Dik olmayan çoklu erişimli bilişsel radyo için karma spektrum paylaşım protokolü

Abstract

Gezgin aygıtların yaygınlaşmasıyla daha fazla veri tüketilmektedir. Bu gereksinimikarşılayabilmek için yeni yöntemler araştırılmaktadır. Bu yöntemlerden birisi,yeterince yararlanılamayan spektrumdan yararlanmayı hedefleyen bilişsel radyodur.Altına sermeli bilişsel radyo, belirli bir güç kısıtı altında lisanssız kullanıcılarınlisanslı kullanıcılarla aynı anda çalışmasına olanak verir. Üstüne sermeli bilişselradyoda, lisanssız kullanıcıların kesinti/hata başarımı kötü olan lisanslı kullanıcılarınbaşarımını iyileştirmek için onlara yardım etmesi karşılığında lisanslı kullanıcılarınfrekans bantlarını kullanmalarına izin verilir. Dik çoklu erişim (OMA) teknikleriyerine dik olmayan çoklu erişim (NOMA) teknikleri kullanılarak da OMA'ya görekarmaşıklığın daha yüksek olması pahasına iletişimin hızı arttırılabilir. NOMAteknikleri içerisinde diğer tekniklere göre basitliğiyle, karmaşıklığının az olmasıyla,güç tanım bölgesindeki NOMA, diğerlerinden daha fazla dikkat çekmektedir. Hemhızlı bir iletişim için hem de spektrumu daha verimli kullanabilmek için bu çalışmadabilişsel radyo ile NOMA birlikte kullanılmıştır.Bu çalışmada önce Altına Sermeli NOMA ve Üstüne Sermeli NOMA, tek başlarınabir sistem olarak düşünülüp kesinti olasılık ifadeleri türetilmiştir. Elde edilen teoriksonuçların bilgisayar benzetim sonuçlarıyla uyumlu olduğu görülmüştür. AltınaSermeli NOMA'da, PU'nun ikincil kullanıcı (SU)'nun üzerindeki kısıtı azalırsa,yani SU'nun girişimi artarsa, PU'nun kesinti başarımının düşeceği, SU'nun kesintibaşarımının artacağı gösterilmiştir. Ayrıca, SU'nun sürekli bir girişim yapmasındandolayı PU'nun kesinti olasılığının bir hata katına gireceği gösterilmiştir. Bunun tersidurumda da (PU'nun SU'ya girişimi nedeniyle) yine hata katı görülmektedir. ÜstüneSermeli NOMA'da PU'ya uygun bir güç paylaşım katsayısı verildiği takdirde, PU'nunbaşarımı, çeşitleme arttığından dolayı iyileşmekte, SU'nun başarımı altına sermeliduruma göre kötüleşmektedir. Daha sonra, bilişsel radyodaki altına sermeli yaklaşımile üstüne sermeli yaklaşım birleştirilerek karma bir NOMA sistem oluşturulupbu sistemin kesinti olasılık ifadeleri türetilmiş, elde edilen sonuçların bilgisayarbenzetim sonuçlarıyla uyum içerisinde olduğu gösterilmiştir. Bu tezde önerilenkarma sistem, PU ile SU arasındaki hat kesintiye girmezse üstüne sermeli, girersealtına sermeli çalışacaktır. PU'nun verici gücü arttıkça sistemin üstüne sermeliçalışma olasılığı artmaktadır. Bir başka deyişle, yüksek işaret-gürültü oranlarında(SNR) karma sistem, üstüne sermeli sisteme yakınsamaktadır. Üstüne sermelisistem ile PU'nun kesinti başarımı artmakta, karma sistem ile PU'nun başarımıdüşmektedir. Ancak, bu düşüş PU'nun tek başına çalıştığı durumdan daha kötü olmaz.Dolayısıyla, PU'daki bu düşüş tolere edilebilir. SU'nun başarımı ise karma sistemde,üstüne sermeliye göre artmaktadır. Kısacası, lisanslı kullanıcının altına sermedekidezavantajlı durumu, lisanssız kullanıcının üstüne sermedeki dezavantajlı durumu,karma sistemle iyileştirilmiştir.

