Linear interference alignment in cognitive radio networks

Abstract

Çoklu giriş-çoklu çıkış sistemleri literatürde ve telsiz haberleşme endüstrisinin öncüleri tarafından geliştilmeye açıktır. Telsiz haberleşme sistemlerinde kablosuz ortamdan kaynaklı sönümlemelerin etkisinin ve derin sönümlemelerin etkisinin azaltılması için MIMO sistemler sıklıkla kullanılmaktadır. Günümüzde WCDMA, LTE ve 802.11 WLAN gibi geniş bantlı kablosuz haberleşme ağ standartlarında sıklıkla yer almaktadır. MIMO sistemlerin verimli çalışabilmesi için çoklu antenlerin girişiminden kaynaklı iç girişim değerlerinin yok edilmesi gerekmektedir. Bunun sağlanması için MIMO sistemlerde gönderilecek işaret bir önkodlayıcı matrisi ile çarpılmakta, daha sonra telsiz MIMO haberleşme kanalından geçmekte ve en sonunda bir son kodlayıcı matrisi ile çarpılarak alınmaktadır. Yüksek performansta MIMO sisteminin çalışması için ön kodlayıcı ve son kodlayıcı matris tasarımlarının doğru yapılması gerekmektedir; aksi taktirde çok anten yapısı kullanılması dolayısıyla iç girişim değerlerinin yok edilememesi verimlilik noksanlığına neden olmaktadır. Ayrıca MIMO ağlarında alınan işaret için literatürde çeşitli işaret algılayıcıları önerilmiştir. Bunlardan sıfıra zorlama ve minimum ortalama karesel hata tabanlı algılayıcılar basit yapılarından ötürü sıklıkla tercih edilmektedir. Bilişsel radyo ağları literatürde uzun zaman önce önerilmesine rağmen güncelliğini hala sürdürmektedir. Spektrum kıtlığı ve frekans tahsisi konuları telsiz haberleşmedeki hali hazırda bulunan problemler arasında yer almaktadır. Bilişsel radyo ağlarında kaynak kullanımına göre iki farklı kullanıcı türünün olmasına işaret edilmiştir. Bunlar sırasıyla lisanslı kullanıcılara tahsis edilmiş birincil kullanıcılar ve lisanssız olan ikincil kullanıcılardır. Birincil kullanıcılar ikincil kullanıcılara nazaran performans açısından öncelikli olarak düşünülmüştür. Bu duruma göre birincil kullanıcının performansını etkilemeyecek aynı zamanda ikincil kullanıcların da ortam içinde verimli bir şekilde haberleşmelerinin sağlanması için literatürde üç ana teknik önerilmiştir. Bunlar sırasıyla, üstüne serme, altına serme ve araya karışma teknikleridir. Üstüne serme tekniğinde, ikincil kullanıcı birincil kullanıcının haberleşmesini kuvvetlendirecek şekilde röle veya işaret kuvvetlendirme vazifelerini yerine getirebilir. Burada amaç birincil kullanıcıların haberleşmesini daha iyi duruma getirmektir. İkincil kullanıcılar, birincil kullanıcılar ile aynı ortamda haberleşirler. Ancak ikincil kullanıcının gücü kendi iletimini gerçekleştirmede ve birincil kullanıcıya yardım etme ile paylaştırılır. Altına serme tekniğinde ikincil kullanıcılar birincil kullanıcılara mukayesen spektral maske denilen eşik değerinde daha düşük güçte iletim yaparlar. Buradaki ana sorun ikincil kullanıcılardan kaynaklı girişim değerlerinin birincil kullanıcılara olan etkisidir. Birincil kullanıcıların verimli haberleşebilmeleri için bu girişim değerlerinin azaltılması gerekmektedir. Araya karışma tekniğinde ise, ikincil kullanıcılar çevrelerinde bulunan spektrumları sezerek birincil kullanıcıların yer almadığı boş frekans bantlarına yerleşirler. İletimlerini bu boş frekans bantlarından yaparak bu frekansın sahibi olan birincil kullanıcıların ortamda bulunması durumunda ise, ikincil kullanıcılar yeniden bulunduğu frekans bölgesini değiştirir. Böylelikle boş frekans bantlarının verimli bir şekilde kullanılması sağlanır. Benzer şekilde yan bantlarda olması durumunda bile oluşan komşu kanal girişimi birincil kullanıcıların performansını olumsuz yönde etkileyecektir. Kısacası, birincil ve ikincil kullanıcılar arası girişimin engellenmesi bu farklı türden tekniklerin verimli çalışmasına önemli bir adım teşkil edecektir. Girişim hizalama (IA) tekniği MIMO kanallarda oluşan girişim bileşenlerinin yok edilmesine dayanan bir yöntemdir. Literatürde pek çok farklı türü bulunan girişim hizalama tekniklerinin arasından en yaygın olarak kullanılanı doğrusal girişim hizalama tekniğidir. IA tekniği MIMO ağ yapısı ile uyumlu olup, çalışma prensibi olarak girişim kaynaklarının aynı doğrultuya gelecek şekilde hizalanması ile bunların sıfır uzayına gelecek şekilde ön kodlayıcı matrislerinin ve girişim baskılama matrislerinin tasarlanması yolunu kullanır. Girişim bileşenlerinin hizalanması işlemi güçlü işaret işleme tekniklerinin de kullanılmasını beraberinde getirmektedir. Bununla ilgili kanal durum bilgilerinin de aynı şekilde alıcı yapılarına entegre edilmesi gerekmektedir. Buna ek olarak, girişim hizalama yönteminin CR ağları için uygunluğu da girişim bileşenlerinin yok edilmesi yönüyle literatürde vurgulanmaktadır. Tezde ilk olarak, MIMO CR ağlarında girişim hizalama performansına yer verilmektedir. Önerilen mimaride tek kullanıcıya sahip bir birincil kullanıcı çifti ve çok sayıda ikincil kullanıcının birlikte yer aldığı bir sistem düşünülmüştür. İkincil kullanıcıların sayılarının artışıyla, birincil kullanıcıların MIMO ağlardaki performansının düşüşü gözlemlenmektedir. Bununla birlikte, yanlış girişim hizalamadan kaynaklı girişim kaçaklarının varlığında sistem performansı hızlı değişen kanallarda servis dışı kalma olasılıkları bakımından ifade edilmiştir. Bununla ilgili birincil alıcı düğümünde gözlemlenen işarete dair servis dışı kalma olasılığının kapalı formu matematiksel derivasyonlarla elde edilmiş ve çeşitli parametreler bakımından incelenerek Monte-Carlo benzetim sonuçlarıyla örtüştüğü gözlemlenmiştir. Artan ikincil kullanıcı sayısı birincil kullanıcının sistem performansını belirgin bir şekilde negatif yönde etkilemiştir. Buna benzer olarak, yanlış girişim hizasından kaynaklı girişim kaçakları modellenerek, bunların artışının servis dışı kalma olasılığına olan etkisi irdelenmiştir. Bunların yanında çeşitlilik kazancının getirmiş olduğu performans artışı farklı anten verici ve alıcı anten sayıları için gözlemlenmiştir. Bununla beraber MIMO iletimde veri iletim eşik değerleri bakımından servis dışı kalma olasılıkları farklı durumlar göz önüne alınarak incelenmiştir. Birinci ve ikinci kullanıcıların ortamda aynı anda bulunsalar dahi birbirlerine girişim oluşturmadan haberleşmesi IA yöntemi ile gerçeklenmiştir. İkinci kısımda, ön kodlayıcı ve girişim baskılama matrisi tasarımı, MIMO sıfır-zorlama alıcı yapısı ile IA tekniği kullanılarak yer verilmiştir. Ön kodlayıcı ve girişim baskılama matrisi, telsiz ortamdaki tek bir birincil kullanıcı ve iki ikincil kullanıcının varlığını göz önünde bulundurarak tasarlanmıştır. Birincil ve ikincil kullanıcılar için oluşturulacak ön kodlayıcı matrisleri, girişimi oluşturan işaretlerin alt uzaylarını eşit düzeyde germesi baz alınarak oluşturulur. Daha sonra bununla ilgili güç bileşenlerine ait değerler tekil değer ayrıştırma neticesindeki elde edilen matrislere dair MIMO kapasitedeki maksimizasyona dayanmaktadır. Maksimizasyon algoritması olarak toplam veri iletimini optimize etmeye çalışan su-dolumu (water-filling) algoritması yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Toplam veri iletim performansları ve bit hata oranı performansları, hem birincil kullanıcılar hem de ikincil kullanıcılar için, farklı anten sayıları ve uzaklık bakımından sunulmaktadır.

