Dik olmayan çoklu erişim sistemlerinin performans analizi
Performance analysis of non-orthogonal multiple access systems
Yazar: İBRAHİM SERHAT BULUT
Danışman: DOÇ. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Haberleşme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Bulutlar = Clouds ; Elektronik haberleşme = Electronic communication ; Enerji hasadı = Energy harvest ; Nesnelerin interneti = Internet of things ; Rayleigh = Rayleigh ; Çoklu erişim = Multiple access

Özet:
Kablosuz iletişimdeki gelişmeler, araçlar ve altyapı arasında gerçek zamanlı iletişim yoluyla bilgi paylaşımını mümkün kılıyor. Bu durum, araçların güvenliğini ve yolcular ile internet arasındaki iletişimi artırmaya yönelik uygulamalara yol açmıştır. Araç ulaşımını daha güvenli, daha temiz ve daha kolay hale getirmek için araç iletişiminde standardizasyon çalışmaları da devam etmektedir. Tezin 2. bölümünde bulut ile araçlar arasında iletişimin nasıl olması gerektiği ile ilgili bir mimari yapı önerilmektedir.
Bu tezin 3. ve 4. bölümlerinde, Rayleigh kanallarda aşağı ve yukarı yönde NOMA haberleşme sistemleri araştırılmıştır. Yukarı yönde NOMA'nın, aşağı yönde NOMA'dan farkı şudur; aşağı yönde NOMA'da işaret yalnızca bir tane kanalın etkisine maruz kalırken, yukarı yönde NOMA'da baz istasyonunda elde edilen toplam işaret birden fazla kanalın etkisine maruz kalır. Bu yüzden her iki sistemde ayrı ayrı ele alınmıştır. Ele alınan her iki sistemde, sistemdeki herhangi bir kullanıcı için kanal performans metrikleri olan kesinti olasılığı (outage probability, OP), kesinti kapasitesi (outage capacity, OC), ortalama kanal kapasitesi (average channel capacity, AVC) ve bit hata oranı (bit error rate, BER)'nın matematiksel türetmeleri yapılmış ve elde edilen sonuçlar benzetimler ile desteklenmiştir.
Bu tezin 5. bölümünde, yukarı yönde NOMA'da, IoT'lerin hem enerji hasadı yaptığı hem de haberleştiği baz istasyonu tarafından farklı optimizasyon algoritmaları kullanılarak Rayleigh ve Rician kanallarda optimizasyon yapılmıştır. Bu çalışmanın literatürdeki benzer çalışmalardan farkı, optimizasyon yaparken, IoT'lerin kanal kapasitelerinin AVC'nin altına düşmemesini sağlamaktır. Baz istasyonu, IoT'leri farklı frekanslara atayarak, aynı zamanda her bir IoT'nin kanal kapasitesinin, AVC'nin altına düşmesini önleyerek, toplam kanal kapasitesinin maksimum olmasını sağlar.
Bu tezin 6. bölümünde, 2. kullanıcının olduğu ve insansız hava aracının röle görevi gördüğü, aşağı yönde NOMA'da Rayleigh kanallarda enerji hasatlama optimizasyonu yapılmıştır. Yapılan çalışmada kullanıcıların enerji hasatlama süreleri arttırılırken, uzaklıkları göz önünde bulundurularak aynı zamanda hem kullanıcıların hem de rölenin OP değerinin eşik değerleri altına düşmemeleri sağlanmıştır. Sistemin toplam OP'sinin de matematiksel türetimleri yapılmış ve sonuçlar benzetimler ile desteklenmiştir.

Abstract:
Advances in wireless communication make it possible to share information between vehicles and infrastructure through real-time communication. This has led to practices aimed at increasing the safety of vehicles and communication between passengers and the Internet. In order to make vehicle transportation safer, cleaner and easier, standardization studies continue in vehicle communication. In the second part of our thesis, we have developed an architectural structure about how the communication between the cloud and vehicles should be.
In the 3rd and 4th chapters, we derived exact closed-form analytic expressions for all channel metrics parameters required for downlink-NOMA and uplink-NOMA systems performance analysis and compared them with simulations. We corroborated our analytical findings with the help of numerical results (using Matlab and Mathematica) and Monte Carlo simulations (via Matlab). All channel metrics parameters,  outage probability (OP), outage capacity (OC), average channel capacity (AVC), and bit error rate (bit error rate), were combined in one study and demonstrated to be superior to others. The theoretical and simulation results completely followed one another.
In the 5th chapter, we presented energy harvesting (EH) in 5G networks for uplink-NOMA systems for Rician and Rayleigh fading channels via optimizing the radio frequency (RF) energy charging period and the data transmission rate for each user. The model aims to maximize the EH system's efficiency depending on the number of users, time-slot, resource blocks, path loss, and base station power (BS). In this work, a simple, efficient, and multi-objective the Water Cycle Algorithm (WCA) is presented for calculating transmission rate and EH duration. Furthermore, simulation, performance analysis, and complexity results of WCA are shown by comparing its performance to those of the standard well-known Exhaustive Search Algorithm (ESA), Genetic Algorithm (GA), and Particle Swarm Optimization (PSO). According to the optimization results within 6,800,000 possibilities, the WCA provides 11 percent more power allocation for the energy harvesting and more smooth time-sharing per user than the literature.
In the 6th chapter, energy harvesting optimization is made in Rayleigh channels in downlink-NOMA system, where the second user and an unmanned aerial vehicle act as a relay. While the energy harvesting times of the users were increased, it was ensured that both the users and the relay did not fall below the threshold values, considering their distances. The mathematical derivations of the total OP of the system were also made, and simulations supported the results.