Kaskat sönümlemeli kanallar için işbirlikli sistem tasarımı ve hata başarım analizi
Cooperative system design and error performance analysis for cascaded fading channels
Yazar: HACI İLHAN
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Kablosuz iletişim = Wireless communication ; Çeşitlilik = Diversity

Özet:
Telsiz iletişim sistemlerinde kaşılaşılan kanallarda görülen en önemli bozucu etki,çok yollu yayılımdan kaynaklanan sönümlemedir. Sönümleme etkilerine karşı koymayöntemlerinden biri, çok antenli, bir başka deyişle çok girişli çok çıkışlı (multiinput multi output, MIMO) sistemler kullanmaktır. Bu yöntem anten çeşitlemesiolarak bilinir. Verici anten çeşitlemesi ile kodlama birleştirilerek uzay zamankodlaması elde edilir. Bu yolla, band-sınırlı kanallarda yüksek hızlarda kaliteli iletimsağlanabilmektedir. Ancak, verici anten çeşitlemesi yöntemleri özellikle hücreselsistemlerin baz istasyonları için uygun olmasına karşın, boyut, maliyet ve donanımkarma¸sıklığı açısından gezgin birimler için çok uygun değildir. Bu soruna bir çözümolarak, ?işbirlikli çeşitleme? tekniği önerilmiştir. ?Işbirlikli çeşitleme, kullanıcılaraait bilgilerin sadece ilgili kullanıcıya ait anten üzerinden değil, hücre içindeki uygundiğer kullanıcılar veya röleler üzerinden de iletimi ilkesine dayalıdır. Bu yolla, gezginbirimler tek verici antene sahip olsalar bile tüm sistemde anten çeşitlemesi eldeedilebilmektedir.Son yıllarda yapılan araştırmalar, röleli işbirlikli sistemlerin, hata başarımını, işbirliğiyapılmayan sistemlere göre iyileştirdiğini göstermektedir. Belirli işaret/gürültüoranında elde edilen düşük hata olasılığı, iletim hızının arttırılabileceğinigöstermektedir. Ayrıca kanal kapasitesine daha düşük işaret/gürültü oranlarıkullanılarak ulaşılabileceği anlamına da gelmektedir. ?Işbirliği yapılarak elde edilenbu başarım iyileşmesi, rölelerde veya hedef alıcıda birden fazla anten kullanımı iledaha da arttırılabilir.Literatürde, röleli/işbirlikli sistemler üzerine yapılan incelemelerin büyükçoğunluğunda, haberleşen birimler arasındaki kanallar Rayleigh veya Nakagamidağılımlı varsayılmaktadır. Oysa, örneğin haberleşen birimlerin hepsinin veya birkısmının hareketli olduğu durumlar için, bu klasik dağılımların yeterli istatistikselmodellemeyi sağlamadığı; gezgin birimler etrafındaki birbirlerinden bağımsız saçıcıgrupların kanal kazançlarının çarpılmasıyla oluşan yeni bir ?çarpımsal kanal? veya?kaskat kanal? modelinin geçerli olduğu deneysel çalışmalarla gösterilmiştir. Bugerçekten hareketle bu tezde, sözkonusu sistemlere uygun şekilde, birimler arası kanalkaskat dağılımlı varsayılmıştır.Bu tez çalışmasında ilk olarak, ?kuvvetlendir ve aktar? yöntemini kullanan tek röleliişbirlikli bir haberleşme sisteminin, kaskat Rayleigh sönümlemeli kanal varsayımıaltında çiftsel hata olasılığı (pairwise error probability, PEP) üst sınır ifadeleri eldeedilerek hata başarım analizi yapılmış ve sistemin sağladığı çeşitleme dereceleribulunmuştur. Ayrıca PEP ifadelerinden yararlanarak, sistemin bit hata olasılığı üstsınırının minimum yapılmasına dayalı, optimum güç paylaşımı problemi incelenmiştir.Ardından, kanal modeli genelleştirilmiş ve aynı analiz kaskat Nakagami sönümlemelikanal için yapılmıştır. Bunun yanında yine kaskat Nakagami sönümleme durumu içinmoment üretme fonksiyonuna dayalı tam simge hata olasılığı ifadeleri elde edilmiştir.Tezde ayrıca, hata başarımını daha da iyileştirebilmek amacıyla, tek röleli sistemdedağıtılmış uzay-zaman kodlama kullanılması önerilmiş ve bu duruma ilişkin PEP üstsınırları, kaskat Nakagami sönümlemeli kanallar için çıkartılarak hata başarım analiziyapılmıştır. Bu üst sınırdan yararlanarak çift Rayleigh sönümlemeli kanallar için yenibir kod tasarım ölçütü geliştirilmiş ve bu ölçüte dayalı olarak dağıtılmış yapıda yeniuzay-zaman kodları tasarlanmıştır. Bulunan yeni kodların hata başarımları, literatürdeverilen klasik ve dağıtılmış uzay-zaman kafes kodlarının çift Rayleigh sönümlemelikanalda sağladığı başarımlar ile karşılaştırılmış ve yeni kodların üstünlükleri ortayakonulmuştur.Tezde son olarak, yukarıda sözü edilen yeni kodları bileşen kod olarak kullanandağıtılmış yapıda paralel sıralı (turbo) kodlamalı röleli işbirlikli haberleşme sistemleriele alınmıştır. Bu sistemler, hedef alıcıda iteratif kodçözme tekniği kullanmaktadırlar.Ayrıca, alıcıda eşit kazanç birleştirmesi ve en büyük oran birleştirmesi yöntemleride kullanılmaktadır. Kanallar çift Rayleigh sönümlemeli varsayılarak, bilgisayarbenzetimleri ile bu yapıların hata başarımları incelenmiştir. Bu yapı ile hatabaşarımının daha da iyileştiği gösterilmiştir.

