Haberleşme sistemlerinin genelleştirilmiş sönümlemeli kanallarda analizi
Analyses of communication systems in generalized fading channels
Yazar: FERKAN YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. OĞUZ KUCUR
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, literatürde bilinen en genel kanal modeli olan Genelleştirilmiş Gamma (GG3) kanal modeli için frekansta seçici çokyollu yavaş sönümlemeli kanalda En Büyük Oran Birleştiricisini (EBOB) kullanan Yaklaşık Eşzamanlı Kod Bölmeli Çoklu Erişim (YE-KBÇE) haberleşme sistemi en genel halde incelenmiştir. YE-KBÇE haberleşme sisteminin sembol hata olasılığı performansı, herhangi bir (deterministik veya rastgele) yayma dizisi, herhangi bir çip-sınırlı çip dalga formu ve herhangi bir M-seviyeli modülasyon için elde edilmiştir. Nümerik ve benzetim sonuçlarına göre, YE-KBÇE'nin performansı Eşzamanlı KBÇE (E-KBÇE)'nin performansından biraz daha iyidir. Yol güç dağılımına bağlı olarak, YE-KBÇE sisteminde kullanıcılar arasındaki en büyük eşzamanlama gecikmesinin belli bir değerden küçük olmasına gerek olmadığı gösterilmiştir. YE-KBÇE'de eşzamanlama işlemi araştırmacılar için çok önemli bir araştırma konusuyken, daha iyi performans için yaklaşık eşzamanlamadaki esneklik sayesinde alıcı ve verici yapısı basitleştirilmiştir. Son olarak, yaklaşık eşzamanlı haberleşme için çip dalga formu tasarlamak veya seçmek için çip dalga formunun özilişki fonksiyonlarına dayalı bir ölçüt; Kısmi Güç Oranı (KGO), tanımlanmıştır. KGO'su yüksek olan çip dalga formunu kullanan YE-KBÇE sisteminin performansının, KGO'su küçük çip dalga formunu kullanan YE-KBÇE'den daha iyi olduğu sonuçlarla gösterilmiştir.Çalışmanın devamı olarak, YE-KBÇE haberleşme sisteminin performansını arttırmak için çeşitlilik teknikleri üzerinde çalışılmıştır. Bu amaçla, sönümlemeli kanallarda olağanüstü performans artışı sağlayan Çoklu Girişli Çoklu Çıkışlı (ÇGÇÇ) kanalları sanal olarak gerçekleştiren işbirlikçi çeşitleme kullanılmıştır. YE-KBÇE haberleşme sistemi üzerinde, Dörtlü Faz Kaydırmalı Anahtarlama (DFKA) modülasyonuna dayalı yeni bir işbirlikçi haberleşme sistemi olan Sanal Gurup KBÇE (SG-KBÇE)'nin yukarı-hat (uplink) sistemi önerilmiş ve performansı analiz edilip değerlendirilmiştir. Bu sistemde, konumsal olarak birbirine yakın olan kullanıcılar işbirliği yaparak birbirlerini senkronize ederler, baz istasyonuyla yaklaşık eşzamanlı iletim kanalları oluştururlar. Sonra sanal guruplar oluşturarak ikili bilgi sembollerini aralarında paylaşırlar. Her bir kullanıcı kendi bilgi sembollerinden ve işbirlikçi kullanıcıların bilgi sembollerinden DFKA sembolleri oluşturur ve baz istasyonuna iletir. Böylece, ÇGÇÇ haberleşme sanal olarak gerçekleştirilmiştir. İlk kez bu çalışmada önerilen SG-KBÇE sisteminin frekansta seçici çokyollu GG yavaş sönümlemeli kanallardaki performans ifadesi elde edilmiş ve geleneksel KBÇE'den performans ve kapasite bakımından üstün olduğu gösterilmiştir. SG-KBÇE sistemi esnekliği, performansı ve verimliliğinden dolayı Dördüncü Nesil (4N) telsiz haberleşme sistemleri için adaydır.SG-KBÇE sisteminde kullanılan iki atlamalı haberleşme, çoklu atlamalı haberleşmenin performansı GG3 kanallarda analiz etme fikrini ilham etmiştir. Çoklu atlamalı haberleşme sisteminde karşımıza çıkan rastgele değişkenlerin harmonik ortalama ifadesinin Laplace Moment Üretim Fonksiyonu (LMÜF) yaklaşıklık kullanılmadan / tam olarak elde edilerek, sistemin performans ifadesi literatürde ilk defa elde edilmiştir. Elde edilen performans ifadesinin özel durumları, literatürde daha önce verilmiş olan özel durumların sonuçları ile karşılaştırılmıştır.Bu tez çalışmasının devamında, haberleşme sistemlerindeki sönümlemeyi daha iyi modelleyebilmek için m-n zarf sönümleme (MNZ4) ve m-n güç sönümleme (MNG4) modelleri, tarafımızca önerilmiştir. Bu model, haberleşme kanallarında karşımıza çıkan sönümlemenin olasılık yoğunluk fonksiyonunun kuyruğunu çok iyi modelleyebilmektedir. Bu özelliği sayesinde, literatürde bulunan Rayleigh, Weibull, Nakagami-m, Gamma ve GG3 gibi bütün sönümleme modelleri MNG4 sönümleme modelinin bir özel hali durumundadır. MNG4 sönümleme modeli 4 parametrelidir. Sahip olduğu 4 parametrenin aldığı değerlere göre özel durumlar