Gelecek nesil radyo erişim ağlarında dinamik kaynak yönetimi
Dynamic resource management in future radio access networks
Yazar: ÖMER HALİLOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. CENK TOKER
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında, aşağı yönlü, çok hücreli ve çok taşıyıcılı hücresel dağıtık anten sisteminde (distributed antenna system, DAS) radyo kaynak tahsisi problemleri ele alınmaktadır.
Bu problemlerde, 5G ve ötesinde kullanılması öngörülen, çok taşıyıcılı dikgen olmayan çoklu erişim (non-orthogonal multiple access, NOMA), çoklu-bağlantı (multi-connectivity, MC) ve koordine edilmiş çok noktalı  (coordinated multipoint, CoMP) iletim gibi ağ fonksiyonlarının başarımları incelenmektedir. 
5G ve ötesinde, farklı radyo erişim ağı (radio access network, RAN) mimarileri kullanılması öngörülmekte ve ağ dilimlendirme konsepti altında, kullanım amacına göre bazı ağ fonksiyonları merkezi bazıları ise dağıtık olarak kullanılabilecektir. RRM (radio resource management, radyo kaynak yönetimi), NOMA, MC ve CoMP gibi ağ fonksiyonları hem merkezi hem de dağıtık olarak kullanılabilmektedir. 
Bu bağlamda, bazı ağ fonksiyonlarının (örn., RRM) merkezi olarak, bazılarının (örn., CoMP) ise dağıtık olarak kullanıldığı DD-RAN (dinamik dağıtık RAN) mimarisinde cRRM (merkezi RRM) başarımı incelenmektedir. Daha sonra dağıtık RAN (D-RAN) mimarisinde, hücrelerarası koordinasyonun azaldığı ve her hücrede RRM'in dağıtık (dRRM) ve merkezi olmayan (decRRM) bir şekilde yapıldığı durumlarda başarım irdelenmektedir. Bununla birlikte, bulut RAN (C-RAN) mimarisi ile ağ fonksiyonlarının merkezi olarak kullanıldığı, merkezi sinyal işleme sayesinde kazanılan çeşitleme kazancı ve enbüyük koordinasyon seviyesi ile elde edilen başarımlar incelenmektedir. 

Bütün bu mimari yapılarda ve farklı koordinasyon seviyelerinde, JT-CoMP-NOMA'nın (ortak iletim CoMP ve NOMA) başarımları, MC'nin aktif olduğu ve olmadığı durumlarda incelenerek dikgen çoklu erişim (OMA) kullanıldığı durumlarla karşılaştırılmaktadır. NOMA ve MC'nin beraber kullanımının sistem başarımını en çok artırdığı gözlemlenmiş, ancak kullanıcının kodçözümünde artırdığı karmaşık sebebiyle NOMA'nın kullanılmasının yerine MC kullanımının avantaj ve dezavantajları değerlendirilmektedir.

Her hücrede coğrafi olarak dağıtılmış uzak radyo başlıkları (remote radio head, RRH) ve rasgele olarak yerleştirilmiş düşük güç tüketimli erişim noktaları mevcuttur. Basitten karmaşığa doğru çeşitli senaryolarda ve uygun kısıtlar altında (örn., enküçük veri hızı, azami güç, adalet), çeşitli maliyet işlevleri için ortak güç kontrolü ve kaynak tahsisi problemleri eniyilenmekte, hangi erişim noktasının hangi kullanıcıya hangi kaynak bloğu (resource block, RB) içinde ne kadar güçle iletim yapacağı belirlenmektedir. Eniyileme sonucunda elde edilen enerji verimliliği (EE), izgesel verimlilik ve izgesel enerji verimlilği başarımları ve kullanılan iletim güçleri irdelenmektedir. Problemlerinin çözümünde dışbükey eniyileme (convex optimization) kullanılmaktadır. Problemler dışbükey biçiminde olmadığı için elde edilen sonuçlar eniyiye yakın olabilmektedirler. 

