Ortam tabanlı modülasyonlu işbirlikli dik olmayan çoklu erişim
Media-based modulated cooperative non-orthogonal multiple access
Yazar: MEHMET CAN
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
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:
Gelecek nesil haberleşme sistemlerinde yüksek bant verimliliğinin yanında düşük gecikme süresi, sürekli cihaz bağlantısı ve yüksek kitlesel iletişimin sağlanması gibi farklı isterler gerekmektedir. Mobil trafik hacminin hızlı bir şekilde artması, 5G ile birlikte makineler arası haberleşme, nesnelerin interneti gibi uygulamaların da ortaya kması ile beraber milyarlarca akıllı cihazın aynı anda yüksek verimlilikte desteklenmesi gerekmektedir. Bu kapsamda daha verimli fiziksel katman tasarımlarına yönelik çalışmalar devam etmektedir. 

Çok sayıda cihazın aynı anda desteklenmesi için frekans bandının da verimli kullanılması gerektirmektedir. 1G'den 4G'ye kadar kullanılan çoklu erişim teknikleri, kaynakların frekans, zaman ya da kod bölmesinde diklik sağlanarak kullanıcılara ayrıldığı dik çoklu erişim (orthogonal multiple access, OMA) teknikleridir. OMA teknikleri, iyi performans elde etmek için gerçekçi bir çözüm olsa da cihaz sayısının hızlı bir şekilde artmaya devam etmesi, yeni nesil haberleşme sistemleri için yeni çoklu erişim teknikleri geliştirilmesini gerektirmektedir. Bu bağlamda birden fazla kullanıcıya aynı zaman, frekans ve kod bölmesinde hizmet sağlayabilecek dik olmayan çoklu erişim (non-orthogonal multiple access, NOMA) teknikleri öne sürülmüştür.

İndis modülasyonu (index modulation, IM), sayısal haberleşme sisteminin ana bileşenleriyle de bilgi aktarılmasına olanak tanıyan ve bu sayede bant ve enerji verimliliğini artıran bir tekniktir. Bilginin anten indislerine aktarıldığı uzaysal modülasyon (spatial modulation, SM) ve uzay kaydırmalı anahtarlama (space shift keying, SSK) IM tekniklerinden iki tanesidir. Bu iki teknikte bilgi bitlerinin bir kısmı ya da tamamı anten indislerine eşlenerek iletim sağlanır. Fakat bant verimliliğini arttırmak için anten sayısını üstel olarak artırmak gerekmektedir. SM ve SSK teknikleriyle aynı performansı tek bir verici anten kullanarak sağlayan ortam tabanlı modülasyon (media-based modulation, MBM) yeni bir IM tekniği olarak yakın zamanda önerilmiştir. MBM'de RF aynaları ya da elektronik anahtarlarla donatılmış verici antenler ile verici antenin karakteristiği değiştirilerek antenin RF aynalarının durumlarına göre farklı ışıma örüntüleri ve dolayısıyla farklı kanallar oluşturması sağlanır. Burada bilgi bitleri RF aynalarının durumunu ayalarlayacak şekilde kullanılır. 

Ayrıca, telsiz iletişim kanallarındaki yüksek sönümleme ve yol kaybı gibi etkilerin giderilmesi için çeşitleme tekniklerinin kullanılması gerekmektedir. Mobil cihazlarda donanım büyüklüğü, güç ve maliyet gibi sınırlamalardan dolayı çok antenli çeşitleme tekniklerinin kullanılamadığı durumlarda kullanılan yöntemlerden bir tanesi işbirlikli haberleşmedir (cooperative communication). İşbirlikli haberleşme ile sağlanan çeşitleme aynı zamanda yüksek sönümleme ve yol kaybından dolayı kaynak ile kullanıcılar arasında iletişimin olmadığı durumlarda önemli etkiye sahiptir. 

