Geri Dön

Non-orthogonal multiple access techniques for satellite networks

Uydu ağları için dik olmayan çoklu erişim teknikleri

  1. Tez No: 948462
  2. Yazar: MEHMET CAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 211

Özet

5G ve sonrası telsiz iletişim ağları döneminde, yaygın kapsama alanı ve dayanıklı bağlantı sunan yüksek kapasiteli telsiz hizmetlere yönelik artan talep, uydu ağlarının rolünü önemli ölçüde artırmıştır. Düşük dünya yörüngeli (low Earth orbit, LEO) uydular, jeostatik (geostationary Earth orbit, GEO) ve orta dünya yörüngeli (medium Earth orbit, MEO) uydulara göre daha düşük gecikme süresi sunmaları ve üretim ile fırlatma maliyetlerinin daha az olması nedeniyle hem akademik çalışmalarda hem de endüstride yoğun ilgi görmektedir. Uyduların doğrudan kullanıcılar ile iletişim sağladığı sistemlerin yanı sıra uydu ve karasal ağların entegre çalıştığı hibrit uydu-karasal ağlar (hybrid satellite-terrestrial network, HSTN), küresel kapsama alanı sunma ve kesintisiz iletişim hizmetleri sağlama potansiyeliyle dikkat çeken bir mimari olarak öne çıkmaktadır. Bu ağların verimliliğini artırabilmek, yüksek veri hızlarına ulaşmasını ve çok sayıda cihazla eşzamanlı ve sürekli iletişim kurabilmesini sağlayabilmek için kaynakların daha etkin kullanımı, gelecek nesil iletişim sistemlerindeki temel gereksinimleri arasında yer almaktadır. Artan kullanıcı ve cihaz sayısı dikkate alındığında, geleneksel dik çoklu erişim tekniklerinin (orthogonal multiple access, OMA) bu gereksinimleri karşılamakta yetersiz kalacağı öngörülmektedir. Bu nedenle klasik yöntemlerin ötesinde yeni çoklu erişim tekniklerinin kullanılması giderek daha kritik hale gelmektedir. Bu bağlamda, dik olmayan çoklu erişim (non-orthogonal multiple access, NOMA), mevcut zaman ve frekans kaynaklarının daha verimli paylaşılmasını sağlayarak spektral verimliliği artıran ve kullanıcılar arası adaleti iyileştiren yenilikçi bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır. NOMA, aynı kaynak üzerinden farklı güç seviyelerinde iletime olanak tanıyarak, girişimi kontrollü bir biçimde yönetmekte ve özellikle kaynakların kısıtlı olduğu durumlarda yüksek kapasite sunmaktadır. İzin verilen girişim, daha yüksek güç seviyesiyle iletilen işaretlerin önce çözümlenerek diğer işaretler üzerindeki etkisinin azaltıldığı ardışık girişim giderme (successive interference cancellation, SIC) yöntemiyle yönetilmektedir. Ancak aynı kaynak üzerinden hizmet verilen kullanıcı sayısının artması, daha fazla SIC işlemi gerektirmektedir. Bu durum hem sistem karmaşıklığının artmasına hem de SIC sırasında yapılan hataların hata yayılımına yol açarak sistemin genel performansını sınırlamasına sebep olmaktadır. Bu doğrultuda, NOMA'nın sınırlamalarını aşmayı ve farklı kullanıcı ihtiyaçlarını daha esnek bir şekilde karşılamayı hedefleyen yeni nesil dik olmayan çoklu erişim tekniklerine ilişkin çalışmalar literatürde giderek artmaktadır. Bu bağlamda, girişim yönetimini daha esnek hale getiren ve kullanıcılar arası kaynak paylaşımını daha etkin bir şekilde gerçekleştirmeyi amaçlayan yeni yaklaşımlardan biri de hız bölmeli çoklu erişim (rate-splitting multiple access, RSMA) olmuştur. RSMA, çok kullanıcılı girişim ortamlarında daha dengeli bir performans sunmayı hedefler. RSMA'nın temelinde, her kullanıcının iletilecek mesajının bir kısmının tüm kullanıcılar tarafından çözülebilecek şekilde ortak mesaj olarak, kalan kısmının ise yalnızca hedef kullanıcı tarafından çözülecek özel mesaj olarak kodlanması yer alır. Bu sayede, alıcı tarafında girişim, tamamen ortadan kaldırılmaya çalışılmak yerine kontrollü bir şekilde yönetilir. Bu yapı sayesinde, kullanıcılar için daha adil bir hizmet kalitesi sağlanabilirken, aynı zamanda kanal koşullarına bağlı olarak sistem genelinde daha esnek bir kaynak yönetimi mümkün hâle gelmektedir. Uydu tabanlı sistemlerin yüksek kapsama alanı ve geniş kullanıcı çeşitliliği içeren doğası göz önüne alındığında, NOMA ve RSMA'nın bu sistemlere entegrasyonu, hem bağlantı güvenilirliği hem de kaynak kullanım verimliliği açısından önemli fırsatlar sunmaktadır. Bununla birlikte, gelecek nesil haberleşme servisleri, özellikle otonom sistemler, nesnelerin interneti (internet of things, IoT) ve acil durum iletişimi gibi ultra güvenilir düşük gecikmeli iletişim (ultra-reliable low-latency communication, URLLC) senaryolarında, düşük gecikme ve yüksek güvenilirlik gibi daha katı hizmet kalitesi (quality of service, QoS) gereksinimlerini de beraberinde getirmektedir. Bu kapsamda, geleneksel uzun vadeli ortalama performans analizlerinin ötesine geçilerek veri odaklı yaklaşım (data-oriented approach) benimsenmiştir. Bu yaklaşım, her bir veri aktarımının bağımsız olarak değerlendirilmesini esas alır ve kısa paketli iletim, sonlu blok uzunluğu gibi modern iletişim şartlarını daha gerçekçi biçimde yansıtır. Bu tez kapsamında, 5G ve sonrası nesil iletişim sistemlerinin artan gereksinimlerini karşılamak üzere uydu ağlarında dik olmayan çoklu erişim tekniklerinin tasarımı ve performans analizi üzerine odaklanılmaktadır. Özellikle, NOMA ve RSMA gibi gelişmiş çoklu erişim tekniklerinin HSTN'lerde uygulanabilirliği ve avantajları araştırılmıştır. Çalışmaların temel amacı, hem spektral verimlilik hem de sistem güvenilirliği ve gecikme gibi QoS parametrelerini göz önünde bulundurarak, farklı erişim stratejilerinin uydu sistemlerine entegre edilmesiyle elde edilebilecek performans kazançlarını ortaya koymak ve buna yönelik sistemlerin tasarlanmasıdır. Çalışma kapsamında ilk olarak, aşağı yönlü (downlink) RSMA tabanlı iletimin HSTN'lerde karasal röle destekli performansı incelenmiştir. Farklı röle seçim stratejileri altında sistemin kesinti olasılığı analitik olarak türetilmiş ve asimptotik ifadeler üzerinden sistemin çeşitlilik kazancı elde edilmiştir. Ardından, benzer mimaride yukarı yönlü (uplink) bağlantı ele alınmış ve klasik röle yerine akıllı yansıtıcı yüzeyler (intelligent reflecting surface, IRS) ile desteklenen sistem incelenmiştir. IRS'te kanal faz bilgisinin farklı seviyelerde bilindiği durumlar ele alınmış ve bunların sistem performansına etkisi analitik olarak ortaya konulmuştur. Bu analizlerde NOMA'nın aksine RSMA'nın çok kullanıcılı ortamlarda daha esnek kaynak paylaşımı sunduğu ve daha