Power allocation for cooperative NOMA systems based on adaptive-neuro fuzzy inference system
Uyarlanabilir nöro bulanık çıkarım sistemine dayalı işbirlikli NOMA sistemleri için güç tahsisi
- Tez No: 807157
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ALİ ÇIRPAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- 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: 82
Özet
Kablosuz iletişim sistemlerindeki hızla artan trafik taleplerini karşılamak için kapasiteyi, kapsama alanını, enerji verimliliğini ve hizmet kalitesini artıran yenilikçi teknolojiler gereklidir. Dikgen Olmayan Çoklu Erişim (Non-Orthogonal Multiple Access - NOMA), 5G ve ötesi kablosuz haberleşme sistemlerinde bu gereksinimleri karşılayabilmek için önerilen çoklu erişim yöntemlerinden biridir. NOMA, birden fazla kullanıcının aynı frekans bandında ve zaman aralığında veri iletmesine olanak sağlar. NOMA ile aynı frekans bandındaki kullanıcılar aynı anda farklı güç seviyelerinde veri iletimi yapabilirler. Bu durum, sistem verimliliğini artırırken aynı zamanda karmaşık bir güç tahsisi problemi yaratır. NOMA protokolü uygulayan hücresel ağlarda enerji verimliliği, kullanıcı sayısı arttıkça büyük bir sorun haline gelmektedir. Sistem performansını iyileştirmek ve enerji verimliliğini arttırmak için işbirlikli NOMA mimarisi önerilmektedir. İşbirlikli NOMA'nın temel hedefi, kötü kanal koşullarına sahip zayıf NOMA kullanıcılarına yardımcı olmaktır. Bu nedenle özellikle zayıf işbirlikli NOMA kullanıcıları için ağın iletim güvenilirliğini artırmaya yönelik pek çok teknik bulunmaktadır. Literatürde işbirlikli mimari, baz istasyonundan farklı uzaklıklarda kurulmuş röleler yardımıyla oluşturulmaktadır. Ayrıca kullanıcıların röle görevi gördüğü çalışmalar mevcuttur. İşbirlikli bir NOMA mimarisinde röleler, sistem performansını artırmada ve kesinti olasılığını azaltmada etkilidir. Ancak işbirlikli bir NOMA sisteminde güç tahsisi, kullanıcının algılanan hizmet kalitesi üzerinde önemli bir etkiye sahip zorlu bir görevdir. Günümüzde gücü kullanıcılar arasında sistem performansını artıracak şekilde dağıtan güç dağıtım yöntemleri üzerinde çeşitli çalışmalar yürütülmektedir. Bu tezde, kusurlu ardışık girişim iptali (imperfect successive interference cancellation – imperfect SIC) özelliği olan çok röleli bir NOMA sistemde bulanık mantık (Fuzzy Logic – FL) tabanlı bir röle seçimi ve güç tahsisi yaklaşımı önerilmektedir. Bu yaklaşım ile güç, bir kaynak bloğu içindeki NOMA kullanıcı çifti arasında hız adaletini en üst düzeye çıkarılacak ve sistem kesintisi en aza indirilecek şekilde tahsis edilmektedir. Röle seçimi ve kullanıcıların gücü hangi oranda paylaşacağı FL tabanlı uyarlamalı sinirsel bulanık denetim sistemi (Adaptive-Neuro Fuzzy Inference System – ANFIS) kullanılarak belirlenmektedir. FL, kesin olmayan, belirsiz verilerin işlenmesi gibi nedenlerle kullanılmasının yanı sıra matematiksel modelin mevcut olmadığı veya hesaplama gücü gereksinimleri nedeniyle kullanılmasının zor olduğu karmaşık problemlerin çözümü için kullanılan bir matematiksel yöntemdir. Yapay sinir ağları (YSA) ise verileri işlemek, öğrenmek ve tahmin yapmak için kullanılmak üzere insan beyninin işleyişine benzer şekilde tasarlanmış yapay bir sinir ağı sistemidir. Bu sistemler, karmaşık verileri işleyebilir ve bunları belirli bir çıktıya dönüştürebilirler. YSA büyük miktarda