Çoklu erişim röle kanallarında evre uyumsuz işbirlikli iletişim teknikleri

Abstract

Telsiz haberleşme sistemlerinde karşılaşılan en önemli sorunlardan birisi sönümlemedir. İşaret gücünün düşmesine neden olan sönümleme etkisinin çözümünde kullanılan yöntemlerden biri çeşitlemedir. Çeşitleme uzay, zaman ve frekans gibi boyutlarda yapılmaktadır. Bu yaklaşımlardan uzay (anten) çeşitlemesi özellikle çok girdili çok çıktılı (Multiple Input Multiple Output, MIMO) sistemlerde kullanıldığı ve sağladığı üstün performans artışı ve diğer çeşitleme teknikleri ile birlikte kullanıma elverişli olması nedeniyle öne çıkmaktadır. Ancak, çoklu anten kullanmak baz istasyonları için uygun olmasına karşın, boyut ve batarya gücü sınırları nedeniyle gezgin birimler için çok uygun değildir ve bu engele alternatif bir çözüm olarak, `işbirlikli iletişim` tekniği yaygın olarak kullanılmaktadır. İşbirlikli röleli iletişimde, kaynaktan gönderilen mesajlar hedefe iletilirken, hücre içindeki uygun diğer kullanıcılar veya röleler üzerinden genelde kuvvetlendir ve ilet (amplify and forward, AF) veya çöz ve ilet (decode and forward, DF) gibi aktarma yöntemleriyle iletilmektedir. İşbirlikli iletişimde, gezgin birimler tek verici / tek alıcı antene sahip olsalar bile tüm sistemde dağıtılmış (distributed) anlamda uzay çeşitlemesi elde edilebilmektedir. Son yıllarda yapılan araştırmalarda, işbirlikli röleli sistemlerin, işbirliği yapılmayan sistemlere göre aynı işaret-gürültü oranında (Signal-to-noise ratio, SNR) hata başarımını iyileştirebileceği ve iletim hızını artırabileceği görülmüştür. İşbirlikli iletişim sistemlerinde ortaya çıkan önemli problemlerden birisi, mevcut radyo terminallerinin aynı frekans bandında hem alıcı hem verici olarak çalışmaması nedeniyle ortaya çıkan ve sistemdeki terminal sayısıyla orantılı olarak artan spektral verimlilik kayıplarıdır. Söz konusu band genişliği azalması problemini ortadan kaldırmak üzere röle düğümlerinin aldıkları işaretleri birleştirip yeni paketler oluşturarak hedefe iletim yaptığı ağ kodlaması yaklaşımı önerilmiştir [6]. Böylelikle iletilen paket sayısı azaltılarak ağ kapasitesinde artış, gecikmenin ve tampon belleğin azalması, yönlendirmenin basitleşmesi ve paket iletim gücünün düşmesi gibi birçok önemli avantaj elde edilmektedir. Çok sayıda kullanıcının bir veya daha fazla sayıda röle üzerinden ortak bir hedefe iletim yaptığı çoklu röle erişim kanalı (Multiple Access Relay Channel, MARC) ağ kodlamasının önde gelen uygulamalarındandır.İşbirlikli iletişim sistemlerinin üzerine yapılmış çalışmaların büyük çoğunluğunda alıcı terminallerde kanal durum bilgisinin mükemmel bir şekilde bulunduğu ve evre uyumlu (coherent) algılama yapıldığı varsayılmaktadır. Kanalın iletilen sembolün hızına göre yavaş değişmesi halinde vericiden gönderilen pilot dizileri ile alıcının düzgün bir kanal kestirimi yapması sağlanabilmektedir. Bununla birlikte kanalın hızlı değiştiği ve taşıyıcı frekansının hatalı kullanıldığı bazı durumlarda kanal kestirim maliyeti oldukça artabilmektedir. Bu sorunu ortadan kaldırmak için evre uyumsuz iletişim önerilmiştir.Bu tezde DF tabanlı işbirlikli röle sistemlerinde çoklu erişim röle kanalları (MARC) ile ilgili algoritmalar incelenerek yeni algoritmalar önerilmiştir. Bu sistemlerde farklı kablosuz kanal yapıları ele alınmıştır. Öncelikle ele alınan sistemlerin hata performansları yani Monte Carlo benzetimleri bilgisayar ortamında gerçekleştirilmiştir ve türetilen teorik sonuçlarla örtüştüğü gözlemlenmiştir. Ayrıca, bu tezde DF tabanlı işbirlikli röle sistemleri için hata yayılımını azaltıcı metodlar kullanılmış ve yeni yöntemler önerilerek sistem başarımları araştırılmıştır. DF tabanlı işbirlikli telsiz iletişim sistemlerinde röledeki sezim hatalarının hedefteki başarımı olumsuz etkilemesi sonucu hata yayılımına sebep olmaktadır. Bu problem için çözümler literatürde genelde tek antenli sistemler için önerilmiştir. En büyük olabilirlik (Maximum likelihood, ML) tabanlı sezim, logaritmik olabilirlik (Log-likelihood ratio, LLR) tabanlı iletim, en yaygın kullanılan hata yayılımı azaltıcı yöntemlerdir. Sonuç olarak, bu tezdeki çalışmalarla gelecekteki telsiz iletişim ağları tasarımlarına yeni yöntemler önerilerek ve çeşitli senaryolardaki analizlerle yardımcı olunması sağlanacaktır.

