İki-yönlü röleli ağlar için enerji hasatlama ve uyarlamalı iletişim
Energy harvesting and adaptive relaying for two-way relay networks
Yazar: TUĞHAN CANER
Danışman: PROF. DR. HASAN ÜMİT AYGÖLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde gelişen teknoloji ile birlikte internete bağlı aygıtların sayısı durmadan artış göstermektedir. Buna bağlı olarak bu aygıtların birbiri ile yüksek hızlarda güvenilir iletişim kurmaları gün geçtikçe önemli hale gelmektedir. Nesnelerin interneti (IOT) kavramı son zamanlarda ortaya çıkmıştır. Burada nesne olarak tanımlanan aygıtları şöyle sıralayabiliriz: duyargalar, izleme aygıtları, bilgisayarlar, tabletler, telefonlar, akıllı saatler ve bileklikler. Bu aygıtların iletişiminde sağlanması gereken istekler gelişen teknolojiyle birlikte artarken yetersiz batarya kapasitesi problemini de ortaya çıkarmaktadır. Aynı zamanda taşınabilir elektronik aygıtların boyutlarının giderek küçülmesi ve hafiflemesi de bataryaların boyut problemini beraberinde getirmektedir. Yüksek başarım isteklerinin hızlı artışına ayak uyduramayan pil teknolojisine alternatif çözümler sunulmaktadır. Bu çözümlerden biri de enerji hasatlamadır (EH).   
Telsiz iletişim sistemlerinde radyo frekansı kullanılarak gönderilen işaretlerle iletişim sağlanır. Radyo frekansı aslında bilgi işaretinin iletimi için kullanılır. Ancak gönderilen işaret aynı zamanda enerji de taşır. Bu enerjinin iletişim sistemlerinde kullanılmasıyla enerji hasatlanır. Bu sayede iletişim sistemlerinde dış bir enerji kaynağına bağlı olmadan çalışabilen birim ortaya çıkar. 
Telsiz iletişimde iki kullanıcının birbiri ile doğrudan iletişim kuramadığı durumda aralarındaki bir düğüm (röle) yardımıyla iletişim kurabilir. İki kullanıcının ve rölenin belirli bir protokol kullanarak iletişim kurması işbirlikli iletişim olarak isimlendirilmektedir. İki yönlü röleli ağlar için önerilen fiziksel katman ağ kodlama (PLNC) tekniği sayesinde röle iki kullanıcıdan gelen bilgi işaretlerini aynı anda aldıktan sonra oluşturduğu kendi işaretini kullanıcılara yayınlayarak iki kullanıcının iletişimini sağlar. Rölenin enerji kaynağından bağımsız çalışabilir olması durumunda bilgi aktarımı ve enerji hasatlama işlemi temelde iki farklı protokol ile uygulanmaktadır. Bunlardan biri Zaman Anahtarlamalı Röle protokolü (TSR) diğeri ise Güç Bölmeli Röle protokolüdür (PSR). Aynı zamanda bu iki protokolün birlikte kullanıldığı Uyarlamalı Röle protokolü (AR) de tanımlanmaktadır.
Bu tez kapsamında iki kaynak düğümünün aralarındaki bir röle yardımıyla iletişim kurduğu fiziksel katman ağ kodlama tekniğine dayanan iletişim ağı Rayleigh kanallarda enerji hasatlamanın başarıma etkileri bakımında incelenmiştir. Tek yönlü röleli ağlar ve iki yönlü röleli ağlar ele alınmıştır. Rölenin dış bir enerji kaynağına bağlı olmadan enerji hasatlayarak çalıştığı kabul edilmiştir. Buna bağlı olarak sırasıyla tek yönlü röleli ağlar için rölenin çöz-ve-aktar protokolü kullanması durumu ele alınmıştır. Daha sonra sistemde Alamouti uzay-zaman blok kodu kullanılması durumu ile kıyaslamalar yapılmıştır. İki yönlü röleli ağlarda rölenin hem çöz-ve-aktar hem de kuvvetlendir-ve-aktar protokolü ile çalışması durumları incelenmiştir. Daha sonra çöz-ve-aktar protokolü için sistemin Alamouti uzay-zaman blok kodu kullanması durumu incelenmiştir. Tüm durumlarda uyarlamalı aktarım (AR) protokolü için rölede ve her iki kullanıcıda gönderilen ve alınan işaretlerin enerji hasatlama durumundaki tanımları ifade edilmiştir. Elde edilen ifadeler TSR ve PSR protokollerinin kullanılması durumları ile de kıyaslanmıştır. Sistemin servis dışı kalma olasılıklarının kuramsal analizleri yapılmış elde edilen sonuçlar bilgisayar benzetim sonuçlarıyla desteklenmiştir. Değişen işaret-gürültü oranı ve hedeflenen iletim hızına göre sistem başarımları kıyaslanmıştır. AR protokolünün belirli sistem parametreleri doğrultusunda TSR ve PSR protokollerine göre üstün olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Nowadays, with the developing technology, the number of devices connected to the internet increases continuously. As a result, it becomes increasingly important for these devices to communicate reliably at high speeds. The concept of Internet of Things (IOT) is a term that has existed recently. Here, we can list the devices defined as things as follows; Sensors, monitoring devices, computers, tablets, phones, smart watches and smart bands. The requirements for communication between these devices increases with the developing technology, and it also reveals the problem of inadequate battery capacity. At the same time, the size of the portable electronic devices is gradually getting smaller and become lighter, which also brings up the size problem of the batteries. Alternative solutions are offered to battery technology which is unable to compete with the rapid growth of high performance demands. Energy harvesting (EH) is the one of these solutions.   
