Wireless Physical Layer Network Coding for Multiple Antenna Systems

Abstract

Wireless networks are prone to interference due to their broadcast nature. In the design of most of the traditional networks, this broadcast nature is perceived as a performance-degrading factor. However, physical layer network coding (PNC) exploits this broadcast nature by enabling simultaneous transmissions from different sources and facilitates an increase in the spectral efficiency of the wireless networks. Besides, the massive multiple input multiple output (MIMO) is considered as one of key technologies to improve the spectral efficiency for wireless communication systems. The combination of PNC and multi-user massive MIMO in the sixth generation (6G) networks can increase further the spectral efficiency. In this thesis, PNC based systems are examined via bit error rate (BER) and coverage probability by focusing on the BER of the network coded symbol (NCS). Hence, PNC based systems are compared with network coding (NC) and conventional schemes. The influence of the signal-to-noise ratio (SNR) differences of the users are examined on the BER performances. Thereby, an alternative method to estimate NCS is proposed for the MIMO-PNC systems without using log likelihood ratio (LLR). We derive a closed form expression for the coverage probability in PNC based multi-user massive MIMO systems by employing zero forcing (ZF) equalization. The non-orthogonal multiple access (NOMA) based PNC system is proposed. We show the applicability of the PNC in the NOMA based MIMO systems by giving the the BER performance results.

Kablosuz ağlar, yayın yapıları nedeniyle girişime eğilimlidir. Geleneksel ağların çoğunun tasarımında, bu yayın doğası performansı düşüren bir faktör olarak algılanmaktadır. Bununla birlikte, fiziksel katman ağ kodlaması, farklı kaynakların eş zamanlı iletimlerini mümkün kılarak bu yayın niteliğini kullanır ve kablosuz ağların spektral verimliliğindeki artışı kolaylaştırır. Ayrıca, masif çoklu giriş çoklu çıkış, kablosuz iletişim sistemleri için spektral verimliliği arttıran anahtar teknolojilerden biri olarak kabul edilir. Altıncı nesil (6G) ağlarda fiziksel katman ağ kodlaması ve çok kullanıcılı masif çoklu giriş çoklu çıkış kombinasyonu, spektral verimliliği daha da arttırabilir. Bu tezde, fiziksel katman ağ kodlaması bit hata oranı ve kapsama olasılığı baz alınarak incelenmiştir. Tez boyunca, ağ kodlu sembolün bit hata oranına odaklanılmıştır. Fiziksel katman ağ kodlaması, ağ kodlaması ve geleneksel iletim ile karşılaştırılır. Kullanıcıların sinyal-gürültü oranları farklılıklarının bit hata oranı performansları üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ayrıca, ağ kodlu sembolünü tahmin etmek için logaritmik olabilirlik oranı kullanılmayan alternatif bir yöntem, çoklu giriş çoklu çıktılı fiziksel katman ağ kodlaması sistemleri için önerilmektedir. Fiziksel katman ağı tabanlı çok kullanıcılı masif çoklu giriş çoklu çıkışlı sistemlerde kapsama olasılığının sıfır zorlamalı eşitleme kullanarak kapalı form ifadesi türetilmektedir. Dikgen olmayan çoklu erişim tabanlı bir fiziksel katman ağı sistemi önerilmektedir. Performans sonucu olarak bit hata oranı verilerek dikgen olmayan çoklu erişim tabanlı çoklu giriş çoklu çıkış sistemlerinde fiziksel katman ağı kodlamasının uygulanabilirliğini gösterilmektedir.