Design and performance analysis of novel decoding techniques for non-orthogonal multiple access for 5G and beyond-5G wireless networks

Sfeir, Elie (2023). Design and performance analysis of novel decoding techniques for non-orthogonal multiple access for 5G and beyond-5G wireless networks. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The field of wireless communications has witnessed several evolutions which have significantly changed our lifestyle. These evolutions were driven by not only the need of increase in data rates, but also the ever-increasing stringent performance requirements of a plethora of novel technological applications. The continuous explosive growth in the number of connected devices combined with the emergence of several new applications such as Internet of Things (IoT), telemedicine, vehicular technology, smart homes, and appliances is pushing engineers and researchers, to innovate and conceive new viable multiple access technologies capable of covering the increasing demands for higher connectivity and data rates.

Non-orthogonal multiple access (NOMA), as opposed to the traditional orthogonal multiple access (OMA) techniques, allows multiple users to share the same orthogonal resource element. Thus, NOMA is a promising technology and an excellent candidate to satisfy fifth generation (5G) network needs, i.e., massive connectivity, higher spectral efficiency, and higher user rate. Research in NOMA has led to the inception of several architectures for NOMA often categorized based on the users’ multiplexing, which is either in the power domain (PD-NOMA) or the code domain (CD-NOMA).

Among CD-NOMA architectures, sparse code multiple access (SCMA), which is based on codebook mapping for network users, has attracted significant attention given its ability to satisfy the massive connectivity and higher spectral efficiency requirements of next generation networks. Like every new wireless communication technology, the implementation within practical networks presents multiple inevitable teething challenges and impediments. This thesis sheds light on SCMA technology and investigates its application within various scenarios. We analyze SCMA’s performance in the presence of several impairments that could severely deteriorate the communication performance and present solutions for mitigating the induced performance degradation. Also, we study PD-NOMA within scenarios involving impairments and propose solutions for mitigating performance degradation.

In this context, the third chapter presents the simulation model along with a detailed analysis of the bit error rate (BER) performance for SCMA in the presence of power-amplifier (PA) nonlinearities. The detrimental effects of PA nonlinearities are shown. Signal processing techniques have been found to be compelling solutions for mitigating device nonlinearities, especially reproducing kernel Hilbert Spaces (RKHS) based techniques that enjoy slight complexity combined with their ability to exactly represent a nonlinear function. Thereby, we propose a Random Fourier Features (RFF) based solution to mitigate nonlinearity hurdles, which achieves improved BER performance compared to the classical message passing algorithm (MPA) operating in linear conditions.

In the fourth chapter, we tackle the challenge of mitigating impulsive noise, which will be common within the 5G ecosystems, specifically for IoT applications. The presence of electromagnetic interference, known as impulsive noise, degrades the performance of IoT applications. Additionally, given the superposition of codewords in SCMA, the performance degradation is more pronounced. Therefore, we study the implementation of SCMA in the presence of impulsive noise. We study the impact of impulsive noise on the BER performance. To mitigate the induced performance degradation, we propose a Maximum-Correntropy-based solution. Our proposed model transfers information potential (IP) gradients instead of the log-likelihood ratio (LLR) used in the conventional MPA. The achieved performance gains show the viability of the solution, even within highly impulsive scenarios.

In the fifth chapter, we propose another method for alleviating the effect of nonlinearities. Our new approach is based on the Bussgang decomposition and requires a relative low complexity, making it attractive for implementation within industrial internet of things (IIoT) networks. We compute the Bussgang coefficient and update the new channel gains with the obtained coefficient. Additionally, an analysis is provided that shows the convergence of the proposed method along with a comparison with the RFF based solution. The obtained results ascertained that SCMA is a viable solution for implementation within various challenging conditions and environments.

In the sixth chapter, we consider PD-NOMA in the presence of PA nonlinearities. We show the harmful effect of PA nonlinearities on the BER performance of superposed users in PD-NOMA, especially for the users performing the successive interference cancellation (SIC). Using RKHS, we propose an RFF based decoding algorithm to mitigate these hardware imperfections and achieve a BER performance that approaches the linear scenario.

Titre traduit

Conception et analyse des performances de nouvelles techniques de décodage pour l’accès multiple non orthogonal des réseaux sans fil de la 5G et d’au-delà

Résumé traduit

Le domaine des communications sans fil a connu plusieurs évolutions qui ont considérablement changé notre mode de vie. Ces évolutions ont été motivées non seulement par le besoin de plus larges débits de données, mais également par les exigences de performance toujours plus strictes d’une pléthore de nouvelles applications technologiques. La croissance explosive continue du nombre d’appareils connectés combinée à l’émergence de plusieurs nouvelles applications telles que l’internet des objets (IdO), la télémédecine, la technologie des véhicules, les maisons et appareils intelligents, poussent les ingénieurs et les chercheurs à innover et à concevoir de nouvelles technologies d’accès multiple viables, capables de couvrir les demandes croissantes de connectivité et de débits de données plus élevés.

