Haberleşme ağlarında MIMO NOMA çoklu erişim için değişken gönderici-alıcı anten seçimi
Variable transmitter-receiver antenna selection for MIMO NOMA in wireless networks
Yazar: BİRCAN DEMİRAL
Danışman: DOÇ. DR. ÖZGÜR ERTUĞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Anten = Antenna ; Hata oranı = Error rate ; Kapasite = Capacity ; Çok girişli sistemler = Multi-input systems ; Çoklu erişim = Multiple access

Özet:
Günümüzde kullanıcılara daha fazla performans sağlayan teknolojilere duyulan ihtiyaç, karmaşık iletişim sistemlerinin kurulmasına yol açmıştır. Gittikçe karmaşıklaşan iletişim senaryoları ve ağ mimarileri ile artan veri trafiği talepleri nedeniyle, yeni nesil 5G ağlarında spektrum verimliliği, kullanıcı adaleti, azaltılmış gecikme, daha iyi bağlantı, veri hızı ve enerji verimliliği açısından ana ağ gereksinimlerinin karşılanmasını mevcut dikgen çoklu erişim (orthogonal multiple access-OMA) teknikleri garanti etmede yetersiz kalmıştır. Dikgen olmayan çoklu erişim (non-orthogonal multiple access-NOMA) tekniği, 5G kablosuz sistemlerdeki çeşitli zorlukların üstesinden gelmek için önerilmiş ve zaman geçtikçe geleneksel OMA teknikleri NOMA tekniklerine evrimleşmiştir. NOMA teknikleri arasında en dikkat çekici, güç alanlı dikgen olmayan çoklu erişim (power domain-NOMA-PD-NOMA) ve seyrek kod çoklu erişim (sparse code multiple access-SCMA) teknikleridir. PD-NOMA, kullanıcılara kanal koşullarına göre adaletli güç tahsisi yaptıktan sonra spektral verimlilik sağlamak amacıyla süperpozisyon yöntemi ile veri göndermekte ve girişimi azaltmak için alıcıda ardışık girişim iptali metodunu kullanmaktadır. Yüksek verim ve güvenilirlik sağlayan çok giriş çok çıkış (multi input multi output-MIMO) sistemleri PD-NOMA ile birleştirilmiştir. Ancak birden fazla anten kullanılması ile radyo frekans (radio frequency-RF) zincirleri de artmakta, buna bağlı olarak maliyet, karmaşıklık ve güç tüketimi beklenenden çok daha fazla olmaktadır. Bahsedilen bu nedenlerden yola çıkarak tezde önce, aşağı-hat MIMO PD-NOMA için iletim sağlayan anten sayısını azaltırken veri hızını artırmayı hedefleyen max-max-max ve max-min-max anten seçim algoritmaları uygulanmıştır. Sonra seyrek yapı sayesinde kullanıcı girişimini ve aşırı yüklemeyi destekleyen SCMA tekniği MIMO ile entegre edilmiştir. Literatürde MIMO-SCMA sistemlerde anten seçimi konusunda açıklık bulunmasından dolayı aynı anten seçim algoritmaları daha fazla kullanıcı için geliştirilmiş ve ek olarak optimum anten seçim algoritması aşağı-hatlı bu sisteme de uygulanmıştır.  Uygulamalar sonucunda algoritmaların sistemlere sağladığı kapasite, bit hata oranı (bit error rate-BER) ve kesinti olasılığı benzetim çalışmaları Matlab/Simulink programında yapılarak paylaşılmıştır.

Abstract:
Today, the need for technologies that provide more perform to users has led to the establishment of complex communication systems. Due to increasingly complex communication scenarios and network architectures and increasing data traffic demands, current orthogonal multiple access (OMA) techniques have fallen short of guaranteeing main net requirements in terms of spectrum efficiency, user fairness, reduced latency, better connectivity, data rate and energy efficiency in next generation 5G networks. Non-orthogonal multiple access (NOMA) technique has been proposed to overcome various challenges in 5G wireless systems and over time traditional OMA techniques have evolved into NOMA techniques. Among the NOMA techniques, the most remarkable techniques are the power-domain non-orthogonal multiple access (PD-NOMA) and sparse code multiple access (SCMA) techniques. PD-NOMA sends data with the superposition method to provide spectral efficiency after allocating power to the users according to the channel conditions, and uses the successive interference cancellation (SIC) method at the receiver to reduce the interference. Multi input multi output (MIMO) systems providing high efficiency and reliability are combined with PD-NOMA. However, with the use of more than one antenna, radio frequency (RF) chains also increase, resulting in higher costs, complexity and power consumption than expected. Based on these reasons, firstly, max-max-max and max-min-max antenna selection algorithms that aim to increase the data rate while reducing the number of antennas for downlink MIMO PD-NOMA are applied in the thesis. Then, the SCMA technique, which supports user interference and overloading thanks to the sparse structure, is integrated with MIMO. Since there is clarity about antenna selection in MIMO-SCMA systems in the literature, these antenna selection algorithms have been developed for more users and in addition, the optimum antenna selection algorithm has been applied to this downlink system. As a result of the applications, the capacity, bit error rate (BER) and outage probability provided by the algorithms to the systems were simulated in the Matlab/Simulink program and shared.