veri işleme ve analiz etme kapasitesine, öğrenme ve geliştirme yeteneğine sahip olması ile pek çok avantaj sağlamaktadır. YSA'nın sahip olduğu bu özellikler sistemin doğruluğunu ve performansını artırmada etkilidir. ANFIS, girdi değişkenlerinin bir dizi bulanık eğer-o zaman kuralı aracılığıyla işlendiği bir bulanık çıkarım sistemi ve girdi-çıktı verilerine dayalı olarak bulanık kuralların parametrelerini ayarlayan uyarlanabilir bir YSA'dan oluşur. Her iki yöntemin güçlü yönlerini kullanan ANFIS, işbirlikli NOMA sistemlerinde kullanıcılar arasında hız adaleti açısından adil güç paylaşımının gerektirdiği hesaplama gücü gereksinimini karşılamak için kullanılabilmektedir. Tezde YSA'yı ve FL'yi birleştiren ANFIS'in anlaşılması için YSA'nın en küçük birimi olan nörondan başlayarak sinir ağları ve FL kavramları anlatılmaktadır. ANFIS'in röle seçimi ve güç tahsisi üzerine olan etkisini görmek için kusurlu SIC özelliği olan çok röleli bir NOMA mimarisi oluşturulmuştur. Bu mimaride bir baz istasyonu, değişken sayıda röle ve biri yakın biri uzak olmak üzere iki kullanıcı bulunmaktadır. İşbirlikli NOMA, baz istasyonundan kullanıcılara veri iletimi için iki zaman dilimi gerektirir. İlk zaman dilimi, işbirlikli yapının kullanılmadığı NOMA ile aynı olan, baz istasyonundan rölelere kadarki doğrudan iletim aşamasıdır. İşbirliği aşaması olan ikinci zaman diliminde kodu çözülmüş mesaj, rölelerden kullanıcılara çöz-aktar (decode-forward -DF) protokolü kullanılarak iletilir. Rölelerde iletim alıcı ve gönderici olmak üzere iki yönlüdür. Bu nedenle röleler alıcı ve gönderici antenlerine sahiptir. Röledeki iki antenli yapı nedeniyle gönderici ve alıcı aynı anda veri gönderip alabilmektedir. Bu durumda, gönderilen sinyal aynı zamanda alıcı tarafından da algılanabildiğinden girişim (Self-Interference – SI) etkisi yaratır. Ayrıca her iki kullanıcı için veri iletimi aynı frekans bandı üzerinden yapıldığından kullanıcılar arası artık girişim (Residual Interference – RI) gözlenmektedir. Ayrıca bu mimaride istenmeyen ardışık girişim sinyallerini azaltmak veya ortadan kaldırmak için kusurlu ardışık girişim iptali (SIC) yöntemi kullanılmaktadır. Röle seçimi ve güç tahsisi, iki farklı bulanık çıkarım sistemi kullanılarak gerçekleştirilir. Birinci bulanık çıkarım sistemi baz istasyonu ile röleler arasındaki kanala ait parametreleri kullanarak röle seçimi yapmaya yarayan çıkarım sistemidir. Bu sistemin girdileri baz istasyonu ile röleler arasındaki kanal katsayısı, SNR, girişim (SI) ve artık girişimken (RI) çıktısı, kullanıcıların sahip olduğu minimum hızdır. Birinci bulanık çıkarım sistemi, ANFIS kullanılarak oluşturulur. Bu sistemi oluşturabilmek için giriş ve çıkış parametrelerinin değerlerini eğitim verisi olarak MATLAB bulanık mantık tasarımcısına yüklemek gerekmektedir. Birinci bulanık çıkarım için beş farklı eğitim veri seti oluşturulmuştur. Beş farklı eğitim verisi ile eğitilen farklı bulanık çıkarım sistemleri Rayleigh sönümlemeli kanal koşulları altında kompleks normal dağılım kullanılarak rastgele üretilen parametreler ile denenmiş ve bulanık çıkarım sistemi çıkışı ile gerçek değerler arasındaki hata değeri hesaplanmıştır. MATLAB bulanık mantık tasarımcısı arayüzünde bulunan çeşitli parametreler ile de farklı seçimler yapılarak röle seçimi problemine en uygun bulanık çıkarım sisteminin oluşturulması hedeflenmiştir. Bulanık