In radio communication systems, communication is provided with signals transmitted using radio frequency. The radio frequency is used for the transmission of information signal. However, the transmitted signal carries also energy. Energy harvesting units use this energy to realize their own signal transmission. In this respect, units, which can operate without being connected to an external energy source, can be used in communication systems.
If two users can not communicate directly with each other in wireless communication, they can communicate by the help of another node (relay). The communication of two users by the aid of a relay using a specific protocol is called as cooperative communication. 
The proposed physical layer network coding (PLNC) technique for two-way relay networks allows two users to communicate with each other in a time-efficient way. In this technique, in the first phase, signals that are sent to relay by the users are collected at the physical layer. In the second phase, a signal corresponding to the total signal that has been received by relay, is broadcasted to two users. Then, each terminal acquires signal that is sent by the other terminal by evaluating its own signal and the signal that came from the relay.
If the relay is able to operate independently of the energy source, the information transfer and energy harvesting operations are basically implemented by two different protocols. One of them is the Time Switching Relaying protocol (TSR) and the other is the Power Splitting Relaying protocol (PSR). Besides, an Adaptive Relaying protocol (AR), in which these two protocols are commonly used, is also defined.
In this thesis, first of all one-way communication system with one source, one relay and one destination is considered in Rayleigh fading channels in respect to the effect of energy harvesting on the system performance. It is assumed that the relay is an energy harvesting node and performs its transmission without being connected to an external energy source. Accordingly, TSR, PSR and AR protocols are studied in case of relaying with decode-forward (DF) protocol. Then, the same system is investigated by using Alamouti space-time block coding. The signal descriptions that the nodes sent and receive are expressed in the energy harvesting case. Theoretical analyses and the results are supported by computer simulation results. 
Next, two-way communication system with two sources and a relay between them applying PLNC is considered in Rayleigh fading channels in respect to the effect of energy harvesting on the system performance. As in the same with the one-way communication system, it is assumed that the relay is an energy harvesting node. It is investigated that the case of relaying with decode forward (DF) and amplify forward (AF) protocols. Also it is investigated that the two-way communication network by using Alamouti space-time block codding in the case of relaying with decode-and-forward protocol. All the scenarios are studied in AR protocols for energy harvesting but the results can be easily converted to TSR and PSR protocols. So the results for scenarios with TSR, PSR and AR are compared. The signals that both users and relay sent and receive are expressed in the energy harvesting case. End-to-end system outage probabilities are obtained by theoretical analyses and the results are supported by computer simulation results for varying target rates and signal-to-noise ratios. 
The results shows that, using space-time block coding for both one-way communication system and two-way communication system improve the end-to-end outage performance due to diversity. For the low signal-to-noise ratio for all nodes, TSR performs better outage performance than PSR. Similarly, at high signal-to-noise ratios PSR is better than TSR. For comparing these protocols the best outage performance is changing at some signal-to-noise ratio range; at this range AR protocol gives the best outage performance compared to TSR and PSR protocols. Also at low target rates PSR provides better outage performance than TSR protocol. But at the high target rates TSR is better than PSR protocol. Similarly, for the signal-to-noise ratio there is a range for the change of the best outage performance comparing TSR and PSR protocols; at this range AR protocol gives the best outage performance compared to TSR and PSR protocols. The main difference between two-way communication and one-way communication from energy harvesting perspective is that the relay can harvest more energy in the two-way communications than the one-way communication. Because relay can harvest energy from both sources at first phase of communication and this will provides relay to use more power to transmit at the second phase of communication. This ensures to decrease outage probability of second communication phase. But for the first phase of the two-way communication can have lower outage probability for relay due to the interference with respect to the one-way communication. The end-to-end outage performance changes for varying target rates. For the low target rates the results show that two-way communication has better end-to-end outage performance than the one-way communication. But for the high target rates the one-way communication gives a better end-to-end outage performance. 
The results also show that at some specific target rates signal-to-noise ratio can also affect the best end-to-end outage performance. At low signal-to-noise ratios one-way communication systems have better end-to-end outage performance than the two-way communication. Increasing the signal-to-noise ratio provides two-way communication to be better than the one-way communication in terms of the end-to-end outage performance.