Çöz-aktar röle-yardımlı-NOMA sistemlerinin hata başarımlarının analizi ve kullanıcılar arası adillik için bir güç paylaşım protokolü

Year 2020, Volume: 35 Issue: 1, 97 - 108, 25.10.2019

Ferdi Kara Hakan Kaya

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.441452

Abstract

Dikgen-olmayan çoklu erişim (non-orthogonal
multiple access -NOMA) sunduğu yüksek spektral verimlilik ve kitlesel iletişim
potansiyeli nedeniyle yeni nesil ağlar için önemli bir aday teknik
konumundadır. Ayrıca diğer fiziksel seviye teknikleriyle beraber kolayca
uygulanabilmesi de NOMA için önemli bir avantaj getirmektedir. İşbirlikli
iletişim ile NOMA’nın beraber kullanıldığı röle-yardımlı NOMA sistemleri yüksek
spektral verimlilik ve kitlesel iletişimin yanı sıra geniş kapsama alanı da
sunmaktadır. Bu nedenle son yıllarda çok sayıda çalışmaya konu olmuştur. Fakat,
yapılan çalışmaların çoğunda önerilen sistemler kesinti olasılığı ve toplam sistem
kapasitesi başarımları açısından ele alınmış olup bit hata başarımları göz ardı
edilmiştir. Bu çalışmada, çöz-aktar (decode-forward -DF) protokolü kullanılan röle-yardımlı
NOMA sistemi için teorik uçtan uca (end-to-end -E2E) ortalama bit hata
olasılığı (average bit error probability -ABEP) ifadeleri kapalı-formda
türetilmiştir. Elde edilen ifadeler Monte Carlo benzetimleri ile doğrulanmıştır.
Sistemin E2E hata başarımı değişen sistem parametrelerine göre incelenmiştir. Ayrıca
hata başarımları açısından kullanıcılar arası adillik/eşitlik gözetilerek optimum
güç paylaşım katsayısının ne olması gerektiği tartışılmış ve oransal adillik
(proportional fairness -PF) indeksine göre optimumuma yakın bir güç paylaşımı
algoritması sunulmuştur.