mantık tasarımcısının çıkarımda bulunduğu giriş/çıkış üyelik fonksiyonlarının bulanık mantık kavramına uygunluğu ve hesaplanan hata değerleri göz önünde bulundurularak ilk bulanık çıkarım sistemi parametreleri belirlenmiştir. Eğitim veri setinde bulunan ve rastgele üretilen kanal katsayısı, SI ve RI parametrelerinin aynı ölçekte ve aralıkta değerlendirilmesini sağlamak için bu parametreler normalize edilmektedir. Normalizasyon işlemi rastgele elde edilen parametrelerin her biri için elde edilebilecek maksimum değere bölünmesi ile gerçekleştirilir. Normalizasyon işlemi sonucunda baz istasyonu ile röleler arasındaki kanal katsayısı, SI ve RI sıfır ile bir arasında değer alır. Normalizasyon işleminin ardından oluşturulan eğitim seti, MATLAB bulanık mantık tasarımcısındaki ANFIS eğitim arayüzü ile belirlenen eğitim adımı (epoch) kadar eğitilir. Oluşturulan veri seti Geri Yayılım (Back-propagation - BP) ve En Küçük Kareler Tahmini (Least Square Estimation – LSE) yöntemi olarak adlandırılan iki yöntemi birleştiren hibrit yöntemi kullanır. Hibrit metot bir bulanık çıkarım sisteminde üyelik fonksiyonlarının öğrenilmesinde BP metodunu kullanırken, bulanık çıkarım sistemindeki kuralların sonuçlarındaki doğrusal kombinasyonların katsayılarını belirlemek için LSE yöntemini kullanır. BP algoritması bulanık çıkarım sisteminin parametrelerinde ince ayar yapmak ve tahmin edilen çıktı ile gerçek çıktı arasındaki hatayı en aza indirmek için kullanılan bir optimizasyon yöntemidir. LSE ise BP yöntemi için bir başlangıç noktası sağlamak ve parametrelerin uygun bir aralıkta kalmasını sağlamak için kullanılan istatiksel bir yöntemdir. Eğitim verilerinin ANFIS kullanarak eğitilmesi sonucunda birinci bulanık çıkarım sisteminin SNR girişi için çok düşük, düşük, orta, yüksek, ve çok yüksek olmak üzere beş adet genelleştirilmiş çan eğrisi (generalized bell-shaped - gbell) üyelik fonksiyonu oluşturulur. Baz istasyonu ile röleler arasındaki kanal katsayısı parametresi için düşük, orta ve yüksek olmak üzere gbell tipinde üç üyelik fonksiyonu elde edilir. Benzer şekilde birinci bulanık çıkarım sisteminin kalan diğer girişleri için ise zayıf, orta ve güçlü olmak üzere üç adet üyelik fonksiyonu oluşturulur. ANFIS ile eğitim verileri kullanılarak üyelik fonksiyonlarının oluşturulmasının yanı sıra bulanık kural dizisi ve bu kurallara bağlı çıktılar da elde edilir. Tüm bu işlemlerin ardından baz istasyonu ile röleler arasındaki iletişim için gerekli olan minimum hızı sağlayabilen röleleri bulmak için tasarlanan ilk bulanık çıkarım sistemi oluşturulur. İkinci bulanık çıkarım sistemi, gücü kullanıcılar arasında hız açısından adil bir şekilde dağıtmak için baz istasyonundan rölelere kadar olan ilk zaman diliminde minimum hız gereksinimlerini karşılayan röleler üzerinde çalıştırılır. İkinci bulanık çıkarım sisteminin giriş parametreleri SNR, artık girişim ve sistemde tanımlı her iki kullanıcı için röle ile kullanıcı arasındaki kanal katsayısıdır. Kanal koşulları açısından iyi olan güçlü kullanıcı için güç tahsis katsayısı, ikinci bulanık çıkarım sisteminin bir çıktısı olarak elde edilir. İkinci bulanık sistemin çıktısı olan güç tahsis katsayısı, gücün iki kullanıcı arasında hangi oranda dağıtılacağına karar vermek için kullanılır ve birinci bulanık çıkarım sisteminde olduğu gibi ANFIS kullanılarak oluşturulur. İkinci bulanık çıkarım