Çok kullanıcılı iki yönlü kablosuz röleli ağlarda fırsatçı eş-kaynak seçim metodu
Opportunistic source-pair selection (OSPS) method for multiuser bi-directional wireless relaying networks
Yazar: VOLKAN ÖZDURAN
Danışman: PROF. DR. BEKİR SIDDIK BİNBOĞA YARMAN ; PROF. DR. JOHN M. CIOFFI
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Bu tez sistem içerisindeki diğer kullanıcı çiftlerinden kaynaklı oluşan hücre-içi etkileşim problemi için fırsatçı eş-kaynak seçim (FEKS) metodunu incelemektedir. İnceleme çok kullanıcılı yükselt-ve-gönder (YG) tabanlı iki yönlü kablosuz röleli ağ sistem modelini kullanmaktadır. FEKS stratejisi her bir zaman aralığında maksimum toplam kapasiteye sahip uygun kullanıcı çiftinin seçilmesine dayanmaktadır. Analitik, asimptotik ve Monte-Carlo benzetim sonuçlarına göre FEKS stratejisi, hücre-içi etkileşim problemine optimuma yakın çözüm sağlamasının yanı sıra kullanıcı çifti sayısı arttırıldığı taktirde herbir zaman aralığında maksimum kullanıcı çifti seçimi yüksek sinyal-gürültü oranı (SGO) bölgesinde çeşitlilik ölçütü oluşturmaktadır. Buna ek olarak, toplam kapasite tabanlı kullanıcı çifti seçim metodu, aynı anda iletim (AAİ) modeli ve maksimum-minimum (MM) tabanlı kullanıcı çifti seçim metoduna göre daha üstün performans sergilemektedir.
  
 Çalışmanın devamında, kanal durum bilgisinin geri bildirim gecikmesinden (GBG) ve kanal kestiriminden kaynaklı oluşan hatadan (KKH) dolayı mükemmel olmamasının AAİ modeli ve FEKS metodu üzerine etkileri incelenmiştir. Analitik, asimptotik ve Monte-Carlo benzetim sonuçlarına göre GBG, başarılabilir çeşitlilik ölçütü değerini N'den 0 değerine düşürürken kodlama kazancında da kayıplara sebep olmaktadır. Sonuçlar aynı zamanda, KKH durumunun başarılabilir çeşitlilik ölçütü üzerinde herhangi bir etkisi olmadığını fakat düşük SGO bölgesinde kodlama kazancında kayıpların oluşmasına sebep olduğunu göstermektedir. Ayrıca, KKH'nın sistem kodlama kazancı üzerine etkileri yüksek SGO bölgesinde ihmal edilecek düzeylere gelmektedir. Buna ek olarak, GBG ve KKH durumlarında FEKS metodu MM tabanlı kullanıcı çifti seçimine göre böyle bir sistem modelinde daha iyi başarım sağlamaktadır.
 
 Tezin ilerleyen bölümünde, çalışmalar dış kaynaklı istasyonlardan kaynaklı eş-kanal etkileşimlerin AAİ modeli ve FEKS metodu üzerine olabilecek etkilerin belirlenmesine yönelik ilerletilmiştir. İncelemede çok kullanıcılı tek röleli ve sonlu sayıda dış kaynaklı etkileşimin olduğu sistem modeli kullanılmıştır. Analitik, asimptotik ve Monte-Carlo benzetim sonuçlarına göre dış kaynaklı etkileşimler, başarılabilir çeşitlilik ölçütü değerini N'den 0 değerine düşürürken sistem kodlama kazancında da kayıplar oluşturmaktadır. Dış kaynaklı istasyonların farklı iletim güçlerine sahip olduğu ve röle istasyonuna kullanıcı çiftlerine etkiyenden daha fazla iletim gücüne sahip bir etkileşim olduğu durumda daha iyi sonuç vermektedir.  
  
 Tezin son kısmında, aynı seçim fikri çok kullanıcılı ve çoklu YG tabanlı iki yönlü kablosuz röleli sistem modeline uygulanmıştır. Fırsatçı ortak eş-kaynak ve röle seçim (FOEKRS) metodu, N aday kullanıcı çifti ve M röle içerisinden maksimum toplam kapasiteye sahip uygun kullanıcı çifti ve ilgili röle istasyonunu seçmektedir.  Analitik, asimptotik ve Monte-Carlo benzetim sonuçlarına göre ortak seçim stratejisi, hücre-içi etkileşim problemine optimuma yakın çözüm bulmasının yanısıra yüksek SGO bölgesinde çok kullanıcılı ve işbirlikçi çeşitlilik oluşturmaktadır. Buna ek olarak toplam kapasite tabanlı FOEKRS metodu MM tabanlı kullanıcı çifti ve röle seçimine göre daha iyi performans sergilemektedir.

Abstract:
This thesis investigates the opportunistic source-pair selection (OSPS) strategy for the inter-cell interference (ICI) challenge that is caused by the other user-pairs in the system model. The investigation considers multiuser and single non-regenerative amplify-and-forward (AF) based bi-directional wireless relaying networks. The method relies upon selection of the appropriate source-pair node among N available source-pair nodes based on each source pairs maximum sum-capacity. According to analytical, asymptotic and Monte-Carlo simulation results the OSPS strategy, besides achieving the near optimal solution for the ICI challenge, and if the number of the user pair increases, also achieves diversity order by selecting the maximum sum-capacity user-pair in each time slot in high signal-to-noise ratio (SNR) regimes. Moreover, the sum-capacity based user-pair selection method outperforms the simultaneous transmission model and the maximum-minimum (MM) based user-pair selection method in such a system model.       

In following study, the impacts of imperfect channel state information (CSI), that is caused by the feedback delay (FD) with time-variant channels and also by the channel estimation errors (CEE) are investigated over the simultaneous transmission and the OSPS strategy. According to analytical, asymptotic and Monte-Carlo simulation results the FD, degrades the achievable diversity order from N to 0 while affecting coding gain. The results also show that CEE case does not affect the achievable diversity order but it does affect the system coding gain in low SNR regimes. Moreover, CEE effects upon system coding gain become negligible levels in high SNR regimes. In addition to this, the OSPS strategy outperforms the MM based user-pair selection method in both FD and CEE cases in such a system model.

In the following part of the thesis, studies are extend to investigate the impacts of the external co-channel interference (CCI), that is caused by the external terminals over the OSPS strategy and simultaneous transmission models. The investigation considers multi user and single bi-directional relay and finite number of the external terminals in the system model. According to analytical, asymptotic and Monte-Carlo simulation results the external terminal interference, degrades the achievable diversity order from N to 0 while also affect the system coding gain. In the case that, external terminals have non-identical transmit powers and if the relay terminal interfered with more transmit power in comparison to user-pairs interfered give better performance values.

In the last part of the thesis, same selection idea is applied to multiuser pair and multiple bi-directional, non-regenerative, AF based wireless relaying system model. The opportunistic joint source-pair and relay selection (OJSPRS) strategy selects the appropriate user-pair and relay terminal among N candidate user-pairs and M available relays based on the maximum sum-capacity of each user-pair and related relay terminal. According to the analytical, asymptotic and Monte-Carlo simulation results this joint-selection strategy, besides achieving near-optimal solution for the ICI challenge, also achieves multiuser and cooperative diversity order in high SNR regimes. Moreover, the OJSPRS strategy outperforms the MM based user-pair and relay terminal selection method in such a system model.