulamalara örtüşmeyen dolayısıyla birbirlerine dik kaynak blokları (zaman, frekans ve kod) tahsis ederek bağlantı sağlamaktadır. Kaynakların birbirine dik tahsisi, yeni nesil gezgin şebekelerin yoğun bağlantı ve muazzam veri trafik hacmine olanak tanıyan daha geniş iletim bandlarını gerektirmekte; dolayısıyla görünür ışığa doğru daha yüksek frekans bandlarının kullanımını zorlamaktadır. 5G teknolojisi dünya çapında kullanılabilir hale geldikçe ve 6G teknolojisi ufukta göründükçe, değişmeyen tek özellik, daha geniş iletim bandlarına duyulan gereksinim olmaktadır. Bununla birlikte, doğası gereği kıt bir kaynak olan spektrum halihazırda verimsiz kullanılmakta ve daha yüksek frekans bandlarının kullanılması, hassas kapsama planlaması gerçekleştirilse bile kapsama sorunlarına yol açmaktadır. Bu nedenle, gelecekteki şebekeler için spektral verimliliği artıran ve yoğun kullanımlı bağlantı sağlayan yeni teknikler gerekmektedir. Dik olmayan çoklu erişim (NOMA) teknikleri, çok sayıda kullanıcının aynı kaynak bloğuna aynı anda erişmesine izin vererek spektral verimlilik ve yoğun kullanımlı bağlantı için umut verici bir çözüm oluşturmaktadır. NOMA, kablosuz ortamın doğası gereği farklı kaynaklardan gelen işaretlerin çoğullanmasından yararlanmaktadır. Verici tarafında işaretlerin süperpozisyon kodlama yoluyla üst üste bindirilmesi gerçekleştirilerek kasıtlı olarak kullanıcılar arası girişim oluşturulmaktadır. Alıcıda ise farklı kullanıcıları ayırt etmek için ardışık girişim giderme (SIC) uygulanmaktadır. NOMA, hem aşağı bağlantıda (DL) hem de yukarı bağlantıda (UL) uygulanabilmektedir. Aşağı bağlantı NOMA (DL-NOMA) ağlarında, bir baz istasyonu (BS), bilgi akışının kullanıcılardan BS'ye olduğu yukarı bağlantı NOMA (UL-NOMA) ağlarının tersine, süperpozisyon kodlanmış işareti kullanıcılara iletmektedir. Dolayısıyla DL-NOMA, süperpozisyon kodlu işaret açısından UL-NOMA'dan farklıdır. Alınan işaret, yalnızca DL-NOMA'daki ilgili kanal sönümleme katsayısından etkilenmektedir. Öte yandan, kullanıcıların işaretlerinin havada çoğullandığı UL-NOMA'da, BS'e gelen süperpozisyon kodlu işaret yalnızca kullanıcı işaretlerinin ağırlıklı toplamı değil, aynı zamanda tüm kullanıcıların kanal sönümleme katsayılarını da içermektedir. Bu nedenle, UL-NOMA'nın başarım eğrilerinde hata katı özelliklerinden kaçınmak için uyarlanabilir SIC teknikleri gerekmektedir. Bu tezde NOMA tekniği, adil bir şekilde yoğun kullanımlı bağlantı sağlamanın yanı sıra spektral ve enerji verimliliklerini daha da arttırmak için işbirlikli haberleşme, tam çift yönlü (FD) teknoloji, bilişsel radyo (CR), enerji hasatlama (EH) ve iletim çeşitliliği gibi diğer teknolojilerle birleştirilmiştir. İşbirlikli haberleşme, vericide çok sayıda antenin olmadığı durumlarda bir röle düğümü yardımıyla sanal bir anten dizisi oluşturarak çeşitlilik sağlamaktadır. Daha yüksek veri hızları ve çeşitlilik kazanımları elde edilmekte, ayrıca servis verilmeyen veya yetersiz servis verilen alanlarda kapsama alanının genişletilebilmesine olanak tanımaktadır. Spektrumun verimsiz kullanımı sorununa yönelik bir başka umut verici çözüm de CR tekniğidir. CR, lisanssız (ikincil) kullanıcıların (SU'lar) dinamik spektrum erişim teknikleri aracılığıyla lisanslı (birincil) kullanıcıların (PU'lar) frekans bandına erişebilmesini sağlamaktadır. Tezde, bilişsel çapraz