Enbüyük sistem başarımı, en yüksek serbestlik derecesine sahip olan C-RAN mimarisinde cRRM uygulandığı durumda elde edilmekte, daha sonra DD-RAN mimarisi gelmektedir. Önerilen dRRM algoritması ile yeteri kadar iyi başarım alınamamakta ve decRRM ile benzer sonuçlar elde edilmektedir. Burada, BS'ler (base station, baz istasyon) arasındaki bilgi paylaşımı ve koordinasyonun, cRRM'in başarımı için önemi gösterilmektedir. 

Literatürden farklı olarak JT-NOMA-CoMP ağlarında DAS yapısı kullanılmaktadır. Bununla birlikte, kullanıcı eşlemesi yapılmadan, farklı kullanıcılar bütün RB'leri aynı anda kullanabilmektedirler. Veri hızı ve AP iletim gücü kısıtlarının yanında kullanıcılar arası adalet kısıtı eklenmekte, karmaşık sinyal ve ağ modeli (ağır girişim altında) ile eniyileme problemi çözülmektedir. Ayrıca toplam veri hızının enbüyütülmesi ile toplam iletim gücünün enküçültülmesi arasında bir ödünleşim oluşturularak, sistemin çalışma bölgeleri incelenmektedir. JT-NOMA-CoMP ağları çeşitli mimari yapılar ve RRM koordinasyon seviyelerinde MC ile birlikte incelenmektedir.

Abstract:
In this thesis, radio resource allocation in a downlink multi-cell and multi-carrier distributed antenna system (DAS) are discussed.
In these problems, performances of non-orthogonal multiple access (NOMA), multi-connectivity (MC) and joint transmission (JT) mode of coordinated multipoint (CoMP) are investigated.
It is envisioned to use different radio access network (RAN) architectures for 5G and beyond. As network slicing impinges, some of the network functions will be centralized and some will be used in a distributed manner. Network functions such as RRM, NOMA, MC and CoMP can be either centralized or distributed.
In this context, cRRM (centralized RRM) is examined in DD-RAN (dynamic distributed RAN) architecture in which some network functions (e.g., RRM) are centralized and some (e.g., CoMP) are distributed. Then, in the distributed RAN (D-RAN) architecture, the coordination among base stations (BS) is reduced and the performance is investigated in the case where RRM is performed in distributed (dRRM) and decentralized (decRRM) manner in each cell. However, the performance achieved through the utilization of cloud RAN (C-RAN) architecture as network functions are centralized, the diversity gain through centralized processing and the highest level of coordination is examined.

With all these architectural structures and at different levels of coordination among cells, the performance of JT-CoMP-NOMA is compared with scenarios where orthogonal multiple access (OMA) is employed for both situations whether MC is active or not. The combination of NOMA and MC has been observed to maximize system performance, but the pros-and-cons of using MC instead of using NOMA are assessed because of the increase in decoding complexity due to the utilization of NOMA.

In each cell there are geographically distributed remote radio heads (RRH) and randomly deployed low-power nodes. Joint power control and resource allocation problems are being optimized in various scenarios from simple to complex, for various cost functions and under appropriate constraints (e.g., minimum data rate, maximum power limit, fairness), resulting in how much transmit power should be used by access points for each user in each cell and resource block (RB).
Energy efficiency (EE), spectral efficiency and spectral energy efficiency performances and transmission power are examined as a result of the optimization. Convex optimization is used to solve these non-convex problems, thus, the results obtained can be suboptimal.

Maximum system performance is obtained when cRRM is applied in C-RAN architecture having the highest degrees of freedom, followed by DD-RAN architecture. With the proposed dRRM algorithm, it is not achieved good performance as well as the similar results with decRRM. Here, it can be deduced that information sharing and coordination between BSs are important for the performance increase. 

In addition to the literature, DAS is employed with JT-NOMA-CoMP studies. Furthermore, users are allowed to utilize all RBs, simultaneously, without matching users. Moreover, fairness constraint is added into optimization problem involving complex signal and network model. Additionally, a trade-off between maximizing sum-rate and minimizing output power offering different EE operation regions is investigated. More than that, JT-NOMA-CoMP is studied with different RAN architectures and coordination levels including MC framework.