Dik olmayan çoklu erişim sistemlerinde optimal adil kaynak tahsisi
Optimal fair resource allocation for non-orthogonal multiple access systems
Yazar: KENAN SERDAR KAVLAK
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL ÇELEBİ
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

Özet:
Dik olmayan çoklu erişim (non-orthogonal multiple access, NOMA) sistemlerinde kaynak tahsis (resource allocation, RA) problemi genelde iki aşamada ele alınmaktadır. Bu aşamalar sisteme uygun bir güç tahsis (power allocation, PA) ve kullanıcı eşleme (user pairing, UP) yönteminin belirlenmesidir.
Bu tezde, literatürdeki kaynak tahsisi problemine çözüm olarak optimal adil kaynak tahsisi önerilmiştir (optimal fair resource allocation, OFRA). Bu yöntem ile belirli kısıtlar altında kullanıcılar arasındaki adaleti de sağlayarak dik çoklu erişime (orthogonal multiple access, OMA) üstünlük sağlamak amaçlanmaktadır. OFRA kaynak tahsisi problemini iki aşamada ele almaktadır. İlk aşamada hizmet kalitesi (quality of service, QoS) gereksinimleri dikkate alınarak kullanıcıların güç tahsis katsayıları belirlenir. İkinci aşamada ise sistemin toplam ulaşılabilir veri hızı O(K) karmaşıklıkla optimal hale getirilir. Bu tezde ilk olarak NOMA sisteminin genel yapısından ve NOMA çeşitlerinden bahsedilmiştir. Sonrasında NOMA sisteminde kaynak tahsisinin nasıl yapıldığı ele alınmıştır. Güç tahsisi aşaması için QoS gereksinimlerinin yerine getirilmesine yönelik olan çalışmalardan birisi incelenmiştir. Kullanıcı eşleme aşaması için kullanıcılar arasındaki kanal kazanç farklarından yararlanan algoritmalar incelenmiştir. Kanal kazanç farklarından yararlanarak kullanıcı eşlemesi yapılan NOMA sisteminin performansı benzetim ile verilmiştir. Bir sonraki bölümde önerilen OFRA yönteminin sistem modeli verilmiştir. Tek bir kaynak bloğunda üç ya da daha fazla kullanıcı bulunması durumunda kaynak tahsisinin nasıl yapılacağı anlatılmıştır. Öncelikle güç tahsisi yapılırken QoS gereksinimleri dikkate alınarak sistemin ulaşılabilir veri hızının maksimize edilebilmesi için gerekli şartlar verilmiş ve gerekli güç tahsis katsayıları hesaplanmıştır. Sonrasında ise optimal kullanıcı eşlemesini sağlamak için yeni bir algoritma önerilmiştir. Bu adımlar öncelikle 3-kullanıcılı ve 4-kullanıcılı durumlar için gerçekleştirilmiş olup sonrasında M-kullanıcılı durum için genelleştirilmiştir. Böylelikle kaynak tahsisi problemine genelleştirilmiş bir çözüm sunulmuştur. Bu çözümün performansı 2-kullanıcılı, 3-kullanıcılı ve 4-kullanıcılı durumlar için benzetim yoluyla elde edilmiştir. Kaynak blok sayısının kullanıcı sayısına göre sınırlı olduğu durumlarda bir kaynak bloğundaki eşlenen kullanıcı sayısı arttıkça sistemin toplam ulaşılabilir veri hızı artmaktadır. Kaynak blok sayısının yeterli olduğu durumlarda ise tek bir kaynak bloğunda eşlenen kullanıcı sayısı arttıkça sistemin toplam ulaşılabilir veri hızı düşmektedir. Yapılan benzetimlerde önerilen yöntem beklendiği gibi her koşulda OMA'ya üstün gelmiştir. Ayrıca 3-kullanıcılı ve 4-kullanıcılı durumlar için kullanıcı eşleme algoritması öneren bir çalışmayla karşılaştırılıp daha iyi bir performans elde edilmiştir.

Abstract:
In non-orthogonal multiple access (NOMA) systems, the problem of resource allocation (RA) is generally addressed in two stages. These steps are determining a proper power allocation (PA) and user pairing (UP) method for the system.
In this thesis, optimal fair resource allocation (OFRA) has been proposed as the solution to the resource allocation problem in the literature. This method aims to provide superiority to orthogonal multiple access (OMA) by providing fairness among users under certain constraints. OFRA addresses the problem of resource allocation in two stages. In the first stage, the power allocation coefficients of the users are determined by considering the quality of service (QoS) requirements. In the second stage, the total achievable data rate of the system is optimized by O(K) complexity. In this thesis, firstly the general structure of NOMA system and methods are mentioned. Then, the resource allocation in the NOMA system is discussed. One of the studies aimed at fulfilling the QoS requirements for the power allocation phase is examined. Algorithms that benefit from channel gain differences between users for user pairing phase are investigated. The performance of the NOMA system with paired users based on channel gain differences is given by simulations. In the following section, the system model of the proposed OFRA method is given. In case of three or more users in a single resource block, resource allocation is derived. Firstly, the necessary power allocation coefficients are calculated to maximize the system's achievable data rate by taking into account the QoS requirements during power allocation. A new algorithm is then proposed to ensure optimal user pairing. These steps are performed primarily for 3-user and 4-user cases, and then generalized for the M-user case. Thus, a generalized solution to the resource allocation problem is presented. The performance of this solution is achieved by simulation for 2-user, 3-user and 4-user situations. In cases where the number of resource blocks is limited, as the number of users in a single resource block increases, the total available data rate of the system increases. On the other hand, in cases where the number of resource blocks is sufficient, as the number of users in a single resource block increases, the total available data rate of the system decreases. In the simulations, the proposed method is superior to OMA in all circumstances as expected. In addition, proposed method is compared another study that also proposes a user pairing algorithm for 2-user, 3-user and 4-user situations, and better performance is achieved.