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
Yazar: MEHMET AKİF DURMAZ
Danışman: PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı / Uydu Haberleşmesi ve Uzaktan Algılama Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Artan bant genişliği ihtiyacı karşısında, aynı taşıyıcıyı birden fazla kullanıcının paylaşmasına izin veren dik olmayan çoklu erişim (NOMA), gelecek nesil haberleşme sistemleri için yüksek spektrum verimliliği vadetmektedir. Bu yaklaşımın ardındaki motivasyon, NOMA'nın, kullanıcıların kanal koşullarına bağlı olarak aynı kaynak alanında farklı hizmet kalitesi gereksinimleri olan birden fazla kullanıcıya hizmet verebilmesidir.
Bu tezde, güç eksenli NOMA ağlarının pratik uygulamalarına odaklanılmıştır. Öncelikle haberleşme teknolojileri ile ilgili genel bilgiler verilmiş ve farklı çoklu erişim teknikleri incelenmiştir. NOMA ile ilgili literatür araştırması yapılmış ve bulunan çalışmalar kısaca anlatılmıştır. NOMA'nın standartlarının belirlenmesiyle ilgili yapılan çalışmalar takip edilmiş ve tezin içinde bunlara yer verilmiştir. NOMA ile ilgili yapılan teorik ve simülasyon çalışmaları haricinde gerçek zamanlı test çalışmalarıyla ilgili literatür yakından incelenmiştir. Bu çalışmalar ışığında, NOMA ağlarının pratik çalışmalarında karşılaşılan zorluklardan bahsedilmiştir. 
Tez çalışmaları kapsamında, laboratuvar ortamında yazılım tabanlı radyolar (SDR) kullanılarak çalışan bir NOMA düzeneği oluşturulmuştur. Gerçek zamanlı olarak gerçekleştirilen testlerde radyo ekipmanları olarak evrensel yazılım radyo çevre birimi (USRP), yazılım ortamı olarak LabVIEW kullanılmaktadır. NOMA sistemini entegre etmek için dik frekans bölmeli çoğullama (OFDM) ve tek taşıyıcılı olmak üzere iki farklı alıcı-verici yapısı kullanılmaktadır. Yapılan çalışmalarda bir kaynaktan çoklu kullanıcılara doğru aşağı yönlü iletim esas alınmıştır. OFDM tabanlı NOMA test düzeneği üzerinde, farklı kullanıcı sayıları için güç paylaşımı ve ardışık girişim iptali (SIC) teknikleri incelenmiştir. OFDM tabanlı sistemde modülasyon olarak dört noktalı karesel genlik modülasyonu (4-QAM) kullanılmıştır. Kaynak vericisinde kullanıcıların sembolleri süperpozisyon kodlamayla (SC) üstüste bindirilip tek antenden gönderilmektedir. Kullanıcı sayısı arttıkça kaynaktan gönderilen NOMA işaretinin şekli modülasyon indeksinin karesi olarak artmaktadır.
İlk olarak iki kullanıcılı bir NOMA test sistemi gerçekleştirilmiş ve bit hata oranı (BER) analizleri gerçekleştirilmiştir. Daha sonra sisteme röle düğümü olarak bir USRP cihazı daha eklenmiştir. İki atlamalı sistemlerde alıcı-verici arasındaki iletimi sağlamak için kuvvetlendir ve ilet (AF) röle kullanılmaktadır. Bu sistem üzerinde kaynağın ve rölenin verici kazançlarındaki değişime göre kullanıcıların BER grafikleri çıkarılmış ve karşılaştırılmıştır. 
İki atlamalı NOMA sistemine bir kullanıcı daha eklenerek, üç kullanıcı sistem için güç paylaşımı yöntemleri incelenmiştir. Her kullanıcının alcısında, kendi sembollerini elde edebilmesi için için farklı seviyeli SIC uygulanmaktadır. Her kullanıcı kendinden önceki kullanıcının sembollerini alınan sembolden çıkarmaktadır. Kendinden sonraki kullanıcıların sembollerini ise gürültü olarak algılamaktadır. Sistemdeki tüm düğümlerin anten sayısı ikiye çıkarılıp, çok antenli NOMA sistemi üzerinde anten seçimi teknikleri incelenmiştir. 
