Dik olmayan çoklu erişimli bilişsel radyo için karma spektrum paylaşım protokolü
Spectrum sharing protocol for non-orthogonal multiple access cognitive radio
Yazar: MUHAMMET ALİ ÖZCAN
Danışman: PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kablosuz iletişim = Wireless communication

Özet:
Gezgin aygıtların yaygınlaşmasıyla daha fazla veri tüketilmektedir. Bu gereksinimi
karşılayabilmek için yeni yöntemler araştırılmaktadır. Bu yöntemlerden birisi,
yeterince yararlanılamayan spektrumdan yararlanmayı hedefleyen bilişsel radyodur.
Altına sermeli bilişsel radyo, belirli bir güç kısıtı altında lisanssız kullanıcıların
lisanslı kullanıcılarla aynı anda çalışmasına olanak verir. Üstüne sermeli bilişsel
radyoda, lisanssız kullanıcıların kesinti/hata başarımı kötü olan lisanslı kullanıcıların
başarımını iyileştirmek için onlara yardım etmesi karşılığında lisanslı kullanıcıların
frekans bantlarını kullanmalarına izin verilir. Dik çoklu erişim (OMA) teknikleri
yerine dik olmayan çoklu erişim (NOMA) teknikleri kullanılarak da OMA'ya göre
karmaşıklığın daha yüksek olması pahasına iletişimin hızı arttırılabilir. NOMA
teknikleri içerisinde diğer tekniklere göre basitliğiyle, karmaşıklığının az olmasıyla,
güç tanım bölgesindeki NOMA, diğerlerinden daha fazla dikkat çekmektedir. Hem
hızlı bir iletişim için hem de spektrumu daha verimli kullanabilmek için bu çalışmada
bilişsel radyo ile NOMA birlikte kullanılmıştır.

Bu çalışmada önce Altına Sermeli NOMA ve Üstüne Sermeli NOMA, tek başlarına
bir sistem olarak düşünülüp kesinti olasılık ifadeleri türetilmiştir. Elde edilen teorik
sonuçların bilgisayar benzetim sonuçlarıyla uyumlu olduğu görülmüştür. Altına
Sermeli NOMA'da, PU'nun ikincil kullanıcı (SU)'nun üzerindeki kısıtı azalırsa,
yani SU'nun girişimi artarsa, PU'nun kesinti başarımının düşeceği, SU'nun kesinti
başarımının artacağı gösterilmiştir. Ayrıca, SU'nun sürekli bir girişim yapmasından
dolayı PU'nun kesinti olasılığının bir hata katına gireceği gösterilmiştir. Bunun tersi
durumda da (PU'nun SU'ya girişimi nedeniyle) yine hata katı görülmektedir. Üstüne
Sermeli NOMA'da PU'ya uygun bir güç paylaşım katsayısı verildiği takdirde, PU'nun
başarımı, çeşitleme arttığından dolayı iyileşmekte, SU'nun başarımı altına sermeli
duruma göre kötüleşmektedir. Daha sonra, bilişsel radyodaki altına sermeli yaklaşım
ile üstüne sermeli yaklaşım birleştirilerek karma bir NOMA sistem oluşturulup
bu sistemin kesinti olasılık ifadeleri türetilmiş, elde edilen sonuçların bilgisayar
benzetim sonuçlarıyla uyum içerisinde olduğu gösterilmiştir. Bu tezde önerilen
karma sistem, PU ile SU arasındaki hat kesintiye girmezse üstüne sermeli, girerse
altına sermeli çalışacaktır. PU'nun verici gücü arttıkça sistemin üstüne sermeli
çalışma olasılığı artmaktadır. Bir başka deyişle, yüksek işaret-gürültü oranlarında
(SNR) karma sistem, üstüne sermeli sisteme yakınsamaktadır. Üstüne sermeli
sistem ile PU'nun kesinti başarımı artmakta, karma sistem ile PU'nun başarımı
düşmektedir. Ancak, bu düşüş PU'nun tek başına çalıştığı durumdan daha kötü olmaz.
Dolayısıyla, PU'daki bu düşüş tolere edilebilir. SU'nun başarımı ise karma sistemde,
üstüne sermeliye göre artmaktadır. Kısacası, lisanslı kullanıcının altına sermedeki
dezavantajlı durumu, lisanssız kullanıcının üstüne sermedeki dezavantajlı durumu,
karma sistemle iyileştirilmiştir.

Abstract:
More data is consumed by the widespread use of mobile devices and new methods are
being investigated to meet this requirement. Two of these methods are non-orthogonal
multi-access (NOMA) techniques and cognitive radios.