Bu tez kapsamında MBM ile NOMA birlikte düşünülerek işbirlikli haberleşme için yeni sistemler önerilmiştir. İlk olarak çöz ve aktar (decode and forward, DF) yöntemi ile iletim yapan röleli ağlardaki hata yayılımı problemini azaltmak için kaynakta MBM kullanılması önerilmiş ve DF röleli işbirlikli NOMA sistemlerine uygulanmıştır. Burada klasik genlik ve faz modülasyonlarına göre MBM'nin daha iyi hata performansı sağlamasıyla röledeki hata performansı iyileştirilmiştir. Önerilen sistemin hata olasılığı, birleşim üst sınır (union bound) yöntemi kullanılarak teorik olarak türetilmiştir. Ayrıca çoklu alıcı antene sahip kullanıcılar için klasik NOMA'da çiftsel hata olasılığı (pairwise error probability, PEP) kapalı formda hesaplanmıştır. Teorik sonuçlar bilgisayar benzetimleri ile karşılaştırılmış ve sonuçların uyumlu olduğu görülmüştür. Ayrıca önerilen sistem ile klasik işbirlikli NOMA sistemi karşılaştırılmıştır. Bant verimliliği 2 bit/sn/Hz olduğu durumda klasik sistem önerilen sisteme yakın olmakla beraber daha iyi performans sağlasa da bant verimliliği arttıkça önerilen sistem performansıyla öne çıkmıştır. Bant verimliliği 4 bit/sn/Hz olduğunda önerilen sistem kanalı zayıf olan birinci kullanıcı 10^(-4) bit hata olasılığına 23 dB'de ulaşırken klasik sistem kullanıldığında aynı hata oranına 29 dB'de ulaşmıştır. Aynı hata oranında ikinci kullanıcı için de 1 dB'lik kazanç sağlanmıştır. Bunlara ek olarak, kullanıcılar arasında eşitliği sağlamayı ve kullanıcıların QoS gereksinimlerini karşılamayı hedefleyen iki ayrı optimizasyon problemi üretilmiştir ve ele alınan iki algoritma sonucunda belirlenen katsayılar kullanılarak sistemin BER performansı incelenmiştir. İki kullanıcılı durum göz önüne alınarak katsayılar kullanıcılar arası eşitliği sağlamayı hedefleyen algoritmaya göre seçildiğinde, 14 dB SNR değerinden sonra kullanıcılar aynı BER performansını sağlamaktadır. Katsayılar QoS gereksinimlerini karşılamayı hedefleyen algoritmaya göre seçildiğinde ise birinci kullanıcı için eşik değer sağlanırken ikinci kullanıcı yüksek SNR'da ilk duruma göre 1 dB SNR kazancı sağlamıştır.

Tezin ikinci kısmında ise aşağı yönlü iletişim sistemleri için MBM ile NOMA birleştirilerek yüksek bant verimliliğinde daha iyi performans elde edilmesi amaçlanan yeni bir sistem önerilmiştir. Önerilen sistemin ortalama bit hata olasılığı için üst sınır ifadesi kapalı formda elde edilmiştir. Sistemin performansı sabit ve işaret gürültü oranı (SNR) değerlerine göre değişen güç tahsis yöntemleri kullanılarak incelenmiştir. Önerilen sistemin geleneksel NOMA sistemlerine göre özellikle yüksek bant verimliliğinde daha iyi hata performansı sağladığı gösterilmiştir. Bu sistem için de bant verimliliği 2 bit/sn/Hz iken geleneksel NOMA daha iyi performans sergilemektedir. Fakat bant verimliliği 3 bit/sn/Hz olduğu durumda 10^(-3) BER değeri için önerilen sistem birinci kullanıcı için 7 dB, ikinci kullanıcı için 2 dB kazanç sağlamaktadır. Elde edilen analitik sonuçlar bilgisayar benzetimleri ile desteklenmiştir. Ayrıca önerilen sistem işbirlikli NOMA sistemlerine uygulanmıştır. Burada kaynağın sadece bir kullanıcıyla doğrudan iletim kurabildiği üç kullanıcılı durum göz önüne alınmıştır. Bu sistemde doğrudan iletim sağlanamayan kullanıcılara iletim, doğrudan iletim sağlayan kullanıcının röle olarak kullanılmasıyla kullanıcı işbirlikli olarak sağlanacaktır. Kaynakta ve röle görevi gören kullanıcıda önerilen MBM tabanlı NOMA sistemi kullanılmıştır. Önerilen sistemin hata performansı incelenmiş ve teorik ifadeler türetilmiştir. Ayrıca önerilen sistemin klasik işbirlikli NOMA sistemlerine göre yüksek bant verimliliğinde üstünlüğü gösterilmiştir. 

Sonuç olarak, tez kapsamında gelecek nesil iletişim sistemleri için düşünülen NOMA ile bir IM tekniği olan MBM birleştirilerek yeni sistemler önerilmiştir. Önerilen sistemler işbirlikli yapılara uygulanmış ve hata performansları incelenmiştir. Önerilen sistemlerin klasik NOMA ve işbirlikli NOMA sistemlerine göre üstünlükleri ortaya konmuştur. Ayrıca teorik bit hata oranı ifadeleri türetilmiş, türetilen ifadelerin doğruluğu bilgisayar benzetimleri ile gösterilmiştir.

Abstract:
For the next-generation of communication technologies, different demands are required such as high spectral efficiency, low latency, high reliability and massive connection. Besides the rapid increase in the volume of mobile traffic, with the new topics of 5G such as machine-to-machine communication and the internet of things, billions of smart devices should be supported at the same time with high efficiency. For these reasons, studies on more efficient physical layer designs have increased significantly in recent years.