ağ yapısını benimseyen işbirlikli bir NOMA (C-NOMA) protokolü önerilmekte olup, burada uzak kullanıcının verici-alıcı çifti PU ve bir röle ile birlikte yakın kullanıcının verici-alıcı çifti SU olarak kabul edilmektedir. Çapraz ağ yapısı, UL-NOMA ve DL-NOMA iletim adımlarını içermektedir. Vericiden röleye iletim UL-NOMA ilkelerine göre yapılırken röle, süperpozisyon kodlu işareti DL-NOMA ilkelerine göre alıcılara iletmektedir. Bir kullanıcının vericisi diğer kullanıcının alıcısına yakınken, alıcısı diğer kullanıcının vericisine yakın olduğundan, yan bağlantılardan gelen bilgiler de SIC başarımını iyileştirmek için kullanılmaktadır. UL-NOMA, NOMA literatüründe nadiren yer bulsa da, bu çalışmada verici-alıcı çiftleri arasındaki uçtan uca bağlantının bir parçasıdır. Bu çalışma UL-NOMA ve DL-NOMA'yi birleştirerek tek bir sistem yapısı oluşturan ve bit hata olasılığı (BEP) başarımını inceleyen ilk çalışmadır. Başarım üzerinde doğrudan bir etkiye sahip olduğundan, uçtan uca bağlantının hem UL-NOMA hem de DL-NOMA adımları için güç tahsisi araştırılmakta ve uçtan uca BEP analizleri verilmektedir. Bilişsel çapraz ağ yapısını benimseyen bir başka çalışma, rölenin ortamdaki radyo frekansı (RF) işaretlerinden enerji hasatlama yeteneğine sahip olduğu bir C-NOMA protokolüdür. Rölenin güç ayrıştırma ve ideal alıcı olmak üzere iki enerji hasatlama mimarisine göre enerji hasatlayabildiği varsayılmaktadır. Her bir enerji hasatlama mimarisinde her iki kullanıcı için BEP analizleri gerçekleştirilmektedir. Daha önce C-NOMA, EH ve CR bütünleştirilerek BEP başarımı incelenmediğinden bu çalışma NOMA literatüründeki başka bir boşluğu doldurmaktadır. Her iki mimari aynı enerji ve spektral verimliliklerinde referans OMA protokolleriyle karşılaştırılarak NOMA'nın üstünlüğü gösterilmiştir. C-NOMA avantajlarına rağmen, işbirliği fazladan bir zaman dilimine gereksinim duyması nedeniyle NOMA'nın en önemli avantajı olan spektral verimliliği düşürmektedir. Röleye eşzamanlı iletim ve alım yeteneği kazandıran FD teknolojisi sayesinde NOMA, kendi potansiyeline ulaşabilir. Bu tezde, uzaktaki kullanıcı ile BS arasında doğrudan bir bağlantının varlığında FD teknolojisini benimseyen bir UL C-NOMA ağı ele alınmıştır. BS ile uzaktaki kullanıcı arasındaki mesafenin çapını oluşturduğu bir disk içinde düzgün dağılmış ve frekans bandına erişme fırsatı arayan çok sayıda yakın kullanıcının olduğu varsayılmaktadır. NOMA'nın başarımı ikiden fazla kullanıcı için iyi olmadığından, FD modunda çalışabilen yakın bir kullanıcıyı seçmek için bir kullanıcı eşleştirme stratejisi benimsenmektedir. Başarım eğrilerindeki hata katını ortadan kaldırmak için, uyarlanabilir kod çözme sırası, yani hibrit SIC uygulanmış ve üstünlüğünü göstermek için yalnızca kanal durumu bilgisi (CSI) tabanlı ve yalnızca servis kalitesi (QoS) tabanlı SIC yapılarıyla karşılaştırılmıştır. Kod çözme sırasının kullanıcıların CSI'larına göre tanımlandığı CSI tabanlı SIC, NOMA literatüründe geniş çapta çalışılmıştır. QoS tabanlı SIC yapısında, uzaktaki kullanıcının QoS gereksinimi sağlanıyorsa yakın kullanıcı frekans bandına erişebilmekte, zıt durumda OMA uygulanmaktadır. CSI tabanlı ve QoS tabanlı SIC yapılarının bir kombinasyonu olarak hibrit SIC'in UL-NOMA ağlarının başarımındaki hata katı özelliğini ortadan kaldırdığı ve diğer iki SIC yapısının aksine FD