Fading is one of the most important problems encountered in the wireless communication system. Diversity is one of the methods used in the solution causes power of sign which a decrease fading effect. Diversity can be obtained in space, time and frequency. From these approaches space (antenna) diversity especially multiple input multiple output (MIMO) systems provide superior performance gains than other diversity techniques. Although using multiple co-located antennas can be feasible for base stations, it is not quite appropriate for mobile units due to battery, power and size limitations, thus cooperative communication techniques have become a popular alternative solution to MIMO systems. In cooperative communication networks nodes (users or relays) help the transmission of the message to the destination by using amplify and forward (AF) or decode and forward (DF) relaying methods. This achieves spatial diversity gains in a distributed manner even if the users have single antennas. Recent research have shown that the relay/cooperative systems lead to better error performance and higher transmission rates compared to non-cooperative systems at the same signal-to-noise ratio (SNR).One of the most important problems that emerge in realization of cooperative communication systems is the spectral efficiency loss increasing with the number of cooperative terminals which is due to the half-duplex constraint of existing radio terminals. Network coding concept is one of the effective approaches proposed in the literature to overcome this bandwidth bottleneck where relay nodes combine the detected signals, create new data streams and transmit them to the destination. By performing such operations on incoming data at information routing nodes, not only the achievable throughput of the network is improved but also the delay in the system, total transmission power and the amount of required buffer memory are decreased. The Multiple Access Relay Channel (MARC) in which several users transmit to a single destination via one or more relays is one of the prominent applications of network coding.Most of the studies on wireless cooperative communication systems assume that the channel state information (CSI) of the links is perfectly known by the relays and the destination and coherent detection is performed at the receiver terminals. Although the CSI is likely be obtained in slow fading scenarios via estimation from training sequences in the protocol headers, this approach is not practical in block and fast fading environments where the channel changes rapidly. Moreover, channel estimation by training sequences increases complexity of the system and causes reduction in the transmission rate. The main technique proposed to overcome this problem is noncoherent communication.In this thesis, the effects of multiple access relay channel (MARC) on the error performance of the DF based cooperative systems have been investigated over Rayleigh and Nakagami-m fading channel models by using noncoherent modulation techniques such as binary frequency shift keying (BFSK) and differential phase shift keying (DPSK) for variable location of relay terminals. It is also observed that the Monte-Carlo simulations results verified the theoretical ones.In addition, in this thesis, error propagation reduction techniques and development of new methods have been investigated. Error propagation occurs in DF based wireless cooperative communication systems due to the detection errors at the relay terminals affecting the performance of cooperative systems in a negative manner. Maximum likelihood (ML) detection, log-likelihood ratio (LLR) transmission, are most widely used methods to reduce error propagation.