Conventional NOMA and the interplays with cooperative communication and spatial modulation: Performance evaluation and analysis under imperfect SIC

Son yıllardaki akıllı-telefon, tablet ve akıllı saat gibi internete bağlı cihaz sayısındaki üstel artış ve Nesnelerin İnterneti (Internet of Things -IoT) kavramının da gelişmesiyle birlikte, yeni nesil telsiz ağların yoğun hücrelerden (dense networks) oluşması ve kitlesel iletişimi (massive connection) desteklemesi gerektiği kaçınılmaz olmuştur. Kitlesel makine tipi iletişim (massive Machine Type Communication -mMTC) olarak adlandırılan bu konsept 5G ve sonrası olarak bilinen yeni nesil telsiz ağların üç ana konseptinden biri olarak görülmektedir. Dik olmayan çoklu erişim (Non-orthogonal Multiple Access -NOMA), yüksek spektral verimlilik sağlaması ve kitlesel iletişime olanak sağlaması nedeniyle mMTC için en önemli adaylardan biri konumundadır. NOMA'da kullanıcılar aynı kaynak bloklarına (resource block) atanarak spektral verimliliğin arttırılması amaçlanmaktadır. En fazla ilgi çeken NOMA konsepti olan güç eksenli (power domain -PD) NOMA'da, kullanıcılar aynı kaynak bloklarını farklı güç paylaşım katsayıları ile paylaşırlar. PD-NOMA'da ki kullanıcılar arası girişim, ardışık girişim giderici (successive interference canceler -SIC) kullanılarak giderilir. NOMA'nın 5G ve sonrası ağları için önemli bir potansiyele sahiptir ve bu nedenle araştırmacıların oldukça fazla ilgisini çekmektedir. NOMA erişilebilir kapasite ve kesinti olasılığı açısından fazlasıyla araştırılmıştır/incelenmiştir. Fakat, bu çalışmalarda çoğunlukla, alıcıların hatasız SIC uyguladığı varsayılmıştır. Bu varsayım sönümlemeli kanallar göz önüne alındığında gerçekçi bir varsayım olmaktan çıkmaktadır. Bununla birlikte, NOMA erişilebilir kapasite ve kesinti olasılığı açısından fazlasıyla incelenmesine rağmen, bir diğer önemli kriter olan bit/sembol hata oranı göz ardı edilmiştir. NOMA hakkındaki bu endişeler bu tez çalışmasının ana motivasyon kaynağı olmuştur. Bu çalışmada, NOMA için hatalı SIC varlığında erişilebilir hız, kesinti olasılığı ve bit hata olasılığı açısından analizlerinin yapılması amaçlanmıştır. NOMA'nın bir diğer avantajı da diğer fiziksel seviye teknikleri ile beraber kullanılabilmesidir. Bu nedenle, aynı analizler, NOMA ile işbirlikli iletişimin ve uzaysal modülasyonun birlikte kullanıldığı durumlar için de genişletilmiştir. Tez çalışmasında ilk olarak geleneksel NOMA ağları (aşağı yönlü ve yukarı yönlü) hatalı SIC varlığında incelenmiştir. Üç önemli performans kriteri olan, erişilebilir hız, kesinti olasılığı ve bit hata olasılığı için tam ifadeler kapalı formda türetilmiştir. Elde edilen tüm analitik sonuçlar bilgisayar benzetimleri ile doğrulanmıştır. NOMA ve işbirlikli iletişimin beraber kullanıldığı ağlar araştırmacılar tarafından en fazla ilgi çeken konulardan biri olmuştur. Bu etkileşim üç ana konsepte incelenmektedir: 1) Daha iyi kanal kalitesine sahip NOMA kullanıcılarının daha kötü kanal kalitesine sahip kullanıcılar için röle olarak görev yaptığı, İşbirlikli-NOMA konsepti. 2) Ortamda bulunan rölelerin NOMA kullanıcılarıyla olan iletişime yardımcı olduğu, Röle-destekli/yardımlı-NOMA konsepti. 3) Geleneksel işbirlikli iletişimdeki spektral verimsizliğinin önüne geçmek için kullanılan, NOMA-destekli işbirlikli iletişim sistemleri (cooperative relaying systems -CRS) konsepti. Her üç konsept de hatalı SIC varlığında tüm performans kriterli açısından incelenmiştir ve sonuçlar bilgisayar benzetimleri ile doğrulanmıştır. İşbirlikli-NOMA sistemlerindeki hata yayılımının etkisini ortadan kaldırmak için, Eşik değer tabanlı seçmeli işbirlikli-NOMA (Threshold-base selective cooperative-NOMA – TBS-C-NOMA) sistemi önerilmiş ve önerilen TBS-C-NOMA'nın işbirlikli-NOMA'ya üstünlük sağladığı kanıtlanmıştır. TBS-C-NOMA tam çeşitleme derecesi sağlamaktadır. Geleneksel NOMA ağlarının BHO başarımdaki kaybın önüne geçmek için, uzaysal çoklu erişim (Spatial Multiple Access (SMA)) ve Uzay kaydırmalı Anahtarlama (Space Shift Keying SSK)-NOMA yapıları sırasıyla iki kullanıcılı ve çok kullanıcılı NOMA ağlarına alternatif olarak önerilmiştir. Önerilen her iki yöntem için de erişilebilir kapasite, kesinti olasılığı ve bit hata olasılığı ifadeleri kapalı-formda türetilmiştir. Sonuçlar bilgisayar benzetimleri ile doğrulanmıştır. Daha sonra, NOMA'nın kullanıldığı sitemler için detaylı benzetimler sunularak kapsamlı bir performans değerlendirmesi verilmiştir. NOMA erişilebilir kapasite ve kesinti başarımı açısından dikgen çoklu erişim tekniklerine (Orthogonal Multiple Access -OMA) üstünlük göstermesine rağmen kullanıcılar arası girişim sebebiyle bit hata başarımı açısından OMA kadar iyi performans gösterememektedir. Farklı performans kriterleri arasındaki bu ödünleşime (trade-off) dikkat çekilerek, NOMA sistemlerinin hedef güvenirlilik (target reliability) kriteri göz önünde bulundurularak tasarlanması gerektiği ortaya konmuştur. Sunulan detaylı benzetim sonuçları doğrultusunda, önerilen TBS-C-NOMA'nın C-NOMA'ya, SMA ve SSK-NOMA'nın da geleneksel NOMA sistemlerine üstünlük sağladığı gösterilmiştir. Bu bölümde son olarak, farklı performans kriterleri göz önüne alınarak, en iyi güç paylaşımının nasıl olması gerektiği tartışılmıştır. Son olarak, elde edilen tüm sonuçlar değerlendirilerek, tez gelecek çalışmalar hakkındaki görüşler, olası çalışma alanları ve zorluklar sunularak sonlandırılmıştır.