modunun neden olduğu özgirişime karşı dayanıklı olduğu servis kesinti başarım eğrileri ile gösterilmiştir. Hesaplama karmaşıklığı da incelenerek yarı çift yönlü NOMA yapısıyla karşılaştırılmıştır. Kapasiteyi ve güvenilirliği artırmak için sanal anten dizisi kullanmak yerine vericiye birden çok anten yerleştirilebilmektedir. Bu tezde, DL-NOMA'ya bir iletim çeşitlilik tekniği olan koordinat serpiştirmeli dik tasarım (CIOD) uygulanmıştır. CIOD, modüle edilmiş işaretlerin koordinatlarının bağımsız kanal sönümleme katsayılarından etkilenmesine olanak tanıyan bir serpiştirme prosedürü uygulamakta böylece modülasyon çeşitliliği sağlamaktadır. Çoklu anten tekniği dağıtılmış bir şekilde uygulanarak iki hücre-uç kullanıcısına bitişik hücrelerden iki BS tarafından servis verilmektedir. BS'ler, CIOD iletim ilkesine göre her iki kullanıcıya da işaretlerini aynı anda aynı kaynak bloğundan iletmekte, kullanıcıların işaretlerinin iki zıt köşegende bulunduğu bir $2\times2$ CIOD-NOMA matrisi ortaya çıkarmaktadır. BEP analizleri ile her iki kullanıcı için de tam hızda tam çeşitlilik sağlandığı ve önemli kodlama kazanımlarının elde edildiği gösterilmektedir. Güç tahsisi, kullanıcı adilliği ile BEP başarımları arasındaki ödünleşim açısından da araştırılmaktadır. BEP başarımında kabul edilebilir bir düşüş karşılığında kullanıcılar arasında yeterli düzeyde adil iletim sağlanmaktadır. Ayrıca, bu tez kapsamında başka bir iletim çeşitleme tekniği de incelenmiştir. DL-NOMA ağındaki BS'de çok sayıda antenden birinin seçildiği iki aşamalı bir verici anten seçimi (TAS) protokolü önerilmiştir. Toplam hızı kullanıcılar arasındaki adilliği de göz önüne alarak en büyük yapan anten seçilmektedir. Birinci aşamada, toplam hızı en büyük yapan bir anten grubu seçilmektedir. İkinci aşamada, kullanıcıların bireysel veri hızlarına göre Jain'in adillik indisleri elde edilmekte ve adillik indisini en büyük yapan anten seçilmektedir. Bu protokol ile kullanıcılar arasında adillik sağlanırken toplam hız en büyük yapılmaktadır. Kullanıcılar arasında adilliği göz önünde bulunduran toplam hız maksimizasyonu önemli olsa da, çalışan bir sistem kabul edilebilir bir hata başarımı gerektirmektedir. Kullanıcıların işaretlerinin alıcıda ayırt edilebilmesi bu işaretlerin güçlerindeki farklılıklar sayesinde sağlanabilmektedir. Kullanıcıların işaretleri arasındaki güç farkı arttıkça alıcıda bunların ayırt edilebilmesi kolaylaşmakta bu da SIC başarımını artırmaktadır. Dolayısıyla bu çalışmada güç tahsisi de incelenmektedir. Güç paylaşım parametrelerinin artan işaret-gürültü oranı (SNR) ile birbirlerine eşit olma eğiliminde olduğu gösterilmekte ve bunların arasındaki farkı sabitleyen bir güç tahsisi yöntemi de ele alınmaktadır. Bu güç tahsisi yöntemi uzak kullanıcının hızının belirli bir alt limiti sağlaması koşuluyla toplam veri hızını en büyük yapmaktadır. NOMA, yoğun kullanımlı bağlantıya olanak tanıması ve kullanıcılar arasında spektral verimliliği ve adilliği arttırması sayesinde yeni nesil gezgin mobil şebekeler için bir etkinleştirici olarak kabul edilmektedir. Bu tez kapsamında, verimliliğini daha da artırmak amacıyla NOMA yukarıda belirtilen yeni teknolojilerle birleştirilmiş ve önerilen protokoller BEP ve/veya servis kesinti olasılığı açısından değerlendirilerek referans protokollere olan üstünlükleri ortaya konmuştur.

