Kuantalanmış ön-kodlayıcının işbirlikli çeşitlemeye uygulanması
Applying quantized precoders to cooperative diversity systems
Yazar: EBRU SİNEM TOKER
Danışman: PROF. DR. MEHMET ERTUĞRUL ÇELEBİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Günümüzde kablosuz iletişim sistemleri için talep artmakta ve bu da kablosuz ağlarda önemli gelişmeleri ve kablosuz uygulamalarda önemli çeşitlilikleri beraberinde getirmektedir. Kablosuz donanım ve servisler çok hızlı gelişmekte ve sistem tasarımcıları kanal ortamını ve çok-kullanıcılı haberleşmeyi daha iyi kavradıkça sistem ucuzlamaktadır. Buna ek olarak, integre devrelerde ve radyo-frekans haberleşmesindeki teknolojik ilerlemeler, daha karmaşık işaret işleme ve kanal kodlama algoritmalarının kullanımına imkan sağlamaktadır. Günümüzde yaygın olarak kullanılan ve artık yetersiz kalan uçtan-uca (point-to-point) ağların röleli ve işbirlikli sistemlerle desteklenmesi ve bu sistemlerin kalitesinin arttırılması üzerine çalışılması haberleşme sektörünü rahatlatacak ve servis kalitesinin artmasını sağlayacaktır.Kablosuz kanallarda iletim; girişim, sönümleme, çok yolluluk, yol kaybı ve gölgeleme gibi birçok faktöre bağlıdır. Bu etkilerinden korunmanın en önemli yolu sistemde çeşitlemeyi sağlamak, yani kaynak ve hedef arasında birbirinden bağımsız çoklu sönümleme yolları oluşturmaktır.Birimlerde çok alıcı veya çok verici anten kullanan uzay çeşitlemesi son yıllarda en çok ilgi gören çeşitleme yöntemlerinden biridir. Bu çeşitlemenin mümkün ve pratik olmadığı durumlar için işbirlikli çeşitleme adı verilen ve tek anten bulunduran birimlerin birbirlerinin antenlerini paylaşarak sanal çok girişli-çok çıkışlı (MIMO) bir sistem yarattıkları yöntem geliştirilmiştir. Bu sistemlerde kaynak kullanıcının hedef birime iletimine yardım eden kullanıcıya röle adı verilmektedir ve bir terminalin işaretinin röle sayesinde farklı bir sönümleme yolundan da iletilmesi ile uzay çeşitlemesi sağlanmaktadır.Vericide kanal durum bilgisi kullanılırsa, iletilen işaret daha yüksek link kapasitesi ve verim sağlamak üzere şekillendirilebilir ve en önemlisi sistemde kolayca çeşitleme arttırımı sağlanabilir. Vericideki kanal bilgisinin vericiden gönderilen işaretlerin ağırlıklandırılması için kullanılıp işaretlerin kanala daha uyumlu bir şekilde gönderilmesi işlemine hüzme oluşturma (beamforming) denir. Bu işlem tam kanal bilgisini gerektirdiği için pratik değildir. Bu nedenle alıcıdaki kanal durum bilgisi vericiye genelde kuantalanarak, sınırlı hızdaki geribesleme kanalı üzerinden yollanır.MIMO sistemlerde, işaret gürültü oranını'ı arttırmak, kapasiteyi arttırmak veya servis kesilme olasılığını azaltmak gibi amaçlarla çeşitli bozulum ölçütleri önerilmiş ve bu ölçütlere göre verici-alıcı arasındaki kanal matrisi farklı kuantalama teknikleri ile kuantalanmış ve geribesleme ile verici tarafa ulaştırılmıştır.Bu tez çalışmasında, MIMO sistemlerde çeşitlemenin arttırılmasından yola çıkarak işbirlikli iletişimde yükselt-ilet (AF) ve çöz-ilet (DF) yöntemleri için çeşitlemeyi eniyileyecek hüzme oluşturma katsayıları (röle ön-kodlayıcıları) belirlenmiş ve önerilen çeşitli röle seçme ve iptal etme algoritmaları bilgisayar benzetimleri ile incelenmiştir. Bu algoritmaların her iki yönteme katkıları tartışılmıştır.Karşılaştırma amacıyla literatürde var olan bir röle seçme algoritması, çok giriş-tek çıkışlı bir sistem ve rölelerden eşit güçle iletim yapan bir sistemin de benzetimleri yapılmıştır. AF için röle seçme kriterlerine göre karar verilen en kötü röleyi iptal etmek veya en iyi röleyi seçmek iyi başarım getirmezken, hüzme oluşturma yöntemiyle röleler arasında güç paylaşımı yapmak önerilen sistemler arasında en iyi başarımı sağlamaktadır. DF'de ise AF'nin aksine kötü röle veya röleleri iptal etmek iyi başarımlar sağlamaktadır. Her iki yöntemde de bit hata olasılığı bazında ?Bletsas Algoritması? na [36] üstünlük sağlanmıştır.Uygulanan hüzme oluşturma ile AF yönteminde sistemde tam çeşitleme derecesine ulaşılırken, DF yönteminde rölelerde meydana gelen çözme hataları dolayısıyla tam çeşitleme derecesi görülememektedir.Ek olarak, kaynak-röle ve röle-hedef kanalı önerilen yöntemle kuantalanarak kanal sönümleme katsayılarının genlik ve faz bilgileri çeşitli sayıda bit ile sınırlı geribesleme kanalı üzerinden rölelere gönderilmiştir. Rölelerdeki bu kısmi (kuantalanmış) bilgilere göre çeşitlemeyi eniyilemek üzere önerilen hüzme oluşturma katsayıları düzenlenmiş, AF ve DF yöntemlerini kullanan röleli sistemin başarım sonuçları elde edilmiş ve mükemmel kanal bilgisi durumu ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca kaynak-röle kanalının işaret-gürültü oranı (SNR), hedefteki SNR'dan farklı olduğu durumlar için de benzetimler çeşitlenmiştir. Sonuç olarak AF ve DF yöntemlerinin her ikisinde de kanal sönümleme katsayısının faz bilgisinin genlik bilgisine göre başarıma etkisinin daha önemli olduğu görülmüştür.

