Spatial modulation based high performance relay systems
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ELEKTRİK-ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2016
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Erdoğan AYDIN
Danışman: Hacı İlhan
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Telsiz iletişim sistemlerinde ortaya çıkan ve sistemin başarımını olumsuz yönde etkileyen en önemli etki çok yollu yayılımdan kaynaklanan sönümlemedir. Sönümlemenin etkisini azaltmak için, çok-girişli çok-çıkışlı (multiple-input multiple- output, MIMO) sistemlerin kullanımı yaygın bir yaklaşımdır. MIMO sistemler hem alıcıda hem de vericide anten (uzaysal) çeşitlemesi tekniğinden yararlandığı için güvenilir ve güçlü bir haberleşme gerçekleştirirler. Bundan dolayı bu sistemler çeşitleme kazancı ve kapasite kazancı sağlama yeteneğine sahiptirler. Ancak, son zamanlarda MIMO sistemler gelecek nesil kablosuz uygulamalar ve standartlar için güçlü bir teknoloji olarak ortaya çıkmasına rağmen, bu sistemler terminallerde çoklu anten kullanması durumunda birçok problemi de beraberinde getirmiştir. Bunların başında; sistemin verimliliğinde kayıplara yol açan ekstra bandgenişliği, ekstra kaynak harcama (örneğin güç ve sinyal işleme), iletim gecikmesi, alıcıda yüksek kanallar arası girişim (inter-channel interference, ICI), yüksek ICI'nın karmaşık alıcı algoritmaları getirmesi, düşük spektral verimlilik, yüksek güç tüketimi, çok sayıda RF (radio frequency) bağlantısı ve sonuç olarak yüksek maliyet. Son zamanlarda, anten seçimi temelli işbirlikli haberleşme teknikleri yukarıda sayılan dezavantajları ortadan kaldırmak için araştırmacılar tarafından derinlemesine incelenmiş olup röle (relay, R) terminalinde eşik değer yöntemini kullanan anten seçim teknikleri kablosuz uygulamalar için önerilmiştir. Anten seçimli işbirlikli iletişimin arkasında yatan temel fikir, kaynak (source, S) ve hedef (destination, D) birimlerinin rölenin en iyi anteni yardımıyla birbiriyle iletişim kurmasıdır. İşbirlikli çeşitleme sistemleri, rölenin karmaşıklık ve yapısına bağlı olarak iki temel kategoride sınıflandırılabilir. Bunlar çöz ve aktar (decode and forward, DF) ve kuvvetlendir ve aktar (amplify and forward, AF) aktarım yöntemleridir. AF aktarım yönteminde, röle terminali alınan sinyalden mesaj işaretini çözmeksizin yalnızca bu sinyalin ölçeklenmiş versiyonunu tekrar hedefe iletir. Diğer taraftan DF aktarım yönteminde ise, röle terminali alınan sinyali çözer ve daha sonra tekrar kodlayarak hedefe gönderir. DF tabanlı telsiz ağlarda karşılaşılan temel problem, hedefteki etkin işaret-gürültü-oranında (signal-to-noise ratio, SNR) düşüşe sebep olan röledeki sezim hatalarıdır. SNR tabanlı röle seçimli aktarım yönteminde, aktarım kararları basittir ve iletilen veri sembolü süresince değişmez. Kaynak-röle kanalının SNR'ı, daha önce belirlenmiş eşik değerden küçük olduğu sürece röle iletime geçmeyip sessiz kalmayı tercih edecektir ve hedefe herhangi bir veri paketi göndermeyecektir. Ayrıca, SNR tabanlı röle seçimli aktarım yöntemi, gecikme ve güç tüketiminin önemli olduğu uygulamalar için çok verimlidir. Çünkü bu DF tabanlı işbirlikli sistemlerde, röle hedefe veri göndermeden önce kanal kestirimi, demodülasyon ve sezim gibi birçok işlem gerçekleştirdiği için ekstra güç tüketimi ve gecikmeye neden olacaktır. Hatta röle iletime girmese bile sistemi yavaşlatan ve gereksiz güç tüketimine neden olan bu işlemler gerçekleşecektir. Bu tez