PHY Transceiver Design Based on Cooperative NOMA

Abstract

The upcoming next generation of wireless networks is expected to offer ultra-reliable and low-latency communication, and other features due to the unprecedently high growth of timely mobile data traffic and stringent quality-of-service (QoS) requirements. These features will make a range of applications possible, including multiple access strategies (e.g., non-orthogonal multiple access (NOMA)), cooperative communications, energy harvesting (EH), reconfigurable intelligent surfaces (RISs), and unmanned aerial vehicle (UAV). NOMA is one of the most exciting approaches to improve spectrum efficiency in the next generations of wireless networks. Cooperative communication is integrated with NOMA (CNOMA) to offer an effective approach to mitigate challenges in channel conditions, extend the coverage area, and enhance spectral efficiency. Moreover, to enhance energy efficiency and prolong battery life for devices, CNOMA is empowered with EH. Furthermore, RIS enhances wireless communication by controlling radio propagation with low-cost passive elements, adjusting reflection coefficients for altered electromagnetic wave propagation. NOMA has been integrated with RIS to effectively provide efficient transmission in next-generation networks. Besides, UAV communication is a beneficial option for maintaining connectivity during brief events and after natural disasters. The UAV is adapted with RIS (UAV-RIS) and can serve as a reflective layer between ground base stations and devices, enhancing wireless communication. This thesis aims to investigate the interplay of NOMA with cooperative communication to improve the performance and extend the coverage area. To this end, we use several technologies for the CNOMA system, such as cooperative with and without direct links, multiple relays (multi-hop relay), EH, and UAV-RISs.

First, we investigate the downlink CNOMA without direct links (WDL). We derive the closed-form ergodic capacity (EC), outage probability (OP), and bit error rate (BER) over the Rayleigh fading channel. We evaluate the power allocation factor and helper user distance. We compare our scheme with traditional cooperative orthogonal multiple access (COMA) WDL. Then, we investigate the downlink CNOMA with DL. We derive the OP and BER with imperfect successive interference cancellation (ISIC) and channel state information (ICSI) over the Rayleigh fading channel. We assess the power allocation factor and the helper user distance. Thereafter, we investigate the multi-hop CNOMA with two schemes WDLs and DLs under the ICSI and ISIC. We derive the end-to-end (e2e) OP and BER expressions for the considered systems under ICSI and ISIC. We discuss the influence of power allocation, the number of relays, ICSI, and SIC on the performance of the systems. We compare our findings with single relay CNOMA. Moreover, we investigated two CNOMA with EH schemes: Firstly, we obtained the BER of CNOMA with time switching (TS) and power splitting (PS) protocols over the Rayleigh fading channel with ICSI, ISIC, and ICI. We explore the impact of ISIC and CSI on BER performance within the parameters of EH. Secondly, we obtained the OP and BER of CNOMA with three EH protocols (TS, PS, and hybrid) over the Nakagami-$m$ fading channel. We discuss optimal values for EH parameters and the power allocation coefficient. Besides, we examine the performance of the wireless-powered cooperative communication network with linear/non-linear EH in the presence of in-phase and quadrature-phase imbalance (IQI) and SIC imperfections over the Rayleigh fading channel in terms of OP, EC, and throughput. We assess the impact of IQI and SIC imperfections on the proposed scheme using various WPCCN parameters. We compare our system to conventional UL NOMA without EH. Finally, we examine the BER and energy efficiency (EE) of UAV-RIS NOMA in the presence of practical constraints. We compare our results with two schemes: UAV without RIS and conventional UAV-RIS OMA. We validate our numerical derivations through simulation results.

