Çöz ve aktar işbirlikli iletişim teknikleri kullanan serpiştirme bölmeli çoklu erişim sistemlerinin performans analizi
Performance analysis of interleave-division multiple access systems using decode-and-forward protocol
Yazar: MEHMET BİLİM
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM DEVELİ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon  - Sinyal İşleme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Atlamalı ve işbirlikli haberleşme sistemleri son zamanlarda kablosuz haberleşme sistemlerinde büyük önem kazanmış bir konudur. Bu haberleşme sistemleri ile kaynak-hedef arasındaki iletimin devamlılığı veya kalitesi arttırılmaktadır. Farklı iletişim sistemleri ile karşılaştırılırsa, atlamalı ve işbirlikli sistemlerin sağladığı en büyük avantaj bu sistemler için yeni bir aygıt veya cihaza gerek duyulmamasıdır. Çünkü sistemde mevcut olan kullanıcılar birbirlerine röle görevi yapmaktadır. Atlamalı ve işbirlikli sistemler rölenin yaptığı işleme göre temel olarak ikiye ayrılmaktadır. Bunlar; kuvvetlendir-ve-aktar (AF) ile çöz-ve-aktar (DF) olarak adlandırılmaktadır. DF yönteminde röle, kaynaktan aldığı işareti bir kestirimle çözerek hedefe iletir. AF yönteminde ise röle, kaynaktan aldığı işareti kuvvetlendirerek hedefe iletir. Fakat bu yöntemde röle, kanaldan alınan işaretin gürültüden etkilenmiş halini kuvvetlendirdiği için DF yöntemine göre dezavantajlı durumdadır. Bu sebeple, bu tez çalışmasında DF yöntemi tercih edilmiştir. 

Kablosuz haberleşme teknolojileri iletim hızının arttırılması, bilgi iletimindeki hata oranının düşürülmesi, enerji ve bant verimliliğinin arttırılması gibi talepleri karşılamak için gün geçtikçe gelişmektedir. Bu sebeple, 5. nesil (5th generation) hücresel iletişim teknolojileri popüler bir hale gelmekte ve yoğun bir şekilde bu konuya yönelik çalışmalar yapılmaktadır. Bütün bu gelişmelere paralel olarak, artan bu talepleri karşılamak için hali hazırda kullanılan sistemleri de bu doğrultuda geliştirmek doğru bir adım olmaktadır. Bu nedenle, kod bölmeli çoklu erişim sistemindeki olumsuzlukları gidermek için yeni bir yayılı spektrum çoklu erişim modeli olan serpiştirme bölmeli çoklu erişim (IDMA) tekniği geliştirilmiştir. İşbirlikli iletim tekniklerini çok kullanıcılı haberleşme sistemlerinden olan IDMA sistemleri ile birlikte kullanılması sistem başarımını daha da arttıracaktır. Bu sayede IDMA sistemlerinin kullanımı daha cazip hale gelecektir. Bu sebeple bu tez çalışmasında, daha önce avantajları belirtilen işbirlikli iletişim sistemleri ile IDMA sistemlerinin birlikte kullanılması hedeflenmiştir.

