Tasarsız ağlarda ve çok kullanıcılı çok girişli çok çıkışlı haberleşme sistemlerinde üstdüşüm kodlama kullanımı.
Superposition coding in ad-hoc networks and downlink multi-user multiple input multiple output systems
Yazar: AHMET ZAHİD YALÇIN
Danışman: DOÇ. DR. AYŞE MELDA YÜKSEL TURGUT
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının birinci bölümünde, üstdüşüm kodlamanın pratik bir uygulaması olan hiyerarşik kipleme, daha düşük iletim gecikmeleri elde etmek için tasarsız ağlarda  uygulanmıştır. Bu uygulama sırasında, en büyük ağırlıklı listeleme yöntemi kullanılmıştır. Bu çalışmada, önceden tanımlanmış iki adet problem ele alınmıştır. i) Her kullanıcıya, eşit öneme sahip paketler üretilir. ii) Her kullanıcıya üretilen paketler, dört faklı önem derecesine sahiptir. İkinci problemde, listelenen kullanıcının kuyruğunda bekleyen yüksek öncelikli paketler olduğu sürece, düşük öncelikli paketler gönderilemez kuralı uygulanmaktadır. Birinci problemde, önerilen model hiyerarşik kipleme kullanılmayan sistemlerle karşılaştırıldığında, hiyerarşik kipleme kullanılması, iletilen toplam paket miktarında herhangi bir kayba neden olmadan paketlerin kuyrukta bekleme sürelerini kısaltmaktadır. İkinci problemde ise paketlerin iletim gecikmelerindeki azalmaya ek olarak, iletilen toplam paket miktarında da önemli artışlar gözlemlenmiştir. Buna ek olarak, çoklu erişim girişiminin etkisi de incelenmiştir. Hiyerarşik kipleme kullanılan ve kullanılmayan durumların, benzer yeniden kullanım faktörlerine sahip oldukları gösterilmiştir.

Tez çalışmasının ikinci bölümünde ise, aşağı gönderim çok girişli çok çıkışlı (MIMO) bir kablosuz haberleşme kanalı düşünülmektedir. Baz istasyonunda tüm kullanıcılara gönderilmek üzere genel veri akışı, bazı kullanıcılara gönderilmek üzere özel veri akışı bulunmaktadır. Bu iletim, aşağı gönderimde farklı koruma seviyelerine sahip verileri içeren iki katmanlı veri dizininin bütün kullanıcılara gönderilmesi anlamına gelmektedir. Geleneksel çok kullanıcılı çok girişli çok çıkışlı (MU-MIMO) sistemlerinden farklı olarak, bir veri akışı, birden fazla kullanıcıya gönderilmektedir ve bu veri akışının bir kısmı ya da tamamı bu kullanıcılar tarafından çözülebilmektedir. Bu sistem, dik olmayan çoklu erişim (NOMA) modelinden farklı olarak, aynı verinin birden fazla kullanıcıya gönderildiği çok noktaya gönderim ve bir verinin sadece ilgili kullanıcıya gönderildiği tek noktaya gönderim sistemlerinin birleşimi olarak düşünülebilir. Ele alınan sistem modeli ile çok noktaya yayın modelleri arasındaki temel fark iletim yapılan iletim gruplarının kesişmemesidir. Bu çalışmada, çok antenli verici ve tek antenli kullanıcıların bulunduğu, üstdüşüm kodlama kullanılan MU-MIMO sistemleri için ön kodlayıcı tasarımı yapılmaktadır.

Birinci ön kodlayıcı tasarım probleminde amaç, ağırlıklı toplam veri hızını (WSR) en büyükleyen ön kodlayıcıyı bulmaktır. Bu problem dışbükey olmayan ve çözmesi oldukça zor bir problemdir. Bundan dolayı, bu problemin Lagrange çifti hesaplanmış ve KKT koşullarını sağlayan durumlar belirtilmiştir. Ayrıca, karşılıklı bilgi miktarı ile en küçük ortalama karesel hata (MMSE) arasındaki ilişki kullanılarak, WMMSE ile WSR problemlerinin eşdeğer problemler oldukları ispatlanmıştır. Elde edilen ön kodlayıcı yapısı kullanılarak, alıcıları ve ön kodlayıcıları sırasıyla güncelleyen bir algoritma önerilmiştir. İkinci ön kodlayıcı problemi için ise daha az karmaşık bir yöntem olan fazı ayarlanmış ZF (PAZF) ön kodlayıcısı tanıtılmıştır. Benzerim sonuçları göstermiştir ki, her iki algoritma da hızlı bir şekilde yakınsamaktadır. WMMSE algoritması, hem PAZF algoritmasından hem de ZF ön kodlayıcısından daha başarılıdır. WMMSE algoritması girişimi yönetme konusunda daha başarılıdır. Öte yandan PAZF algoritması da, optimal faz değerlerini bularak uyumlu birleştirme kazancını artırmaktadır.

Abstract:
In the first part of this thesis, hierarchical modulation is used in conjunction with maximum-weight scheduling to achieve lower transmission delays. Via hierarchical modulation, the scheduled user has the option to transmit to two users simultaneously. Two problems are considered:

1) Each user generates equally important packets,
2) Packets can have four different priority levels.

As long as there are high priority packets waiting in the scheduled user's queue, lower priority packets cannot be transmitted. When compared with single-layer transmission, using hierarchical modulation lowers packet transmission delays without any loss in throughput for the first problem. For the second problem, throughput gains are also achieved. The effect of multiple access interference is also investigated. It is shown that both single and two-layer schemes have similar average spatial reuse factors.

In the second part, a downlink (DL) wireless communication channel is considered. The base station (BS) has common data for all users, unicast data for a set of intended users, and transmits the superposition of these messages. This setting neither falls into the non-orthogonal multiple access (NOMA) literature nor into the multi-group multicasting literature. In NOMA systems, the BS has unicast data for all users, and multiple users share same time, frequency or code resources. In multi-group multicasting, there are non-overlapping groups, each demanding a different multicast message. This paper studies precoder design for a downlink system, in which the BS simultaneously transmits common data to all users, and unicast data to a subset of users via superposition coding. The objective is to maximize the weighted sum rate (WSR). It is first shown that the precoders designed for WSR maximization and weighted minimum mean square error (WMMSE) minimization are equivalent. Secondly, as the optimal precoder for maximum WSR is hard to solve, an iterative, low complexity algorithm (named as WMMSE), based on WMMSE transmit precoders and receivers, is proposed. Another low-complexity precoder, the phase aligned zero forcing (PAZF) precoder is also introduced. The results show that both algorithms converge fast. The WMMSE algorithm outperforms both PAZF and the zero-forcing (ZF) precoder for all signal-to-noise ratio (SNR) ranges. It offers better interference management and high coherent combining gains for common data. Similarly, PAZF finds the optimal phase rotation on the ZF precoder, and increases coherent combining gains.