The results show the following. The best relay location is between the base station and users to achieve higher performance. Increasing the number of relays reduces the OP and BER. Multi-hop NOMA achieves high-performance gain compared to single relay schemes. The ICSI and ISIC decrease the system performance at the high signal-to-noise ratio (SNR). The EH schemes achieve higher performance compared to those without EH and the hybrid protocol is superior to all benchmarks, which are in the range of 1–3 dB and 0.5–1.5 dB for OP and BER performances, respectively. The non-linear EH limits system performance in high SNR regions and is significantly impacted by IQI and SIC imperfections. IQI negatively affects RF impairment, highlighting the necessity of IQI mitigation to maximize system capabilities. Finally, HWI, ICI, and ISIC degrade performance at high SNR, however, increasing the number of RIS reflecting elements at low SNR achieves satisfactory results. The UAV-RIS system outperforms UAVs without it, and OMA performs better than NOMA due to no inter-user interference IUI issues.

من المتوقع أن يوفر الجيل التالي من الشبكات اللاسلكية اتصالات موثوقة للغاية وذات زمن وصول منخفض، وميزات أخرى بسبب النمو المرتفع غير المسبوق لحركة البيانات المتنقلة في الوقت المناسب والمتطلبات الصارمة لجودة الخدمة (QoS). ستجعل هذه الميزات مجموعة من التطبيقات ممكنة، بما في ذلك استراتيجيات الوصول المتعددة (على سبيل المثال، الوصول المتعدد غير المتعامد (NOMA)) والاتصالات التعاونية وحصاد الطاقة (EH)، والأسطح الذكية القابلة لإعادة التشكيل (RISs})، والمركبات الجوية بدون طيار (UAV) ). يعد NOMA أحد الأساليب الأكثر إثارة لتحسين كفاءة الطيف في الأجيال القادمة من الشبكات اللاسلكية. تم دمج الاتصال التعاوني مع NOMA (CNOMA) لتقديم نهج فعال للتخفيف من تحديات في ظروف القناة، وتوسيع منطقة التغطية، و تحسين الكفاءة الطيفية. من ناحية اخرى، لتعزيز كفاءة الطاقة وإطالة عمر بطارية الأجهزة، تم تمكين CNOMA باستخدام EH. في المقابل يعمل نظام RIS على تعزيز الاتصال اللاسلكي عن طريق التحكم في انتشار الراديو باستخدام عناصر خامله منخفضة التكلفة، وضبط معاملات الانعكاس للتغييرات في انتشار الموجات الكهرومغناطيسية. تم دمج NOMA مع RIS لتوفير نقل فعال في شبكات الجيل التالي. في الجهة المقابلة، يعد الاتصال بالطائرات بدون طيار خيارًا مفيدًا للحفاظ على الاتصال أثناء الأحداث القصيرة للانقطاع وبعد الكوارث الطبيعية. تم دمج الطائرة بدون طيار مع RIS (UAV-RIS) ويمكن أن تكون بمثابة طبقة عاكسة بين محطات الارسال والأجهزة الأرضية، مما يعزز الاتصال اللاسلكي. تهدف هذه الأطروحة إلى دراسة جمع NOMA مع التواصل التعاوني لتحسين الأداء وتوسيع منطقة التغطية. ولتحقيق هذه الغاية، نستخدم العديد من التقنيات لنظام CNOMA، مثل التعاون مع الروابط المباشرة و غير المباشرة، والمرحلات المتعددة (مرحل متعدد القفزات)، وEH، وUAV-RISs.