iyi kesinti performansı sağladığı gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, RSMA'nın yukarı bağlantı uygulamasında ortaya çıkan kesinti tabanı (outage floor) problemi, sistemin performansını sınırlayan temel faktörlerden biri olarak ortaya çıkmaktadır. Bu problemi anlamak ve ortadan kaldırmak amacıyla, ilk olarak NOMA tabanlı uydu ağlarında sabit iletim gücü altında farklı kod çözme sıralamalarının kesinti performansına etkisi araştırılmış ve dinamik kod çözme şeması önerilmiştir. Ardından, aynı problem RSMA yapısına taşınarak, dinamik kod çözme sıralaması ve kanal durumuna bağlı güç tahsisi içeren yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntemler sayesinde kesinti tabanı problemi ortadan kaldırılmış ve tam çeşitlilik kazancı elde edilmiştir. Tezin ilerleyen bölümlerinde, iletişim sistemlerinin zaman duyarlılığına uygun hale getirilmesi gerekliliği doğrultusunda, gecikme ve güvenilirlik açısından performansın daha ayrıntılı incelenmesini sağlayan veri odaklı yaklaşım yöntemlerinin önemi vurgulanmıştır. Bu kapsamda, sonlu blok uzunluklu iletim göz önüne alınarak NOMA ve RSMA sistemlerinde gecikme kesinti oranı (delay outage rate, DOR) metriği kullanılarak yeni bir yaklaşım benimsenmiştir. Bu yaklaşım altında NOMA ve RSMA tekniklerinin performansı literatürde henüz kapsamlı bir şekilde incelenmediğinden, bu teknikler ilk olarak karasal ağlarda incelenmiş, daha sonrasında elde edilen bulgular ve kazançlar uydu ağlarına da genişletilmiştir. İlk olarak aşağı yönlü RSMA-tabanlı sistemde paket teslim süresinin azaltılması ve gecikme eşiğini sağlayacak şekilde iletim gücünün azaltılması hedefleri doğrultusunda iki farklı optimizasyon problemi ele alınmıştır. Sonrasında, yukarı bağlantı RSMA sistemlerinin de gecikme ve güvenilirlik performansı veri odaklı yaklaşım ile incelenmiştir. Farklı iletim şemaları için kapalı formda DOR ifadeleri türetilmiştir. Uyarlanabilir bir iletim gücü tahsisi şeması önerilmiş ve bunun gecikme ve güvenilirlik üzerindeki etkisi incelenmiştir. Tezin son bölümünde, veri odaklı yaklaşım uydu ağlarına uygulanmış ve çok sayıda kullanıcının aynı anda ağa erişim ihtiyacının bulunduğu senaryolar için, HSTN'lerde NOMA tabanlı yarı ön izinli (semi-grant-free, SGF) iletim ele alınmıştır. Ele alınan NOMA tabanlı SGF yapısında bir kullanıcı klasik ön izinli (grant-based), diğer kullanıcılar ise ön izinsiz (grant-free) iletim yapmaktadır. İletim izni için dağıtılmış çekişme kontrolünü (distributed contention control), röle seçimi ve güç tahsisini içeren bütünleşik bir şema önerilmiştir. Ardından sistemin DOR performansı analitik olarak türetilmiş ve elde edilen ifadeler kullanılarak, gecikme ve güvenilirlik gereksinimlerini sağlayacak şekilde aynı anda iletim yapabilecek en yüksek kullanıcı sayısı belirlenmiştir. Genel olarak bu tez, hem kanal odaklı hem de veri odaklı yaklaşımı ele alarak farklı kanal yapılarında, farklı sistem bileşenleriyle çalışan RSMA ve NOMA tekniklerinin uydu iletişim sistemlerine entegrasyonunu kapsamlı şekilde incelemekte ve yeni nesil iletişim sistemleri için uygulanabilir çoklu erişim çözümleri sunmaktadır.