Özet (Çeviri)

Thanks to orthogonal multiple access (OMA) schemes, connectivity is provided to multiple users, different services, or diverse applications by allocating non-overlapping hence orthogonal resource blocks (time, frequency, and code) in today's networks. The orthogonal resource allocation urges the exploitation of higher frequency bands toward visible light to provide wider bandwidths that accommodate the massive connectivity and the tremendous data traffic volume offered by the next-generation mobile networks. As 5G technology becomes available worldwide and 6G technology appears on the horizon, the only characteristic remaining unchanged is the need for the wider bandwidths. However, spectrum as an inherently scarce resource is already inefficiently used and the use of higher frequency bands causes coverage problems even if sensitive coverage planning is accomplished. Hence new techniques enhancing spectral efficiency and enabling hyper-connectivity are required for future networks. Non-orthogonal multiple access (NOMA) constitutes a promising solution for spectral efficiency and hyper-connectivity by allowing multiple users simultaneously to share the same resource block. NOMA benefits from multiplexing the signals from different sources by the nature of the wireless medium, where superposition coding is performed at the transmitter side leading to inter-user interference on purpose. To distinguish the different users at the receiver, successive interference cancellation (SIC) is applied. NOMA can be implemented in both downlink (DL) and uplink (UL). In downlink NOMA (DL-NOMA), a base station (BS) transmits the superposition coded signal to the users, contrary to the uplink NOMA (UL-NOMA), where the information flow is from the users to the BS. Hence, DL-NOMA differs from UL-NOMA in terms of the received superposition coded signal. The received signal is only affected by the respective channel fading coefficient in DL-NOMA. On the other hand, in the UL-NOMA where the signals of users are multiplexed over the air, the received superposition coded signal is not only the weighted sum of users' signals but also includes the respective channel fading coefficients of all users. Therefore adaptive SIC techniques are required to avoid error floor characteristics in the performance curves of UL-NOMA. In this thesis, NOMA has been studied in combination with other emerging technologies such as cooperative communication, full-duplex (FD) technology, cognitive radio (CR), energy harvesting (EH), and transmit diversity to further enhance spectral and energy efficiencies as well as to provide massive connectivity in a fair manner. Cooperative communication provides diversity by creating a virtual antenna array with the help of an intermediate relaying node in the lack of multiple antennas. Higher data rates and diversity gains are obtained, furthermore, coverage can be extended to unserved or underserved areas. CR is another promising solution to the inefficient use of spectrum, where unlicensed (secondary) users (SUs) can access the licensed (primary) users (PUs) band via dynamic spectrum access techniques. In the thesis, a cooperative NOMA (C-NOMA) scheme adopting a cognitive butterfly network design is considered, where far user's transmitter-receiver pair is assumed as PU and the near user's transmitter-receiver pair along with a relay is considered as SU. Butterfly network design involves both UL-NOMA and DL-NOMA transmission steps. Transmission from transmitter to the relay is according to the UL-NOMA principles while relay conveys the superposition coded signal to the receivers according to the DL-NOMA principles. Since the transmitter of each user is close to the receiver of other user while its receiver is near the other user's transmitter, the information from the side short links is also exploited to improve SIC performance. Although UL-NOMA has rarely found a place in the NOMA literature, it is a part of the end-to-end connection between transmitter-receiver pairs in this study and to the best of our knowledge, this is the first study combining UL-NOMA and DL-NOMA in one system configuration to investigate bit error probability (BEP) performance. Since the power allocation is of most importance and has a direct impact on performance, power allocation for both UL-NOMA and DL-NOMA steps of the end-to-end connection is investigated and the end-to-end BEP analyses are provided. A similar C-NOMA scheme adopting cognitive butterfly network design is examined by assuming that the relay has the ability to harvest energy from the radio frequency (RF) signals in the environment as a difference. It is assumed that energy harvesting can be applied by relay according to two energy harvesting architectures namely power splitting and ideal receiver. BEP analyses for both users in each energy harvesting architecture are performed. This study fills another gap in the NOMA literature, since a combination of C-NOMA, EH, and CR has not been investigated in terms of BEP performance yet. For both architectures, the comparisons between reference OMA schemes are also provided for the same energy and spectral efficiency to show their superiority. Although C-NOMA has advantages, cooperation degrades the spectral efficiency, which is the most significant advantage of NOMA, due to the need for an extra time slot. The potential of NOMA can be fulfilled thanks to FD technology providing the ability of simultaneous transmission and reception to relaying node. In the thesis, an UL C-NOMA network adopting FD technology is considered in the presence of a direct link