More data is consumed by the widespread use of mobile devices and new methods arebeing investigated to meet this requirement. Two of these methods are non-orthogonalmulti-access (NOMA) techniques and cognitive radios.First, before addressing NOMA techniques, orthogonal multiple access (OMA)techniques have to be mentioned. Resources are shared as orthogonal in domains oftime, frequency or code in OMA. Interference of each user to other users in the samecellular network is cancelled out thanks to orthogonality. By using NOMA techniquesinstead of OMA techniques, the rate of communication can be increased at the expenseof higher complexity than OMA. As another consequence of using NOMA, while thenumber of users in the cellular network is limited in OMA because of the limitedresources, the number of users and rates in proportion to the permitted interferencein the NOMA network are more than that of OMA. Two main NOMA techniquesare power-domain NOMA (PD-NOMA) and code-domain NOMA (CD-NOMA). InPD-NOMA, all resources except power are the same for each user. However, the powerof each user is different from another user. Downlink PD-NOMA could be explainedas follows: The signal transmitted from the base station is the weighted sum of thesignals of all users. These weights are called power coefficients, and they are chosensuch that the weight of a weak user is larger than the weight of a strong user. Usersdecode their own signals using successive interference cancellation (SIC) techniqueat their receivers. In CD-NOMA, users' messages are coded via a different code ormethod. Pattern division multiple access and multi-user shared access techniques couldbe given as examples of CD-NOMA. PD-NOMA usually has low complexity and highflexibility compared to CD-NOMA techniques. Thus, since considering PD-NOMAdraws more attention for its simplicity, PD-NOMA is used instead of an CD-NOMAtechnique in this study. From now on, NOMA is called instead of PD-NOMA.A big majority of the radio spectrum is licensed. In other words, the number offrequency bands that can be used by unlicensed user is few. However, the problemhere is that the licensed users do not benefit from the licensed bands sufficiently. Thus,the occupancy rate of the spectrum is not high. To meet mentioned requirements, thelicensed spectrum can be shared by the unlicensed users. However, this is unlikelydue to the fullness of the spectrum. Cognitive radio (CR) has been proposed as asolution. CR aims to utilize for another user the spectrum that is not sufficientlyutilized by its owner. In the CR, a number of users in a wireless communicationsystem have information about other users such as their channel status, operationalstatus, message information, and by using this information, they can increase theirperformance without reducing the performance of other users or not reducing it to lessthan a tolerable interference level. In cognitive radio, users who have the priority to usethe spectrum band are called primary users (licensed users) and users who do not have the right to use the spectrum band but also has information about the primary usersare called secondary users (unlicensed users). CR can be examined in three differentparadigm according to the network knowledge of the users and the regulation regardingthe use of spectrum. These paradigms are underlay, overlay and interweave. Underlaycognitive radio allows unlicensed users to transmit simultaneously with licensed usersunder a certain power constraint. Unlicensed users are allowed to use frequency bandsin situations that licensed users have weak outage/error performance on conditionthat they help licensed users to improve the performance of them on the overlaycognitive radio. Interweave is the approach at the time when cognitive radio was firstproposed, and in cases where primary users are not active (considered in spectrumgaps), secondary users become active for transmission. Interweave paradigm is notconsidered in this thesis.In this study, cognitive radio and NOMA are combined for a fast communication andfor an improved spectrum efficiency. First, Underlay NOMA and Overlay NOMA areconsidered as separate systems. In the considered CR model, the primary user (PU)consists of one transmitter and one receiver, however the secondary user (SU) employsNOMA being composed of one transmitter and variable number of receivers. Thepower of the secondary user is limited by the PU's constraint in Underlay NOMA.While the outage probabilities of both the PU and SU are calculated, the interferencebetween PU and SU is taken into account. The Overlay NOMA system is designedto operate in two time intervals. Here, in the first time interval, the secondary userlistens to the primary user and decodes PU's signal and cooperates with PU for thetransmission of PU's message and its own message. Outage performances of thesesystems are derived and the obtained results are approved by computer simulations. InUnderlay NOMA, it is shown that the outage performance of PU decreases and that ofSU increases if the PU's power level constraint on the SU is relaxed, in other words ifthe interference of the SU increases. Besides, it is shown that the outage probability ofPU enters an error floor due to a continuous interference by SU. Similarly, under theinterference of PU on SU, an error floor occurs also on the outage probability of SU.If an appropriate power allocation coefficient is attributed to PU in Overlay NOMA,the performance of PU improves due to increased diversity, and the performance ofSU decreases considering Underlay NOMA. As the main contribution of the thesis,a hybrid system is proposed by combining the underlay and overlay approaches inthe cognitive radio, and then the outage probabilities of the proposed hybrid systemare derived and the obtained theoretical outage probability curves are found in perfectmatch with the computer simulation curves. When the channel between PU and SUdoes not in outage, the hybrid system operates in overlay mode, and otherwise inunderlay mode. The higher the transmitter power of PU, the higher the likelihoodof working in overlay mode. In other words, at high signal-to-noise ratios (SNR),the hybrid system converges to the overlay system. While PU's outage performanceincreases in the hybrid system due to cooperation in the overlay mode, the performanceof PU in the hybrid system decreases in the underlay mode due to the SU's interference.However, this decrease will not be worse than the system in which PU operates alonefrom point-to-point in the network. Thus, this decrease in the performance of PU istolerable. On the other hand, the performance of SU increases in the hybrid systemcompared to the overlay mode. In addition, considering that a certain amount of powerof SU is allocated to PU when working on the overlay mode, it has been shown thatthis amount of power can be selected so that the performance of hybrid cognitive radioNOMA is higher than that of OMA. In brief, the disadvantageous status of the licenseduser in the underlay cognitive radio and the disadvantageous status of the unlicenseduser in the overlay cognitive radio are improved by the proposed hybrid system.