sisteminin oluşturulması sırasında üç farklı eğitim veri seti denenmiştir. Üç farklı eğitim veri seti ile oluşturulan bulanık çıkarım sistemleri, her bir SNR giriş değeri için Monte Carlo simülasyonları ile Rayleigh sönümlemeli kanal koşulları altında kompleks normal dağılım kullanılarak rastgele üretilen parametreler ile test edilmiştir. Oluşturulan bulanık çıkarım sistemlerinin çıkışı ile hız adaleti açısından en uygun gerçek sonuçlar arasındaki hata değeri hesaplanmıştır. Birinci bulanık çıkarım sisteminde olduğu gibi ANFIS arayüzünde bulunan çeşitli parametreler ile de farklı seçimler yapılarak en uygun bulanık çıkarım sisteminin oluşturulması hedeflenmiştir. ANFIS'in çıkarımda bulunduğu giriş/çıkış üyelik fonksiyonlarının bulanık mantık konseptine uygunluğu ve hesaplanan hata değerleri göz önünde bulundurularak ikinci bulanık çıkarım sistemi parametreleri belirlenmiştir. MATLAB ANFIS'e eğitim verisi girilmeden önce ikinci bulanık çıkarım sisteminin giriş parametrelerine de normalizasyon işlemi uygulanmıştır. Eğitim verilerinin ANFIS kullanarak eğitilmesi sonucunda ikinci bulanık çıkarım sisteminin SNR girişi için çok düşük, düşük, orta, yüksek} ve çok yüksek olmak üzere beş adet trapezoidal üyelik fonksiyonu oluşturulur. Röleler ile kullanıcılar arasındaki kanal katsayısı parametresi için düşük, orta ve yüksek olmak üzere üç adet trapezoidal üyelik fonksiyonu elde edilir. Benzer şekilde artık girişim parametresi için zayıf, orta ve güçlü olmak üzere üç adet trapezoidal üyelik fonksiyonu oluşturulur. ANFIS ile eğitim verileri kullanılarak üyelik fonksiyonlarının ve kural dizinin oluşturulmasının ardından güçlü kullanıcı için güç tahsis katsayısını çıktı olarak veren ikinci bulanık çıkarım sistemi hazır olur. Güçlü kullanıcının güç tahsis katsayısının birden çıkartılması ile ise zayıf kullanıcının güç tahsis katsayısı bulunur. Böylelikle hız açısından adaletli güç dağılımı işbirlikli NOMA sistemlerde FL tabanlı ANFIS yöntemi kullanılarak gerçekleştirilir. Eğitim verileri kullanılarak MATLAB bulanık mantık tasarımcısının ANFIS arayüzü ile üyelik fonksiyonlarının ve bulanık mantık kural dizisinin oluşturulmasının ardından güçlü kullanıcı için güç tahsis katsayısını çıktı olarak veren ikinci bulanık çıkarım sistemi elde edilir. İkinci bulanık çıkarım sisteminin çıktısı olarak elde edilen güç tahsis katsayısının birden çıkartılması ile zayıf kullanıcının güç tahsis katsayısı bulunur. Böylelikle hız açısından adaletli güç dağılımı işbirlikli NOMA sistemlerde FL tabanlı ANFIS yöntemi kullanılarak gerçekleştirilir. İşbirlikli NOMA sistemlerde FL tabanlı güç tahsisinin etkinliğini gösterebilmek amacıyla tanımlanan sistem mimarisi kullanılarak çeşitli deneyler yapılmıştır. Deneylerin çıktıları kesinti olasılığı ve adalet indeksi açısından değerlendirilmiştir. Bu değerlendirmelerin yapılabilmesi için optimizasyon yöntemi uygulanarak elde edilen çıktılar, ANFIS kullanılarak elde edilen sonuçlar ile kıyaslanmıştır. ANFIS kullanılarak elde edilen sayısal sonuçlar, röle sayısına ve SNR'ye bağlı değişen tüm deneyler için optimum kesinti olasılıklarına ve oran adaleti sonuçlarına yakındır. Hesaplama açısından verimli bulanık mantık, işbirlikli bir NOMA sisteminde gücün kullanıcılar arasında adil bir şekilde dağıtılması için gerçek zamanlı olarak başarılı bir şekilde kullanılabildiğinden, sonuçlar ümit vericidir.
