Uzaysal modülasyon tabanlı yüksek başarımlı röleli sistemler
Spatial modulation based high performance relay systems
Yazar: ERDOĞAN AYDIN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HACI İLHAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

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.

Abstract:
One of the most important disruptive effects over the transmission of the wireless channel is fading caused by multipath propagation. The use of multiple-input multiple-output (MIMO) systems is a common approach to mitigate the degrading effects of fading. MIMO systems achieve and improve reliable and robustness communications using the antenna (spatial) diversity technique in both transmitter and receiver sides and they are capable of achieving a capacity gain and diversity gain. However, while MIMO systems have recently emerged as a powerful potential technology for feature wireless applications and standards, using the multiple antennas at the terminals of MIMO causes several problems that are extra bandwidth resources which result in; a loss of system throughput, extra resource (e.g. power, signal processing), transmission delay, high inter-channel interference (ICI) at the receiver, high ICI requires a complex receiver algorithm, low spectral efficiency, high power conception, a large number of RF chains, consequently, high cost. Recently, cooperative communication techniques with antenna selection method have been comprehensively analyzed by researchers to overcome the above mentioned issues and antenna selection techniques with the threshold value at the relay terminal have been proposed for wireless applications. The main idea behind antenna selection techniques is that the source and the destination terminals communicate with each other with the help of the best antenna of the relay terminal.
Cooperative diversity systems, depending on the nature and complexity of the relays, can be classified into two dominant categories: regenerative or decode and forward (DF) and non-regenerative or amplify and forward (AF) relaying systems. In AF relaying scheme, the relay terminal transmits a scaled version of received signal without decoding the message. On the other hand, in DF relaying scheme the relay terminal decodes the received signal and then re-encodes it for transmission to the destination. The fundamental destructive effect encountered in DF based wireless networks is the error propagation due to decoding  at relay terminals which cause reduction in the effective signal-to-noise ratio (SNR) at the destination. 
In SNR-based relay selection scheme, the relaying decisions are simple and remain unchanged for a data symbol block transmission. Whenever the SNR of the source-relay link is lower than a predefined threshold value, the relay terminal chooses to remain silent. In addition, SNR-based relay selection scheme is very effective for applications where the delay and power consumption are significant. In these DF relaying cooperative schemes, because the relay antennas perform a series of operations such as the channel estimation, demodulation and detection for each data block before making a forward decision, these operations require additional delay and extra power consumption even if the relay eventually decides not to transmit.
In section 3 of the thesis, primarily, in order to reduce the end-to-end bit error rate (BER) of DF relaying cooperative system relay selection technique based on link SNR are proposed. In the considered system, the source, relay and the destination terminals contain single antenna. Policies under relay selection technique minimize the end-to-end BER and lead to threshold rules of the source-relay link. The relay antenna transmits only if the source-relay SNR is larger than this threshold. In this thesis, the mathematical expressions of the threshold rule and end-to-end BER are derived. Later, a cooperative system structure that utilizes DF method with relay selection based on the SNR has been proposed. In order to decrease performance degradation due to SNR reduction in DF based wireless cooperative networks and increase the error performance of the system, classical maximal ratio combining (MRC), cooperative-maximal ratio combining (C-MRC) and virtual noise (VN) based combining techniques have been utilized at destination. Error performance analyses of the considered structures are investigated using optimal decision rules determined theoretically for the corresponding relaying strategy. 
In section 4 of the thesis, to the best of the authors' knowledge, none of previous studies provides the integration of SM technique at ST side and antenna selection at RT side. A new high-rate DF based cooperative relaying network with the best RT antenna selection on the link SNRs called AS-SM is proposed. A general derivation for any number of transmit antennas of ST and RT is presented for constructing the AS-SM scheme in which ICI and necessity for synchronization of the antennas at DT are completely avoided for cooperative relaying networks. Thus, high power consumption, multiple RF chains, complexity and therefore cost are reduced. Spectral efﬁciency in the proposed AS-SM scheme has been increased according to classical cooperative relaying MIMO system. The exact closed-form expressions for BER and symbol error rate (SER) of the considered DF based AS-SM technique over independent but non- identically distributed (i.n.d) Rayleigh fading channels are derived in the presence of C-MRC diversity technique. According to the computer simulations, the proposed AS-SM scheme has signiﬁcant performance advantages over SM technique due to cooperative diversity advantages.
Finally, in section 5 of the thesis, in order to increase data rate and energy efficiency in wireless communication systems direct sequence spread spectrum (DS-SS) based MIMO system with spatial modulation (SS-SM) is proposed for Rayleigh channels. In the proposed SS-SM scheme active antenna index, modulated symbol as well as spreading code index have conveyed information bits. Thus, SS-SM system also spends less transmission power while performing faster data transmission compared with both conventional DS-SS (SS-M QAM or SS-M PSK) scheme and code index modulation with spread spectrum technique. In addition, SS-SM system increases data transmission per symbol during the symbol period according to the conventional SM because it carries extra bits in the spreading code index.