Signal Processing Algorithms for MIMO-NOMA Based 6G Networks
MIMO-NOMA temelli 6G ağları için sinyal işleme algoritmaları
- Tez No: 817274
- Danışmanlar: PROF. DR. ZHİGUO DİNG
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Unıversıty Of Manchester Instıtute Of Scıence And Technology (umıst)
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, altıncı nesil (6G) iletişim ağlarının beklenen performansını, genelleştirilmiş tekil değer ayrışma (GSVD) tabanlı lineer demetleme yöntemi kullanarak, ortogonal olmayan çoklu erişim (NOMA) ve çoklu girişli çoklu çıkış (MIMO) tekniklerini entegre ederek artırmayı amaçlamaktadır. Bu amaçla tez, belirli hedefleri olan farklı senaryoları keşfetmektedir; mobil kenar hesaplama (MEC) aktarma gecikmesini en aza indirgeme, MIMO-NOMA sistemde toplam gizlilik hızını en üst düzeye çıkarma, MIMO-NOMA-MEC sisteminin toplam enerji tüketimini en aza indirgeme ve bilişsel radyo (CR) tabanlı bir NOMA-MIMO sisteminde ikincil ağın toplam veri hızını en üst düzeye çıkarma. Bir MIMO-MEC sistemde aktarma gecikmesini en aza indirmek için Dinkelbach dönüşümü ve GSVD yöntemi kullanılmaktadır. Önerilen Hibrid-NOMA-MIMO-MEC sisteminin performansını değerlendirmek için analitik ve simülasyon temelli değerlendirmeler yapılmaktadır. Simülasyon sonuçları, bu sistemin geleneksel ortogonal çoklu erişim (OMA) yaklaşımlarına göre üstün gecikme performansı ve daha düşük enerji tüketimi sağladığını göstermektedir. Uplink MIMO-NOMA sistemde gizli iletimin toplam hızını artırmak için tez, gizli toplam hızı (SSR) en üst düzeye çıkarmaya odaklanmaktadır. GSVD yöntemi ve birinci dereceden Taylor yaklaşımını kullanarak, SSR problemi olmayan çizgisel doğanın çözümlemesi için alt optimal konveks bir problem formulasyonu türetilir. SSR, geleneksel ortogonal çoklu erişim dahil diğer algoritmalarla karşılaştırılır ve simülasyon sonuçları önerilen yöntemin etkinliğini göstermektedir. Bir NOMA-MIMO tabanlı sistemde yerel hesaplamanın, görev aktarımının ve MEC hesaplamanın toplam enerji tüketimini en aza indirmek için baz istasyonu, zaman ve güç kısıtları altında güç tahsis vektörlerini ve görev atama katsayılarını optimize eder. Bu olmayan konveks problem ardışık konveks optimizasyon (SCA) ve sıralı optimizasyon (AO) teknikleri ile ele alınır. Gecikme toleransı, görev boyutu ve kullanıcı mesafesi gibi çeşitli faktörlerin enerji tüketimine etkisi araştırılır. Simülasyon sonuçları, önerilen yöntemin özellikle büyük veri boyutları ve sıkı gecikme gereksinimleri için geleneksel ortogonal çoklu erişim (OMA) şemalarını geride bıraktığını göstermektedir. Son olarak, bu tez, kablosuz enerjiyle beslenen NOMA-MIMO sistemlerine yönelik yeni bir yaklaşım sunmaktadır. Bu yaklaşım, birincil ağın önceden belirlenmiş QoS'una ihtiyaç duyduğu bilişsel alt taşıma radyo (CR) senaryoları için tasarlanmıştır. Bu gereksinim dikkate alındığında, temel amaç ikincil ağın toplam hızını en üst düzeye çıkarmaktır. Birincil ve ikincil ağlar için ortak bir demetleme vektörü ve enerji toplama ve bilgi transferi için zaman geçiş katsayısı bu amaca ulaşmak için optimize edilir. Problem formulasyonu konveks olmayan bir yapıya sahiptir. Bu nedenle, yarı konveks programlama, ardışık konveks yaklaşım ve sıralı optimizasyon tekniklerini bu problemi çözmek için kullanırız. Simülasyon sonuçları, NOMA tabanlı çözümün düşük iletim gücü seviyelerinde özellikle TDMA tabanlı referans tekniğe göre daha iyi performans gösterdiğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu tez, NOMA ve MIMO teknolojilerini 6G ağlarında entegre etmeyi araştırmaktadır. Gecikme minimizasyonu, gizli toplam hızın maksimizasyonu, enerji tüketiminin optimize edilmesi ve CR senaryolarında toplam hız gibi konular ele alınmaktadır. Önerilen çözümler, spektral verimlilik, enerji verimliliği, veri hızı ve genel sistem performansında önemli gelişmeler sağlayarak, 6G iletişim ağı alanına değerli katkılar sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis aims to enhance the anticipated performance of sixth-generation (6G) communication networks by integrating non-orthogonal multiple access (NOMA) and multipleinput multiple-output (MIMO) techniques using the generalized singular value decomposition (GSVD)-based linear beamforming method. To do so, the thesis explores different scenarios with specific objectives, including minimizing mobile edge computing (MEC) offloading delay, maximizing the sum secrecy rate in a MIMO-NOMA system, minimizing the total energy consumption of a MIMO-NOMA-MEC system, and maximizing the sum data rate of the secondary network