Özet (Çeviri)
Innovative technologies improving capacity, coverage, energy efficiency, and service quality are required to meet the exponentially increasing traffic demands in wireless communication systems. Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA), which allows multiple users to transmit their data simultaneously at the same frequency and time interval, is a promising radio access technology to cope with the challenging requirements of 5G and beyond systems. However, the importance of energy efficiency in cellular networks for the NOMA becomes a major issue as the number of users increases. In a cooperative NOMA architecture, relays are effective in increasing system performance and reducing outage probability. The power allocation in a cooperative NOMA system is a challenging task having a significant impact on the user's perceived quality of service. In this thesis, a fuzzy logic (FL) based relay selection and power allocation approach are proposed for a multi-relay NOMA system with imperfect successive interference cancellation. The power is allocated between the NOMA user pair within a resource block in such a way that the rate fairness is maximized and the system outage is minimized. In order to demonstrate the effectiveness of the proposed system model, we utilize a network scenario including a base station, a variable number of relays, and two users. Relay selection and power allocation are performed using two different fuzzy inference systems (FIS). These FISs are created by training parameters such as channel coefficients, signal-to-noise ratio (SNR), and interference with the Adaptive-Neuro Fuzzy Inference System (ANFIS) method. The first FIS is designed to find relays that can achieve the minimum rate required for communication between the base station and relays. Its input parameters include the channel coefficient, SNR, self-interference, and residual interference between the base station and relays. The output of the FIS is the minimum achievable rate for the users. The second FIS is applied only for the relays that satisfy the minimum data rate requirements. The objective of the second system is to distribute the power fairly between the users. The input parameters of the second FIS are the channel coefficients, SNR, and residual interference between users and relays. The power allocation coefficient for a strong user is obtained as an output of the second FIS. The numerical results obtained by FL are close to the optimum outage probabilities and rate fairness results for all experiments when the number of relays and SNRs are varied. The computationally effective FL may be successfully applied at run time for the power allocation in a cooperative NOMA system, which gives rise to promising outcomes.
Benzer Tezler
- New combined non-orthogonal multiple access techniques for wireless networks
Telsiz iletişim ağları için yeni birleşik dik olmayan çoklu erişim teknikleri
SEDA ÜSTÜNBAŞ GAVAS
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
- Ortam tabanlı modülasyonlu işbirlikli dik olmayan çoklu erişim
Media-based modulated cooperative non-orthogonal multiple access
MEHMET CAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
- Conventional NOMA and the interplays with cooperative communication and spatial modulation: Performance evaluation and analysis under imperfect SIC
Geleneksel dik olmayan çoklu erişim (NOMA) ve NOMA'nın işbirlikli iletişim ve uzaysal modülasyonla birlikte uygulanması: Hatalı ardışık girişim engelleyici (SIC) altında performans değerlendirmesi ve analizi
FERDİ KARA
Doktora
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN KAYA
- Cooperative vehicular communication systems with physical layer security and noma techniques
Fiziksel katman güvenliği ve noma teknikleri ile işbirliklikli araçlar arası iletişim sistemleri
SEMİHA KOŞU
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA
DR. SERDAR ÖZGÜR ATA
- Otomatik yineleme istemeli işbirlikli iletimde enerji hasatlama
Energy harvesting in arq-based cooperative communication
EMİRHAN ÖZGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