Akademik Veri Yönetim Sistemi
Lambert Academic Publishing, İstanbul, 2017
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.
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 space, time and frequency such sizes as are made.
From these approaches space (antenna) diversity especially multiple input
multiple output (MIMO) systems is used, and that it provides superior
performance gains and other diversity techniques for use with due to favorable
stands out. 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 communications,
network nodes (users or relays) help the transmission of the message to the
destination by using amplify
and forward (AF) or decode and forward (DF) 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 noncoherent communication.
In this thesis, the effects of
multiple access relay channel (MARC) on the error performance of the
cooperative systems using DF relaying will be investigated over different
channel models.
In addition, in this thesis, application of error propagation reduction techniques and development of new methods will be investigated. Error propagation occurs in DF based wireless cooperative communication systems due to the detection errors at the relay terminals affecting the performance at the destination in a negative way. Maximum likelihood (ML) detection, log-likelihood ratio (LLR) transmission, are most widely used methods to reduce error propagation.