Çok atlamalı çift-yönlü röleli ağlar
Multi-hop bi-directional relay networks
Yazar: BARIŞ KÖKSAL
Danışman: PROF. DR. ÜMİT AYGÖLÜ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Bilgi iletimi = Information transmission ; Elektronik haberleşme = Electronic communication ; Hareketli radyo = Mobile radio ; Kablosuz iletişim = Wireless communication ; Kodlama = Coding ; Çok antenli sistemler = Multiple antenna systems ; İletişim = Communication ; İletişim ağları = Communication networks ; İletişim kanalları = Communication channels

Özet:
Son yıllarda gelişen teknoloji ile birlikte daha güvenilir, daha hızlı ve kapsama alanları daha geniş olan sistemlere olan gereksinim de artmaktadır. Bu amaca yönelik olarak önerilen ve geleneksel yöntemlere göre daha verimli olan çok atlamalı sistemlerin 4G hücresel ağları da kapsamak üzere gelecekte kullanılacak birçok sistemin temelini oluşturması beklenmektedir. Ancak iletim cihazlarının yarı dupleks olarak çalışması tam dupleks sistemlere göre verimliliği yarı yarıya düşürmektedir. Sistemler, çift-yönlü iletim yöntemleri sayesinde bu dezavantajdan kurtulabilmektedir. Son önerilen çift-yönlü iletim yöntemlerinden birisi de fiziksel katman ağ kodlama yöntemi olmuştur. Bu yöntem, telsiz iletişim sistemlerinin yayımlama özelliğini bir sorun olmaktan çıkarıp, ondan yararlanarak sistem başarımını iyileştirmektedir. Önerilen bu yöntem iki zaman aralığında iletimi tamamlamakta ve bu sayede dört zaman aralığı kullanan geleneksel yöntem ve üç zaman aralığı kullanan klasik ağ kodlamadan daha iyi başarım sağlamaktadır. Literatürde fiziksel katman ağ kodlama konusunda birçok çalışma yapılmıştır. Özellikle iki atlamalı fiziksel katman ağ kodlama için çöz-ve-aktar ile kuvvetlendir-ve-aktar yöntemlerini kullanan sistemler incelenmiştir. Ancak çok atlamalı sistemlerde fiziksel katman ağ kodlama hakkında çok fazla çalışma bulunmamaktadır. Öte yandan röle seçme yöntemi sistemlerin başarımını artıran bir diğer yaklaşımdır. Bu yöntemde aynı anda en iyi bir veya birkaç röle iletim yaptığı için, seçmesiz çok röleli yöntemlere göre sistem karmaşıklığı azalırken sistem başarımı aynı düzeyde tutulabilmektedir. Röle seçme yöntemlerinden bazıları kanalın erişilebilir en yüksek çeşitleme derecesini sağlayabilmektedir.Bu tez çalışmasının ilk kısmında, üç ve dört atlamalı fiziksel katman ağ kodlamada röle seçme yöntemleri için kuramsal analiz ve bilgisayar benzetimi ile servis dışı kalma olasılıkları elde edilerek, daha sonra servis dışı kalma olasılığı ifadesi N atlamaya genelleştirilmektedir. Sistemde QPSK modülasyonu ve çöz-ve-aktar iletim yöntemi kullanılmaktadır. Her atlamada birden fazla sayıda röle olduğu, her rölenin bir anteni olduğu ve aynı anda hem iletim hem alım yapamadığı varsayılmaktadır. Röle seçme yöntemi olarak en çok kullanılan yöntemlerden maks-min yöntemi ve maks-toplam yöntemine ek olarak, her iki yöntemin avantajını aynı anda kullanan karma yöntem de kullanılmaktadır. Bu yöntemler referans sistem olarak röle seçimsiz yöntem ile karşılaştırılmaktadır.Çalışmanın ikinci kısmında ilk olarak BPSK modülasyonu ile çöz-ve-aktar yöntemini kullanan üç ve dört atlamalı fiziksel katman ağ kodlama sistemleri için bit hata olasılığı ifadesi çıkarıldıktan sonra ifade N atlamalı sistem için genelleştirilmektedir. Ancak bu yöntemde hata yayılımı olmaması için belirli bir zamanda bir simgeye karar verilirken önceki adımlarda hata yapılmadığı varsayılmaktadır. Buna ek olarak iki zamanlı ve çok atlamalı sistemlerin pratikte uygulanabilir olmadığı bilinmektedir. Bu nedenlerle, çift-yönlü fiziksel katman ağ kodlama sistemleri için yeni bir iletim protokolü önerilmekte ve üç, dört, beş ve altı atlamalı durum için bit hata olasılığı ifadeleri çıkarıldıktan sonra ifade N atlamaya genelleştirilmektedir. Son olarak hem PLNC protokolünü kullanan sistemin hem de yeni çok atlamalı iletim protokolünü kullanan sistemin BPSK modülasyonu ve çöz-ve-aktar yöntemi için kuramsal analizle ve bilgisayar benzetimleriyle elde edilen hata başarımları karşılaştırılmaktadır.

Abstract:
In recent years, improved technology increases the need for faster transmission, wider coverage areas and more reliable communication systems. Multi-hop systems offer a solution for these requirements, and will be the main communication technology of many 4G cellular networks. However, the half-duplex nature of communication devices causes a loss in spectral efficiency due to a pre-log factor of ½ in the achievable capacity. Two-way communication systems are proposed to avoid this loss by realizing the bi-directional connection between two terminals over a half-duplex relay. Physical layer network coding is one of the latest protocol for two-way communication systems. While most communication designs try to either reduce or avoid interference, physical layer network coding systems embrace interference to improve throughput performance. It completes bi-directional transmission in two time slots for a three- node network and provides higher transmission rates than traditional four and three time slots systems. Physical layer network coding with two-hop scenario has been well studied in the literature for different strategies, such as amplify-and-forward and decode-and-forward. However, there is not too much study for multi-hop physical layer network coding systems. On the other hand, the efficiency of relay transmission can be further enhanced by relay selection algorithms. Relay selection, that allows one or a few relays to assist bi-directional transmission, seems to be an efficient technique with low complexity and some relay selection algorithms achieve maximum diversity gain.In the first part of this thesis, outage probability expressions and diversity gains of relay selection techniques in three- and four-hop physical layer network coding systems are derived. Then these expressions are generalized to N-hop case. It is assumed that QPSK modulation and decode-and-forward relaying strategy are used in the considered system. In addition, a clustered bidirectional relay topology is assumed, which consists of two terminals and a cluster with several relays. Each relay has one antenna and cannot receive and transmit simultaneously. Outage performances of max-min and max-sum relay selection techniques and hybrid selection technique, which is the combination of max-min and max-sum selections are investigated. The non-selection policy is also considered as a reference system.In the second part, bit error probability expressions for three-hop and four-hop physical layer network coding systems, which use BPSK modulation and decode-and-forward relaying strategy, are derived. Then these expressions are generalized to N-hop case. However, these derivations involve the assumption that errors on preceeding symbols do not affect present symbol decisions. On the other hand, it is known that two-time slot systems are not practical for multi-hop two-way communication systems. Hence, a new protocol for multi-hop two-way communication systems is proposed and its BER performance for three-, four-, five- and six-hop systems is investigated. Then a general bit error probability expression for N-hop is obtained. Finally, theoretical and simulation results are compared for both multi-hop PLNC and the proposed protocol.