بناءا علي هذا يتم دراسة أهداف الاطروحه علي النحو التالي. أولاً، نقوم بدراسة الوصلة الهابطة CNOMA بدون روابط مباشرة (WDL). نشتق الشكل التقريبي للسعة (EC)، واحتمال الانقطاع (OP)، ومعدل خطأ البتات (BER) عبر قناة خبو رايلي. بعد ذلك، نقيم عامل توزيع الطاقة ومسافة المستخدم المساعد. نقارن أيضا مخططنا مع المخطط التعاوني التقليدي للوصول المتعدد المتعامد (COMA) WDL. في الخطوة التالية، نقوم بدراسة الوصلة الهابطة CNOMA مع DL. نشتق OP وBER في ظل ضروف إلغاء التداخل المتتالي غير الكامل (ISIC) ومعلومات حالة القناة (ICSI) عبر قناة خبو Rayleigh. نفحص عامل توزيع الطاقة ومسافة المستخدم المساعد. عقب ذلك، ندرس CNOMA متعدد القفزات باستخدام مخططين WDLs وDLs في وجود ICSI وISIC. نستخرج تعبيرات OP وBER من طرف إلى طرف (e2e) للأنظمة المقرتحة في وجود ICSI وISIC. نستعرض تأثير توزيع الطاقة، وعدد المرحلات، وICSI، وSIC على أداء الأنظمة. نجري أيضا مقارنة نتائجنا التي توصلنا إليها مع CNOMA للمرحل الفردي التقليدي. إضافة إلى ما سبق، نعمل على دراسة اثنين من مخططات CNOMA مع EH: أولاً، نحصل على معدل BER لـ CNOMA مع بروتوكول تبديل الوقت (TS) وتقسيم الطاقة (PS) عبر قناة خبو Rayleigh في وجود ICSI وISIC وICI. نقوم ايضا باجراء تحقيق لاستكشاف تأثير ISIC وCSI على أداء BER ضمن معايير EH. ثانيًا، نحصل على OP وBER لـ CNOMA مع ثلاثة بروتوكولات EH (TS وPS وhybrid ) عبر قناة الخبو Nakagami-m. نناقش القيم المثلى لمعاملات EH ومعامل توزيع الطاقة. وبالإضافة هذا، نفحص أداء شبكة الاتصالات التعاونية التي تعمل بالطاقة اللاسلكية مع EH الخطي غير الخطي في ظل وجود خلل في الطور والطور التربيعي (IQI) وعيوب SIC على قناة خبو رايلي من حيث OP وEC ، والإنتاجية. نناقش كذلك تأثير عيوب IQI وSIC على المخطط المقترح باستخدام معاملات WPCCN المختلفة. نقارن المخطط المقترح مع UL NOMA التقليدي بدون EH. أخيرًا، نفحص معدل الخطأ في البتات (BER) وكفاءة استخدام الطاقة (EE) لـ UAV-RIS NOMA} في ظل وجود قيود عملية. نقارن ايضا نتائجنا مع مخططين: الطائرات بدون طيار بدون RIS والطائرات بدون طيار التقليدية UAV-RIS OMA. يثتم التحقق من صحة اشتقاقاتنا العددية من خلال نتائج المحاكاة.

تظهر النتائج ما يلي. أفضل موقع للترحيل هو بين محطة الارسال والمستخدمين لتحقيق أداء أعلى. تؤدي زيادة عدد المرحلات إلى تقليل OP وBER وتحقق NOMA متعددة القفزات مكاسب عالية في الأداء مقارنة بأنظمة المرحل الفردي. يعمل ICSI وISIC على تقليل أداء الأنظمة عند نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية (SNR). تحقق مخططات EH أداءً أعلى مقارنةً بدون EH ويتفوق البروتوكول hybrid على جميع المعايير، والتي تقع في نطاق 1–3 ديسيبل و0.5–1.5 ديسيبل لأداء OP وBER. يحد EH غير الخطي من أداء النظام في المناطق ذات نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) العالية ويتأثر بشكل كبير بعيوب IQI وSIC. يؤثر IQI سلبًا على ضعف التردد اللاسلكي، مما يسلط الضوء على ضرورة تخفيف IQI لزيادة قدرات النظام إلى أقصى حد. أخيرًا، يؤدي كل من HWI وICI وISIC إلى تدهور الأداء عند نسبة SNR عالية، ومع ذلك، فإن زيادة عدد عناصر (RIS) العاكسة عند نسبة SNR منخفضة يحقق نتائج مرضية. يتفوق نظام UAV-RIS على الطائرات بدون طيار بدون RIS، و OMA اداء أفضل من NOMA بسبب عدم وجود مشكلات في التداخل بين المستخدمين (IUI).