gösterilmiştir. Çalışmanın devamında, MNG4 sönümlemeli kanallarda, haberleşme sistemlerinin M-seviyeli modülasyon için performans ifadeleri elde edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, Quasisynchronous Code Division Multiple Access (QS-CDMA) communication system using a maximal ratio combiner (MRC) is studied in most general way over the most general fading channel model known in the literature, frequency selective time non-selective multipath Generalized Gamma (GG3) fading channel. Symbol error rate performance of QS-CDMA is derived not only for any spreading sequence set (random or deterministic), any chip-limited chip waveform but also for any M-ary modulation technique. Numerical and simulation results show that the performance of QS-CDMA is as good as or slightly better than synchronous CDMA (S-CDMA) when the maximum quasisynchronous delays do not need to be less than some specific values depending on the path power scattering. While the synchronization problem in QS-CDMA system is a challenging task for researchers, both the transmitter and receiver complexities are reduced with the flexibility of quasisynchronous delays for the better performance introduced in this study. Lastly, a measure, Partial Power Ratio (PPR), is defined based on the partial autocorrelation functions, to select or design a chip waveform for quasisynchronous communication. Results show that QS-CDMA using the chip waveform whose PPR is greater, has better performance.As a continuation of QS-CDMA work in multipath fading channels, diversity techniques applicable to QS-CDMA are studied in order to increase the system performance. In this regards, cooperative diversity has been exploited as a way of forming virtual Multi Input Multi Output (MIMO) channels that provide extraordinary gains in fading wireless environments. In this work, we develop, analyze and evaluate the uplink performance of a new cooperative scheme, Virtual Group CDMA (VG-CDMA) based on quasisynchronous communications and QPSK modulation. Users cooperatively synchronize themselves and establish quasisynchronous relaying links in a form of virtual group to share binary information symbols. Then, the QPSK modulation symbol constructed from itself and the cooperative user?s binary information symbol is sent to the base station, which enables MIMO system. The uplink performance of the proposed VG-CDMA in frequency selective generalized Gamma slowly fading channels is obtained and it is shown that VG-CDMA is superior to conventional CDMA with respect to performance and capacity. The simplicity of VG-CDMA allows immediate implementation in existing radio hardware and its adoption can provide improved flexibility, performance and efficiency in future 4G wireless systems.Double hop communication encountered in VG-CDMA system has inspired us to analyze the performance of multihop communications in GG3 channels. For this goal, the exact performance of the multihop communication systems is studied over GG3 channels not only for any number of hops but also for any M-ary modulation. Closed-form Laplace moment generation function (LMGF) expressions for the harmonic mean of N independent and not identically distributed generalized Gamma random variables (RVs), which is encountered in the analysis of multihop communications systems, is precisely obtained and presented without using any approximation for the first time in the literature. Some well known special cases are accentuated and compared with the results presented in the literature.As a continuation of this study, in order to model the fading which occurs in communications channels better, m-n envelope fading (MNE4) and m-n power fading (MNP4) models are proposed in this work. These models are capable of better modeling the tail probability properties of the fading distribution. With this capability, all such fading models well known in the literature as Rayleigh, Weibull, Nakagami-m, Gamma and GG3 are the special cases of MNP4 fading model. MNP4 has 4 parameters and according to the values of these parameters, the special cases are introduced. In follow through, the performance expressions of M-ary modulations are obtained for MNP4 fading channels.