Design and optimization of multiuser cooperative protocols for wireless networks

Abstract

Son zamanlarda, kablosuz haberleşme alanındaki başlıca trend, ses iletişimdenveri iletişimine doğru kaymıştır. Doğal olarak bu kayma veri hızı ve band genişliğinde artan bir ihtiyaca neden olmuştur. Mevcut kaynakların limitli ve pahalı olmasısebebiyle de, kablosuz spektrumun efektif bir şekilde kullanılması gerekmektedir.Daha yüksek spektrum ve veri hızı verimliliği için, yeni iletişim tekniklerine ihtiyaçolduğu gibi yeni spektrum paylaşım politikalarına da ihtiyaç bulunmaktadır.Bu tez, çoklu işbirlikli ve/veya bilişsel birimleri kapsayacak şekilde kablosuz röleağlara yönelik olarak hazırlanmıştır. Bu tezin en önemli katkısı, işbirlikli stratejileriniki kullanıcıdan üç kullanıcının ortak işbirliğine dayalı olarak geliştirilmesidir.Bu tezde ilk kısımda, birçok yeni işbirlikli Gauss çoklu erişim kanalı iki kullanıcılıüste bindirmeli blok Markov kodlamanın önemli bir şekilde geliştirilmesi ile üç kullanıcı için işbirliği stratejileri önerilmiştir. Bu tezin ilk kısmında, sönümlenmeliGauss çoklu erişim kanalı için üç kullancılı işbirlikli haberleşme modeline bağlıolarak üste bindirmeli blok Markov kodlama teknikleri geliştirilmiştir. Kullanıcılararası tüm kanal durumlarını göz önünde bulundurulmuş ve kanal adaptif birblok Markov kodlama stratejisi önerilmiştir. Tezin ikinci kısmında ise, aynı üçkullanıcılı ÇEK modeli için, tüm kullanıcıların eşzamanlı olarak ikili ve üçlüişbirliğine adanmış farklı mesajlar üzerinden işbirliği yapabildikleri yeni kanaladaptif olmayan bir blok Markov kodlama yapısı önerilmiştir. önerilen işbirliklimodeller sadece eş zamanlı çok kullanıcılı işbirliğine imkan tanımakla kalmayıp,aynı zamanda çoklu röle ve çoklu erişim röle kanalını da özel birer durum olarakiçermektedir. Üçüncü kısımda bilişsellik ve işbirliğinin ortak kullanımına odaklanılmıştır. özellikle, alta ve üste serim işbirlikli-bilişsel radyo modelleri, bir birincil kullanıcı ve iki ikincil kullanıcı ile ele alınmıştır. Üç kullanıcılı ÇEK için geliştirilen işbirlikli kodlama modelleri bilişsel kuruluma doğru genişletilmiştir.Bu tezde çalışılmış olan her bir problemde, bilişsel ve/veya işbirlikli yapının kullanılmasıyla yeni ve geliştirilmiş ulaşılabilir veri alanları elde edilmiştir.

Recently, the main trend in wireless communications has shifted from voice transmissionto data communication. Naturally, this shift caused an increase in thedata rate and bandwidth requirements. Being a limited and thus expensive resource,wireless spectrum needs to be used efficiently. For higher spectral anddata rate efficiency, new spectrum-allocation policies as well as new transmissiontechniques are needed. Cooperative and cognitive radios are promising emergingtechnologies, which can enable efficient spectrum resource utilization as well ashigh data rate transmission in the next generation wireless networks.This thesis addresses wireless relay networks consisting of multiple cooperativeand/or cognitive nodes. The main contribution of this thesis is the extension ofcooperative strategies from two users to three user settings, focusing on mutualcooperation. In the first part of this dissertation, we concentrate on a superpositionblock Markov encoding based three user cooperative communication schemefor a fading Gaussian multiple access channel. We consider all possible channelconditions between users and propose a channel adaptive block Markov encodingstrategy. In the second part of this thesis, for the same three user MAC model wediscuss a new channel non-adaptive superposition block Markov encoding structurewhich enables all three users to cooperate collectively as well as in pairs.The proposed cooperation models not only provide increased diversity to all participatingusers, but also contain as special cases the multiple relay channel andthe multiple access relay channel. In the third part, we focus on the joint useof cognition and cooperation. In particular, we consider overlay and underlaycooperative-cognitive radio models with one primary and two secondary users.We extend the cooperative encoding models developed for the three user MAC tothe cognitive set-up. In all three problems studied in this thesis, we obtain newand improved achievable rate regions, by cognition and/or cooperation.