Bu tez çalışmasında, öncelikle atlamalı DF iletim tekniğini kullanan bir veya birden fazla röleye sahip IDMA sistemlerinin bit hata oranı (BER) başarımları Weibull sönümlenmeli kanallarda analiz edilmiştir. Ardından, işbirlikli DF yöntemini kullanan IDMA sistemlerinin yine aynı kanal şartlarındaki başarımlarına yönelik çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Sözü edilen DF atlamalı ve işbirlikli (tek röleli veya birden fazla röleli) sistemlerin Weibull sönümlü kanal şartları altında, bir başka başarım ölçütü olan servis dışı kalma olasılığı ( ) ifadeleri türetilerek başarım analizleri yapılmıştır. Bu kısımda yapılan analizler moment çıkaran fonksiyon yöntemine dayalı olarak gerçekleştirilmiştir. Tez çalışmasının özgünlüğünün artırılması için, DF atlamalı ve işbirlikli (tek röleli ve birden fazla röleli) IDMA sistemlerinin çok yollu Nakagami-m sönümlü kanallarda bit hata olasılığı (BEP) ifadeleri elde edilerek hata başarım analizleri yapılmıştır. Nakagami-m sönümlü kanal modeli, Weibull sönümlü kanal yapısına benzer bir model olup, analitik incelemelerde Nakagami-m kanalına ait olasılık yoğunluk fonksiyonu ifadesi kullanılmıştır. Bu sayede, DF atlamalı ve işbirlikli (tek röleli ve birden fazla röleli) IDMA sistemlerinin çok yollu Nakagami-m sönümlü kanal şartları altında, kapalı formda BEP ifadeleri elde edilmiştir. Tez çalışmasının son kısmında ise, atlamalı ve işbirlikli DF IDMA sistemlerinin Rayleigh/Weibull asimetrik sönümlü kanallardaki   ve BEP başarım analizleri için sistem karmaşıklığı açısından avantaja sahip olan en iyi röle seçimi tekniği kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bu analizlere ek olarak asimptotik ifadeler de türetilmiştir. Bütün analizlerde türetilen analitik ifadelerin doğruluğu literatürdeki çalışmalara benzer olarak bilgisayar benzetimleri ile gösterilmiştir.

Abstract:
Dual-hop and cooperative communications in wireless communication systems have recently become a matter of great importance. The continuity or quality of the transmission between source and destination is increased by these communication systems. Compared to different communication systems, the biggest advantage provided by dual-hop and cooperative systems is that a new device is not needed for these systems. Because the users in the system are acting to each other as a relay. Dual-hop and cooperative systems are basically divided into two different protocols such as amplify-and-forward (AF) and decode-and-forward (DF) according to the process that the relay does. In the DF method, the relay decodes the signal from the source and retransmits it to the destination. In the AF method, the relay amplifies the signal received from the source and retransmits it to the destination. However, in the AF method, the relay is disadvantageous compared to the DF method since the signal from the channel is also amplified with noise. For this reason, the DF method is preferred in this thesis study.

Wireless communication technologies have been developed to meet demands such as increasing transmission speed, reducing error rate in information transmission, increasing energy and bandwidth efficiency. For this reason, the 5th generation cellular communication technologies become popular and work intensively. In parallel with all these developments, it will be a right step to develop the currently used systems to meet these increasing demands. For this reason, interleave-division multiple access (IDMA) which is a new spread spectrum multiple access technique has been developed to overcome the drawbacks of the code-division multiple access system. The use of cooperative transmission techniques together with IDMA systems which is the one of multi-user communication systems, will further improve system performance. In this way, the use of IDMA systems will become more attractive. For this reason, in this thesis study, it was aimed to use IDMA systems together with cooperative communication systems, which had advantages previously stated.

In this thesis study, firstly, bit error rate (BER) performances of IDMA systems with one or more relays using dual-hop DF transmission technique are analyzed in Weibull fading channels. Then, IDMA systems using cooperative DF method have been carried out for the achievements in the same channel conditions. Dual-hop and cooperative DF (single and multiple-relay) IDMA systems were analyzed over Weibull fading channels by deriving the outage probability ( ) expression which is another performance metric. The analysis performed in this section is based on the method of moment generating function. In order to increase the specificity of the thesis study, error performance analyzes were carried out by obtaining bit error probability (BEP) expressions in multipath Nakagami-m fading channels of dual-hop and cooperative DF IDMA systems (single and multiple relays). The Nakagami-m fading channel model is similar to the Weibull fading channel distrubution, and the probability density function of Nakagami-m channel are used in the theoretical analysis. In this view, the closed-form BEP expressions are derived for dual-hop and cooperative DF IDMA (single and multiple relays) over multipath Nakagami-m fading channels. At the end of the thesis study,   and BEP performance analysis was carried out for dual-hop and cooperative DF IDMA systems using the best relay selection technique which has the advantage of system complexity over Rayleigh/Weibull asymmetric fading channels. In addition to these analyzes, asymptotic expressions are also derived. The validity of the analytical expressions derived in all analyzes is demonstrated by computer simulations similar to those in the literature.