Anten seçimi gerçekleştirmek için kaynak, röle ve kullanıcılar arasında pilot işaretler kullanılarak bir sinyalleşme gerçekleştirilmektedir. Bu sinyalleşmeler esnasında her bir alıcı verici anten çiftinin kanal kazancı kaydedilmektedir. Daha sonra kullanıcılar röleye, röle de kaynağa bu değerleri iletmektedir. Aynı zamanda kullanıcıların uzaklıklarına bağlı olarak kanal durumlarına göre uzaktan yakına sıralanması da bu sinyalleşmelerden gelen geri bildirimler sayesinde gerçekleştirilmektedir. Anten seçimi ve güç paylaşımı yapıldıktan sonra NOMA sembolleri iletimine geçilmektedir.
Vericide anten seçimi (TAS) ve alıcıda maksimum oranlı birleştirme (MRC) kullanılan röle yardımlı iki atlamalı NOMA sistemi için bit hata oranı (BER) analizleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca OFDM tabanlı sistemde son olarak NOMA için tek antenli dört kullanıcı entegre edilmiştir. Güç paylaşımı ve her kullanıcıya uygun SIC adımları oluşturulmuştur. Dört kullanıcının aynı anda tek bir kaynaktan hizmet aldığı gerçek zamanlı testler gerçekleştirilmiştir. 
Sonrasında üç kullanıcılı röle yardımlı TAS/MRC sistemi, tek taşıyıcılı NOMA test ortamına göre yeniden düzenlenmiştir. Tek taşıyıcılı alıcı verici yapısında modülasyon türü olarak ikili faz kaydırmalı modülasyon (BPSK) kullanılmıştır. Yazılım tabanlı radyolarda tek taşıyıcılı sistemde frekans ve sembol senkronizasyonu için farklı yöntemler denenmiştir. Kesinti olasılığı (OP) analizleri yapabilmek için kullanıcıların işaret-gürültü oranı (SNR) değeri kestirimi yapılmaktadır. Verici anten seçimi yapılırken, kaynak ile röle antenleri arasındaki optimum sonucu veren anten tercih edilmektedir. Röle ile kullanıcılar arasında ise üç kullanıcılar arasında çoğunluğa dayalı bir anten seçimi gerçekleşmektedir. Anten seçimi yapıldıktan sonra kaynaktan NOMA sembolleri iletilmektedir. Rölenin antenlerinden alınan sinyaller MRC ile birleştirilerek rölenin seçilen anteninden kullanıcılara iletilir ve her kullanıcı tekrar aldığı işaretleri MRC ile birleştirir. Alınan işaretler ve MRC çıkışı karşılaştırıldığında performansta iyileşme olduğu görülmektedir. Bu sistemde kullanıcıların performansları simülasyon ve gerçek zamanlı testler ile OP açısından incelenmiştir. Ayrıca Rayleigh kanal oluşturabilmek için alıcı verici antenler arasına uygun engeller yerleştirilmiştir.
Son olarak tek taşıyıcılı çoğunluğa dayalı ortak verici-alıcı anten seçimi (JTRAS) kullanılan iki atlamalı NOMA sistemi oluşturulmuştur. JTRAS sisteminde kaynak ile röle arasındaki ilk atlamada en iyi kanala sahip anten çifti seçilmektedir. İkinci atlamada ise röle ve kullanıcılar arasında çoğunluğa dayalı bir değerlendirme gerçekleştirilmektedir. Bu sistemde hem alıcılarda hem de vericilerde en iyi kanala sahip anten seçildikten sonra tüm düğümlerde tek antenli iletim gerçekleştirilmektedir. Sistem simülasyonları ve testleri gerçekleştirilerek kullanıcılar, OP performansı açısından karşılaştırılmıştır.
Tezdeki çalışmalar sonucunda, NOMA'nın pratikte farklı kanal özelliklerine sahip kullanıcıların ihtiyaçlarını karşılayabilecek bir yöntem olduğu görülmüştür. Farklı taşıyıcı sistemler üzerinde kolaylıkla entegre edilip uyumlu bir şekilde çalıştığı denenmiştir. Ayrıca ikiden çok kullanıcı için de sistemin başarıyla çalıştığı gösterilmektedir.

Abstract:
Non-orthogonal multiple access (NOMA), which allows multiple users to share the same carrier is promising high spectrum efficiency for next-generation communication systems over against increasing bandwidth requirement. The motivation behind this approach is that NOMA can serve multiple users with different service quality requirements in the same resource area, depending on the channel conditions of the users. 
This thesis focused on the practical applications of power-domain NOMA networks. First of all, general information about communication technologies was given and different multiple access techniques were examined. Literature research on NOMA has been done and studies on the subject are briefly explained. The standardization studies of NOMA in 3rd Generation Partnership Project (3GPP) have been followed and these were included in the thesis. Apart from the theoretical and simulation studies on NOMA, the literature related to real-time test studies has been examined closely. In parallel with these studies, the difficulties encountered in the practical work of NOMA networks are mentioned.