in a cognitive radio (CR)-based NOMA-MIMO system. To minimize the offloading delay in a MIMO-MEC system, the Dinkelbach transform and the GSVD method are employed. Analytical and simulation-based evaluations are conducted to assess the performance of the proposed Hybrid-NOMA-MIMO-MEC system. The simulation results show that this system achieves superior delay performance and lower energy consumption than conventional orthogonal multiple access (OMA) approaches. To improve the sum rate of confidential transmission in an uplink MIMO-NOMA system, the thesis focuses on maximizing the secrecy sum rate (SSR). By leveraging the GSVD method and first-order Taylor approximation, a suboptimal concave problem formulation is derived to tackle the non-convex nature of the SSR problem. The SSR is compared with other algorithms, including conventional orthogonal multiple access, and the simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed method. To minimize the total energy consumption of local computing, task offloading, and MEC computing in a NOMA-MIMO-based system, the base station optimizes power allocation vectors and task assignment coefficients under time and power constraints. The nonconvex problem is addressed through successive convex optimization (SCA) and alter- 11 nating optimization (AO) techniques. The impact of various factors, such as delay tolerance, task size, and user distance, on energy consumption is investigated. Simulation results indicate that the proposed method outperforms orthogonal multiple access (OMA) schemes, particularly for large data sizes and stringent delay requirements. Finally, the thesis presents a novel approach for wireless-powered NOMA-MIMO systems. This approach is designed for cognitive underlay radio (CR) scenarios where the primary network requires predefined QoS. Given that requirement, the main objective is to maximize the sum rate of the secondary network. A joint beamforming vector for primary and secondary networks and a time-switching coefficient for energy harvesting and information transfer are optimized to achieve this objective. The problem formulation is non-convex. Therefore, we use of semi-definite programming, successive convex approximation, and alternating optimization techniques to solve this problem. The simulation results show that the NOMA-based solution outperforms the TDMA-based benchmark scheme, particularly at low transmit power levels. In conclusion, this thesis investigates integrating NOMA and MIMO technologies in 6G networks. It addresses delay minimization, maximization of secrecy sum rate, energy consumption optimization, and sum rate in CR scenarios. The proposed solutions demonstrate significant improvements in spectral efficiency, energy efficiency, data rate, and overall system performance, making them valuable contributions to the field of 6G communication networks.
Benzer Tezler
- Array processing and optimization techniques of beamforming and resource allocation for enhanced spectral efficiency in 5g and beyond systems
5g ve ötesı sıstemlerının hüzmeleme ve spektral verımlılığının vektör íşleme ve optımızasyon ıle gerçekleştırılmesı
NANN WIN MOE THET NANN WIN MOE THET
Doktora
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assoc. Prof. Dr. MEHMET KEMAL ÖZDEMİR
- An efficient interference-aware constrained beamforming and receiver design for mm-wave hybrid massive MIMO with non-orthogonal multiple access
Dik olmayan çoklu erişimli milimetre dalga hibrit masif MIMO için efektif bir girişim duyarlı hüzme şekillendirme ve alıcı tasarımı
MURAT BAYRAKTAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN MUZAFFER GÜVENSEN
- A novel receiver architecture for single carrier noma transmission in wideband sparse mimo channel
Tek taşıyıcılı dikgen olmayan çoklu erişim iletiminde, genişbant seyrek çok girişli çok çıkışlı kanal için özgün bir alıcı yapısı
BURAK HALİL
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN MUZAFFER GÜVENSEN
- Signal processing techniques for security enhancement of wireless networks at the physical layer
Sinyal işlem teknikleri için fiziksel katman kablosuz ağlarda güvenlik geliştirilmesi
MORTEZA SOLTANI
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Medipol ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. HÜSEYİN ARSLAN
Assist. Prof. Dr. TUNÇER BAYKAŞ
- Machine learning based resource allocation for massive MIMO systems
Massive MIMO sistemleri için makine öğrenmesi tabanlı kaynak tahsisi
HÜSEYİN CAN SEVGİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BERNA ÖZBEK