çalışmasının 3. bölümünde, DF kullanan işbirlikli sistemin uçtan uca bit hata oranı (BER) olasılığını azaltmak için, SNR tabanlı röle seçim yöntemi önerilmiştir. Ele alınan sistemde, tüm terminaller tek anten içermektedir. Röle seçim yöntemi, sistemin uçtan uca BER ifadesini minimize ederken, kaynak-röle kanalın SNR değerine bağlı eşik değer kuralına da öncülük etmektedir. Bu sistemde, ancak kaynak-röle arasındaki SNR, eşik değerinden büyük ise röle veriyi iletmektedir. İşbirlikçi sistemler için, eşik değer kuralının ve uçtan uca BER ifadesinin matematiksel ifadelerinin çıkarımı bu tezde yapılmıştır. Daha sonra DF yöntemi kullanan ve SNR'ı temel alan röle seçimli bir işbirlikli sistem yapısı önerilmiştir. DF tabanlı telsiz işbirlikli ağlardaki SNR düşüşünden kaynaklanan performans kayıplarını azaltmak ve sistemin hata performansını artırmak için hedefte klasik en büyük oran birleştirici (maximum ratio combining, MRC), işbirlikli en büyük oran birleştirici (cooperative- maximum ratio combining, C-MRC) ve sanal gürültü (virtual noise, VN) yöntemleri kullanılmıştır. Ele alınan yapıların hata performans analizleri ilgili aktarma stratejisi için optimum karar kuralları kullanılarak teorik olarak elde edilmiştir. Tezin 4. bölümünde, yüksek-hızlı DF tabanlı, röle terminalinde SNR'ı temel alan anten seçimli uzaysal modülasyonlu AS-SM (antenna selection based spatial modulation) olarak isimlendirilen yeni bir işbirlikli röleleme sistemi önerilmiştir. İşbirlikli sistemler için ICI ve hedef birimde meydana gelen antenler arası senkronizasyon problemi tamamıyla ortadan kaldıran AS-SM sistemi önerilmiş olup, kaynak ve röle terminalinde istenildiği kadar anten kullanılması durumu için genel bir yapı sunulmuştur. Böylece yüksek güç tüketimi, çoklu RF zinciri, alıcıdaki kompleks yapı ve sonuç olarak sistem maliyeti önemli derecede azaltılmıştır. AS-SM yönteminin önerilmesiyle spektral verimlilik, klasik MIMO rölelemeli sistemlere göre önemli derecede arttırılmaktadır. Önerilen DF tabanlı AS-SM sisteminin bağımsız ama aynı olmayan (independent and non-identically distributed, i.n.d.) ve hem bağımsız hem de aynı olan (independent and identically distributed, i.i.d.) Rayleigh sönümlemeli kanallar için BER ve sembol hata oranı (SER) ifadelerinin tam ve kapalı-form biçimleri teorik olarak C-MRC tekniği dikkate alınarak elde edilmiştir. Yapılan bilgisayar benzetimi sonuçları dikkate alındığında, önerilen AS-SM sisteminin, işbirlikli çeşitlemenin sağlamış olduğu avantajlardan dolayı literatürde var olan klasik SM tekniğine göre çok daha iyi hata başarımına sahip olduğu gözlemlenmiştir. Tezde son olarak, 5. bölümde kablosuz haberleşme sistemlerinde veri hızı ve enerji verimliliğini arttırmak için doğrudan dizilimli yayılı izge (direct sequence-spread spectrum, DS-SS) tekniğini temel alan uzaysal modülasyonlu MIMO sistem (SS-SM) yapısı Rayleigh kanallar için önerilmektedir. Önerilen sistem yapısında, hem aktif anten indeksi, hem modüle edilen sembol hem de yayıcı kod (spreading code) indeksi veri taşımaktadır. Böylece önerilen sistem, klasik DS-SS (SS-M QAM veya SS-M PSK) ve kod indeks modülasyonlu yayılı izge (code index modulation-spread spectrum, CIM-SS) tekniklerine göre bir yandan daha hızlı veri iletimi gerçekleştirirken diğer yandan da daha az iletim enerjisi harcamaktadır. Ayrıca SS-SM sistemi yayıcı kod indeksinde de veri ilettiği için klasik SM sistemine göre sembol süresi boyunca sembol başına veri hızını da arttırmaktadır.