Özet (Çeviri)

In the era of 5G and beyond, the increasing demand for high-capacity wireless services with ubiquitous coverage and resilient connectivity has significantly increased the importance of satellite networks. Low-Earth Orbit (LEO) satellites have attracted considerable interest from both academia and industry due to their lower latency, production and launch costs compared to geostationary Earth orbit (GEO) and medium Earth orbit (MEO) satellites. In addition to systems where satellites communicate directly with users, hybrid satellite-terrestrial networks (HSTNs) have emerged as a promising architecture with the potential to provide global coverage and high-connectivity services. To improve the efficiency and access capacity of these networks by achieving higher data rates and enabling simultaneous and continuous communication among multiple devices, efficient resource utilization has become a fundamental requirement for next-generation communication systems. As the number of users and devices increases, conventional orthogonal multiple access (OMA) techniques are expected to be insufficient to meet these requirements, and the use of new multiple access techniques is becoming increasingly critical. In this context, non-orthogonal multiple access (NOMA) has emerged as an innovative approach that improves spectral efficiency and user fairness by enabling more efficient use of time and frequency resources. NOMA allows multiple users to transmit over the same resources at different power levels, managing interference in a controlled manner and providing high capacity, especially with limited resources. This controlled interference is handled at the receiver side using successive interference cancellation (SIC), where signals transmitted at higher power levels are decoded first to reduce their impact on other signals. However, as the number of users served on the same resource blocks increases, more SIC operations are required, leading to increased system complexity and potential error propagation due to decoding failures. In this direction, there has been an increasing number of studies in the literature on new generation non-orthogonal multiple access techniques, which aim to overcome the limitations of NOMA and to satisfy different user requirements in a more flexible way. Rate-splitting multiple access (RSMA) is one of the new approaches aimed at providing more flexible interference management and efficient resource sharing among users. RSMA operates by dividing each user's message into a common part decoded by all users and a private part decoded only by the target user. In this way, interference at the receiving end is managed in a controlled way, rather than being completely eliminated. This structure provides a fairer quality of service (QoS) for users, while allowing more flexible resource management based on channel conditions. The integration of NOMA and RSMA offers significant opportunities in terms of both link reliability and resource efficiency, considering both the wide coverage of satellite networks and the diverse user profiles they support. However, next-generation communication services also impose more stringent QoS requirements, particularly in ultra-reliable low-latency communication (URLLC) scenarios such as autonomous systems, the internet of things (IoT), and emergency communications, demanding both low latency and high reliability. In this respect, a data-oriented approach has been adopted that goes beyond the traditional analysis of long-term average performance. This approach evaluates each data transmission individually and more realistically reflects modern communication constraints such as short-packet transmission and finite blocklengths. This thesis focuses on the design and performance analysis of non-orthogonal multiple access techniques in satellite networks to meet the increasing requirements of 5G and beyond communication systems. The main objective of the studies is to demonstrate the performance gains that can be achieved by integrating different access strategies into satellite systems, taking into account spectral efficiency and QoS parameters such as system reliability and delay, and to design systems providing these gains. Initially, the performance of downlink RSMA-based HSTNs with terrestrial relays is analyzed under various relay selection strategies. Exact outage probability expressions of the system are derived, and diversity gains are obtained through asymptotic analysis. Subsequently, a similar architecture is considered for uplink transmission where terrestrial relays are replaced with intelligent reflecting surfaces (IRS). The effect of different levels of channel phase knowledge at the IRS on system performance is analytically characterized. The analysis shows that RSMA provides more flexible resource allocation and better outage performance than NOMA. However, an outage floor problem arises in the uplink NOMA and RSMA systems that limits the system performance. In order to address this problem, first, decoding order strategies in NOMA-based satellite systems with fixed transmit power are investigated, and a dynamic decoding order scheme is proposed. Then, a dynamic decoding order and power allocation framework based on channel conditions is proposed for RSMA. The outage floor is eliminated by the proposed models and full diversity gain is obtained. In the following sections of the thesis, the data-oriented approach, which allows a more detailed performance analysis in terms of delay and reliability, is discussed. In this context, a new approach using the delay outage rate (DOR) metric in NOMA and RSMA systems considering finite blocklength transmission is adopted. Since the performance of NOMA and RSMA techniques under the data-oriented approach has not yet been extensively analyzed in the literature, these techniques are first investigated in terrestrial networks, and then the findings and gains are extended to satellite networks. Firstly, two different optimization problems are considered in the downlink RSMA-based system with the objectives of reducing the packet delivery time and reducing the transmission power while meeting the delay threshold. Then, the delay and reliability performance of uplink RSMA systems are analyzed using a data-oriented approach. The closed form DOR expressions are derived for different transmission schemes. An adaptive transmission power allocation framework is proposed and its impact on delay and reliability is analyzed. In the last part of the thesis, the data-oriented approach is applied to satellite networks and a NOMA-based semi-grant-free (SGF) transmission in HSTNs is considered. In the considered system, one user transmits with conventional grant-based access and the other users transmit grant-free manner to the satellite using terrestrial relays. An integrated framework including distributed contention control, relay selection and power allocation is proposed. Then, the DOR performance of the system is analytically derived and using the obtained expressions, the maximum number of users that can transmit simultaneously is determined. In general, this thesis provides a comprehensive study of the integration of RSMA and NOMA in satellite communication systems over various system configurations, using both channel-oriented and data-oriented approaches. The results provide efficient multiple access solutions for next-generation communication systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    887618

    Index modulation based designs, error performance and physical layer security analyses for unmanned aerial vehicle networks

    İnsansız hava aracı ağları için indis modülasyonu tabanlı tasarımlar, hata performansı ve fiziksel katman güvenlik analizleri

    AYŞE BETÜL BÜYÜKŞAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik-Haberleşme Eğitimi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  2. Tez No

    794727

    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

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ

  3. Tez No

    666279

    Yazılım tabanlı radyolarda dik olmayan çoklu erişim sistemlerinin tasarımı ve performans analizi

    Design and performance analysis of non-orthogonal multiple access systems in software defined radios

    MEHMET AKİF DURMAZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT

  4. Tez No

    561366

    Ortam tabanlı modülasyonlu işbirlikli dik olmayan çoklu erişim

    Media-based modulated cooperative non-orthogonal multiple access

    MEHMET CAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  5. Tez No

    648558

    Waveform design and multiple access techniques for 5G and beyond wireless communication systems

    Başlık çevirisi yok

    EMRE ARSLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

Geri Dön