between BS and the far user. It is assumed that there are multiple uniformly distributed near users within a disc seeking the opportunity to access the frequency band and the distance between BS and the far user determines the diameter of the disc. Since NOMA is not effective for more than 2 users, a user pairing strategy is performed to select a near user, which has the ability to work in FD mode. To eliminate the error floor in the performance curves, adaptive decoding order, namely hybrid SIC, is applied and compared to two SIC schemes, namely, channel state information (CSI)-based and quality-of-service (QoS)-based SIC, to show its superiority. CSI-based SIC has been widely studied in the NOMA literature, where decoding order is defined according to the CSIs of the users. In QoS-based SIC, the near user can access the band if the QoS requirement of the far user is ensured, otherwise, OMA is adopted. It is shown by the outage performance curves that hybrid SIC as a combination of CSI-based and QoS-based SIC eliminates the error floor characteristic in UL-NOMA networks and is robust to the self-interference caused by FD mode contrary to the other two SIC schemes. The computational complexity is also investigated and compared to that of the half-duplex NOMA scheme. Instead of the virtual antenna array, multiple antennas can be located at the transmitter to improve capacity and reliability. In this thesis, a transmit diversity scheme, coordinate interleaved orthogonal design (CIOD), is applied to DL-NOMA. CIOD performs an interleaving procedure where coordinates of the modulated signals experience independent channel fading coefficients resulting in modulation diversity. Two cell-edge users are served by two BSs from adjacent cells, hence multiple antenna technique is implemented in a distributed manner. BSs simultaneously transmit desired signals to both users according to the CIOD transmission principle, a $2\times2$ CIOD-NOMA matrix is emerged where the desired signals of users are located at reverse diagonals. BEP analyses are provided for both users. It is shown that full diversity is obtained at full rate for both users and significant coding gains are achieved. Power allocation is also investigated in terms of the tradeoff between fairness and BEP performance. Satisfactory fairness performance is achieved in return for an acceptable BEP degradation. Furthermore, another transmit diversity scheme is studied in the scope of this thesis. A two-stage transmit antenna selection (TAS) scheme where one among multiple antennas is chosen at BS, is investigated for DL-NOMA. The selection is based on the adopted performance criteria, which is chosen as the sum rate maximization in this study. In the first stage, an antenna subset maximizing sum rate is selected. In the second stage, Jain's fairness indices are obtained according to the individual achievable rates of the users and the antenna maximizing the fairness index is selected. With this scheme, the sum rate is maximized while fairness is ensured. Although the sum rate maximization by considering user fairness is significant, a working system requires an acceptable error performance. In NOMA, the users' signals can be distinguished at the receiver side thanks to the differences in their received signal powers. As the power difference between the signals increases, it becomes easier to distinguish them, which improves the SIC performance. Therefore, in this study a power allocation scheme is also considered to fix the difference between power allocation parameters which otherwise tend to be equal with the increasing signal-to-noise ratio (SNR). The power allocation scheme involves the maximization of the sum rate under the constraint of a target data rate for the far user. NOMA is recognized as an enabler for the next generation of mobile networks thanks to allowing massive connectivity and enhancing spectral efficiency and fairness between users. In the scope of this thesis, NOMA has been combined with above-mentioned emerging technologies, and the proposed protocols have been investigated in terms of BEPs and/or outage probabilities to fill the gaps in the NOMA literature.

Benzer Tezler

Tez No
601185
Dik olmayan çoklu erişimli bilişsel radyo için karma spektrum paylaşım protokolü
Spectrum sharing protocol for non-orthogonal multiple access cognitive radio
MUHAMMET ALİ ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
Tez No
665558
İşbirliğine dayalı ortam erişim kontrol protokolü tasarımı ve analizi
Cooperative medium access control protocol design and analysis
MUHAMMET ALİ KARABULUT
Doktora
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Yıldız Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HACI İLHAN
Tez No
535409
OFDM with index modulation for 5g and beyond
5g ve ötesi için indis modülasyonlu OFDM
EBUBEKİR MEMİŞOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR
Tez No
323828
Çift yönlü röleli kanallarda uyarlamalı eşleme
Adaptive network codign in two way relay channels
BURHANETTİN TÜRKEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği İstanbul Teknik Üniversitesi
Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜMİT AYGÖLÜ
Tez No
824333
Advanced non-orthogonal and deep learning based communication techniques for future wireless communication systems
Gelecekteki kablosuz iletişim sistemleri için gelişmiş ortogonal olmayan ve derin öğrenme tabanlı iletişim teknikleri
MUHAMMAD FURQAN ZIA
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrol Antalya Bilim Üniversitesi
Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. JEHAD MAHMOUD AMIN HAMAMREH

Geri Dön