Efficient use of the frequency band is important for the requirements of supporting numerous devices at the same time. The multiple access techniques used from 1G to 4G are orthogonal multiple access (OMA) techniques where resources are allocated to users by providing the orthogonality in the frequency, time or code domain. Although the OMA technique is a realistic solution to achieve good performance, the rapid increase in the number of devices and the new demands of 5G requires the development of new multiple access techniques for next-generation wireless communication systems. In this context, non-orthogonal multiple access (NOMA) techniques have been proposed to provide services to multiple users in the same time, frequency and code domain.

Index modulation (IM) is a spectral and energy efficient technology that allows the transmission of information with the main components of the digital communication system. Spatial modulation (SM) and space shift keying (SSK) are the two most known IM techniques in which information is transferred by antenna indices. In SM and SSK, some or all of the information bits are mapped to the antenna indices to provide transmission. However, to increase the spectral efficiency, the number of antennas have to increase exponentially. Media-based modulation (MBM) has recently been proposed as a new IM technique, providing the same performance using a single transmitting antenna with the SM and SSK techniques. The transmit antennas equipped with RF mirrors, or electronic switches provide different radiation patterns and different fading channels depending on the condition of the RF mirrors. The information bits are used to set the ON/OFF status of the RF mirrors or electronic switches. 

Also, to eliminate the fading and path loss effects of the wireless communication channels, diversity techniques need to be implemented. Cooperative diversity techniques can be implemented in cases where multi-antenna diversity techniques cannot be used due to some limitations such as hardware size, power, and cost in mobile devices. Cooperative diversity has also a significant effect in cases where direct communication link between the source and users cannot be achieved due to high fading and path loss.

MBM and NOMA are considered together and new cooperative communication systems are proposed within the scope of this thesis. Firstly, to reduce the error propagation problem in the decode and forward (DF) relaying networks, it was suggested to apply MBM at the source for cooperative NOMA systems. In the proposed MBM-aided cooperative NOMA system, the error performance at the relay has been improved by by using MBM instead of classical amplitude and phase modulations. The PEP expression of the proposed MBM-aided NOMA system with multiple receive antennas at users is derived. Moreover, the analytical BER of the overall system has been obtained by using union bound method. It is shown that the analytical and simulation results match very well. Then, the BER performance of MBM-aided cooperative NOMA has been compared with those of the conventional cooperative NOMA systems. When the spectral efficiency is 1 b/s/ Hz, the conventional system is slightly better than the proposed system. However, with the increasing of the spectral efficiency, the proposed system outperforms conventional cooperative NOMA systems in terms of BER. For the spectral efficiency at 4 b/s/Hz, the proposed system has a 10^(-4) bit error probability at 23 dB while the conventional system has the same error rate at 29 dB for the first user. An 1 dB gain was obtained for the second user at the same error rate. Furthermore, effect of the power allocation coefficients have been invastigated. Additionally, two optimization problems that aim to find the optimum power allocation coeffcients in terms of user fairness and quality of services (QoS) are formulated. Finally, BER performances with optimum power allocation coefficients for both algorithms have been investigated.
Considering the two user situation, when coefficients are selected according to the algorithm that aims to achieve user fairness, users achieve the same BER performance after 14 dB SNR value. When coefficients are selected according to the algorithm in terms of the QoS requirements, the performance of the second user is increased while threshold BER value for the first user is satisfying and 1 dB SNR gain is provided at high SNR.

In the second part of the thesis, a new system model which is aimed to achieve better performance in high spectral efficiency by combining MBM with NOMA for downlink communication is proposed. The union bound expression for the average bit error probability of the proposed system is obtained in the closed form. The performance of the system has been investigated using fixed and variable power allocation methods according to SNR values. Also, it has been shown that the proposed system provides better error performance compared to conventional NOMA systems, especially in high spectral efficiency. When the spectral efficiency is low, the conventional NOMA performs better than the proposed system as in the first section. However, the proposed system provides 7 dB SNR gains for the first user and 2 dB for the second user at a 10^(-3) BER when spectral efficiency is 3 b/s/Hz. The analytical results obtained were supported by computer simulations. In addition, the proposed method has been applied to cooperative NOMA systems. Three user-case is considered for the cooperative NOMA system where direct link between source and one near user is available and direct links between source and two far users are not available. The far users receive their signals from the near user which acts as a DF relay. The union bound expression for the average bit error probability of the proposed cooperative system is also obtained in the closed form. Finally, it is shown that the proposed system outperforms conventional cooperative NOMA systems in terms of BER. 

Consequently, within the scope of the thesis, new systems are proposed by combining NOMA and MBM which are the promising techniques for the next-generation wireless communication. The NOMA and MBM techniques have been applied to cooperative systems and error performance has been investigated. Advantages of proposed systems compared to conventional NOMA and cooperative NOMA systems have been demonstrated. Also, the theoretical BER expressions are derived and the accuracy of the derived expressions are verified by the computer simulations.