Yoğun çok girdili çok çıktılı sistemlerde sabit ve çok genlikli önkodlamanın dikgen olmayan çoklu erişim ile kullanımı
Using non-orthogonal multiple access with constant and multi envelope precoding for massive multiple input multiple output systems
Yazar: TUĞRUL ÖZCAN
Danışman: DOÇ. DR. AYŞE MELDA YÜKSEL TURGUT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Kablosuz iletişim, günümüzde bilginin iletilebilmesi için kilit bir rol oynamaktadır. Giderek artan daha yüksek veri hızı, daha etkili güç verimliliği ve daha yüksek spektral verimlilik taleplerini karşılamak için, çok girdili çok çıktılı sistemler kablosuz iletişimde önemli bir yer edinmiştir. Ancak, çok girdili çok çıktılı sistemlerde kullanılan anten sayıları, bu talepleri karşılamak için yeterli olamamıştır. Bu nedenle, baz istasyonlarında bulunan anten sayılarını arttırma prensibine dayanan yoğun çok girdili çok çıktılı sistemler çözüm olarak önerilmiştir. Yoğun çok girdili çok çıktılı sistemler, 5G kablosuz iletişim teknolojilerinde önemli avantajlar sunsa da baz istasyonlarının kurulum maliyetleri yüksektir ve güç tüketimi fazladır. 

Baz istasyonu kurulum maliyetlerini düşürmek için sabit genlikli önkodlama kullanım fikri ortaya atılmıştır. Sabit genlikli önkodlama, çok antenli ileticide tek bir radyo frekans zinciri kullanarak, etkili ve uygulanabilir güç yükseltimi sağlayan bir iletim tekniğidir. Bu teknikte, kablosuz iletim yapılan her kullanıcıya eşit seviyede çok kullanıcılı girişim enerjisi sunulur ve geleneksel sıfıra zorlayıcı kodlama tekniklerine göre başarılabilir veri hızında kayıplara neden olmaktadır. Bu kayıpları bir miktar geri kazanmak amacıyla, çok genlikli önkodlama fikri ortaya atılmıştır. Çok genlikli önkodlama, yoğun çok girdili çok çıktılı sistemlerde birden fazla radyo frekans zinciri kullanarak, antenlerin gruplanması ve güç ihtiyaçlarına göre antenlere farklı seviyelerde güç paylaşımı yapılması prensibine dayanmaktadır. Bu teknikte, kablosuz iletim yapılan her kullanıcıya eşit seviyede çok kullanıcılı girişim enerjisi sunulmuştur ve sabit genlikli önkodlamaya göre önemli bir performans artışı sağlanmıştır.

Yeni nesil kablosuz haberleşme taleplerini karşılamak adına önerilen bir başka çözüm ise dikgen olmayan çoklu erişim tekniklerinin kullanımıdır. Bu çoklu erişim tekniğinde güç ekseninde çoğullama yapılarak farklı kullanıcıların aynı zaman diliminde aynı frekans bandını kullanmalarına izin verilmektedir. Dikgen olmayan çoklu erişim temelde süperpozisyon kodlaması ve ardışık girişim giderici yöntemlerine dayanmaktadır.

Bu tezde, biz sabit ve çok genlikli önkodlama fikirlerine dayanarak, kablosuz iletim yapılan kullanıcıların gözlemlediği çok kullanıcılı girişim enerjisini farklılaştırmak amacıyla, yoğun çok girdili çok çıktılı sistemler için sabit ve çok genlikli önkodlamanın, dikgen olmayan çok erişim tekniğiyle birlikte kullanılması fikrini sunduk. Sabit ve çok genlikli önkodlamanın dikgen olmayan çoklu erişimle birlikte kullanımı durumunda, bağımsız ve eş dağılıma sahip Rayleigh sönümlü kanallar üzerinde yaptığımız simülasyonlar gösterdi ki; kullanıcılar kanal durumlarına göre eşleştirilerek, süperpozisyon ve ardışık girişim giderici uygulamaları kullanıldığında farklı gruplarda farklı seviyelerde çok kullanıcılı girişim enerjisi gözlemlenebilmektedir. Çok genlikli önkodlamanın kullanılması, sabit genlikli önkodlamanın kullanılma durumuna göre kullanıcılarda gözlemlenen çok kullanıcılı girişim enerjisini kayda değer biçimde azaltmaktadır.

Abstract:
Wireless communication plays key role to transmit information at the present time. In order to provide ever increasing data rate, power efficiency and spectral efficiency demands, multiple input multiple output systems are offered. However, number of antennas at the base stations of multiple input multiple output systems is not enough to meet these requirements. For this reason, massive multiple input multiple output systems which use a great number of antennas at the base stations have been proposed to solve this problem. Massive multiple input multiple output systems provide significant improvements for fifth generation wireless communication technologies. On the other hand, there are some problems need to be solved such as higher built cost and power consumption of these systems.

Constant envelope precoding has been proposed to reduce base stations' building costs and hardware complexity. Constant evelope precoding is an effective and applicable technique that provides wireless communication with only one nonlinear power amplifier coupled with phase shifters in front of the each antennas at the base stations. Constant envelope precoding offers same level of multi user interference to each user and results in performance loss related to achievable data rates compared to conventional zero forcing precoding approaches. In order to recover performance loss, multi envelope precoding has recently been proposed. In multi envelope precoding, there are more than one but limited number of power amplifiers coupled with phase shifters in front of the each antennas at the base stations. Thus, different power levels can be provide to different group of antennas according to the power requirements. As a result of the multi envelope precoding, there is a considerable improvement in achievable data rates compared to constant envelope precoding, but still same level of multi user interference is observed on users.

Non-orthogonal multiple access technique is an another prepared solution to meet new generation wireless communication demands. In non-orthogonal multiple access, users can be communicate at the same frequency band and time interval thanks to superposition coding and successive interference cancellation techniques.

In this thesis, we proposed an idea that using non-orthogonal multiple access with constant and multi envelope precoding for massive multiple input multiple output systems with the objective of differentiate multi user interference observed on users according to their requirements. We pair users according to their channel conditions and examine the impact of the non-orthogonal multiple access multi user interference. Simulations for the independent and identically distributed Rayleigh fading channel show that different multi user interference levels are possible with non-orthogonal multiple access under both constant envelope and multi envelope precoding. Using multi envelope precoding provides better performance than constant envelope precoding.