انتخاب رله جهت افزايش نرخ داده شبكه در سيستم راديو شناختي با به‎كارگيري روش دسترسي چندگانه غير متعامد (NOMA)

Relay Selection for increasing the network data rate in cognitive radio system using Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) technique

دسترسي چندگانه‎ي غير متعامد (NOMA) يكي از روش‎هاي دسترسي راديويي براي بهبود عملكرد در نسل آينده‎ي مخابرات سلولي است. ويژگي اصلي NOMA اين است كه به چندين كاربر در يك زمان و يك فركانس اما با سطوح توان مختلف سرويس‎دهي مي‎نمايد كه موجب افزايش بهره‎وري طيفي در مقايسه با روش‎هاي دسترسي چندگانه‎ي متعامد (OMA) مي‎شود. در طرح NOMA، امكان استفاده‎ي هم‎زمان تمامي كاربران از كل پهناي باند سيستم براي انتقال داده با به‎كارگيري تكنيك كدينگ برهم‎نهي (SC) در فرستنده فراهم شده و سيگنال‎هاي تركيبي ارسال مي‎شوند. در گيرنده نيز با استفاده از تكنيك حذف تداخل متوالي (SIC)، سيگنال‎هاي تركيب شده آشكارسازي مي‎شوند و با ايجاد امكان استفاده‎ي مجدد از يك زيرحامل، بهره‎وري انرژي و بهره‎وري طيفي در سيستم افزايش مي‎يابد. از سوي ديگر، راديو شناختي (CR) به عنوان رويكردي جهت بهبود بهره‎وري طيفي شناخته شده است. با استفاده از تكنيك NOMA در CR (CR-NOMA)، استفاده‎ي كاربران ثانويه (SU) براي دسترسي به طيف مجوز دار امكان پذير و توان عملياتي سيستم به طور گسترده‎اي افزايش مي‎يابد. استفاده از NOMA تضمين مي‎كند كه هر دو دسته كاربر PU و SU به طور هم‎زمان سرويس‎دهي شوند، بدون اين‎ كه در عملكرد شبكه‎ي اوليه تغييري ايجاد شود كه به‎طور كاملا موثري بهره‎وري طيفي را افزايش مي‎دهد. شبكه‎ي مورد بررسي در اين مقاله، شامل يك ايستگاه پايه (BS)، يك كاربر اوليه و تعدادي كاربر ثانويه است. ايستگاه پايه دو پيام مجزا براي كاربر اوليه و شبكه‎ي ثانويه دارد و براي ارسال هم‎زمان و هم‎فركانس اين دو پيام از تكنيك دسترسي چندگانه‎ي غير متعامد استفاده مي‎كند. فرض شده است كه بين ايستگاه پايه و كاربر اوليه مسير مستقيم وجود ندارد. در اين حالت، از كاربران ثانويه به عنوان رله براي ارسال پيام به كاربر اوليه استفاده خواهد شد. هدف نهايي، انتخاب يكي از كاربران ثانويه به عنوان رله مي‎باشد با اين شرط كه شبكه‎ي اوليه به حداقل نرخ ارسال داده‎ي مورد نياز برسد و شبكه‎ي ثانويه نيز تا حد امكان داراي نرخ ارسال بالايي باشد. جهت نيل به اين هدف چندين الگوريتم انتخاب رله در سيستم راديو‎ شناختي با استفاده از تكنيك NOMA مشاركتي مورد بررسي قرار گرفته است و در نهايت با انجام شبيه‎سازي و مقايسه‎ي آنها، نشان داده شده كه الگوريتم انتخاب رله‎ي Max-Min نسبت به ساير الگوريتم‎هاي بررسي شده، تاثير بيشتري بر افزايش نرخ داده شبكه‎ دارد.

Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) is a new immerging radio access technology to improve the performance of the next generation of cellular networks. The main feature of NOMA is to serve multiple users at the same time and frequency, but with different power levels to increase spectral efficiency compared to orthogonal multiple access (OMA) methods. In NOMA all users simultaneously utilize a common bandwidth for data transmission using superposition coding (SC) technique in the transmitting side and successive interference canceling (SIC) in the receiving side. Hence, by increasing the possibility of reuse of a sub-carrier, the energy efficiency and spectral efficiency of the system increase. On the other hand, Cognitive Radio (CR) is known as an approach to improve spectral efficiency. Using NOMA technique in CR (CR-NOMA), secondary users (SUs) can access to the authorized spectrum and the system s throughput is increased extensively. The use of NOMA ensures that both primary users (PUs) and SUs are serviced simultaneously without having to change in the primary network functionality which effectively increases spectral efficiency. The proposed system model in this article consists of a base station (BS), one primary user and some secondary users. The base station, having two distinct messages for the primary user and the secondary network, uses non-orthogonal multiple access technique to send both messages in the same time and frequency. It is assumed that the PU is far from the BS so that there is no direct link between them. In this case, SUs will be used as relays to help the PU and re-transmit the message to the primary user. The ultimate goal is to select a secondary user as a relay, provided that the primary network reaches the targeted data rate while the secondary network has as high data rate as possible. To achieve this goal, several relay selection algorithms in the CR-NOMA network have been investigated. Simulation results show that the Max-Min relay selection algorithm has the greatest impact on the increase of the network data rate compared to other relay selection methods.