Abstract:
As demand for wireless communication systems increase and significant improvements in wireless networks are realized, the range of wireless applications expands. Wireless hardware and services develop rapidly and systems get economical as the communication channel settings and multi-user communication are well understood. Additionally, technologic advancements at integrated circuits and radio-frequency communication alleviates the use of more complex signal processing and channel coding algorithms. Point-to-point networks that was widespreadly used, but are inadequate nowadays, should be assisted by relayed and cooperative systems so to increase quality. In this way, communication firms get better in providing quality of service.Transmission in wireless channels are mostly affected by the factors like interference, fading, multipath, path loss and shadowing. The most important tool to avoid these effects is to provide diversity by creating independent multiple fading paths between source and destination.Space diversity utilizing multiple antennas at the transmitters or receivers is one of the popular diversity methods in recent years. For the case where this diversity method is not feasible and practical, cooperative diversity methods in which terminals having one antenna sharing each others? antenna and, thus, creating virtual multiple input-multiple output (MIMO) systems are proposed. At these systems, the user that helps the source terminal transmitting to the destination terminal is called relay. Transmittig a terminal?s signal from a different fading path by the relay provides space diversity.Using channel state information at the transmitter, transmitted signal can be made to provide higher link capacity, efficiency and diversity of the system. The process of weigthing the transmitted signals to make them better-matched to the channel using the channel state information at the transmitter is known as beamforming. This process may not be practical for perfect channel knowledge. Thus, the channel state information at the receiver is generally quantized and fed back to the transmitter via a limited rate feedback channel.Various distortion metrics for the purpose of increasing signal to noise ratio, increasing channel capacity or decreasing outage probability are proposed for MIMO systems. According to these metrics, the channel matrix between transmitter and receiver is quantized resulting different quantizing methods.In this thesis, for the purpose of increasing diversity at MIMO systems, beamforming coefficients (relay precoder) providing optimum diversity order for the amplify-forward (AF) and decode-forward (DF) methods in cooperative systems are proposed. Utilizing these coefficients, the algorithms used to select or cancel relays are tested by computer simulations. The contributions of these algorithms to both methods are discussed.For comparisons, a relay selection algorithm previously developed, a multiple input-single output system performing beamforming and a system where the relays transmit with equal power are used as benchmarks. For the AF method, making hard decisions, namely, canceling the worst or selecting the best relay according to proposed relay selection criteria does not give desirable results. Better performance is obtained by soft assignment of power, or beamforming. In contrast, canceling worst relay(s) yields better performance for DF method. In both cases, better performance in bit-error rate is obtained compared to "Bletsas Algorithm" [36].While the beamforming scheme for AF results in roughly full diversity order, the scheme for DF cannot achieve full diversity order because of its dependence to the decoding errors made at the relays.Moreover, source-relay and relay-destination channel is quantized according to the proposed criterion and the amplitude and phase information of channel fading coefficients are fed back to the relays in different number of bits. Beamforming coefficients aimed to increase diversity are formed according to these partial (quantized) information at the relays and the performances of AF and DF methods are observed and compared to full (perfect) information case. More simulations are carried out considering the cases that the source-relay channel SNR is different from relay-destination channel SNR. In conclution, phase information of the channel coefficients appear to be more crucial than amplitude information for both AF and DF methods.