Within the scope of thesis studies, a working NOMA system has been created using software-defined radios (SDR) in our laboratory environment. The universal software radio peripheral (USRP) unit is used as the radio equipment and LabVIEW is used as the software environment for real-time tests. Two different transceiver structures as orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) and single-carrier, are used to implement the NOMA system. Downlink transmission from a single source to multiple users was taken as a basis in the studies. Power allocation and successive interference cancellation (SIC) techniques for different numbers of users were examined on the OFDM based NOMA testbed. Four-point quadratic amplitude modulation (4-QAM) had been used as modulation in the OFDM based system. In the source transmitter, the symbols of the users are overlapped with superposition coding (SC) and sent from one antenna. As the number of users increases, the shape of the NOMA sembol sent from the source increases as the square of the modulation index.
First, a two-user NOMA test system was implemented and bit error rate (BER) analyzes were performed. Later, another USRP device was added to the system as a relay node. In two-hop NOMA systems, an amplify and forward (AF) relay is used for the transmission between the transmitter and receiver. On this system, the BER analysis of the users performed and compared according to the change in the transmitter gains of the source, and the relay nodes.
By adding one more user to the two-hop NOMA system, power allocation methods for three user systems have been examined. Different level SIC has been applied in order for each user to obtain their own symbols in their receiver. Each user extracts the symbols of the previous user from the symbol taken. It considers the symbols of the users after it as noise. The number of antennas of all nodes in the system was increased to two. Therefore two channel radio equipments used for source and users. But relay uses four channel equipment for using two transmit and two receive antennas. Antenna selection techniques have been studied on the multi antenna NOMA system. To perform the antenna selection, signaling is made between the source, the relay, and the users by using pilot signals. During these signaling, the channel gain of each transceiver antenna pair is recorded. Then the users transmit these values to the relay and the relay transmit them to the source. At the same time, the users can be sorted from distance to proximity according to their channel status depending on their distance, thanks to the feedback from these signaling. After the antenna selection and power allocation are made, NOMA symbols transmission has started. Bit error rate analyzes were performed for the relay assisted two hop NOMA system using transmit antenna selection (TAS) in the transmitter and maximum rate combining (MRC) in the receiver. In addition, four users with a single antenna for NOMA are finally integrated into the OFDM based system. Power allocationand SIC steps suitable for each user have been established. Real-time tests were carried out where four users received services from a single source at the same time.
Afterward, the three-user relay-assisted TAS / MRC system was rearranged according to the single carrier NOMA test environment. Binary phase shift modulation (BPSK) is used as a modulation type in single carrier transceiver structure. Different methods have been tried for frequency and symbol synchronization in the single carrier system in software defined radios. In order to make outage probability (OP) analysis, the signal-to-noise ratio (SNR) value of the users is estimated. But SNR estimation is challenging subject for NOMA as each user perceives other users' signals as noise figure. While choosing the transmitter antenna, the antenna that gives the optimum result between the source and the relay antennas is preferred. Between the relay and the users, an antenna selection is made based on the majority among three users. After the antenna selection is compelted, NOMA symbols are transmitted from the source. The signals received from the relay's antennas are combined with MRC and transmitted to the users through the selected antenna of the relay. Each user combines the signals that received again with MRC. When the signals received and MRC output are compared, it is seen that there is a performance improvement. In this system, the performances of the users were examined in terms of OP with simulation and real-time tests. In addition, suitable obstacles are placed between the transceiver antennas to create Rayleigh channels.
Finally, a two-hop NOMA system using single carrier majority based  joint transmit and receive antenna selection  (JTRAS) has been created. In the JTRAS system, the antenna pair with the best channel is selected in the first jump between the source and the relay. In the second jump, a majority-based evaluation is performed between the relay and the users. In addition, the channel coefficients received from the users are transmitted to the source by the relay, and power allocation coefficients are determined for the users according to these coefficients. In this system, after selecting the antenna with the best channel,  single antenna transmission is started to be used in all nodes in both receivers and transmitters. System simulations and real-time tests were performed and users were compared in terms of OP performance.
As a result of the studies in the thesis, it has been seen that NOMA is a method that can meet the needs of users with different channel characteristics in practice. It has been tested to be easily integrated on different carrier systems and work with compatibility. It is also shown that the system works successfully for more than two users.