Performance analysis of one-layer RSMA in indoor multi-user VLC

Görünür Işık Haberleşmesi (VLC), özellikle yüksek kapasiteli iç mekân ağları için geleneksel radyo-frekansı (RF) teknolojilerine güçlü bir tamamlayıcı olarak öne çıkmaktadır. Ancak, iç mekânlarda kullanıcı ve aydınlatıcı yoğunluğunun artması, önemli seviyede girişim ve kaynak yönetimi sorunları ortaya çıkarmaktadır. Oran-Bölmeli Çoklu Erişim (RSMA), girişimi etkin bir şekilde yönetme ve spektral verimliliği artırma potansiyeline sahip, yeni nesil bir çoklu erişim yöntemi olarak öne çıkmasına rağmen, gerçekçi VLC senaryolarındaki performansı büyük ölçüde araştırılmamıştır. Bu tezde, gerçek donanım kısıtları altında, bir katmanlı RSMA’nın aşağı yönlü çok kullanıcılı MISO-VLC sistemlerindeki uygulanabilirliği ve performansı incelenmiştir. Fiziksel olarak doğru bir Lambertian doğrusal görüş (LOS) kanal modeli kullanılmış; LED akımı doğrusalığı ve aydınlatma gereksinimleri açıkça gözetilmiştir. Ortak önişlemci ve güç tahsisi problemi sayısal olarak optimize edilerek çözülmüş ve iki temel simülasyon çerçevesi oluşturulmuştur: (i) Farklı iletim güçleri ve kullanıcı yükleri altında RSMA ve güç-bölmeli NOMA (PD-NOMA) yöntemlerinin karşılaştırıldığı rastgele kullanıcı yerleşimi senaryosu; (ii) Kullanıcı konumlarının spektral verimlilik üzerindeki etkisinin haritalandığı mekânsal duyarlılık analizi. Kapsamlı simülasyon sonuçları, RSMA’nın tüm test edilen kullanıcı yoğunlukları ve güç seviyelerinde PD-NOMA’ya kıyasla tutarlı şekilde üstün performans gösterdiğini ortaya koymaktadır. Düşük optik güç seviyelerinde RSMA, iki kullanıcı için %50’ye, yedi kullanıcı için ise \%300’ün üzerine çıkan göreli spektral verimlilik artışları sağlamaktadır; yüksek güçte ise özellikle yoğun kullanıcı senaryolarında bu iyileşmeler devam etmektedir. Ayrıntılı analizler, optik iletim gücü, kullanıcı yoğunluğu, mekânsal dağılım ve optik donanım parametrelerinin sistem performansı üzerindeki etkilerini ortaya koymuştur. Mekânsal ısı haritası analizleri ise, gerçekçi VLC kurulumlarında kullanıcı yerleşimi ve aydınlatıcı geometrisinin önemini vurgulamaktadır. Bu bulgular, RSMA’nın gelecek nesil iç mekân VLC sistemleri için esnek ve etkin bir çoklu erişim stratejisi olduğunu ve gerçekçi kısıtlar altında önemli kazançlar sağladığını doğrulamaktadır. Gelecek çalışmalar, kanal belirsizliği, görüş dışı (NLOS) koşullar, deneysel doğrulama ve uyarlanabilir kaynak yönetimi için makine öğrenmesi entegrasyonu gibi başlıkları ele almalıdır.

Visible Light Communication (VLC) has emerged as a promising complement to traditional radio-frequency (RF) wireless technologies, particularly for high-capacity indoor networks. However, the dense deployment of users and luminaries in indoor environments introduces significant interference and resource management challenges. Rate-Splitting Multiple Access (RSMA) has recently been advocated as a robust multiple access paradigm capable of managing interference and enhancing spectral efficiency, yet its potential in realistic VLC scenarios remains underexplored. This thesis investigates the applicability and performance of one-layer RSMA in downlink multi-user MISO VLC systems under practical hardware constraints. A physically accurate Lambertian line-of-sight (LOS) channel model is adopted, explicitly considering LED current linearity and illumination requirements. The joint precoder and power allocation problem is formulated and solved using numerical optimization, with two simulation frameworks: (i) a random user placement configuration benchmarking RSMA against powerdomain NOMA (PD-NOMA) under varying transmit Powers and user loads, and (ii) a spatial sensitivity analysis mapping spectral efficiency with respect to user locations. Comprehensive simulation results demonstrate that RSMA consistently outperforms PD-NOMA across all evaluated user densities and power budgets. At low optical power, RSMA yields relative spectral efficiency gains up to 50\% for two users and over 300% for seven users; at higher power, substantial improvements persist, especially for denser deployments. Detailed analyses reveal the impact of optical transmit power, user density, spatial distribution, and optical hardware parameters on system performance. Spatial heatmap analyses further highlight the significance of user placement and luminaire geometry in practical VLC deployments. The findings confirm RSMA as a flexible and effective multiple Access strategy for next-generation indoor VLC systems, with substantial gains under realistic constraints. Future work should address channel uncertainty, non-lineof-sight conditions, experimental validation, and the integration of machine learning for adaptive resource management.