L’accès multiple non orthogonal (NOMA), par opposition aux techniques traditionnelles d’accès multiple orthogonal (OMA), permet à plusieurs utilisateurs de partager le même élément de ressource orthogonal. Ainsi, NOMA est une technologie prometteuse et un excellent candidat pour satisfaire la plupart des besoins des réseaux de cinquième génération (5G), notamment une connectivité massive, une efficacité spectrale plus élevée et des débits d’utilisation plus élevés. Les recherches en NOMA ont conduit à la mise au point de plusieurs architectures divisées en deux catégories principales distinguées par la nature du multiplexage des utilisateurs, qui est soit dans le domaine de puissance (PD-NOMA), soit dans le domaine de code (CD-NOMA).

Parmi les architectures multiples de CD-NOMA, l’accès multiple par code clairsemé (SCMA), qui consiste en un mappage d’un ensemble de code pour chacun des utilisateurs du réseau, a attiré une attention considérable pour satisfaire les besoins des prochaines générations, couvrant spécifiquement une connectivité massive et une efficacité spectrale supérieure. Cependant, comme toute autre nouvelle technologie, diverses dégradations de la transmission peuvent compromettre les performances. Cette thèse met en lumière la technologie SCMA et étudie son application dans plusieurs scénarios. Nous analysons les performances de SCMA en présence de plusieurs dégradations qui pourraient gravement détériorer la performance du système de communication et présentons des solutions pour atténuer les dégradations de performance. Aussi, nous étudions PD-NOMA dans des scénarios impliquant des dégradations et proposons des solutions pour atténuer la détérioration des performances.

Dans ce contexte, le troisième chapitre présente le modèle de simulation pour SCMA avec une analyse détaillée sur le taux d’erreurs binaire (BER), en présence des non-linéarités de l’amplicateur de puissance (PA). Les effets néfastes des non-linéarités sont montrés. Les techniques de traitement du signal se sont avérées être des solutions convaincantes pour atténuer la non-linéarité en général, en particulier les techniques basées sur les espaces de Hilbert à noyau reproduisant (RKHS) qui jouissent d’une légère complexité et guarantissent la représentation exacte de la fonction non linéaire. Ainsi, nous proposons une solution utilisant les caractéristiques de Fourier aléatoires (RFF) pour atténuer les effets de la non-linéarité, ce qui permet d’améliorer le BER par rapport à l’algorithme de passage de message classique (MPA) fonctionnant dans des conditions linéaires.

Dans le quatrième chapitre, nous abordons le défi de mitigation du bruit impulsif qui sera commun dans les écosystèmes du 5G, en particulier l’IdO. La présence d’interférence électromagnétique, désignée par le bruit impulsif, dégrade les performances des applications IdO. De plus, étant donné la superposition de mots de code dans SCMA, l’effet serait plus prononcé. Par conséquent, nous étudions l’implémentation de la SCMA en présence de bruit impulsif. Nous étudions l’impact du bruit impulsif sur le BER et proposons une solution basée sur la correntropie maximale. Notre modèle transfère des gradients de potentiel d’information (IP) au lieu du logarithme du rapport de vraisemblance (LLR) normalement utilisé dans le MPA conventionnel. Les gains de performance obtenus montrent la viabilité de la solution même dans des scénarios très impulsifs.

Dans le cinquième chapitre, nous proposons une autre méthode pour atténuer l’effet de nonlinéarité. Notre nouvelle méthode est basée sur la décomposition de Bussgang et présente une complexité moindre, ce qui la rend intéressante pour une implémentation dans les réseaux internet des objets industriels (IIoT). Nous calculons le coefficient de Bussgang et mettons à jour les nouveaux gains de canal avec le coefficient obtenu. De plus, une analyse montrant la convergence de la méthode proposée avec une comparaison avec la solution basée sur les RFF est fournie. Les résultats obtenus confirment que la technique d’accès multiple SCMA est une solution viable pour divers scénarios, même en présence de conditions non idéales.

Dans le sixième chapitre, nous considérons le PD-NOMA en présence des non-linéairités du PA. Nous montrons l’effet néfaste des non-linéarités des PA sur le BER des utilisateurs superposés dans PD-NOMA, en particulier pour l’utilisateur qui effectue l’annulation successive d’interférence (SIC). En utilisant le RKHS, nous proposons un algorithme de décodage basé sur les RFF pour atténuer ces imperfections matérielles et atteindre un BER qui se rapproche de celui du scénario linéaire.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 111-127).
Mots-clés libres:	NOMA, SCMA, non-linéarité, bruit impulsif
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Kaddoum, Georges
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	30 mars 2023 13:28
Dernière modification:	30 mars 2023 13:28
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3208

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