Keywords

Röle-yardımlı-NOMA, işbirlikli, ABEP, güç paylaşımı, kullanıcılar arası adillik

References

• Andrews, J.G.J.G., Buzzi, S., Choi, W., vd., What will 5G be?, IEEE J. Sel. Areas Commun., 32, (6), 1065–1082, 2014.
• Agiwal, M., Roy, A., Saxena, N., Next Generation 5G Wireless Networks: A Comprehensive Survey, IEEE Commun. Surv. Tutorials, 18, (3), 1617–1655, 2016.
• Osseiran, A., Boccardi, F., Braun, V., vd., Scenarios for 5G mobile and wireless communications: The vision of the METIS project, IEEE Commun. Mag., 52, (5), 26–35, 2014.
• Liu, Y., Qin, Z., Elkashlan, M., Ding, Zhiguo, A.N., Hanzo, L., Non-Orthogonal Multiple Access for 5G”, Proceedings of IEEE, 2017.
• Saito, Y., Benjebbour, A., Kishiyama, Y., Nakamura, T., System-level performance evaluation of downlink non-orthogonal multiple access (NOMA), IEEE Int. Symp. Pers. Indoor Mob. Radio Commun. PIMRC, 611–615, 2013.
• Islam, S.M.R., Avazov, N., Dobre, O.A., Kwak, K.S., Power-Domain Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in 5G Systems: Potentials and Challenges, IEEE Commun. Surv. Tutorials, 19, (2), 721–742, 2017.
• Benjebbour, A., Saito, Y., Kishiyama, Y., Li, A., Harada, A., Nakamura, T., Concept and practical considerations of non-orthogonal multiple access (NOMA) for future radio access”, ISPACS - International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems, 770–774, 2013.
• Kara, F., Kaya, H., Dikgen Olmayan Çoklu Erişim (NOMA): Gelecek Nesil Radyo Erişim Ağlarında Kitlesel Erişim ve Yüksek Spektral Verimlilik için Bir Çözüm, Karaelmas Fen ve Mühendislik Derg., basım için kabul edildi, 2018.
• Saito, Y., Kishiyama, Y., Benjebbour, A., Nakamura, T., Li, A., Higuchi, K., Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for Cellular Future Radio Access, IEEE 77th Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 1–5, 2013.
• Ding, Z., Yang, Z., Fan, P., Member, S., Poor, H.V., On the Performance of Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems with Randomly Deployed Users, IEEE Signal Process. Lett., 21, (12), 1501–1505, 2014.
• Wang, X., Labeau, F., Mei, L., Closed-Form BER Expressions of QPSK Constellation for Uplink Non-Orthogonal Multiple Access, IEEE Commun. Lett., 21, (10), 2242–2245, 2017.
• Kara, F., Kaya, H., On the BER Performances of Downlink and Uplink NOMA in the presence of SIC errors over Fading Channels”IET Commun., basım için kabul edildi, 2018,.
• Timotheou, S., Krikidis, I., Fairness for Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems, IEEE Signal Process. Lett., 22, (10), 1647–1651, 2015.
• Liu, F., Mahonen, P., Petrova, M., Proportional fairness-based user pairing and power allocation for non-orthogonal multiple access, IEEE Int. Symp. Pers. Indoor Mob. Radio Commun. PIMRC, 1127–1131, 2015.
• Guo, J., Wang, X., Yang, J., Zheng, J., Zhao, B., User pairing and power allocation for downlink non-orthogonal multiple access, 2016 IEEE Globecom Work. GC Wkshps Proc., 1–5, 2016.
• Ali, M.S., Tabassum, H., Hossain, E., Dynamic User Clustering and Power Allocation for Uplink and Downlink Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) Systems, IEEE Access, 4, 6325–6343, 2016.
• Oviedo, J.A., Sadjadpour, H.R., A Fair Power Allocation Approach to NOMA in Multiuser SISO Systems, IEEE Trans. Veh. Technol., 66, (9), 7974–7985, 2017.
• Ding, Z., Peng, M., Poor, H.V., Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems, IEEE Commun. Lett., 19, (8), 1462–1465, 2015.
• Kara, F., Kaya, H., On the Error Performance of the Cooperative-NOMA, IEEE Commun. Lett., değerlendirmede 2018.
• Ding, Z., Liu, Y., Choi, J., vd., Application of Non-Orthogonal Multiple Access in LTE and 5G Networks, IEEE Commun. Mag., 55, (2), 185–191, 2017.
• Sun, Q., Han, S., I, C.-L., Pan, Z., On the Ergodic Capacity of MIMO NOMA Systems, IEEE Wirel. Commun. Lett., 4, (4), 405–408, 2015.
• Kim, J.-B., Lee, I.-H., Capacity Analysis of Cooperative Relaying Systems Using Non-Orthogonal Multiple Access, IEEE Commun. Lett., 19, (11), 1949–1952, 2015.
• Liu, Y., Ding, Z., Elkashlan, M., Yuan, J., Nonorthogonal Multiple Access in Large-Scale Underlay Cognitive Radio Networks, IEEE Trans. Veh. Technol., 65, (12), 10152–10157, 2016.
• Duan, W., Wen, M., Yan, Y., Xiong, Z., Lee, M.H., Use of Non-Orthogonal Multiple Access in Dual-hop relaying, 2016, arXiv ID:1604.01151 .
• Liang, X., Wu, Y., Ng, D.W.K., Zuo, Y., Jin, S., Zhu, H., Outage Performance for Cooperative NOMA Transmission with an AF Relay, IEEE Commun. Lett., 21, (11), 2428-2431, 2017.
• Zhong, C., Zhang, Z., Non-Orthogonal Multiple Access with Cooperative Full-Duplex Relaying, IEEE Commun. Lett., 20, (12), 2478–2481, 2016.
• Luo, S., Teh, K.C., Adaptive transmission for cooperative NOMA system with buffer-aided relaying, IEEE Commun. Lett., 21, (4), 937–940, 2017.
• Ding, Z., Dai, H., Poor, H.V., Relay Selection for Cooperative NOMA”IEEE Trans. Veh. Technol., 5, (4), 416–419, 2016.
• Higuchi, K., Kishiyama, Y., Non-orthogonal access with random beamforming and intra-beam SIC for cellular MIMO downlink, IEEE Veh. Technol. Conf., 1-5, 2013.
• Proakis, J.G., Digital Communications, McGraw-Hill, Singapur, 2008.
• Kara, F., Kaya, H., Nakagami-m Sönümlemeli Kanallarda DL-NOMA için Kapalı-Form BHO İfadelerinin Türetilmesi, 26. IEEE Sinyal İşleme ve İletişim Uygulamaları, İzmir, Türkiye, 2-5 Mayıs, 2018.
• Craig, J.W., A new, simple and exact result for calculating the probability of error for two-dimensional signal constellations”MILCOM 91 - Conf. Rec., 571–575, 1991.
• Simon, M.K., Alouini, M.-S., Digital Communication over Fading Channels, John Wiley & Sons, Inc., Newyork, ABD, 2004.
• Laneman, J.N., Tse, D.N.C., Wornell, G.W., Cooperative diversity in wireless networks: Efficient protocols and outage behavior, IEEE Trans. Inf. Theory, 50, (12), 3062–3080, 2004.
• Grosan, C., Abraham, A., Intelligent Systems: A modern Approach, Springer Heidelberg, Berlin, Almanya, 2011.