Dikgen olmayan çoklu erişim tekniğini kullanan insansız hava araçlarının performans analizi
Performance analysis of unmanned aerial vehicles using non-orthogonal multiple access technique
Yazar: AHMET AYTUĞ AYRANCI
Danışman: DOÇ. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Erişilebilirlik = Accessibility ; Veri hızı = Data rate ; Çoklu erişim = Multiple access ; İnsansız hava aracı = Unmanned aerial vehicle

Özet:
Bu tez çalışmasında haberleşme ağında İnsansız Hava Aracı (Unmanned Aerial Vehicle, İHA)'nın havadaki baz istasyonu olarak kullanıldığı İHA-Etkin haberleşme ağlarında Dikgen Olmayan Çoklu Erişim (Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA) ağlarının kullanımının haberleşme sistemine getirdiği performans kazancı yapılan simülasyonlar yoluyla gösterilmiştir. İHA-Etkin NOMA ağlarının yeni nesil haberleşme ağlarına kazandırması beklenen kazançlar belirtilmiştir. Haberleşme ağında maksimum haberleşme performansı elde edebilmek amacıyla İHA için farklı haberleşme ortamlarında optimum yükseklik hesabı yapılmıştır. Bulunan optimum yükseklik için çeşitli haberleşme senaryolarında NOMA ağının performansı geleneksel Dikgen Çoklu Erişim (Orthogonal Multiple Access, OMA) teknikleri ile kıyaslanarak tasarlanan sistemin haberleşme ağına kazandırdığı performans kazancı gösterilmiştir. 
3-kullanıcılı aşağı ve yukarı yönlü İHA-Etkin NOMA ağları için verilen sistem modeli kullanılarak kullanıcı ve ağ seviyesinde simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Yapılan simülasyonlarda kullanıcı sayısının, İHA için optimum yüksekliğin ve haberleşme ortamının haberleşme performansına etkisi gösterilmiştir. Tasarlanan sistem modellerinin haberleşme performanslarını gösterebilmek amacıyla kullanıcılar için erişilebilir veri hızı, Kesinti Olasılığı (Outage Probability, OP) ve Bit Hata Oranı (Bit Error Rate, BER) değerleri elde edilmiştir. Daha sonra farklı senaryolar altında kullanıcı ve ağ seviyesinde toplam veri hızı için simülasyonlar yapılmıştır. Yapılan erişilebilir veri hızı simülasyonları için kullanıcıların ve ağın performansını daha iyi görebilmek amacıyla NOMA ağının performansı OMA ağı ile kıyaslanarak elde edilen performans kazancı gösterilmiştir. Farklı senaryolarda yapılan veri hızı analizlerinde ağ için maksimum performansı elde edebilmek amacıyla hesaplanan optimum yükseklikler kullanılmıştır. OP ve BER analizleri için de tasarlanan aşağı yönlü 3-kullanıcılı İHA-Etkin NOMA ağı kullanılmıştır. Haberleşme performansı üzerine yapılan analizlerde şehirsel haberleşme ortamı kullanılmıştır. Şehirsel haberleşme ortamında optimum performans elde edebilmek amacıyla haberleşme ortamı için elde edilen optimum yükseklikte İHA konumlandırılmıştır. OP ve BER analizleri için kanal kazancı yüksek olan kullanıcıdaki Ardışık Girişim Giderici (Successive Interference Cancellation, SIC) işlemindeki hatanın yapılan analizlerdeki etkisi belirtilmiştir. Veri hızı için yapılan analizde ise mükemmel ve mükemmel olmayan SIC işlemleri için veri hızı değerleri elde edilmiştir. Elde edilen değerler üzerinden SIC işlemindeki hatanın haberleşme performansı üzerindeki etkisi görülmektedir. Kullanıcı seviyesinde OP ve BER değerleri yapılan simülasyonlar ile gösterilmiştir. Kullanıcılarda elde edilen Sinyalin Gürültüye Oranı (Signal-to-Noise Ratio, SNR) kazanç değerleri benzetim sonuçlarıyla gösterilmiştir. Tasarlanan aşağı yönlü ve yukarı yönlü İHA-Etkin NOMA ağları için yapılan analizler OMA ağları ile karşılaştırılmış ve tüm senaryolarda NOMA ağının üstün performans sergilediği gözlemlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, the performance gain of the Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in UAV-enabled communication networks, where the UAV is used as an airborne base station in the communication network, is demonstrated through simulations. The advantages that UAV-Enabled NOMA networks are expected to bring to the next generation communication networks are stated. To achieve maximum performance in the communication network, optimum height calculations were made for the UAV in different communication environments. The performance of the UAV-Enabled NOMA network at optimum height is compared with the traditional Orthogonal Multiple Access (OMA) techniques in various communication scenarios, and the performance gain that the UAV-Enabled NOMA network brings to the communication system is shown.
For the 3-user downlink and uplink UAV-Enabled NOMA networks, simulations were performed at the user and network levels. In the simulations, the number of users in the network, the optimum height for the UAV, and the environmental effects on communication performance have been shown. Then, under the same conditions, an uplink UAV-Enabled NOMA is designed, and the performance gain of both downlink and uplink networks is demonstrated for the communication network. In order to show the performance gain of the designed system models, achievable data rate values for users have been obtained. Then, simulations were made for the achievable data rate under various communication scenarios at the user and network levels. To show the UAV-Enabled NOMA network's performance gain OMA technique has been used in achievable data rate simulations. In the data rate analyses made in different scenarios, the optimum heights calculated for the UAV were used to obtain the maximum performance for the network. A 3-user UAV-Enabled NOMA network was used for Outage Probability (OP) and Bit Error Rate (BER) analysis. The urban environment was used in the analysis, and the UAV was positioned at the optimum altitude. For the OP and BER analyzes, the effect of the error in the Successive Interference Cancellation (SIC) on the simulations is stated. Signal-to-Noise Ratio (SNR) gain values obtained for users are shown with simulation results. The analyzes for the designed downlink and uplink UAV-Enabled NOMA networks were compared with the OMA, and it was observed that the NOMA network showed superior performance in all communication scenarios.