Dikgen olmayan çoklu erişim tabanlı 5G ve ötesi haberleşme sistemlerinin başarım analizi
Performance analysis of non-orthogonal multiple access-based 5G and beyond communication systems
Yazar: İNCİ UMAKOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA NAMDAR ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ARİF BAŞGÜMÜŞ
Kütahya Dumlupınar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, dikgen olmayan çoklu erişim (NOMA) yönteminin yeni nesil haberleşme sistemleri ile başarım analizi çalışılmıştır. Tez çalışmasında ilk olarak aşağı yönlü kuvvetlendir ve aktar (AF) ve çöz ve aktar (DF) röle destekli NOMA sistemlerinde röle seçimi algoritmalarının bit hata oranı (BER) performansı ele alınmıştır. Önerilen sistem modeli için, maksimum-minimum (max-min) ve iki aşamalı röle seçimi çözümlerini değerlendirmek amacıyla benzetim sonuçları detaylı bir şekilde incelenmiştir. Röle sayısındaki artışın BER performansını olumlu yönde etkilediği gözlemlenirken, uzak kullanıcı ile röleler arasındaki mesafenin artması BER performansını olumsuz etkilemiştir. AF destekli max-min röle seçim yönteminin, özellikle uzak kullanıcı için daha üstün bir performans sergilediği tespit edilmiştir. Bununla birlikte, DF destekli iki aşamalı röle seçim modelinin BER performansının daha iyi olduğu sonucuna varılmıştır. AF röle iletimi, her iki kullanıcı için de DF röle iletimine göre daha etkili bir performans sergilerken, uzak kullanıcının röleden uzaklaştıkça BER performansında bir düşüş gözlenmiştir. Ayrıca, AF yardımlı iki aşamalı röle seçimi yöntemi, uzak kullanıcı için DF senaryosuna kıyasla yaklaşık 10 dB kazanç sağlamaktadır.
Tez çalışmasının ilerleyen bölümlerinde, insansız hava aracı (İHA) AF destekli röleleri ve hedef kullanıcılardan oluşan aşağı yönlü NOMA mimarisi incelenmiştir. İHA rölelerinin seçimi için kısmi kanal kalitesine dayalı olarak kısmi röle seçimi (PRS) tekniğinin uygulanması, düşük uygulama karmaşıklığına olanak tanımıştır. Seçilen en iyi İHA rölesi, en güçlü kanal kazancına sahip olan röledir. Bazı durumlarda, en iyi İHA rölesine erişim; yük dengeleme, zamanlama veya geri bildirim gecikmeleri gibi faktörler nedeniyle mümkün olmayabilir. Bu durumda, ikinci, üçüncü veya n'inci en iyi İHA röleleri gibi seçenekler değerlendirilmiştir. Rayleigh sönümlemeli kanal üzerindeki NOMA kullanıcılarının bit hata olasılığı (BEP) analizi için n'inci en iyi İHA rölesinin seçimi ile ilgili kapalı formdaki ifadeler detaylı bir şekilde incelenmiştir. Ayrıca, bu çalışmada çeşitlilik kazancı değerlendirilmiş ve yüksek sinyal gürültü oranı (SNR) durumundaki BEP'in asimptotik kapalı form ifadesi türetilmiştir. Türetilen kapalı form ifadesinin doğruluğunu kanıtlamak amacıyla; İHA röle sayısı, yol kaybı katsayısı, güç paylaşım katsayısı ve kanal kazançları gibi parametreler hesaba katılarak nümerik sonuçlar sunulmuştur.
Tez çalışmasının devamında, güç eksenli aşağı yönlü dikgen zaman frekans uzayı (OTFS) modülasyonlu NOMA haberleşmesinin BER performansı üzerine bir analiz gerçekleştirilmiştir. BER benzetimleri sırasında, hareket halindeki kullanıcıların hız parametreleri, güç paylaşım (PA) katsayısı, gecikmeler ve Doppler etkileri göz önüne alınmıştır. Önerilen OTFS-NOMA sisteminde, mesaj iletim (MP) tespit algoritması, hedef kullanıcıların BER performansını analiz etmek amacıyla kullanılmıştır. Yüksek hızlı kullanıcılardan kaynaklanan yansımalar ve gecikmelerin, sistem performansını olumsuz yönde etkilediği gözlemlenmiştir. 4-QAM/16-QAM modülasyonları için BER başarımları detaylı bir şekilde incelenmiştir. Her iki kullanıcının BER performansının Doppler etkisi nedeniyle olumsuz yönde etkilendiği gözlemlenmiştir.