Abstract:
Transmission over wireless channels suffers from fading produced by multipathpropagation. A common approach to mitigate the degrading effects of fading isthe use of systems with multiple antennas that is called multi input multi output(MIMO). This method is also known as antenna space diversity. Space-time codescan be obtained by combining transmit antenna diversity and coding. By using thistechnique, high transmission rates and good error performance can be achieved inband-limited channels. Cooperative communication techniques have emerged as apowerful alternative toMIMO communications for wireless applications, in which casewhere power and size limitations exclude the possibility of using multiple co-locatedantennas. In a cooperative communication system, network nodes (users or relays)help each other via relaying information and realize spatial diversity advantages in adistributed manner.Recent research have shown that the relay/cooperative systems lead to better errorperformance with respect to the noncooperative systems. Low error rate in specificsignal-to-noise ratio ensures the increase of the transmission rate. This alsomeans that the channel capacity can be reached even at low signal-to-noise ratios.The performance improvement obtained by using the cooperative communicationtechniques can be further increased by employing multiple antennas at the relays anddestinations.In the literature, channels between the communicating units are assumed as Rayleighor Nakagami distributions in majority of the investigations on the relay/cooperativesystems. The classical distributions do not provide adequate statistical modeling, forexample, when the communicating units are in motion. In this case, experimentalstudies have shown that a new ?multiplicative channel? or a ?cascaded channel? modelis valid since the channel gains of independent scattering groups around the mobileunits are multiplied with each other. Hence, in this thesis, the channels between theunits are assumed to have cascaded distribution.In this thesis, primarily, the error performance of a relay/cooperative system usingamplify and forward method is investigated when the channels have double Rayleighfading. Upper bounds on pairwise error probability (PEP) of the system are derived,and diversity orders are obtained. By using the PEP expressions, which are basedon the minimum upper bound of the bit error probability, the problem of optimumpower allocation is examined. Later, the channel model is generalized and the similaranalyses are performed for the cascaded Nakagami channel. Additionally, based onthe moment generating function approach, the exact symbol error rate expressions arederived for the cascaded Nakagami fading .Also in the thesis, in order to further improve the error performance, a distributedspace-time coding technique in relay systems is proposed. The system errorperformance is investigated by using upper bound on PEP when the channels aresubject to cascaded Nakagami fading. By using this upper bound, a new codedesign criterion is developed over the cascaded Rayleigh fading channels and, the newdistributed space-time codes are designed based on this criterion. Error performancesof the new codes, are compared with their counterparts over the double Rayleigh fadingchannels and advantages of the new codes are demonstrated.Finally, the distributed parallel concatenated (turbo) coding for relay cooperativecommunication systems, whose component codes are the obtained new codes, areinvestigated. These systems use the iterative decoding technique in the destination.Furthermore, equal gain combining and maximum ratio combining methods are usedat the receiver side. Error performances of these systems are investigated by usingcomputer simulations assuming that the channels have cascaded Rayleigh fading. It isshown that the distributed turbo coding scheme further improves the error performance.