Multi-input multi output (MIMO) systems are still developing via substantial research effort in the literature and leading telecommunication industry. MIMO communications that is a solution as countering fading and deep fade effect in wireless communication, presents spatial diversity of the system and increases data rates. Yet, the effective operation of MIMO systems depends on the design of the pre-coding and post-coding matrices. Cognitive radio networks, which have been proposed for a long time in the literature, are still being developed. The communication of two different types of users is achieved on the principle that they are based on the use of different kinds of techniques as a solution to the spectrum scarcity. Primary users are allocated as licensed users, besides secondary users are considered as unlicensed users in cognitive radio networks. Overlay, underlay and interweave techniques are among the outstanding techniques in the literature. It is essential to minimize interference components that occur between the primary users and the secondary users so that these techniques can work effectively. Interference alignment (IA) is a remedy for eliminating interference components due to the interference channel in MIMO networks. There are many variants for IA in the literature and linear interference alignment technique is the most frequently used due to its applicable approach. In the IA method using the MIMO network structure, the interference components are aligned in a specific direction by using the precoding and interference suppression matrices. However, the destruction of these interference components is accompanied by operative signal processing implementation. Additionally, IA technique has also known harmonious structure for CR networks. In this thesis, the interference alignment performance of a MIMO CR network is examined in the presence of multiple secondary users. In the proposed architecture, it is assumed that linear IA is used at the primary system to alleviate the interference between primary and secondary networks. Although linear IA can surpass the interference in CR considerably, interference leakages may occur due to fast fading channel. Herein, we derive the closed-form outage probability expression considering the interference leakage occurred in the primary system. The results which are validated with Monte-Carlo simulations show that interference leakages can deteriorate both system performance and diversity gains considerably. Furthermore, precoder and interference suppression matrix design is covered using the IA technique with MIMO zero-forcing receiver structure. Precoder and interference suppression matrix is designed considering the presence of a single primary user and two secondary users in the wireless environment. Sum rate performances and bit error rate performances are presented for both primary users and secondary users with respect to the number of antennas and distance.