Bu tez çalışmasında, derin öğrenme (DL) tabanlı OTFS-NOMA sistem modeli üzerine çalışılmıştır. Aşağı yönlü OTFS-NOMA sistem modeli için önerilen çift yönlü uzun kısa süreli bellek (BiLSTM) ağı Rayleigh sönümlemeli kanal kullanılarak sinyal algılama işlemi gerçekleştirilmiştir. Yakın ve uzak kullanıcılardan gelen sinyalleri sezmek için MP algoritması ve BiLSTM tekniğinin başarımı, sembol hata oranı (SER) performans kriteri üzerinden karşılaştırılmıştır. Eğitim optimizasyon algoritması seçimi için yaygın olarak kullanılan stokastik gradyan azalması (SGD),  uyarlanabilir moment tahmini (ADAM), karekök ortalama kare yayılımı (RMSprop) ile çalışılarak SER performansı üzerindeki etkiler incelenmiştir. Ayrıca, BiLSTM tekniğinin başarımının, MP algoritmasından daha etkili olduğu gözlemlenmiş olup, RMSprop'un SER açısından diğer optimizasyon algoritmalarından daha iyi bir performans sergilediği belirlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, the performance analysis of non-orthogonal multiple access (NOMA) technique with next generation communication systems is studied. At the beginning of the thesis, the performance of relay selection algorithms in amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) relay-assisted NOMA systems is addressed in terms of bit error rate (BER). Simulation results are extensively examined to evaluate maximum-minimum (max-min) and two-stage relay selection solutions for the proposed system model. While increasing the number of relays improves BER performance, increasing the distance between the far user and the relays degrades BER performance. It is observed that the AF-assisted max-min relay selection method exhibits superior performance, especially for the far user. The BER results of the DF-assisted two-stage relay selection strategy, on the other hand, demonstrate poor performance. AF relay transmission demonstrates more effective performance for both users compared to DF relay transmission, yet a decrease in BER performance is observed as the far user moves away. In this case, AF relay transmission proves to be more effective for both users compared to DF relay transmission. Moreover, the AF assisted two stage relay selection method performs almost 10 dB gain compared to the DF scenario for the far user.
In the subsequent sections of the thesis, unmanned aerial vehicle (UAV) AF-assisted relays and a downlink NOMA architecture consisting of far and near users have been investigated. The application of partial relay selection (PRS) technique based on partial channel quality for the selection of UAV relays allows for low application complexity. The best-selected UAV relay has the strongest channel gain. In some cases, access to the best UAV relay may not be possible due to factors such as load balancing, timing, or feedback delays. In this situation, alternatives such as the second, third, or n-th best UAV relays have been evaluated. The closed-form expressions for the selection of the n-th best UAV relay for bit error probability (BEP) analysis of NOMA users under a Rayleigh fading channel have been examined in detail. Additionally, diversity gain is evaluated, and asymptotic closed-form expressions for BEP under high signal-to-noise ratio (SNR) conditions are derived. Numerical results are presented to validate the accuracy of BER analytical study taking into consideration some parameters such as the number of UAV relays, path loss exponent, power allocation coefficient, and channel gains. 
In the rest of the thesis, an analysis of the BER performance of orthogonal time-frequency space (OTFS)-NOMA communication with high-speed movement scenarios is conducted. During BER simulations, parameters such as the speed of moving users, power allocation (PA) coefficients, delays, and Doppler effects are considered. In the proposed OTFS-NOMA system, a message passing (MP) detection algorithm is used to analyze the BER performance of users. The reflections and delays due to high-speed users are observed to impact system performance negatively. BER performances are extensively examined for 4-QAM/16-QAM modulation schemes. The BER performance of both users is observed to be negatively affected by the Doppler effect. 
The deep learning (DL) based OTFS-NOMA structure is integrated into next-generation communication systems within the scope of this thesis. For the proposed bidirectional long short-term memory (BiLSTM) network applied to the power-domain downlink OTFS-NOMA system model, signal detection is performed using a Rayleigh fading channel. The performance of the MP algorithm and BiLSTM technique in detecting signals from both near and far users is compared based on the symbol error rate (SER) performance criterion. The effects of commonly used stochastic gradient descent (SGD), adaptive moment estimation (ADAM), and root mean square propagation (RMSprop) optimization algorithms on SER performance are examined. According to simulation results, the BiLSTM technique outperforms MP performance for the far user. Furthermore, RMSprop is determined to outperform other optimization algorithms in terms of SER. The performance of the BiLSTM technique is observed to be more effective than the MP algorithm, except for the SGD optimization algorithm.