First, before addressing NOMA techniques, orthogonal multiple access (OMA)
techniques have to be mentioned. Resources are shared as orthogonal in domains of
time, frequency or code in OMA. Interference of each user to other users in the same
cellular network is cancelled out thanks to orthogonality. By using NOMA techniques
instead of OMA techniques, the rate of communication can be increased at the expense
of higher complexity than OMA. As another consequence of using NOMA, while the
number of users in the cellular network is limited in OMA because of the limited
resources, the number of users and rates in proportion to the permitted interference
in the NOMA network are more than that of OMA. Two main NOMA techniques
are power-domain NOMA (PD-NOMA) and code-domain NOMA (CD-NOMA). In
PD-NOMA, all resources except power are the same for each user. However, the power
of each user is different from another user. Downlink PD-NOMA could be explained
as follows: The signal transmitted from the base station is the weighted sum of the
signals of all users. These weights are called power coefficients, and they are chosen
such that the weight of a weak user is larger than the weight of a strong user. Users
decode their own signals using successive interference cancellation (SIC) technique
at their receivers. In CD-NOMA, users' messages are coded via a different code or
method. Pattern division multiple access and multi-user shared access techniques could
be given as examples of CD-NOMA. PD-NOMA usually has low complexity and high
flexibility compared to CD-NOMA techniques. Thus, since considering PD-NOMA
draws more attention for its simplicity, PD-NOMA is used instead of an CD-NOMA
technique in this study. From now on, NOMA is called instead of PD-NOMA.

A big majority of the radio spectrum is licensed. In other words, the number of
frequency bands that can be used by unlicensed user is few. However, the problem
here is that the licensed users do not benefit from the licensed bands sufficiently. Thus,
the occupancy rate of the spectrum is not high. To meet mentioned requirements, the
licensed spectrum can be shared by the unlicensed users. However, this is unlikely
due to the fullness of the spectrum. Cognitive radio (CR) has been proposed as a
solution. CR aims to utilize for another user the spectrum that is not sufficiently
utilized by its owner. In the CR, a number of users in a wireless communication
system have information about other users such as their channel status, operational
status, message information, and by using this information, they can increase their
performance without reducing the performance of other users or not reducing it to less
than a tolerable interference level. In cognitive radio, users who have the priority to use
the spectrum band are called primary users (licensed users) and users who do not have 
the right to use the spectrum band but also has information about the primary users
are called secondary users (unlicensed users). CR can be examined in three different
paradigm according to the network knowledge of the users and the regulation regarding
the use of spectrum. These paradigms are underlay, overlay and interweave. Underlay
cognitive radio allows unlicensed users to transmit simultaneously with licensed users
under a certain power constraint. Unlicensed users are allowed to use frequency bands
in situations that licensed users have weak outage/error performance on condition
that they help licensed users to improve the performance of them on the overlay
cognitive radio. Interweave is the approach at the time when cognitive radio was first
proposed, and in cases where primary users are not active (considered in spectrum
gaps), secondary users become active for transmission. Interweave paradigm is not
considered in this thesis.

In this study, cognitive radio and NOMA are combined for a fast communication and
for an improved spectrum efficiency. First, Underlay NOMA and Overlay NOMA are
considered as separate systems. In the considered CR model, the primary user (PU)
consists of one transmitter and one receiver, however the secondary user (SU) employs
NOMA being composed of one transmitter and variable number of receivers. The
power of the secondary user is limited by the PU's constraint in Underlay NOMA.
While the outage probabilities of both the PU and SU are calculated, the interference
between PU and SU is taken into account. The Overlay NOMA system is designed
to operate in two time intervals. Here, in the first time interval, the secondary user
listens to the primary user and decodes PU's signal and cooperates with PU for the
transmission of PU's message and its own message. Outage performances of these
systems are derived and the obtained results are approved by computer simulations. In
Underlay NOMA, it is shown that the outage performance of PU decreases and that of
SU increases if the PU's power level constraint on the SU is relaxed, in other words if
the interference of the SU increases. Besides, it is shown that the outage probability of
PU enters an error floor due to a continuous interference by SU. Similarly, under the
interference of PU on SU, an error floor occurs also on the outage probability of SU.
If an appropriate power allocation coefficient is attributed to PU in Overlay NOMA,
the performance of PU improves due to increased diversity, and the performance of
SU decreases considering Underlay NOMA. As the main contribution of the thesis,
a hybrid system is proposed by combining the underlay and overlay approaches in
the cognitive radio, and then the outage probabilities of the proposed hybrid system
are derived and the obtained theoretical outage probability curves are found in perfect
match with the computer simulation curves. When the channel between PU and SU
does not in outage, the hybrid system operates in overlay mode, and otherwise in
underlay mode. The higher the transmitter power of PU, the higher the likelihood
of working in overlay mode. In other words, at high signal-to-noise ratios (SNR),
the hybrid system converges to the overlay system. While PU's outage performance
increases in the hybrid system due to cooperation in the overlay mode, the performance
of PU in the hybrid system decreases in the underlay mode due to the SU's interference.
However, this decrease will not be worse than the system in which PU operates alone
from point-to-point in the network. Thus, this decrease in the performance of PU is
tolerable. On the other hand, the performance of SU increases in the hybrid system
compared to the overlay mode. In addition, considering that a certain amount of power
of SU is allocated to PU when working on the overlay mode, it has been shown that
this amount of power can be selected so that the performance of hybrid cognitive radio
NOMA is higher than that of OMA. In brief, the disadvantageous status of the licensed
user in the underlay cognitive radio and the disadvantageous status of the unlicensed
user in the overlay cognitive radio are improved by the proposed hybrid system.